Les caractéristiques du prémélange (Φ0 = 0,6) obtenues en sortie de la soufflerie dans des conditions isothermes sont détaillées en annexe B.1. La flamme oblique laminaire de prémé-lange est stabilisée en aval d’un barreau de 2 mm de diamètre. Le processus de stabilisation est un phénomène complexe qui a été étudié notamment par Escudié [105] et François [102]. Les principales caractéristiques de la flamme homogène sont présentées dans cette partie.
5.2.1 La topologie de la flamme oblique homogène
La Figure 5.6 présente la topologie de la flamme laminaire prémélangée air/méthane. La visualisation directe montre deux fronts présentant une couleur bleue caractéristique de l’émission du radical CH* (à la longueur d’onde de 431 nm environ [106]). La tomographie encens (cf. annexe A.1) illustre bien la topologie classique de la flamme oblique laminaire homogène.
Figure 5.6 – Visualisation directe, tomographie encens et image moyenne après seuillage de la flamme oblique homogène
Dans le cas d’un Front de Flamme (FF) de faible épaisseur, l’hypothèse que l’isotherme de disparition de l’encens est représentative de sa position et de sa topologie, donne accès à de nombreuses informations. Avant d’évaluer l’épaisseur du FF, il faut rappeler que plusieurs méthodes permettent de calculer cette échelle [92]. Il est bien connu qu’entre les approches théoriques et expérimentales il peut y avoir un ratio proche de 10. L’application de l’équation (5.2) donne δL = 0,25 mm et celle mesurée expérimentalement à partir du gradient de tem-pérature maximum est de 2,7 mm [47]. Nous avons décidé de retenir la valeur expérimentale, comme dans cette précédente étude.
La dernière image de la Figure 5.6 présente une moyenne temporelle réalisée sur 200 tomographies seuillées. Les zones grisées, qui apparaissent alors entre celles des gaz frais (blanche) et brûlés (noire), représentent les positions où le FF peut être rencontré. Cette zone reste quasi rectiligne et relativement fine, ce qui montre que l’angle de la flamme oblique varie peu au cours du temps. Les deux FF sont symétriques et présentent un angle θ ≈ 4◦ par rapport à la verticale.
5.2 De la flamme oblique laminaire homogène aux deux types d’état d’interaction
5.2.2 Champ aérodynamique et propagation de la flamme homogène
Les modifications induites par la présence de l’écoulement réactif sur le champ aérodyna-mique initial ont été essentiellement étudiées par PIV (annexeA.2.2). Du fait de la disparition des particules dans les gaz brûlés, un masque dynamique a été utilisé lors du traitement des doublés d’images. Les résultats obtenus par ce procédé pour les vitesses moyennes axiale et transversale sont présentés sur la Figure5.7pour différentes distances à l’aval de l’accroche-flamme et dans le repère RV.
(a) Vitesse axiale (b) Vitesse transversale
Figure 5.7 – Profils des composantes de la vitesse moyenne de l’écoulement dans les gaz frais en présence de la flamme libre
Une des propriétés du front oblique est la présence de vitesses transversales non nulles qui traduisent une déviation des filets fluides en amont du front dans le sens d’un éloignement de la zone réactionnelle. Cette déflection, engendrée principalement par le gradient de masse volumique [107], est importante à considérer à deux titres.
1/ Elle a une influence sur l’estimation de la vitesse de propagation du FF oblique laminaire qui dépend de l’angle θ. Dans le cas d’un front stabilisé, sa vitesse s’équilibre avec la composante de la vitesse de l’écoulement normale au front (Figure5.8). En considérant la déviation maximale des filets fluidesvgmax= 0,25 m.s−1dans les gaz frais à l’approche du FF et ug = 5,2 m.s−1, la vitesse de propagation peut être évaluée par l’application de l’équation (5.6) [102]. Dans les conditions expérimentales retenues, SL est égale à 0,1 m.s−1, valeur cohérente avec les données de la littérature [52].
SL= V~g
sin(θ − θdev) où,
θdev= arctan(vg/ug) et V~g = q (ug)2+ (vg)2 (5.6)
Figure 5.8 – Illustration de la déviation de l’écoulement ascendant à l’approche du front de flamme et de son effet sur le calcul de la vitesse de propagation
2/ Elle joue un rôle sur l’interaction front de flamme/paroi, car elle est susceptible de modifier les caractéristiques aérodynamiques de la couche limite et son développement, comme cela a été mis en évidence dans le cadre de l’étude de Tayebi et al. [108]. Dans cette configuration géométrique comparable à la nôtre, une limitation de l’expansion transversale de la couche limite et une diminution des fluctuations internes ont été observées expérimentalement par rapport au cas non réactif.
Cet effet sur la couche limite est fonction de la position du FF par rapport à la paroi. Ainsi, pour chaque distance d entre le centre du barreau de stabilisation et la plaque, l’interaction obtenue sera différente et on parlera alors d’"état d’interaction".
5.2.3 La position de la flamme et les deux types d’état d’interaction en configuration d’évaporation (C-1)
Le dispositif expérimental réalisé permet de modifier la position de la flamme oblique par rapport au système paroi/liquide avec l’ajustement du paramètre d, grâce au déplacement du barreau de stabilisation. Dans la configuration d’évaporation (C-1), où le film liquide s’écoule le long de la paroi à partir du poreux, une analogie des profils de concentration et de vitesse a été mise en évidence dans le cas non réactif (cf. chapitre 4).
Dans cette configuration d’évaporation illustrée sur la Figure 5.9, deux types d’état d’interaction différents peuvent être obtenus. Ils dépendent de la comparaison de d0 (distance entre la paroi et le FF) avec l’épaisseur de la couche limite δCL. Par rapport à l’approche simplifiée de l’interaction frontale considérée jusqu’à présent (cf. section 5.1.2), le temps et l’espace peuvent être distingués, car la flamme est stabilisée sur un barreau.
(I-L) L’Interaction Lointaine est obtenue quand la flamme oblique n’est pas encore di-rectement influencée par la présence du film liquide. Elle correspond donc à la phase d’interaction (I-1) et l’étude du comportement et de l’évaporation du film permet d’éva-luer l’effet de la présence du FF à distance (ou de l’émission radiative de la flamme) par comparaison au cas non réactif. Le flux net échangé avec le système paroi/liquide évolue avec la distance d0, les caractéristiques du film, celles de la flamme, de la paroi, etc. Dans ce type d’état d’interaction, il est important d’identifier les mécanismes de transfert thermique prépondérants sur le comportement et l’évaporation du film liquide en fonction de d0 (cf. section 5.3).
5.2 De la flamme oblique laminaire homogène aux deux types d’état d’interaction
Figure 5.9 – Illustration des deux types d’état d’interaction (I-L) et (I-P) obtenus avec le dispositif en présence du film liquide qui s’écoule le long de la paroi à partir du poreux -configuration d’évaporation (C-1)
(I-P) L’Interaction Proche est obtenue quand on déplace le FF vers la paroi jusqu’à obtenir
d0 < δCL(d0) fonction de d0, car les caractéristiques de la couche limite sont susceptibles d’évoluer avec cette distance. Le FF est alors influencé par l’évaporation du film (I-2). Avec le dispositif expérimental actuel, la couche limite aérodynamique est turbulente dans le cas non réactif. C’est pourquoi, lorsque la phase (I-2) est rencontrée, la topologie du FF évolue sous l’influence combinée de l’aérodynamique et des inhomogénéités de richesse. De plus, selon le niveau de richesse rencontré, deux comportements différents apparaissent. Ils sont différentiés par l’iso-richesse ΦG= 1 et ont été présentés dans une approche simplifiée (voir Figure5.4et commentaires). Il est également envisageable de rencontrer la phase d’extinction (I-3) en présence d’une forte richesse. Les deux phases d’interaction (I-2) et (I-3) pourront donc être impliquées simultanément dans ce type d’état d’interaction qui sera développé dans la section 5.4.
Pour éviter toute confusion, il est rappelé que d’autres configurations d’évaporation ont été introduites dans la section 2.3.2 : (C-2) avec du liquide combustible exclusivement au niveau du poreux et (C-3) pour laquelle un dépôt de liquide s’étale partiellement sur la paroi.
En conclusion, les principales propriétés de la flamme oblique prémélangée ont été pré-sentées. Les deux types d’état d’interaction en configuration d’évaporation (C-1) qu’il est possible d’obtenir avec le dispositif réalisé, ont été introduits. La démarche va maintenant consister à poursuivre l’étude graduelle de l’interaction, depuis celle lointaine (I-L), jusqu’à la description quantitative d’états d’interaction de type (I-P) dans la dernière partie.