Problématique

La revue de littérature illustre bien le grand impact que les conditions dans lesquelles la combustion se déroule ont sur la vitesse laminaire et sur la stabilité de la flamme. Afin de maximiser le rendement de la combustion, il est nécessaire que les systèmes de combustion soient conçus pour optimiser chaque situation spécifique.

Néanmoins, la revue de littérature montre qu’il existe une grande disparité dans les résultats expérimentaux de Su0_{, surtout près de la vitesse maximale ou lorsque la température dépasse} 500 K. De plus, peu de données expérimentales sont disponibles pour caractériser l’impact de la concentration en CO2, qui atteint pourtant des niveaux non négligeables dans le syngas

(voir Figure 1.3). Le nombre d’articles étudiant l’impact du CH4 sur la vitesse laminaire de

flamme du syngas est encore plus faible, même si le syngas est souvent brûlé conjointement avec du CH4 (Molière, 2002). Des cinétiques chimiques ont été créées pour prédire les

vitesses de flamme, mais en l’absence d’un consensus sur les vitesses réellement atteintes par la flamme, leurs résultats demeurent sujets à caution. Afin d’aider les cinéticiens à améliorer leurs cinétiques, il est nécessaire d’identifier à quel moment les cinétiques commencent à diverger des résultats expérimentaux en acquérant de nouvelles données à des pas de richesses et de températures plus petits. De plus, la littérature montre que les vitesses de flamme atteintes par le syngas varient énormément en fonction de la composition du carburant et de la richesse. Il est donc très difficile de prédire, a priori, quelle sera la vitesse de flamme d’un carburant spécifique à une condition donnée sans recourir à des calculs de cinétique chimique, ce qui requiert du temps et des outils informatiques. Il est néanmoins utile de connaître la vitesse de flamme laminaire d’un carburant avant de commencer la conception, car elle influence le choix des injecteurs et dicte les caractéristiques de l’écoulement dans la chambre à combustion.

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Toutefois, de meilleures capacités de prédiction de Su0 _{ne sont utiles que si la flamme} demeure laminaire. Or, la littérature montre que dans certaines situations, des instabilités de nature cellulaire se développent sur le front de flamme lorsque celui-ci dépasse son rayon critique. Le front ne peut alors rester dans le régime laminaire et la vitesse de flamme augmente. Il est nécessaire pour la conception des chambres à combustion de savoir dans quelles conditions ces instabilités se développent, la distance que peut franchir la flamme avant de devenir instable et quelle augmentation de vitesse est générée par ces instabilités afin d’adapter la conception prévue pour une combustion laminaire.

Les études théoriques ou expérimentales sur la cellularité mentionnent toutes que le nombre de Lewis est un facteur déterminant pour distinguer un front de flamme stable d’un front instable. En effet, un Le inférieur à la valeur critique Le* _{implique que la flamme sera} instable dès le départ. Au contraire, la flamme gagne en stabilité quand Le > Le*_{. Le calcul du}

Le est clair et direct pour un mélange air-carburant contenant un combustible unique.

Toutefois, le calcul se complexifie dans un carburant comprenant plusieurs combustibles puisque les propriétés de diffusion de chacun des combustibles doivent être prises en compte. Il n’y a présentement pas de consensus sur la façon de procéder. Trois règles de mélange coexistent dans la littérature afin de calculer le nombre de Lewis d’un carburant comprenant plusieurs combustibles (Bouvet, Halter, Chauveau et Yoon, 2013). Addabbo et al. (2002) recommandent en plus de coupler le Le du carburant à celui de l’oxygène. Finalement, certains auteurs utilisent la diffusion massique binaire (avec N2 comme espèce dominante),

tandis que d’autres favorisent la diffusion multiespèces.

Bouvet et al. (2013) ont réalisé une étude expérimentale afin de déterminer la meilleure approche à utiliser sur des mélanges pauvres (richesses de 0,6 et 0,8) de H2/CO, H2/CH4,

H2/C3H8, et H2/C8H18. Toutefois, ils ont identifié une règle de mélange qualitativement

précise uniquement pour les carburants H2/alcanes. De plus, ils rejettent la méthode de

couplage O2-carburant qui a été développée plus particulièrement pour les mélanges près de

la stœchiométrie même s’ils n’ont pas étudié cette plage de richesse. Finalement, ils utilisaient la diffusion massique binaire, qui est probablement moins précise pour les

carburants contenant du H2 et/ou du CO puisque ceux-ci possèdent des ratios volumiques

air/carburant plus faibles que les hydrocarbures, ce qui rend la concentration en N2 est

moins dominante.

Bref, comme le syngas est un carburant comprenant plusieurs combustibles, la bonne méthodologie de calcul pour déterminer Le doit être identifiée avant de procéder à l’étude sur la cellularité. Cette méthodologie permettra d’analyser correctement l’impact du Le sur Rcr lorsque la composition du carburant change.

Bien qu’il existe un certain nombre d’études ayant rapporté des valeurs de Rcr pour un ensemble de conditions expérimentales, la revue de littérature montre que des travaux complémentaires sont nécessaires afin de bien comprendre le phénomène. En effet, la littérature ne rapporte pas de méthode empirique permettant de prédire à quel moment les cellules feront leur apparition. Il existe bien une méthode théorique (Addabbo et al., 2002; Bradley et Harper, 1994; Bradley, 1999), mais les quelques études comparant les prédictions aux résultats expérimentaux ont montré que la théorie surestime généralement les résultats.

Les rares études sur la stabilité des carburants H2/CO/(diluants ou CH4) sont pour la plupart

issues du même groupe de recherche. Elles concluent, sur la base d’observations qualitatives et sans préciser leurs critères, que l’ajout de CO2 ou de CH4 a peu d’effet sur la stabilité.

Pourtant, le critère quantitatif bien défini, le rayon critique, augmente, indiquant ainsi une hausse de la stabilité. De plus, les résultats de certaines études montrent que l’apparition de la cellularité pouvait être retardée (hausse du rayon critique) même si l’évolution de l’épaisseur de flamme et du ratio d’expansion thermique va dans le sens d’une augmentation des instabilités hydrodynamiques. Cependant, puisque le nombre de Lewis augmentait, ces auteurs concluent que les instabilités thermodiffusives et hydrodynamiques sont en

compétition (Sun et al., 2012; Tang, Huang, Wang et Zheng, 2009; Vu et al., 2011a) et que la

stabilité augmente quand la hausse des instabilités hydrodynamiques est plus faible que la baisse des instabilités thermodiffusives. Malheureusement, dans ce type d’analyse, les auteurs ne font que comparer les images de différents carburants à un rayon donné, et ils ne

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mentionnent pas le Rcr de leurs carburants. De nouvelles mesures de Rcr sont nécessaires afin d’augmenter notre compréhension du rôle de Le et lf sur l’apparition de cellules. Ces mesures permettront aussi de quantifier l’intensité de l’autoaccélération des flammes et d’étudier le rôle de chacun des mécanismes d’instabilité sur l’autoaccélération.