Résultats et discussions pour l’  -pinène

Figure III.26. Vitesses fondamentales de flamme en fonction de la richesse pour différentes températures de mélange -pinène/air. Symboles : résultats

expérimentaux, lignes continues : corrélations.

Comme évoqué ci-avant, la vitesse fondamentale de flamme est une caractéristique fondamentale de combustion nécessaire aussi bien pour caractériser les flammes laminaires de prémélange que celles turbulentes. Leurs déterminations mènent ainsi à une meilleure compréhension du processus de combustion des COV impliqués dans les feux de forêts et possiblement impliqués dans les feux de forêts accélérés. Nous allons ici annoncer les vitesses fondamentales de flamme du composé majoritairement émis par Rosmarinus officinalis, à savoir l’-pinène, pour différentes températures initiales simulant l’effet sur les plantes d’un feu approchant. Les caractéristiques de combustion de l’-pinène ont été publiées dans les Actes du 5^th European Combustion

Meeting (Courty et al. 2011a) ainsi que dans Combustion and Flame (Courty et al.

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Ces vitesses peuvent être estimées grâce à des corrélations en forme de loi de puissance, en fonction de la température et de la richesse. Le terme mettant en jeu la température est basé sur la corrélation de Metghalchi et Keck (1982), auquel est ajouté un terme dépendant de la richesse. La forme finale de l’expression de la corrélation donnant les vitesses fondamentales de flamme en fonction de la température et de la richesse a la forme suivante :

 



   



s est la vitesse fondamentale de flamme à un point de référence ( 1 et ref

353 K u

T  ) donnée en centimètres par seconde,  _{est la richesse du mélange,} T est _u

la température initiale des gaz frais en K et a₁, a₂ et  sont des constantes. Notons que des corrélations ayant exactement la même forme seront développées pour les trois carburants, seules les trois constantes, caractéristiques du COV étudié, diffèreront.

Les coefficients des courbes représentant le mieux les points expérimentaux ont été obtenus par la méthode des moindres carrés. Cette méthode repose sur le fait que la courbe qui approxime le mieux une plage de données est la courbe pour laquelle la somme des écarts au carré entre les données et la courbe est minimale. L’algorithme d’optimisation utilisée pour minimiser cette somme est un algorithme génétique (Goldberg, 1989). Ces algorithmes utilisent la notion de sélection naturelle ; la solution est approchée par « bonds » successifs. Le Tableau III.1 donne les résultats de cette optimisation en présentant les valeurs de ces trois coefficients.

Coefficient a ₁ a ₂ 

Valeur 0,17 2, 59 1, 78

Tableau III.1. Constantes de la corrélation en loi de puissance donnant la vitesse fondamentale de flamme de l’-pinène.

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La Figure III.26 présente les vitesses fondamentales de flamme de mélanges  -pinène/air en fonction de la richesse et pour différentes températures initiales. Les corrélations en forme de loi de puissance sont aussi représentées. On voit sur cette Figure que les vitesses fondamentales de flamme évoluent en forme de cloche en fonction de la richesse, avec un maximum à  1,1. Ces vitesses augmentent avec la température, les maximales vont de 42,4 à 66,2 cm/s entre 353 et 453 K. La même tendance a été observée par Murat Altay et al. (2009) pour des mélanges propane/hydrogène à 300 et 500 K. Cette Figure met aussi en valeur le fait que la corrélation (III.24) est une bonne approximation des résultats expérimentaux de l’ -pinène pour différentes températures initiales. Le coefficient de détermination obtenu est en effet de R² 0,9968.

Peu de travaux de recherche (Purushothaman and Nagarajan 2009, Tracy et al. 2009) portent sur la combustion des COVs et il n’existe dans la littérature aucune étude sur les vitesses fondamentales de flamme de l’-pinène. Cette remarque est aussi valable pour le limonène et le p-cymène. Les valeurs obtenues seront donc comparées à celles du JP-10 et du n-décane. Le JP-10 (Jet Propellant) est un isomère de l’-pinène (Bruno et al. 2006), ces molécules ont la même formule brute. Parsinejad et al. (2006) donnent des valeurs expérimentales des vitesses laminaires de mélanges JP-10/air entre 1 et 55 atm et pour une gamme de température allant de 450 à 700 K. Il existe également un mécanisme cinétique détaillé de ce composé, appelé mécanisme de San

Diego (Seiser et al. 2010, UCSD 2010) qui nous permettra de faire des simulations avec

le code de calcul PREMIX. Le n-décane (C₁₀H₂₂) est une molécule proche de celles auxquelles nous nous intéressons en raison du fait qu’elle possède également dix atomes de carbone. Kumar et Sung (2007) donnent des valeurs expérimentales des vitesses fondamentales de flamme de mélanges n-décane/air à 400 K et 470 K ainsi que Singh et al. (2010) à 400 K. Il existe également un mécanisme cinétique détaillé de cette molécule (Honnet et al. 2009) qui nous permettra de comparer nos valeurs expérimentales à des valeurs du n-décane simulées avec le code PREMIX. D’autres mécanismes, tels celui de You et al. (2009), sont disponibles mais Singh et al. (2010) ont montré que les résultats expérimentaux étaient mieux prédits par celui de Honnet et al. (2009) et c’est donc ce dernier que nous utiliserons dans nos simulations. Des

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simulations à différentes richesses sont donc faites pour le n-décane à 398 et 453 K, ainsi que pour le JP-10 avec le mécanisme de San Diego.

Figure III.27. Vitesses fondamentales de flamme en fonction de la richesse : résultats expérimentaux de l’-pinène à 398 K comparés à ceux du n-décane à 400 K (Kumar et

Sung 2007 ainsi que Singh et al. 2010), également comparés aux valeurs simulées du JP-10 et du n-décane à 398 K.

La Figure III.27 compare les valeurs mesurées de l’-pinène à 398 K à celles simulées du JP-10 et du n-décane à la même température, ainsi qu’aux résultats expérimentaux du n-décane à 400 K. Cette Figure nous montre clairement que les valeurs mesurées de l’-pinène sont très proches des valeurs expérimentales du n-décane (Singh et al. 2010) pour des mélanges pauvres. Elles sont aussi très proches des valeurs simulées du JP-10 et du n-décane, respectivement à  0, 7 et

1; 1,1 et 1, 2

  . Remarquons aussi que nos mesures sont en bon accord avec celles de Kumar and Sung (2007) pour la seule richesse 0,7. L’important écart entre les résultats expérimentaux de Singh et al. (2010) et de Kumar and Sung (2007) pour la plupart des richesses peut être expliqué par les différents dispositifs expérimentaux utilisés,

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respectivement une bombe sphérique et une configuration de flamme à contre-courant. Remarquons aussi que les valeurs expérimentales du n-décane de Kumar and Sung (2007) sont très proches des valeurs simulées du JP-10 entre les richesses 0,7 et 1,2

Figure III.28. Vitesses fondamentales de flamme en fonction de la richesse : résultats expérimentaux de l’-pinène à 453 K comparés à ceux du JP-10 (Parsinejad et al. 2006)

à 450 K, à ceux du n-décane (Kumar Sung 2007) à 470 K ainsi qu’aux valeurs numériques du JP-10 et du n-décane à 453 K.

Afin de mieux situer nos résultats parmi ceux de la littérature, une comparaison à une autre température est présentée. Nos résultats expérimentaux sont confrontés à des résultats expérimentaux de molécules proches à des températures voisines ainsi qu’à des valeurs issues de simulations avec le code PREMIX. La Figure III.28 illustre cette comparaison pour nos résultats expérimentaux à 453 K qui sont illustrés avec ceux expérimentaux et numériques du JP-10 et du n-décane. On peut observer sur cette Figure que nos valeurs expérimentales sont en bon accord avec les valeurs numériques du JP-10 pour des mélanges pauvres. A partir d’une richesse de 0,9, ces valeurs numériques surestiment les résultats de l’-pinène. Les valeurs expérimentales de

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Parsinejad et al. (2006) sont inférieures à celles de l’-pinène pour des mélanges pauvres et proches d’elles à la stœchiométrie. La différence entre les résultats de l’ -pinène et du JP-10 peut s’expliquer par la différence entre les structures moléculaires des deux espèces et par la méthode expérimentales utilisée, méthode basée sur la montée en pression pour les valeurs du JP-10. L’écart entre les valeurs expérimentales et numériques du JP-10 peut s’interpréter par le fait que le mécanisme de San Diego est un mécanisme semi-détaillé et que toutes les espèces intermédiaires ne sont pas prises en compte. Les valeurs expérimentales de Kumar et Sung (2007) sont plus élevées que les valeurs numériques du JP-10 quelle que soit la richesse, ce qui peut être expliqué par la différence de température. Nos vitesses expérimentales sont très proches des valeurs numériques du n-décane obtenues avec le mécanisme de Honnet et al. (2009) pour des richesses s’étendant de 0,9 à 1,4.