Simulations de vitesses de flammes

Il existe un nombre très important de modèles cinétiques disponibles dans la littérature permettant de prédire les vitesses de flammes de composés liquides ou gazeux. Ce paragraphe présentera succinctement les principaux mécanismes détaillés utilisés, qu’il s’agisse de modèles permettant de modéliser les vitesses de flammes d’un grand nombre de composés différents, ou de modèles spécifiques d’une ou plusieurs molécules. Cette présentation sera limitée aux modèles permettant de modéliser les vitesses de flammes des molécules ayant été étudiées lors de ce travail.

Beaucoup de modèles disponibles dans la littérature permettent de prédire les vitesses de flammes de petits hydrocarbures (H2, CH4, C2H6, C3H8,…) et certains permettent de modéliser les vitesses de flammes de gaz naturels. Quelques-uns de ces modèles sont présentés dans le Tableau 1-16.

Tableau 1-16 : Tableau donnant les principaux modèles utilisés pour la simulation de vitesses de flammes de petits hydrocarbures et leurs caractéristiques.

Année Auteurs ^{Mécanisme et ses}

évolutions

Molécules

concernées ^{Espèces/Réactions}

Informations complémentaires

1999 Smith et al. GRI-MECH 3.0 CH4 et gaz naturels 53/325 ^{Versions précédentes : 1.2}

et 2.11

2000 Konnov Release 0.5 ^{Réactions C/H/N/O}

Petits hydrocarbures ^{127/1200 -}

2006

Chemical Kinetic Mechanism for Combustion Applications

USCD ^{Réactions C/H/N/O}

Petits hydrocarbures ^{46/235 -}

2007 Wang et al. USC Mech II H2, CO, C1-C4 111/784 -

2009 Konnov et al. Release 0.6 Petits hydrocarbures 129/1230 ^{Version évoluée de}

Release 0.5

2013 Metcalfe et al. AramcoMech 1.3 ^{Petits hydrocarbures}

(C₁-C₄) ^{248/1494 -}

Certains des modèles présentés ci-dessus sont très couramment utilisés dans la littérature,

notamment le modèle GRI-MECH 3.0 [Dyakov et al. (2007) ; Han et al. (2007) ; Kishore et al. (2008) ;

Mazas et al. (2011) ; Boushaki et al. (2012) ; Varea et al. (2012) ; De Persis et al. (2013)] et le modèle

USC Mech II [Kumar et al. (2008) ; Smallbone et al. (2009) ; Liu et al. (2010) ; Veloo et al. (2010) ;

Veloo et al. (2011) ; Wu et al. (2011) ; Hu et al. (2013)] permettant de modéliser des vitesses de

flammes de gaz naturels.

Notons que le modèle USC Mech II [Wang et al. (2007)] constitue la base du mécanisme JetSurF

Deux des mécanismes présentés dans le Tableau 1-16 seront utilisés dans cette étude dans le cas de la modélisation de vitesses de flammes d’hydrocarbures gazeux (cf. Chapitre 3, § 3.3.2 et Chapitre 5,

§ 5.2.4) : celui de Konnov (2000) nommé Release 0.5 [Konnov et al. (2005) ; Coppens et al. (2007)] et

celui développé par NUI Galway [Metcalfe et al. (2013)] nommé AramcoMech 1.3.

D’autres modèles ont été développés spécifiquement pour prédire les vitesses de flammes du

n-heptane ou de l’iso-octane. Certains d’entre eux sont présentés dans le Tableau 1-17.

Tableau 1-17 : Tableau donnant les principaux modèles utilisés pour la simulation de vitesses de flammes de n-heptane ou d’iso-octane et leurs caractéristiques.

Année Auteurs ^{Mécanisme et ses} évolutions

Molécules

concernées ^{Espèces/Réactions}

Informations complémentaires

1998 Curran et al. Curran et al. (1998) n-heptane 550/2450 -

1998 Davis et Law Davis et Law (1998) ^{PRF (n-heptane,}

iso-octane) ^{68/399 -}

2002 Curran et al. Curran et al. (2002) iso-octane 860/3600 ^{Basé sur le mécanisme du}

n-heptane 2007 Chaos et al. Chaos et al. (2007) ^{PRF (n-heptane,}

iso-octane) ^107/723

Basé sur les mécanismes de Curran

2009 Smallbone et al. Smallbone et al. (2009) n-heptane 130/955 -

Certains mécanismes sont très détaillés et ainsi assez volumineux comme ceux de

Curran et al. (1998) et Curran et al. (2002). Celui de Chaos et al. (2007) présente l’avantage de

compiler ces deux mécanismes pour n’en donner qu’un beaucoup moins volumineux.

D’autres mécanismes sont spécifiques de molécules non citées dans les tableaux précédents, il en existe qui permettent de prédire les vitesses de flammes d’éthanol par exemple [Marinov (1999) ; Saxena et Williams (2007)].

Enfin, certains modèles sont des modèles volumineux permettant de simuler les vitesses de flammes d’un grand nombre de molécules, allant de petits hydrocarbures à des hydrocarbures beaucoup plus lourds. Quelques-uns de ces modèles sont présentés dans le Tableau 1-18 ci-après.

Tableau 1-18 : Tableau donnant les principaux modèles utilisés pour la simulation de vitesses de flammes d’un grand nombre d’hydrocarbures et leurs caractéristiques.

Année Auteurs ^{Mécanisme et ses} évolutions

Molécules

concernées ^{Espèces/Réactions}

Informations complémentaires

2008 Le Cong et al. Le Cong et al. (2008) C₁-C₆ 99/743 -

2009 Sirjean et al. ^{JetSurF (Jet}

Surrogate Fuel) 1.0

n-alcanes jusqu’au

n-C₁₂H₂₆ ^194/1459

USC Mech II + oxydation et pyrolyse haute température des n-alcanes

Version définitive de JetSurF 0.2

2009 You et al. ^{n-alcanes jusqu’au}

n-C12H26 60/522 ^{Mécanisme valable pour}

T>850 K

2010 Wang et al. JetSurF 2.0

n-alcanes jusqu’au n-C₁₂H₂₆ Cyclohexane et alkylcyclohexanes 348/2163 JetSurF 1.0 + Cyclohexane et alkylcyclohexanes Version définitive de JetSurF 1.1

2012 Ranzi et al. ^{Version 1212,}

December 2012 Hydrocarbures lourds (C₁-C₁₆) et alcools (éthanol, propanol et isomères du butanol) 249/7966 -

L’inconvénient majeur de ces mécanismes est leur taille qui peut rendre les calculs plus lents et plus

fastidieux. C’est le cas du mécanisme de Ranzi et al. (2012) par exemple qui est particulièrement

volumineux. Il est possible de réduire les mécanismes en se limitant à la chimie de haute

température (cf. § 1.1.2), comme en témoigne le modèle de You et al. (2009) concernant les alcanes

jusqu’au n-dodécane mais pour des températures supérieures à 850 K : il ne comprend que 60

espèces impliquées dans 522 réactions.

Notons que le modèle JetSurF 2.0, concernant les alcanes jusqu’au n-dodécane ainsi que le

cyclohexane et les alkylcyclohexanes, est le modèle qui sera utilisé dans cette étude pour simuler nos mesures de vitesses de flammes d’alkylcyclohexanes (cf. Chapitre 4, § 4.2.1.2 et 4.2.2.1).

L’ensemble de ce chapitre concernant les données bibliographiques portant sur les vitesses de flammes montre que les données sont relativement nombreuses mais éparses. Les vitesses de flammes ne sont pas extrêmement différentes d’une molécule à l’autre, c’est pourquoi il est nécessaire de bénéficier d’une précision importante sur la valeur des vitesses de flammes mesurées afin de pouvoir comparer les molécules étudiées entre elles de façon pertinente. L’effet de la température et l’effet de la pression sur la vitesse de flamme sont des notions intéressantes à étudier du fait des conditions réelles de fonctionnement d’un moteur (température et pression élevées) mais aussi pour la validation de modèles cinétiques détaillés. Ces effets sont encore peu

étudiés dans la littérature, et sur peu de molécules différentes. C’est pourquoi le travail réalisé dans le cadre de cette thèse vise à compléter ces données tout en apportant une précision supplémentaire sur les mesures de vitesses de flammes de par la méthode expérimentale choisie : la méthode du flux de chaleur.