Stabilisation de flammes laminaires prémélangées à contre-courants à haute

5.1. Procédure de stabilisation des flammes

La flamme à l’intérieur de l’enceinte est allumée à l’aide du filament chaud de kanthal.

Pour des raisons de sécurité, l’allumage est réalisé à pression atmosphérique.

La pression à l’intérieur de l’enceinte est contrôlée à l’aide du capteur de pression couplé à la vanne de régulation de pression. Lors de la montée en pression, la vanne de régulation se ferme totalement jusqu’à ce que la pression désirée soit atteinte. L’enceinte se remplit alors progressivement des gaz brûlés, de l’azote des gardes ainsi que de l’azote provenant d’une arrivée de complément située au bas de l’enceinte. Ainsi, la vitesse de montée en pression dépend des débits des gaz entrant dans l’enceinte. Cependant, dans certaines conditions, une augmentation trop rapide de la pression peut entraîner de sévères instabilités des flammes menant parfois à l’extinction. L’emploi d’une vanne manuelle de complément (Figure III.12.) permet de surmonter ce problème puisque son ouverture au cours de la montée en pression permet de laisser échapper une partie des gaz accumulés dans l’enceinte et ainsi d’adapter la vitesse de montée en pression afin de conserver la stabilité des flammes. Durant la montée en pression, les débits des gaz de prémélange et des gardes d’azote sont ajustés simultanément, tout en maintenant la richesse constante, afin de maintenir la flamme stable visuellement (critères de stabilité décrits dans le paragraphe suivant). Une fois que la pression désirée est atteinte, la vanne d’échappement s’ouvre de façon à réguler la pression avec une précision de ± 1 kPa. Enfin, pour centrer les flammes entre les brûleurs, il est parfois nécessaire de faire varier le rapport entre la vitesse des gaz en sortie du brûleur du haut et en sortie du brûleur du bas.

Figure III.12. Schéma du système d’évacuation des gaz complété par la vanne manuelle pour la régulation de la vitesse de montée en pression

Pour les premiers tests de stabilisation de flammes, nous nous sommes appuyés sur les travaux, alors en cours, de N. Bouvet (2009) qui a stabilisé des flammes de prémélange CH₄/air à contre-courants en imposant une vitesse des gaz en sortie des brûleurs de 3 à 4 fois supérieure à la vitesse de flamme laminaire. Les vitesses fondamentales de flammes pour chaque condition de richesse et de pression ont été calculées par modélisation à l’aide du code de calcul PREMIX [Kee et al. (1993a)], issu du package CHEMKIN II [Kee et al. (1993b)] et du mécanisme GRI-Mech 3.0 [Smith et al. (1999)] et les nombres de Reynolds ont été calculés afin de s’assurer que les écoulements soient bien laminaires en sortie de brûleur (Re≲2300).

Lors des tests de stabilisation des flammes, les plages de débits calculées ont servi de données de départ pour l’allumage des flammes, puis les débits ont été ajustés afin d’obtenir les flammes les plus stables possibles. En effet, dans le cadre de l’analyse de la structure de flamme à haute pression, l’évolution des espèces est très rapide dans le gradient du front de flamme et, de ce fait, il est indispensable d’obtenir des flammes bien stables. Ainsi, une lunette de visée dotée d’un fort grossissement (permettant de distinguer l’épaisseur d’un fil de 50 µm) est placée au niveau d’un hublot de visualisation pour permettre une observation minutieuse des fronts de flammes. Les flammes sont considérées comme stables lorsque leur variation en position verticale observée par la lunette de visée est inférieure à 100 µ m. Cette limite a été fixée suite à l’observation de « tremblements » sur la flamme stœchiométrique à 0,1 et 0,3 MPa. La cause de ces tremblements peut être attribuée à la présence de légères

Vanne manuelle

hotte Vanne de régulation

enceinte P

Capteur de pression silencieux

instabilités au niveau de l’écoulement. Ces flammes ont été considérées comme stables dans la mesure où les oscillations observées étaient inférieures à 100 µ m. Notons que l’intensité des « tremblements » observés sur les flammes non stœchiométriques est bien plus faible.

Les conditions de l’ensemble des flammes stabilisées pour ce travail sont présentées dans la partie 1.1 du chapitre V.

5.2. Influence de la garde d’azote

5.2.1. Influence de la garde d’azote sur la stabilité des flammes

Les flammes stabilisées à contre-courants sont entourées par un flux périphérique d’azote (ou garde d’azote) afin de décoller les flammes des bords des brûleurs et de les isoler de l’environnement extérieur. De manière générale, le débit de la garde d’azote est ajusté de sorte que sa vitesse soit identique à la vitesse du prémélange à la sortie du brûleur.

Néanmoins, des interactions se produisent entre la garde et le prémélange et par conséquent, dans certaines conditions, des instabilités peuvent apparaître. Au cours de sa thèse, N. Bouvet (2009) a étudié la nature de ces interactions par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) avec des brûleurs à contre-courants similaires à ceux employés dans cette thèse (diamètre du convergent en sortie du prémélange : 15 mm ; épaisseur du convergent : 2 mm). Son étude montre que les interactions entre les écoulements de garde d’azote et de prémélange donnent lieu à des zones de recirculation dans le sillage des bords du convergent. Ces mêmes recirculations peuvent générer des instabilités au niveau des bords des flammes. A la suite de ces observations, N. Bouvet (2009) a travaillé avec un convergent dont les bords sont plus fins (0,5 mm) afin de réduire la zone de recirculation en aval du convergent. Suite à ces modifications, le domaine de stabilité des flammes (CO/H₂/air, dans ce cas) a été étendu, ce qui souligne l’importance du choix de l’épaisseur du convergent.

5.2.2. Influence de la garde d’azote sur la position des flammes

Dans le cadre de cette thèse, l’influence de la vitesse de la garde d’azote sur la position des fronts de flamme a été analysée. Le débit de la garde a été modifié de façon à obtenir différents rapports vitesse de la garde/vitesse du prémélange. De plus, le rapport des débits de garde entre le brûleur du haut et le brûleur du bas a été modifié. Cette étude est présentée dans le chapitre V (partie 1.3.). Les résultats montrent que, dans les conditions de notre étude :

- la vitesse de la garde n’a pas d’influence sur l’écart entre les fronts de flammes ; - le rapport des vitesses de garde entre le brûleur du bas et le brûleur du haut a une

incidence sur la position des flammes mais n’a pas d’influence sur l’écart entre les fronts de flamme.