Stabilité de la combustion dans les microstructures

Le potentiel des micros réacteurs est démontré, les problèmes posés dans la micro chambre de combustion sont cernés, seulement jusqu’en 2005 les problèmes de la micro combustion étaient mal compris comme l’affirment Armijo, A.D. et al. [17]. Ils se proposent d’examiner la structure de la combustion sur l’échelle microscopique; ils font le constat selon lequel les flammes de diffusion ne peuvent exister dans des dimensions plus petites que 100 micromètres et que la structure des flammes sur l’échelle microscopique

est bien différente de celle des flammes sur l’échelle macroscopique. Au lieu d’avoir des flammes en continu, elles se divisent en cellules individuelles de flammes tout au long du micro réacteur. Chaque cellule présente un crochet différent des crochets classiques, ce crochet pointant du côté du comburant plutôt que celui du carburant. Dans une micro combustion, la structure de la flamme est peu influencée par la stœchiométrie du mélange et le chemin suivi par la flamme, mais elle est fortement affectée par le débit d’écoulement et le transfert de chaleur à travers les parois. Ces résultats permettent de comprendre que les micros flammes sont stabilisées par un équilibre entre :

- La diffusion des réactifs dans la zone de combustion

- Le transport de chaleur par conduction et par convection le long de la paroi

Dans le même ordre d’idée et la même année Hua, J. et al. font la simulation numérique de la combustion du mélange hydrogène/air dans des micros chambres de combustion, cette étude aura deux parties. Dans la première partie[18], les simulations numériques ont été effectuées par un code CFD pour étudier la combustion stœchiométrique du pré mélange hydrogène/air dans un certain nombre de chambres de combustion cylindriques. Le mécanisme détaillé des réactions chimiques est introduit dans les simulations qui se composent d’un modèle de dix-neuf réactions réversibles élémentaires et de neuf espèces. Afin d’étudier l’effet du dimensionnement sur la combustion, le ratio de la chambre de combustion est resté le même dans toutes les simulations alors que les dimensions d’entrée du micro brûleur (diamètres) sont réduites du millimètre au micromètre. Dans cet article, les auteurs analysent les effets du paramètre géométrique du réacteur, la propagation de chaleur à travers les parois, et les caractéristiques de la combustion. Les résultats obtenus valident tout d’abord l’utilisation des codes CFD pour l’étude des écoulements réactifs dans

les micros chambres de combustion, indiquent que la stabilité de la combustion dans la micro chambre peut être obtenue en équilibrant le temps de combustion et le temps de résidence des réactifs ainsi qu’en optimisant les conditions thermiques entre la chaleur générée et celle perdue. Étant donné que le temps de résidence est raccourci par des dimensions faibles du micro réacteur, il convient aussi que le temps de réaction chimique soit également raccourci afin d’assurer une combustion complète. Selon la théorie de la cinétique chimique, l’une des façons de réduire le temps chimique est d’augmenter la vitesse de réaction en s’assurant que sa température soit élevée, ce qui peut être réalisé dans des microréacteurs en réduisant les pertes de chaleur pariétales. La deuxième partie de cet article[19] quant à elle s’attarde sur l’étude de la dynamique de l’écoulement des fluides, sur le transfert thermique au sein de la chambre de combustion et la perte de chaleur à température ambiante. Les expériences sont effectuées sur le prototype de micro turbine à gaz de MIT (Massachusetts Institute and Technology, USA). Les performances du dispositif sont évaluées par rapport aux conditions de pertes de chaleur vers l’extérieur, à différents débits massiques et à diverses fractions massiques du mélange. Il ressort de cet article qu’une faible température des parois de la micro chambre de combustion est nécessaire pour stabiliser la flamme et augmenter par là l’efficacité du système. Pour avoir une faible température de paroi, la combustion pauvre est suggérée, ce qui semble être corroboré par Li, Z.W. et al. qui montrent que la micro combustion à proximité de la zone d’un mélange stœchiométrique est la moins efficace pour la micro combustion [20]. La variation des rapports d’équivalence permet de comprendre que, pour des rapports d’équivalence faible, la flamme est soufflée voir éteinte en partie mais pour des rapports d’équivalence importants il se produit en amont du réacteur l’éruption de la flamme.

Lorsque le débit massique des réactifs est faible, les performances de la chambre de combustion sont limitées par une mauvaise efficacité thermique ce qui entraine l’extinction de la flamme. D’autre part lorsque les débits sont élevés la flamme est soufflée, ces deux phénomènes impliquent l’existence d’une plage de vitesses par lesquelles la micro combustion est réalisée. Les pertes de chaleur à travers les parois de la chambre de combustion sont néfastes pour avoir une flamme stable, lorsqu’elles sont importantes, la température des parois chute et devient moins élevée que celle de l’auto inflammation des réactifs et donc engendre une difficulté pour l’auto maintien de la combustion; d’un autre côté si la température de la paroi est plus élevée que celle de l’auto inflammation des réactifs, alors il peut se produire une combustion en amont du réacteur.

En 2007, N. Kaisare e t D.G. Vlachos proposent le concept de flux inverse (RF) pour étendre la région de stabilité de la combustion à l’échelle microscopique. Ils démontrent qu’une augmentation significative des limites de stabilité peut être obtenue en utilisant l’opération de « reverse flow »(RF) [21]. Dans le système de RF les ports de sortie et d’entrée sont régulièrement commutés. Ainsi, l’énergie stockée dans la structure solide en un cycle est libérée et transmise au flux froid entrant dans le prochain cycle, résultant à la recirculation de chaleur. La même année ils étudient les dimensions optimales d’un micro réacteur pour une combustion homogène; selon eux une largeur de fente optimale de l’ordre de 600-1200 µm (micro-méso échelle) fournit la plus grande plage de stabilité pour une combustion auto entretenue. L’augmentation de la longueur du réacteur conduit au rétrécissement de cette région étant donné qu’elle contribue à augmenter les pertes de chaleur à travers la paroi [22]. Ils concluent aussi à l’influence du type de combustible sur la stabilité de la flamme par rapport aux dimensions du microréacteur, la flamme produite

par la combustion du méthane par exemple est plus sensible à ces effets que celle du propane.

En 2008, Federici, J. et Vlachos, D.G. se penchent sur la stabilité d’un micro brûleur à canal unique de recirculation de chaleur en comparant les résultats obtenus à ceux des micro réacteurs sans recirculation de chaleur, l’étude numérique de la dynamique de fluide dans ce type de système tient compte du coefficient critique de perte de chaleur, de l’énergie globale perdue et de la vitesse critique d’entrée des réactifs. Les effets de la longueur du réacteur et de l’épaisseur des parois sont aussi étudiés. Il est démontré par cette étude que la recirculation de chaleur affecte profondément l’éruption de la flamme car elle participe au préchauffage des gaz froids entrants, mais a un effet minime sur l’extinction de la flamme. La paroi d’entrée du canal de recirculation impacte plus la stabilité de la flamme que celle de sortie[23].

En 2009, Prakash, S., R. Akberov, et al. mettent en évidence l’influence des conditions limites sur la micro combustion[24]. Ils notent que les débits d’entrée des réactifs, leur composition relative, les conditions aux limites thermiques tenant compte de la conductivité thermique des parois, de la convection de chaleur extérieure, du rayonnement intérieur du microréacteur, déterminent tous la position, la structure et la température de la micro flamme. Leur modèle montre l’importance de la prise en compte du transfert radiatif de chaleur dans la formation de la flamme et sa stabilité.

En 2010, Jejurkar, S. Y., D. P. Mishra, et al. suggérent le pré chauffage des réactifs pour améliorer la stabilité de la flamme dans un microréacteur. Ils vont étudier la sensibilité de la flamme à l’évolution de la température d’entrée d’un microréacteur cylindrique brûlant un mélange stœchiométrique air/hydrogène. La configuration proposée utilise un

tube intérieur creux rempli d’azote afin de faciliter la stabilisation de la flamme. Un modèle détaillé axisymétrique numérique d’écoulements réactifs a été développé et testé à cette fin. Les prédictions du modèle ont été utilisées pour évaluer convenablement la conception proposée pour les turbines à gaz et d’autres applications en matière de différents indicateurs de performance thermique. Les données de base ont montré la faisabilité de cette opération[25].

En 2011, Zamashchikov, V. et E. Tikhomolov étudient expérimentalement et numériquement la combustion critique d’un mélange pauvre d’hydrogène/air dans un micro réacteur formé de deux disques de quartz [7]. Leurs expériences ont permis de déterminer les différentes grandeurs d’entrée et compositions du mélange pour une combustion stable en régimes stationnaires. De plus, ils font le constat selon lequel la vitesse de combustion atteint des valeurs plus élevées que celles de la vitesse laminaire de combustion, aussi vont-ils mettre sur pied un modèle numérique de réaction diffusion afin de corroborer ces observations. Différents facteurs vont être numériquement testés tels que les conditions limites de vitesse, l’irradiation des parois intérieures de quartz, l’augmentation du taux de réaction chimique proche des parois. Les résultats numériques obtenus iront dans le même sens des observations faites; il ressort en outre que pour des vitesses de front de flamme importantes et pour des dimensions critiques d’entrée le front de flamme devient vite instable.

En 2012, Fan, A., K. Maruta, et al. font une étude expérimentale de modèle de flamme dans une chambre de combustion cylindre à parois chauffées [26]. Les phénomènes transitoires observés ont été déclenchés par les variations du ratio d’équivalence ou les vitesses d’entrée du mélange; ces phénomènes sont enregistrés par une caméra numérique

haute vitesse. D'après les enregistrements, il est démontré que les mécanismes responsables de ces transitions peuvent être classés en deux catégories:

1. Les passages d'une flamme circulaire stable à une flamme transitoire, et d'une flamme transitoire à une flamme simple ou double, qualifiée de flamme Pelton, due à l’extinction locale dans le front de flamme ;

2. Le passage d'une flamme circulaire instable à une flamme de forme spirale due à une division locale du front de flamme.

La simulation numérique de l'écoulement isothermique a démontré que le champ d'écoulement est symétrique et régulier lorsque la vitesse d'entrée est faible, mais il devient asymétrique et instable à des vitesses d'entrée importantes. Le champ d'écoulement asymétrique et instable devrait être la raison possible de la division locale de front de flamme. D'autre part, la flamme s’éteint à proximité de la surface de paroi. Ces deux motifs expliqueraient le passage d'une flamme instable à une flamme rotative en forme de spirale.