La méthode précédente permet de connaître la vitesse de propagation de la flamme, cependant elle ne permet pas de visualiser la forme du front de flamme. La visualisation directe, c’est-à-dire la visualisation de la propagation de la flamme à l’aide d’une caméra, est une méthode permettant de visualiser la forme de la flamme, ainsi que sa vitesse de propagation.
Cette méthode a été utilisée par Proust et Veyssière afin d’observer la propagation de flammes dans un nuage de particules d’amidon au sein de leur enceinte : hauteur de 3m et section carrée de 20cm x 20cm, avec un système d’injection à lit fluidisé (Proust and Veyssiere, 1988). L’ignition de la poudre est réalisée par un fil de tungstène chauffé. L’observation de la flamme est effectuée avec une caméra, ayant un temps de pause inférieur à 2ms, à une fréquence de 3 fps (fps : frames per second – images par seconde). Plusieurs configurations de flammes ont ainsi pu être observées, en modifiant notamment la concentration du nuage, mais aussi le sens de la propagation (ascendante ou descendante).
Cette méthode a aussi été utilisée par Gao et al. afin d’étudier la propagation de la flamme dans un nuage de particules de titane (Gao et al., 2014). Le tube utilisé est proche de celui de Hartmann, avec une hauteur de 50cm et une base carrée de 80mm x 80mm, le haut du tube étant ouvert. L’ignition est réalisée par un arc électrique (transformateur haute-tension de 30kV) à travers deux électrodes en tungstène de 0.4mm de diamètre et écartées de 5mm. L’arc dure 10ms, délivrant une énergie d’environ 30J. La propagation de la flamme est visualisée à l’aide d’une caméra à une fréquence de 2000fps : des images obtenues sont représentées sur la Figure 27. A partir de ces images, la vitesse de propagation de la flamme est alors obtenue.
Figure 27: Images de visualisation directe de la propagation d'une flamme de titane (Gao et al., 2014) Dans ses travaux de thèse, Baudry s’est interrogé sur la définition de la vitesse de flamme à partir des images obtenues (Baudry, 2007). En effet, ce dernier a travaillé sur la propagation de la flamme de poussières d’aluminium à différents niveaux d’oxydation initiale. Le prototype utilisé pour l’étude de la propagation par caméra rapide est d’une hauteur de 310mm
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avec un diamètre de 7 cm, le système de dispersion étant semblable à celui du tube de Hartmann modifié. La visualisation est effectuée à l’aide d’une caméra Photron FastCam PCI à une fréquence de 1000fps et une résolution de 256x240 pixels. Des images obtenues sont représentées sur la Figure 28. Afin de définir la flamme, un seuil a été choisi : les pixels ayant une intensité supérieure à ce seuil correspondent ainsi à la flamme. Ceci permet d’isoler la flamme du fond de l’image, et de calculer plusieurs grandeurs : la surface apparente, les coordonnées du centre de la flamme, la largeur et la hauteur de la flamme (correspondant aux distances horizontales et verticales entre le centre de la flamme et le front de flamme).
Figure 28: Images de visualisation directe de propagation de flammes d'aluminium (Baudr Y, 2007) Cependant, il faut alors définir une vitesse à partir des images de cette flamme. Trois méthodes ont été utilisées par l’auteur :
- L’estimation de la vitesse dans un repère fixe : le centre du repère correspond au centre de la flamme dans la première image. L’évolution du rayon est alors mesurée, selon un axe vertical et un axe horizontal, entre le centre du repère et le front de flamme.
- L’estimation de la vitesse dans un repère mobile : dans ce cas, le centre du repère correspond au centre de la flamme pour chaque image.
- L’estimation à partir de la surface apparente : un rayon équivalent est déterminé à partir de la surface apparente (hypothèse de propagation sphérique)
La comparaison de ces méthodes est présentée sur la Figure 29. La méthode utilisant la surface apparente a été utilisée par l’auteur dans ses analyses. La propagation observée a été approximée par une loi polynomiale d’ordre 2, correspondant ainsi à une augmentation linéaire de la vitesse (accélération constante).
Figure 29: Comparaison des méthodes utilisées pour la détermination de la vitesse de propagation (Baudry, 2007)
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Di Benedetto et al. ont aussi étudié la propagation de la flamme au sein d’un tube à l’aide d’une caméra rapide (Di Benedetto et al., 2011). Le prototype utilisé est proche du tube de Hartmann avec une hauteur de 1m et une section carrée de 7cm x 7cm, deux faces étant transparentes afin de visualiser la propagation de la flamme. Cette propagation est observée par une caméra Phantom V91 à une fréquence de 2000fps. A partir des images obtenues, le front de flamme est alors approximé par une parabole. L’auteur a utilisé la méthode du tube ouvert afin d’obtenir la vitesse de combustion laminaire non étirée à partir de la visualisation de la vitesse de propagation de la flamme. Ces vitesses sont obtenues notamment pour des mélanges hybrides d’acide nicotinique et de méthane.
L’utilisation de cette méthode afin d’obtenir la vitesse laminaire non étirée a aussi été utilisée par Torrado et al. avec le prototype développé par l’équipe PETALE de l’Université de Lorraine, décrit dans la partie II.1.2.2 et représenté sur la Figure 24 (Torrado et al., 2017a) : pour rappel l’enceinte est un tube de 1m de hauteur avec une section carrée de 70cm x 70cm avec un système d’injection semblable au tube de Hartmann. L’ignition est réalisée par un arc électrique d’une énergie de l’ordre de 10J. La propagation est observée par une caméra rapide Phantom V9.1 avec une fréquence de 1000 à 4000fps. Sur la Figure 30, une image de flamme obtenue est représentée avec en-dessous la détection numérique du front de flamme (Cuervo, 2015).
Figure 30: Images de visualisation directe de la propagation d'une flamme de mélange 10.5% de méthane et 30 mg de Corax N550 (haut) et la détection de contours obtenue (Bas)(Torrado et al., 2017a)
Sur la Figure 31, la vitesse laminaire étirée Su en fonction de l’étirement K est représentée : cette
figure permet la détermination de la vitesse de flamme non étirée, 𝑆𝑢0 par l’équation suivante :
𝑆𝑢= −𝐿. 𝐾 + 𝑆𝑢0 (A2-8)
Avec L la longueur de Markstein et K l’étirement de la flamme, calculé comme suit :
𝐾 = 1
𝐴𝑓 𝑑𝐴𝑓
𝑑𝑡
(A2-9)
Avec 𝐴𝑓 la surface de la flamme.
La régression linéaire ne peut être réalisée que sur la droite marron. En effet, pour les temps supérieurs, la flamme a atteint les murs latéraux (droites bleues). Pour des temps, plus faibles, une mauvaise détection de la flamme rend la mesure du front de flamme imprécise (droite rouge).
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Figure 31: Résultats de détermination de la vitesse de combustion non étirée (Torrado et al., 2017a) Comme cela a été vu précédemment, une difficulté majeure pour obtenir la vitesse de flamme laminaire est la définition de la surface de la flamme. En effet, avec cette méthode, la surface est intégrée sur toute la profondeur du prototype. De plus, cette surface est obtenue seulement selon un axe. Une autre difficulté est l’influence des parois sur la propagation de la flamme.