Vitesses d´ ebitantes de m´ ethane et d’air

3.1. Le foyer et son environnement 57

3.1 Le foyer et son environnement

3.1.1 Conception du foyer

Le dispositif exp´erimental d´ecrit ici, a pour objectif de permettre l’´etude du comportement des flammes g´en´er´ees `a partir d’un brˆuleur coflow dans un foyer confin´e pouvant ˆetre instru-ment´e par plusieurs techniques de mesure. Ce syst`eme a ´et´e con¸cu pour ´etudier la r´eponse des flammes `a des diluants choisis parmi les produits issus de la combustion. En effet, l’id´ee est de simuler localement l’action de l’air dilu´e par ces produits, comme par exemple le CO<sub>2</sub> que l’on peut trouver dans un foyer pr´esentant des recirculations. Etant donn´e que leur quantit´e est difficile `a contrˆoler et `a maˆıtriser dans un four classique `a recirculation, il a ´et´e d´ecid´e de fabriquer un foyer qui ne pr´esente pas de zone de recirculation, mais dont l’injection directe des diluants est contrˆol´ee. Ceci permet donc d’assurer un taux de dilution connu est constant au cours d’un essai.

Le foyer est constitu´e d’une veine axisym´etrique comprenant un coflow d’air au centre duquel est positionn´e un tube cylindrique servant `a injecter le m´ethane. Pour suivre l’´evolution de la flamme `a l’aide des diagnostics optiques, plusieurs hublots ont ´et´e implant´es sur deux faces oppos´ees du foyer. De plus, une fente permettant le passage d’une nappe laser a ´et´e perc´ee `

a la hauteur du premier hublot sur chacune des deux autres faces du foyer. La figure 3.1 montre une photo du foyer.

La veine a ´et´e r´ealis´ee au cours de travaux ant´erieurs [Cherel, 2006] dans le cadre du pro-gramme inter-laboratoires COP IF AC du CNRS anim´e par J-M. Most, directeur de re-cherche au CNRS. Elle a ´et´e dimensionn´ee pour des vitesses d´ebitantes maximales de m´ e-thane de 50 m/s et d’air de l’ordre de 1 m/s dans les conditions atmosph´eriques. D’autre part, elle a ´et´e con¸cue pour ´eviter la pr´esence de la recirculation interne qui peut ˆetre cr´e´ee par la structure des ´ecoulements dans certaines conditions a´erodynamiques d’injection. La v´ eri-fication de l’absence potentielle d’une telle zone de recirculation en ´ecoulement non r´eactifs est pr´esent´ee dans la section suivante `a l’aide du nombre de Craya-Curtet.

Les caract´eristiques principales de la veine sont les suivantes :

– A sa base est implant´ee une chambre de tranquillisation de 300 mm de hauteur et 500 mm de cˆot´e, surmont´ee d’un convergent de 460 mm de hauteur et 250 mm de cˆot´e. Tous les deux ont ´et´e fabriqu´es en acier inox 304 L d’´epaisseur 3 mm et peuvent supporter une temp´erature maximale de 1300 ^◦C. Un distributeur de gaz est install´e au-dessous de la chambre de tranquillisation avec quatre arriv´ees reli´ees au r´eseau de distribution.

– Dans la chambre de tranquillisation, il a ´et´e plac´e un syst`eme d’homog´en´eisation constitu´e de deux grilles et d’une couche de vermiculite `a haute r´esistance thermique. Ce syst`eme est remplac´e par une seule grille pour les mesures d’ADL afin d’´eviter l’obstruction des grilles par les particules d’ensemencement.

58 Dispositif exp´erimental

Fig. 3.1:Photographie de du foyer

– En sortie de convergent, on trouve la chambre de combustion de 1 m de hauteur (no-t´ee L_{f oyer}) et 250 mm de cˆot´e (not´e a_cc). Elle est fabriqu´ee en acier inox r´efractaire 300, d’´epaisseur 8 mm, capable de r´esister `a des temp´eratures atteignant 2100 <sup>◦</sup>C. Comme mentionn´e ci-dessus, ses faces sont perc´ees soit d’orifices rectangulaires, permettant l’im-plantation des hublots Herasil 102, de dimensions 100 mm × 100 mm, soit des fentes de dimensions 100 mm ×20 mm, situ´ees `a la mˆeme hauteur de la sortie du tube central. – Au centre de la veine, un tube rond, en acier inox r´efractaire 300, de rayon ext´erieur,

r_e = 5.1 mm et int´erieur, r_i = 3 mm (l`evre de brˆuleur, e<sub>l</sub> = 2.1 mm) sert `a injecter le m´ethane. Il est maintenu par quatre barres en acier r´efractaire de faible section afin d’´eviter sa flexion. Sa longueur a ´et´e choisie pour que sa sortie soit situ´ee au del`a du raccord convergent-chambre de combustion et dans la zone de visualisation du premier hublot.

3.1.2 Condition de non-existence d’une zone de recirculation au sein du foyer

La conception de la chambre de combustion est pr´evue pour ne pas avoir de zone de re-circulation interne en vue de contrˆoler l’action de la dilution avec une quantit´e connue et maitris´ee de diluant ajout´e en amont de la chambre de combustion. Dans la litt´erature, l’existence d’une zone de recirculation au sein d’un foyer confin´e en absence de flamme peut ˆ

etre estim´ee `a partir du nombre adimensionnel de Craya-Curtet [Craya and Curtet, 1955; Curtet, 1958], not´eC<sub>t</sub>qui est une fonction de la masse et la quantit´e de mouvement `a travers la section du foyer.

3.1. Le foyer et son environnement 59 C_t= ^Um [(U2 CH4−U2 air)(r_i/r_{f oyer})2+ 0.5(U2 air−U2 m)]1/2 (3.1) U_m = (U_CH4−U_air)(r_i/r_{f oyer})²+U_air (3.2) avec U_m : vitesse moyenne dans la section du foyer ; r_{f oyer} : rayon ´equivalent du foyer. Ce nombre adimensionnel a ´et´e adapt´e par la suite selon le r´egime de l’´ecoulement [Revuelta et al., 2004; Steward and Guruz, 1977]. Dans la configuration d’un jet de m´ethane laminaire, isotherme et de masse volumique constante, Revuelta et al. [2004] propose d’exprimer C2

t

comme ´etant le rapport entre la quantit´e de mouvement de jet du m´ethane (not´e JCH4) et celle du coflow d’air (not´eJair), sachant que la dimension du foyer doit satisfaire la condition suivante : 2r_i/a_cc <<1, ce qui est le cas dans cette ´etude.

C_t= (J_CH4/J_air)^1/2 (3.3) Quand C_t est inf´erieur `a 0.65 pour un ´ecoulement `a profil plat ou inf´erieur `a 0.77 pour un ´ecoulement `a profil parabolique, la pr´esence d’une zone de recirculation dans le foyer est impossible. Dans notre cas, le profil de l’´ecoulement `a la sortie du brˆuleur a ´et´e v´erifi´e par mesures ADL (pr´esentation d’exp´erience dans la section 4.5). Les r´esultats, report´es sur la figure 3.2 pour les conditions sans flamme (air-air), montrent que dans le cas laminaire (U<sub>tube</sub> = 4 m/s, R<sub>e</sub> = 1600), l’´ecoulement de m´ethane poss`ede une forme parabolique type poiseuille. Ceci est en accord avec le travail de Sparrow et al. [1964] qui ont introduit le nombre adimensionnel L_conduite/(r_iR_e), compos´e de la longueur (L_conduite), du rayon (r_i) de la conduite et du nombre deReynolds, pour d´eterminer la forme du profil de vitesse dans un ´

ecoulement laminaire. Ce param`etre ´etant ´egale `a 0.364, la forme en ´ecoulement deP oiseuille est confim´ee. De plus, avec la croissance de vitesse d’injection (U_tube) jusqu’`a 10 m/s (r´egime turbulent, R_e = 4000), cette forme parabolique tend vers un profil plat en terme de vitesse verticale moyenne.

Ainsi, la valeur de 0.77 est retenue comme la valeur critique de C_t dans le cas laminaire. Quant au r´egime turbulent pour le jet de m´ethane, Steward and Guruz [1977] propose de calculer Ct avec les ´equations suivantes :

C_t =U_k/(U_d²−0.5U_k²)^0.5 (3.4) U_k= ^ρCH4UCH4r 2 i +ρ_airU_air(r2 f oyer−r2 i) r2 f oyerρ_m ^(3.5) U_d² = ^ρCH4U 2 CH4r2 i +ρ_airU2 air(r2 f oyer−r2 i) r2

f oyerρm −^Uair² ρ_air 2ρm

60 Dispositif exp´erimental -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 3 6 9 12 15 v i t e s s e v e r t i c a l e , U x ( m / s ) distance radiale, r (mm)

expérience profil de Poiseuille calculé

U air = 0.4 m/s, U tube =4m/s U débitante = 4 m/s U air = 0.4 m/s, U tube =10m/s U débitante = 10 m/s

Fig. 3.2:Profils de vitesses `a la sortie du brˆuleur (0.5 mm) pour les conditions sans flamme obtenus

par mesures ADL et calcul´es pour un profil de Poiseuille th´eorique, pourU_tube = 4 m/s et 10 m/s. ρ_m = ^ρCH4UCH4r 2 i +ρ_airU_air(r2 f oyer−r2 i) U_CH4r2 i +U_air(r2 f oyer−r2 i) ^(3.7)

o`u l’on d´efinit U<sub>k</sub> : vitesse cin´ematique moyenne ; U<sub>d</sub> : vitesse dynamique moyenne ; ρ<sub>m</sub> : masse volumique moyenne du fluide `a la sortie du foyer ;r_{f oyer} : le rayon ´equivalent du foyer. L’absence de la zone de recirculation est obtenue si la condition C_t > 1.1 est v´erifi´ee. Le tableau 3.1 pr´esente les r´esultats deC_tcalcul´e `a partir des d´efinitions donn´ees ci-dessus pour les deux r´egimes de l’´ecoulement. Nous avons constat´e qu’en absence de flamme, l’occurrence d’une zone de recirculation n’est pas possible dans la quasi-totalit´e des configurations a´ ero-dynamiques retenues ici. Les seules conditions qui peuvent g´en´erer une zone de recirculation indiqu´ees en gris sont pour les grandes vitesses de m´ethane et la plus faible vitesse d’air. Par cons´equent, nous concluons que le foyer utilis´e dans ce travail ne doit pas g´en´erer de zone de recirculation pour les configurations d’´ecoulement utilis´ees. Autrement dit, les composants pr´esents dans les gaz produits par la combustion ne retournent pas en amont, et ainsi ne viennent pas diluer les gaz inject´es dans la chambre de combustion.

3.1.3 Syst`emes d’alimentation

Le syst`eme d’alimentation, mis en œuvre au cours de la th`ese, est constitu´e de 6 d´ebitm`etres massiques Hasting s´erie HFM pr´esentant une incertitude de l % `a pleine ´echelle. Deux d´ ebit-m`etres sont utilis´es pour chaque gaz afin de couvrir le plus pr´ecis´ement possible la gamme de

3.1. Le foyer et son environnement 61 laminaire turbulent U_CH4 1 3 5 6 8 10 12 15 20 25 R_e,CH4 397 1192 1986 2384 3178 3973 4767 5959 7945 9932 0.1 0.024 0.214 0.595 1.694 1.418 1.254 1.144 1.035 0.926 0.861 0.2 0.006 0.054 0.149 2.815 2.251 1.916 1.694 1.473 1.254 1.122 0.27 0.003 0.029 0.082 3.617 2.844 2.386 2.083 1.783 1.484 1.306 0.4 0.001 0.013 0.037 5.146 3.965 3.272 2.815 2.363 1.916 1.686 0.53 0.001 0.008 0.021 6.731 5.117 4.176 3.559 2.952 2.352 1.996 0.67 0.001 0.005 0.013 8.506 6.391 5.170 4.375 3.594 2.826 2.372

Tab. 3.1: Calcul du nombre de Craya-Curtet. Les valeurs de la conlone de gauche : 0.1, 0.2, 0.27,

0.4, 0.53, 0.67 representent les differentes valeurs de U_air

d´ebits souhait´es (cf. tableau 3.2). Les d´ebitm`etres sont calibr´es pour un gaz donn´e, mais il est possible de mesurer un autre gaz par rapport au gaz calibr´e en appliquant un coefficient correcteur de gaz pr´esent´e dans le tableau 3.3.

gaz utilis´e s´erie gamme de d´ebit (L/min)

CH₄ HFM-300 0 - 10 CH₄ HFM-201 0 - 50 Air HFM-301 0 - 1000 Air HFM-305 0 - 2500 CO₂ HFM-301 0 - 75 CO₂ HFM-301 0 - 400

Tab. 3.2: Liste des d´ebitm`etres utilis´es

gaz Air CH₄ CO₂ N₂ Ar

Co : coefficient de gaz 1 0.7787 0.7526 1 1.4

Tab. 3.3: Coefficient de conversion de gaz fourni par le fabricant TELEDYNE Hastings bas´e sur le

calibrage d’un d´ebitm`etre pour l’air (Qgaz = (Cogaz/Coair) ×Qair)

Pour assurer les grands d´ebits d’air (>1500 L/min) `a partir du r´eseau d’air comprim´e, nous avons dˆu adapter le circuit d’alimentation en minimisant les pertes de charges et en utilisant plusieurs points d’acc`es r´eseau. Deux m´elangeurs sont install´es sur la ligne d’alimentation : l’un r´eunissant l’air des diff´erents points du r´eseau, et l’autre assurant un m´elange homog`ene entre l’air et le diluant. Pour de grands d´ebits de CO₂ et CH₄, des r´echauffeurs ont ´et´e ajout´es en amont du d´etendeur en vue d’´eviter le givrage de la ligne, ce qui pourrait affecter la valeur de d´ebit affich´ee.

62 Dispositif exp´erimental

Fig. 3.3:Sch´ema de l’ensemble de l’installation exp´erimentale

3.2 Choix des conditions exp´erimentales

3.2.1 Vitesses d´ebitantes de m´ethane et d’air

Le syst`eme d’alimentation pr´esent´e ci-dessus, permet d’atteindre une gamme de vitesses assez ´etendue en m´ethane et en air ´egalement : (i) 0 < U<sub>CH4</sub> < 29 m/s ; (ii) 0 < U<sub>air</sub> < 0.67 m/s pour une taille de section de passage consid´erable. La vitesse maximale d’air (0.67 ms) est conditionn´ee par le r´eseau d’air comprim´e qui fournit au maximum un d´ebit de 2500 L/min. Afin d’obtenir des conditions exp´erimentales comparables `a celles conduisant `a des ´

etats de flammes, accroch´ees et suspendues, ´etudi´es par l’´equipe lors de travaux ant´erieurs [Demare, 2003; Wyzgolik, 2008] portant sur une configuration de flamme non-pr´em´elang´ee en milieu non-confin´e, nous avons retenu les points pr´esent´es dans le tableau 3.4.

CH₄ (m/s) 1 3 5 6 8 10 12 15 20 25

Air (m/s) 0.1 0.15 0.2 0.27 0.4 0.53 0.67

Tab. 3.4: Conditions de vitesses de m´ethane et d’air utilis´ees