Partie I. État de l’art
3.5.1 Vitesses de propagation de la flamme
Scholte et Vaags en 1959 [119] et Miller et al. en 1963 [120] étaient les premiers chercheurs qui ont réalisé des travaux sur les vitesses de propagation de la flamme méthane/hydrogène. Scholte et Vaags [119] ont mesuré les vitesses de flammes laminaires méthane/hydrogène/air stabilisées sur un brûleur. Les auteurs ont constaté que les vitesses de flamme augmentent considérablement avec l’ajout d’hydrogène. Miller et al. [120] ont étudié l’influence d’ajout de 0.5% par volume de méthane sur la vitesse de flamme hydrogène/air par imagerie de particules d’oxyde de magnésium ensemencées. L’effet d’ajout d’hydrogène devient significatif seulement quand la fraction d’hydrogène dans le mélange atteint les 30%. Liu et al. [121] ont mesuré les vitesses de flamme méthane (0-100%)/ hydrogène par la méthode du tube pour une gamme de richesse allant de 0.6 jusqu’à 1.3. Tanoue et al. [122] ont mesuré les vitesses de flamme laminaire étirée d’un mélange méthane /(0-40%) hydrogène dans une bonbonne sphérique. Toutefois, ces auteurs n’ont pas pris en compte l’étirement du front de flamme et leurs mesures ne peuvent pas donc être directement comparées aux autres valeurs de la littérature.
Yu et al. [123] ont réalisé une étude expérimentale des vitesses des flammes laminaires du mélange méthane/air et propane/air avec et sans addition de petites quantités
d'hydrogène dans les conditions adiabatiques (pas d'échange de chaleur avec l’environnement). Un dispositif expérimental original a été utilisé; il consiste en un brûleur à contre-courant. La technique d’anémométrie Laser Dopler a été utilisée pour mesurer les vitesses de la flamme. Les valeurs ont été linéairement extrapolées afin de pouvoir considérer un étirement nul. Les vitesses de la flamme ont été mesurées pour des richesses comprises entre 0.4 et 1.4 et des fractions d’hydrogène variant de 0, 10, 20, 30, 40 et 50% (Figure 3.12). Ils ont constaté que les vitesses de la flamme augmentent de façon significative dès qu’on ajoute de l’hydrogène au mélange. La vitesse de flamme maximale d’un mélange 50%CH4/50%H2 (81 cm.s-1 à φ = 1.1) est deux fois plus élevée que la vitesse de
la flamme du méthane (40.7 cm.s-1) à pression atmosphérique. La vitesse de flamme maximale est obtenue à la même richesse (environ 1.1) pour tous les mélanges. À une richesse donnée, la vitesse de flamme varie linéairement avec la fraction d’hydrogène (en %). Dans des études plus récentes (Law et Kwon, [124], Huang et al. [71]), la dépendance de la vitesse de flamme et du pourcentage d’hydrogène n’est plus linéaire, mais exponentielle.
Fig. 3.12 Évolution des vitesses de propagation de flamme des différents mélanges méthane/hydrogène/air en fonction de la richesse (Yu et al. [123]).
Une corrélation a été proposée pour décrire l’évolution des vitesses de propagation de la flamme des mélanges méthane/hydrogène/air en fonction de la quantité d’hydrogène substituée au méthane:
Dans cette équation, SL0(φ = φF) et SL0(φF, RH) sont respectivement les vitesses de flamme sans et avec hydrogène, RH représente la fraction molaire d’hydrogène présent dans le
combustible.
Ren et al. [125] ont mesuré les vitesses de flamme de mélanges méthane/hydrogène à pression atmosphérique dans les conditions de combustion en mélange pauvre (φ = 0.73, 0.68 et 0.63) pour une fraction molaire d’hydrogène limitée (0 à 8%) dans le combustible. Une augmentation de 20% est obtenue entre une flamme méthane (22 cm.s-1) et une flamme mélange méthane/hydrogène CH4/8%H2 (27 cm.s-1) à une richesse de 0.73. Ces valeurs
expérimentales convergent avec les prédictions du mécanisme GRI 3.0 (Smith et al.[117]). Law et Kwon [124] ont réalisé une étude expérimentale de la propagation des flammes sphériques prémélangées allumées par étincelle d’un mélange méthane/hydrogène/air dans une chambre de combustion à pression constante dans les conditions TPN (température et pression normales). Ce travail a été réalisé afin d’évaluer l’eficacité de la substitution partielle d’une partie de l’hydrogène au méthane (5, 10 et 15%), d’améliorer la sécurité d’utilisation d’hydrogène en général et les performances du moteur à combustion interne en particulier ainsi que la stabilité et la propagation d’une flamme hydrogène/air. L'étude expérimentale a été réalisée à l'aide de la chambre de combustion à pression constante décrite dans [126]. Trois différentes richesses ont été étudiées (φ = 0.6; 1 et 1.67). La séquence de propagation de la flamme a été visionnée par strioscopie et enregistrée à l’aide d’une caméra numérique à grande vitesse de mouvement, jusqu'à 8000 images/s. Les mesures ont été limitées aux flammes ayant des rayons plus grands que 5mm pour contre le mauvais allumage et plus petits que 20mm pour éviter les interférences du mur. La propagation de la flamme plane, non étirée, stable et adiabatique dans le domaine infini a été simulée en utilisant le code PREMIX de la flamme premélangée, laminaire, unidimensionnelle et stable (Kee et al. [127]). Tous les calculs ont été effectués avec le mécanisme d'oxydation des hydrocarbures détaillée du Qin et al. [128], ce qui permet la diffusion à plusieurs composants, la diffusion thermique et les propriétés de transport variables [129]. Les auteurs ont constaté que les vitesses de propagation de flamme diminuent respectivement de 17, 30 et 40% lorsqu’on remplace 5, 10 et 15% d’hydrogène par du méthane dans le cas des flammes pauvres et stoechiométriques. L’effet du méthane est beaucoup plus important dans les conditions riches en combustible. Par exemple, la vitesse de flamme est réduite de 66% lorsqu’on remplace 15% d’hydrogène par du méthane. Les prédictions du mécanisme de Qin et al. [128] sont satisfaisantes pour les mélanges stoechiométriques et riches, mais surestiment les valeurs expérimentales des mélanges pauvres.
Halter et al. [130] ont réalisé une étude expérimentale sur les effets de la pression (1, 3 et 5 atm) et de la substitution de 10 et 20% d’hydrogène sur les vitesses de propagation de la flamme méthane/air. Le dispositif expérimental est constitué d'une chambre de combustion sphérique. La visualisation de la flamme est obtenue par la méthode d'ombroscopie classique. La lumière parallèle a été créée par trois lentilles planes convexes (ayant des distances focales : 104 mm (L1), 300 mm (L2) et 22 mm (L3)) et de deux miroirs sphériques (SM1 et SM2,
f = 500 mm), comme indiqué sur la Fig. 3.13. Les images ont été enregistrées à l'aide d'une caméra vidéo à grande vitesse (Phantom V5) fonctionnant à 11.200 images /sec avec un temps d'exposition de 50 ms.
Fig. 3.13 Représentation schématique du dispositif expérimental (Halter et al. [130]).
Les résultats expérimentaux ont été comparés aux calculs en utilisant un schéma cinétique chimique détaillé (GRIMECH 3.0). Les profils d’évolution des vitesses expérimentales de flammes prémélangées CH4/H2/air présentent un maximum obtenu au
voisinage d’une richesse égale à 1.1. Une vitesse maximale de 37.9 cm.s-1 est obtenue pour un mélange CH4/air à pression atmosphérique; de 39.3 cm.s-1 pour un mélange CH4/10%H2/air et
de 42.4 cm.s-1 pour un mélange CH4/20%H2/air. À la stoechiométrie, la vitesse d’une flamme
CH4/10%H2 à 1 atm est de 40.81 cm.s-1, de 23.8 cm.s-1 à 3 atm et de 21.1 cm.s-1 à 5 atm.
Enfin, lorsque la pression augmente, la vitesse de combustion laminaire diminue pour tous les mélanges. Le domaine de pression est limité à 0.5 MPa en raison de l'apparition des instabilités à des pressions supérieures à cette valeur. . L’augmentation est prédite par le mécanisme GRI 3.0 (Smith et al. [117]), mais les valeurs modélisées sont surestimées.
Coppens et al. [91] ont réalisé des mesures de la vitesse de flamme adiabatique dans des mélanges (CH4 + H2)/O2/N2. On a fait varier la fraction d’hydrogène dans le combustible
de 0 à 35%. Des flammes non étirées ont été stabilisées sur un brûleur à plaque perforée à pression atmosphérique (fig. 3.14).
Fig. 3.14 Le brûleur utilisé dans le procédé de flux thermique (Coppens et al. [91]).
L’incertitude globale de la vitesse de flamme a été estimée à ± 0,8 cm.s-1. La méthode du flux de chaleur a été utilisée pour déterminer les vitesses de flamme dans des conditions où la perte nette de chaleur de la flamme est égale à zéro. Une nouvelle corrélation pour la vitesse de flamme laminaire adiabatique des mélanges méthane + hydrogène + air dans des conditions normales a été obtenue. Les vitesses de flamme des mélanges de CH4/H2 sont
globalement en accord satisfaisant avec les résultats de la littérature et avec les prédictions du mécanisme de Konnov, en particulier pour les mélanges pauvres, et en accord satisfaisant pour les mélanges riches (Figure 3.15).
Fig. 3.15 Évolution des vitesses en fonction de la richesse pour des mélanges CH4/H2 dans
l’air. Croix : 35% H2, cercles : 25% H2, triangles : 15% H2, carrés : 5% H2, diamants : 0% H2;
traits : modélisation (Coppens et al. [91])
Mandilas et al. [131] ont réalisé une étude expérimentale afin d’étudier l’influence de l’ajout de 30% d’hydrogène au méthane sur la vitesse laminaire de flamme. Les mesures ont été effectuées à une pression de 5 bars et la richesse a été variée de la limite d’allumage dans le mélange pauvre (φ = 0.6) à la limite d’allumage dans le mélange riche (φ = 1.4). La vitesse
de flamme de CH4/H2 est supérieure à celle du méthane pur dans les conditions de mélange
pauvre et stoechiométrique allant même jusqu’à doubler pour un mélange très pauvre. Par exemple, la vitesse maximale du méthane est de 28 cm.s-1 et celle du mélange CH4/H2 est de
38 cm.s-1. Par contre, la vitesse de flamme de méthane/hydrogène est proche de celle du méthane pour des richesses supérieures à 2 d’après les auteurs.
L'augmentation de la vitesse de flamme laminaire est principalement responsable de l’augmentation de vitesse de flamme turbulente lors d'ajout d'hydrogène. Pour les mélanges pauvres iso-octane/air, l’addition d'hydrogène entraîne le rehaussement de la vitesse de flamme turbulente au-delà de celle prévue sur la base de la vitesse de flamme stratifiée.
Dans le Tableau 3.5, on présente une synthèse des conditions expérimentales des différentes études réalisées sur les vitesses de flammes de propagation de méthane en présence d’hydrogène.
Tableau 3.5. Récapitulatif des conditions expérimentales des travaux relatifs aux vitesses de flammes méthane/hydrogène Auteurs Méthode expérimentale % d’H2 Domaine de richesse T° (K) Pression (atm) Scholte et Vaags, [119] Brûleur 44, 64, 80, 88, 100 0.6 ≤ φ ≤ 1.7 298 1 Miller et al., [120] Brûleur 93 φ = 1.75 298 1 Milton et Keck, 1984 Enceinte sphérique 50 φ = 1 300 ≤ T ≤ 500 1 Yu et al., [123] Brûleur à contre-courant 10, 20, 30, 40, 50 0.5 ≤ φ ≤ 1.4 298 1 Haniff, 1989 Brûleur 0 à 37.2 0.8 ≤ φ≤ 1.2 298 1
Liu et al., 1991
[121] Tube 0 à 100 0.6 ≤ φ ≤ 1.3 298 1
Ren et al., [125] Brûleur 0 à 8 0,63 ≤ φ ≤ 0,73 298 1
Law et Kwon, [124] Enceinte sphérique 85, 90, 95 substitué φ = 0.6; 1.0; 1.67 298 1 Tanoue et al., [122] Enceinte sphérique 0, 20, 40 0.6 ≤ φ ≤ 1.4 300 1 Halter et al.[130] Enceinte sphérique 0, 10, 20 0.7 ≤ φ ≤ 1.2 298 1 Coppens et al., [91] Brûleur 5, 15, 25, 35 0.7 ≤ φ ≤ 1.5 298 1 Mandilas et al., [131] Enceinte sphérique 30 0.6 ≤ φ ≤ 1.4 600 5
Les vitesses de propagation de flamme des mélanges CH4, CH4/10%H2, CH4/20%H2,
Fig. 3.16 Comparaison des vitesses de flammes expérimentales des mélanges CH4,
CH4/10%H2, CH4/20%H2, CH4/40%H2, Tini = 298 K, P = 1 atm, (1 : Yu et al. [123], 2 : Halter
et al. [130], 3 : Coppens et al. [91]).