Comportement transitionnel et stabilisation de flammes-jets non-prémélangés de méthane dans un coflow d’air dilué en CO2

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Submitted on 17 Oct 2011

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Comportement transitionnel et stabilisation de flammes-jets non-prémélangés de méthane dans un

coflow d’air dilué en CO2

Jiesheng Min

To cite this version:

Jiesheng Min. Comportement transitionnel et stabilisation de flammes-jets non-prémélangés de méthane dans un coflow d’air dilué en CO2. Autre [cond-mat.other]. INSA de Rouen, 2011. Français.

�NNT : 2011ISAM0005�. �tel-00633005�

THESE

pr´esent´ee par

Jiesheng MIN

Pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Institut National des Sciences Appliqu´ees de Rouen Discipline : Physique

Sp´ecialit´e : Energ´etique

Comportement transitionnel et stabilisa- tion de flammes-jets non-pr´em´elang´es de m´ethane dans un coflow d’air dilu´e en CO₂

soutenue le 31 Mai 2011

Composition du Jury :

Rapporteurs :

Philippe GUIBERT Professeur `a l’Universit´e Pierre et Marie Curie Jean-Michel MOST Directeur de recherche CNRS, l’Institut Pprime

Examinateurs :

Dany ESCUDIE Directrice de recherche CNRS, CETHIL, Lyon Luc VERVISCH Professeur `a l’INSA de Rouen

Eric DOMINGUES Maˆıtre de conf´erences `a l’Universit´e de Rouen Pierre PLION Ing´enieur de recherche `a EDF

Hongsheng GUO Directeur de recherche au NRC Canada

Directrice de th`ese :

Fran¸coise BAILLOT Professeure `a l’Universit´e de Rouen

Invit´ee :

B´eatrice PATTE-ROULAND Professeure `a l’Universit´e de Rouen

Flamme lif´ee laminaire dilu´ee en CO₂ en forme de tube (U_air = 0.1 m/s, U_CH4 = 1 m/s, 10.7% de CO₂ ajout´e `a l’air)

P.S. : Les remerciements ont ´et´e mis `a la fin de cette th`ese selon la philosophie chinoise.

Table des mati`eres

Publications . . . . ix

Nomenclature . . . . xii

Introduction . . . . 1

Bibliographie . . . . 7

1. Flamme de jet non-pr´em´elang´ee . . . . 11

1.1 Flammes de diffusion . . . . 13

1.1.1 Structuration des flammes de diffusion accroch´ees . . . . 15

1.1.2 Longueur des flammes de diffusion laminaires accroch´ees . . . . 16

1.1.3 Ph´enom`ene de ‘Flickering’ . . . . 19

1.1.4 Hauteur d’accrochage au voisinage du brˆuleur . . . . 19

1.2 Flammes partiellement pr´em´elang´ees . . . . 20

1.2.1 Zone d’hyst´er´esis, flamme accroch´ee ou lift´ee . . . . 21

1.2.2 M´ecanismes de d´ecrochage . . . . 24

1.2.3 M´ecanismes de stabilisation des flammes lift´ees turbulentes . . . . 25

1.2.4 Flamme lift´ee laminaire . . . . 27

1.2.5 Importance des l`evres du brˆuleur . . . . 29

Bibliographie . . . . 31

2. Influence de la dilution sur la flamme non-pr´em´elang´ee . . . . 37

2.1 Pr´esentation de trois effets majeurs cons´ecutifs `a l’ajout d’un diluant . . . . 39

2.1.1 Effet de la dilution pure . . . . 39

2.1.2 Effet de la thermique . . . . 40

2.1.3 Effet de la chimie . . . . 40

iv Table des mati`eres

2.2 R´eponses de la flamme lors de l’ajout d’un diluant . . . . 41

2.2.1 Stabilisation . . . . 41

2.2.2 Emission de polluants . . . . 47

2.2.3 Longueur de la flamme . . . . 48

Bibliographie . . . . 50

3. Dispositif exp´erimental . . . . 55

3.1 Le foyer et son environnement . . . . 57

3.1.1 Conception du foyer . . . . 57

3.1.2 Condition de non-existence d’une zone de recirculation au sein du foyer 58 3.1.3 Syst`emes d’alimentation . . . . 60

3.2 Choix des conditions exp´erimentales . . . . 62

3.2.1 Vitesses d´ebitantes de m´ethane et d’air . . . . 62

3.2.2 Configurations de dilution . . . . 62

Bibliographie . . . . 64

4. Techniques de mesures utilis´ees . . . . 65

4.1 Chimiluminescence des flammes . . . . 67

4.1.1 Principe . . . . 67

4.1.2 Spectres de bandes des radicaux OH*, CH*, C₂* et CO₂* . . . . 67

4.1.3 Montage exp´erimental . . . . 71

4.2 Rayonnement des suies . . . . 73

4.2.1 Principe . . . . 73

4.2.2 Montage exp´erimental . . . . 74

4.3 Fluorescence Induite par Laser sur radical OH (LIF-OH) . . . . 75

4.3.1 Principe . . . . 75

4.3.2 Caract´eristiques spectrales . . . . 79

4.3.3 Caract´eristiques temporelles . . . . 81

4.3.4 Montage exp´erimental de PLIF-OH . . . . 82

4.3.5 Lin´earit´e du signal de fluorescence . . . . 85

Table des mati`eres v

4.4 Incandescence Induite par Laser (LII) . . . . 87

4.4.1 Principe . . . . 87

4.4.2 Caract´eristiques de la technique . . . . 88

4.4.3 Montage exp´erimental de LII . . . . 90

4.4.4 S´election du signal : synchronisation . . . . 90

4.5 An´emom´etrie Doppler Laser (ADL) . . . . 92

4.5.1 Principe . . . . 92

4.5.2 Chaˆıne d’acquisition d’ADL . . . . 93

4.5.3 Ensemencement . . . . 95

4.6 Ombroscopie . . . . 97

4.6.1 Principe . . . . 97

4.6.2 Montage exp´erimental . . . . 97

Bibliographie . . . . 99

5. Traitement d’images et extraction de grandeurs physiques . . . . 103

5.1 Images de chimiluminescence CH* . . . . 105

5.1.1 Hauteur de suspension, HL . . . . 105

5.1.2 Hauteur d’accrochage, Ha . . . . 107

5.1.3 Largeur de flamme . . . . 108

5.1.4 Contour de flamme par CH* . . . . 109

5.2 Images d’´emission directe . . . . 109

5.2.1 Longueur lumineuse, L_f,luminous . . . . 110

5.2.2 Longueur de pic d’intensit´e,L_f,peak . . . . 110

5.3 Images de Fluorescence Induite par Laser sur le radical OH (LIF-OH) . . . . 111

5.3.1 Contour et squelette de la base de flamme . . . . 112

5.3.2 Longueur de flamme, Lf,OH . . . . 113

5.4 Images d’Incandescence Induite par Laser (LII) . . . . 114

5.4.1 Zone de pr´esence des suies . . . . 114

5.4.2 Longueur de flamme, L_f,LII . . . . 114

5.5 Images d’ombroscopie . . . . 116

vi Table des mati`eres

Bibliographie . . . . 117

6. Influence de la dilution sur le d´ecrochage de flamme . . . . 119

6.1 Cartographie de la stabilit´e . . . . 121

6.1.1 Limite haute d’hyst´er´esis . . . . 121

6.1.2 Limite basse d’hyst´er´esis . . . . 122

6.1.3 Influence du syst`eme d’homog´en´eisation . . . . 122

6.2 Impact d’un diluant sur le d´ecrochage de flamme . . . . 123

6.2.1 Trois protocoles d’ajout d’un diluant . . . . 123

6.2.2 Limite de d´ecrochage . . . . 126

6.2.3 R´egions convectives de l’´ecoulement et r´eponses de flamme associ´ees . 130 6.3 Comparaison entre les diff´erents diluants . . . . 132

6.3.1 Coefficient relatif d’un diluant,Kdiluant . . . . 132

6.3.2 Action diff´erenci´ee d’un diluant sur le d´ecrochage . . . . 133

6.3.3 Impact relatif des trois actions principales du CO₂ . . . . 134

6.4 Conclusion . . . . 135

Bibliographie . . . . 138

7. Caract´erisation de la flamme accroch´ee lors de l’ajout d’un diluant. . . . 139

7.1 Hauteur d’accrochage, H_a . . . . 141

7.1.1 Hauteur d’accrochage sans dilution, ´etat de r´ef´erence . . . . 141

7.1.2 Hauteur d’accrochage avec dilution . . . . 141

7.1.3 Couplage entre l’a´erodynamique et la dilution . . . . 143

7.1.4 Interpr´etation physique deH_a via S_L . . . . 146

7.2 Structure interne de flamme, zones de OH et de CH* . . . . 147

7.2.1 Evolution de la zone de OH sans dilution . . . . 149

7.2.2 Evolution de la zone de OH avec dilution . . . . 155

7.3 Formation des suies . . . . 158

7.4 Longueur de flamme . . . . 161

7.4.1 R´esultats exp´erimentaux . . . . 161

Table des mati`eres vii

7.4.2 Structure interne de flamme . . . . 164

7.4.3 Comparaison avec les mod`eles analytiques . . . . 166

7.5 Emissions polluantes . . . . 168

7.6 Flickering . . . . 171

7.6.1 Amplitude et fr´equence de l’oscillation de la largeur de flamme . . . . 172

7.6.2 Apparition du premier vortex . . . . 172

7.7 Conclusion . . . . 174

Bibliographie . . . . 177

8. Influence de la dilution sur l’extinction de flamme . . . . 181

8.1 Extinction de flamme sans dilution . . . . 183

8.2 Extinction de flamme en pr´esence de dilution . . . . 183

8.2.1 Cartographie d’extinction . . . . 183

8.2.2 Effet de la vitesse de l’air . . . . 187

8.2.3 Effet de la vitesse du m´ethane . . . . 188

8.2.4 Comparaison entre les diluants . . . . 189

8.3 Allumage de flamme . . . . 189

8.3.1 Allumage loin du brˆuleur . . . . 191

8.3.2 Allumage proche du brˆuleur . . . . 192

8.4 Stabilisation de flamme lift´ee . . . . 194

8.4.1 Hauteur de suspension, HL . . . . 194

8.4.2 Rayon apparent de flamme en pr´esence de dilution, R_P . . . . 200

8.4.3 Corr´elation entre H_L etR_P . . . . 202

8.5 Conclusion . . . . 204

Bibliographie . . . . 206

Conclusion g´en´erale et perspectives . . . . 209

Annexe 215 A. Propri´et´es physiques des gaz utilis´es. . . . 217

viii Table des mati`eres

B. Syst`eme d’ensemencement int´egr´e `a la chambre de tranquillisation . . . . 219

C. Effet combin´e de la dilution et de la thermique sur la stabilit´e de flamme . . . . . 221

C.1 Influence du pr´echauffage d’air : El´ements bibliographiques . . . . 222

C.2 Dispositif exp´erimental du CETHIL . . . . 224

C.2.1 Installation thermique . . . . 224

C.2.2 Etude thermique pr´eliminaire . . . . 225

C.2.3 Protocole d’exp´erience . . . . 225

C.3 Zone d’hyst´er´esis avec diff´erentes Tair, cas de r´ef´erence . . . . 227

C.4 Limite de d´ecrochage de flamme en pr´esence de la dilution et du pr´echauffage 228 C.4.1 Limite de d´ecrochage avec CO₂ `a diff´erentes T_air . . . . 228

C.4.2 Comparaison entre les diluants . . . . 232

C.5 Nouveau r´egime stable de flamme, ‘flamme coup´ee’ . . . . 232

Bibliographie . . . . 235

Table des figures . . . . 237

Liste des tableaux . . . . 245

Remerciements . . . . 247

Publications

Articles

– J. Min, F. Baillot, A. Wyzgolik, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland, C. Galizzi (2010) ‘Impact of CO₂/N₂/Ar Addition on the Internal Structure and Stability of Nonpre- mixed CH4/Air Flames at Lifting’, Combustion Science and Technology, 182, 1782-1804.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

– H. Guo, J. Min, C. Galizzi, D. Escudi´e, F. Baillot (2010) ‘A Numerical Study on the Effects of CO₂/N₂/Ar Addition to Air on Liftoff of a Laminar CH₄/Air Diffusion Flame’, Combustion Science and Technology, 182, 1549-1563.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 6)

– J. Min, F. Baillot, H. Guo, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland (2011) ‘Impact of CO2, N2or Ar Diluted in Air on the Length and Lifting Behavior of a Laminar Diffusion Flame’, Proceedings of the Combustion Institute, 33, 1071-1079.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

Actes de congr`es internationaux

– J. Min, F. Baillot, E. Domingues, B. Patte-Rouland, M. Talbaut, D. Escudi´e, C. Galizzi, F. Andr´e, O. Gicquel (2008) ‘Effect of CO₂ Addition on the Stability and the Flickering of Non-Premixed Methane/Air Flames’, The 19^th International Symposium on Transport Phenomena, Reykjavik, Iceland.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

– J. Min, F. Baillot, A. Wyzgolik, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland, C. Galizzi (2009) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH4/Air Flames : Effect of CO2 Addition and Reactant Preheating’,The 4^th European Combustion Meeting, Vienna, Austria.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

x Publications

– J. Min, A. Wyzgolik, F. Baillot, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland, D. Es- cudi´e, C. Galizzi, F. Andr´e, O. Gicquel (2009) ‘Impact of CO2/N2/Ar Addition on the Internal Structure and Stability of Non-Premixed CH₄/Air Flames at Liftoff’, The 22^nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk, Belarus.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

– H. Guo, J. Min, C. Galizzi, D. Escudi´e, F. Baillot (2009) ‘A numerical Study on the Effects of CO₂/N₂/Ar Addition on Liftoff of a Laminar CH₄/Air Diffusion Flame’,The 22^nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk, Belarus.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 6)

– J. Min, F. Baillot, H. Guo, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland (2010) ‘Impact of CO₂, N₂ or Ar Diluted in Air on the Length and Lifting Behavior of a Laminar Diffusion Flame’, The 33^rd International Symposium on Combustion, Beijing, China.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)

– S. Lamige, C. Galizzi, J. Min, J. Perles, F. Andr´e, F. Baillot, D. Escudi´e (2010) ‘Effect of Reactant Preheating on the Stability of Non-Premixed Methane/Air Flames’,The 14^th International Heat Transfer Conference, Washington D.C. USA.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans l’annexe C)

– J. Min, F. Baillot (2011) ‘Experimental Investigation on Flame Extinction Process of Non-Premixed CH4/Air Flames in an Air-Diluted Coflow by CO2, N2 or Ar’, The 23^rd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Irvine, USA.

(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 8)

Posters

– J. Min, F. Baillot, A. Wyzgolik, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland, C. Galizzi (2009) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH₄/Air Flames : Effect of CO₂ Addition and Reactant Preheating’,The 4^th European Combustion Meeting, Vienna, Austria.

– J. Min, S. Lamige, C. Galizzi, F. Baillot, J. Perles, E. Domingues, M. Talbaut, F. An- dr´e, B. Patte-Rouland, D. Escudi´e (2010) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH₄/Air Flames : Liftoff and Extinction in Diluted Hot Coflow’,The 33^rd International Symposium on Combustion, Beijing, China.

xi

Prix

Prix gouvernemental chinois ann´ee 2010 d´ecern´e aux meillieurs ´etudiants chinois autofinanc´es

`

a l’´etranger. Cr´e´e par le Minist`ere chinois de l’Education depuis 2003, ce prix est destin´e aux meilleurs ´etudiants-doctorants chinois sans financement gouvernemental. Cette ann´ee, apr`es deux tours de s´election, 506 doctorants r´epartis dans 29 pays ont obtenu ce prix, dont 25 se trouvent en France.

xii Publications

Nomenclature

Caract´eristiques des gaz

D Diffusivit´e mol´eculaire

Z Fraction de m´elange

ρ Masse volumique du gaz

ρ_p Masse volumique d’une particule

µ Viscosit´e dynamique

ν Viscosit´e cin´ematique

χ Dissipation Scalaire

Y_i Fraction massique

X_i Fraction molaire

S Fraction stœchiom´etrique

M_i Masse molaire

˙

m_i D´ebit-masse

T Temp´erature

C_p Capacit´e calorifique molaire `a pression contante υ Coefficient stœchiom´etrique

Q_diluant D´ebit de diluant Qair D´ebit d’air

Kdiluant Coefficient relatif d’un diluant

Nombres adimensionnels

D_a Nombre de Damk¨ohler

R_e,CH4 Nombre deReynolds bas´e sur le diam`etre interne en sortie de l’injec- teur de m´ethane

S_c Nombre de Schmidt

S_t Nombre de Stockes

K_a Nombre de Karlovitz

R_i Nombre de Richardson

F r Nombre de F roude

xiv Nomenclature

Caract´eristiques temporelles

τ_chimiue Temps caract´eristique de la r´eaction chimique τ_m´elange Temps caract´eristique de m´elange

f_D Fr´equence du signal ADL f_Bragg Fr´equence de Bragg

τ_p Temps de r´eponse d’une particule d’ensemencement τ_t Temps caract´eristique des ´echelles de l’´ecoulement

Caract´eristiques spatiales

Ha Hauteur d’accrochage

HL Hauteur de lift

H_v Distance entre l’endroit de l’apparition du vortex et la sortir du brˆuleur

R_P Rayon apparent de flamme

W_f Largeur de flamme

L_f Longueur de flamme

L_f,OH Longueur de flamme `a partir du signal LIF-OH L<sub>f,LII</sub> Longueur de flamme `a partir du signal LII

L_f,luminous Longueur de flamme `a partir de l’´emission directe

L_f,peak Longueur de flamme `a partir de l’´emission directe, bas´ee sur le pic d’intensit´e

S_I,OH Contour de flamme d´efini par l’intensit´e maximale de OH SI,CH Contour de flamme d´efini par l’intensit´e maximale de CH*

SG,OH Contour de flamme d´efini par le gradient maximal de OH S_G,CH Contour de flamme d´efini par le gradient maximal de CH*

W_OH Largeur de la zone OH W_CH∗ Largeur de la zone CH*

Ep_OH Epaisseur de la zone OH Ep_CH∗ Epaisseur de la zone CH*

H_OH Hauteur relative de la zone de fluorescence du radical OH e_l Epaisseur de la l`evre du brˆuleur

D_i Diam`etre int´erieur du brˆuleur D<sub>e</sub> Diam`etre ext´erieur du brˆuleur r_i Rayon int´erieur du brˆuleur HAB Hauteur au-dessus du brˆuleur

r Distance radiale `a partir de l’axe central du brˆuleur a_cc Cot´e de la chambre de combustion

xv

Caract´eristiques dynamiques U_air Vitesse de l’air U_CH4 Vitesse de m´ethane U_oxydant Vitesse de l’oxydant U_x Vitesse verticale U_y Vitesse horizontale

S_L Vitesse laminaire de flamme S_T Vitesse turbulente de flamme S_triple Vitesse de flamme triple U_l Vitesse de d´ecrochage U_a Vitesse de raccrochage Uex Vitesse d’extinction

Uf uel Vitesse du combustible

U_{f low} Vitesse locale de l’´ecoulement

Autres

λ Longueur d’onde

Sf luorescence Signal de la fluorescence B_ji Coefficient d’´emission stimul´ee B_ij Coefficient d’absorption

A_ij Coefficient d’´emission spontan´ee

N_i Population d’esp`ece correspondant au niveau i U_υ Densit´e spectrale d’´energie

Qji Probabilit´e de d´esexcitation

Ω Angle solide

σ_i Section efficace de collision

V_ji Coefficient du transfert d’´energie vibrationnel

xvi Nomenclature

Introduction

Contexte

Les r´eglementations sur la protection de l’environnement poussent au d´eveloppement de nouvelles technologies de combustion propre `a fort rendement ´energ´etique. En effet, `a elles seules, les ´energies renouvelables, ne pourront fournir les besoins indispensables. Il est donc n´ecessaire d’am´eliorer l’efficacit´e des syst`emes conventionnels afin de diminuer les ´emissions polluantes (NO<sub>x</sub>, SO<sub>x</sub>, suies, particules etc.) et accroˆıtre leurs rendements, ce qui, tout en r´eduisant les rejets de CO<sub>2</sub>, pr´eservera les ressources naturelles en hydrocarbures. Conjointe- ment, les exigences concernant la fiabilit´e et la s´ecurit´e, notamment des engins a´eronautiques et spatiaux, sont renforc´ees, une meilleure maitrise des ph´enom`enes d’extinction est donc re- cherch´ee.

La majeure partie des foyers a recours `a des syst`emes o`u le comburant et le combustible sont inject´es s´epar´ement. Ce r´egime non pr´em´elang´e, soumis `a l’ensemble de ces exigences, se caract´erise par une stabilisation ou un accrochage de flamme tr`es difficile `a maˆıtriser. Or la capacit´e `a rendre stables ces flammes va d´eterminer en pratique la plage de fonctionnement des brˆuleurs et donc en bonne partie leurs performances. Aussi une meilleure compr´ehen- sion des ph´enom`enes instationnaires qui pilotent la stabilisation des flammes en r´egime de combustion non pr´em´elang´ee est essentielle au d´eveloppement des nouvelles technologies des brˆuleurs industriels. Dans cette optique, depuis une dizaine d’ann´ees, a ´et´e identifi´e un nou- veau r´egime de fonctionnement des fours `a haute ´energie utilisant des brˆuleurs r´eg´en´eratifs [Katsuki and Hasegawa, 1998; Weber et al., 1999]. Une tr`es forte recirculation des produits de combustion est alors induite au sein de l’enceinte thermique, ce qui dilue fortement les r´eactifs. Le r´egime se caract´erise par une absence de flamme visible, une grande homog´en´eit´e spatio-temporelle de temp´erature sans pics de forte intensit´e, un faible bruit de combustion dˆu aux faibles fluctuations de temp´erature et de pression et surtout la r´eduction significative des ´emissions de NO_x et de particules [W¨unning and W¨unning, 1997; Milani and Saponaro, 2001; Cavaliere and Joannon, 2004]. L’existence de ce nouveau r´egime de combustion montre l’importance du pr´echauffage des gaz et celle de la dilution par les produits de combustion recirculant (parmi lesquels CO₂ et H₂O, jouent un rˆole dominant, en terme de quantit´e et de propri´et´es physico-chimiques) sur la stabilisation de la flamme et la qualit´e de la combustion dans les foyers. Ainsi depuis une dizaine d’ann´ees, des ´etudes exp´erimentales [Dally et al., 2002, 2004; Oh and Shin, 2006; Takahashi et al., 2007a] et num´eriques [Liu et al., 2001; Park

2 Introduction

et al., 2004; Katta et al., 2004; Briones et al., 2006; Guo and Smallwood, 2008] s’int´eressent au comportement de flammes non-pr´em´elang´ees d’hydrocarbures en pr´esence du CO2 inject´e dans le combustible ou dans le comburant.

Parall`element aux exigences formul´ees par le d´eveloppement des foyers `a haute ´energie, la s´ecurit´e incendie, notamment spatiale, s’int´eresse ´egalement aux probl`emes pos´es par la dilution. Si les m´ecanismes fondamentaux impliqu´es sont les mˆemes que ceux r´egissant les syst`emes `a haute ´energie, les objectifs sont `a l’oppos´e, l’efficacit´e `a l’extinction ´etant alors recherch´ee [Pitts et al., 1999; Takahashi et al., 2007a,b; Lock et al., 2007; Takahashi et al., 2008; Lock et al., 2008, 2009].

Quel que soit l’objectif `a atteindre (efficacit´e ´energ´etique ou efficacit´e `a l’extinction), les

´

etudes sur la r´eponse de flamme peuvent ˆetre class´ees suivant trois cat´egories de probl`emes : la stabilisation de flamme [Won et al., 2000, 2005; Takahashi et al., 2008; Aggarwal, 2009], l’´emission de polluants [Gulder and Snelling, 1993; Oh and Shin, 2006; Guo and Smallwood, 2008] et la structuration de flamme [Roper et al., 1977; Lee et al., 2005; Liu et al., 2009].

D’autres diluants, comme N₂, Ar, He, CO, H₂, CF₃Br etc., ayant des propri´et´es physico- chimiques diff´erentes de celles de CO₂ ont ´egalement ´et´e ´etudi´es. D’un point de vue physique, les effets induits par la pr´esence d’un diluant dans un m´elange gazeux pouvant ˆetre class´es suivant les cinq cat´egories ci-dessous :

– dilution pure, l’ajout d’un diluant conduit `a la diminution de la concentration des r´eactants dans la zone de r´eaction [Lock et al., 2007], ce qui r´eduit le taux de r´eaction.

– thermique, l’ajout d’un diluant induit la modification des transferts thermiques entre les gaz et la flamme [Takahashi et al., 2007a]. Ainsi la temp´erature de flamme est modifi´ee.

– chimie, l’ajout d’un diluant chimiquement actif provoque une diminution importante de la concentration des radicaux r´eactifs (comme OH et CH) dans la flamme [Vora et al., 2001].

Pour les diluants non-chimiques, cet effet reste tr`es limit´e [Liu et al., 2001].

– propri´et´es de transport, en modifiant la conductivit´e thermique de l’oxydant une fois dilu´e [Guo et al., 2010], cela entraˆıne la modification de son nombre de Lewis qui joue un rˆole important sur la temp´erature et sur les m´ecanismes de stabilisation de flamme [Chen et al., 2007].

– effets radiatifs, l’ajout d’un diluant modifie la temp´erature de flamme par le rayonnement [Daguse et al., 1996].

Selon le diluant utilis´e, toutes ou parties de ces cat´egories sont impliqu´ees dans la r´eponse de la flamme. D’apr`es les travaux ant´erieurs, les principaux m´ecanismes avec lesquels le CO2

agit sur la combustion sont la dilution pure et la thermique, l’impact de la chimie ´etant une question ouverte. L’importance relative de leur influence sur les diff´erents aspects caract´e- risant la r´eponse de flamme est cependant encore mal connue. En outre, une grande partie des ´etudes existantes se focalisent sur la dilution dans le combustible dont un des objectifs est une meilleure connaissance des biogaz, compos´e essentiellement de m´ethane et de gaz

3 secondaires assimilables `a des diluants. A contrario, le nombre de travaux exp´erimentaux portant sur la dilution du comburant reste assez limit´e. De plus, ces travaux se limitent tou- jours `a l’´etude d’une gamme de conditions op´erationnelles tr`es ´etroite pour un r´egime donn´e de combustion. Ainsi, l’´evolution des r´eponses de flamme appr´ehend´ee dans une approche continue des ph´enom`enes `a ´etudier et le rˆole particulier des transitions mises en jeu lors du passage d’un ´etat de stabilisation `a un autre sont encore mal maˆıtris´es. En particulier, le couplage entre l’a´erodynamique et la dilution sur la r´eponse de la flamme est peu ´etudi´e. Il apparaˆıt donc un manque cruel d’´etudes exp´erimentales syst´ematiques capables de fournir sur une large gamme de configurations, des donn´ees fiables sur les diff´erents ph´enom`enes in- fluenc´es par la dilution (stabilisation, ´emission de polluant, morphologie et structure interne de flamme).

Objectif

Les travaux de cette th`ese ont int´egr´e le programmeSTREAM, soutenu par l’Agence Natio- nale de la Recherche (ANR), qui a pour ambition d’apporter une compr´ehension d´etaill´ee des ph´enom`enes physico-chimiques qui conduisent une flamme de jets non-pr´em´elang´es `a adap- ter son comportement en terme de stabilit´e depuis un ´etat accroch´e stable au brˆuleur vers le r´egime de combustion distribu´ee. Pour cela, trois laboratoires, CORIA, CETHIL, EM2C ont r´eunis leurs comp´etences afin d’apporter des approches exp´erimentale et num´erique compl´e- mentaires. Deux foyers de combustion identiques con¸cus et r´ealis´ees au CORIA ont donc ´et´e implant´es l’un au CETHIL, d´edi´e `a la thermique, l’autre au CORIA d´edi´e `a l’a´erodynamique et `a la dilution. Une collaboration internationale a ´et´e d´evelopp´e avec le Professeur H. Guo du NRC (Conseil National de Recherches Canada) dont les simulations num´eriques ont pu ˆ

etre crois´ees avec certains des r´esultats exp´erimentaux obtenus sur le foyer du CORIA.

L’objectif de cette th`ese est donc d’´etudier la stabilisation (allumage, d´ecrochage et extinc- tion) et les transitions entre les r´egimes de flamme accroch´ee et lift´ee pour des jets non- pr´em´elang´es en pr´esence du CO<sub>2</sub> dilu´e `a l’air. Le CO₂ a ´et´e choisi comme le diluant, car il est l’un des principaux produits de combustion recirculant dans les syst`emes de combustion `a haute ´energie. Afin d’´eviter le manque de contrˆole de l’a´erodynamique des gaz brˆul´es recircu- lant inh´erent au d´eveloppement ‘naturel’ des recirculations au sein des foyers, ce foyer a ´et´e con¸cu de telle mani`ere qu’il n’existe pas dans la veine d’essai de structures de recirculation, tout au moins pour les configurations exp´erimentales ´etudi´ees. Ainsi, on simule exp´erimen- talement l’action locale d’un air vici´e, en ajoutant une quantit´e connue de CO2. L’oxydant est inject´e dans une large veine assurant le rˆole de coflow, tandis que le m´ethane est inject´e au centre de la veine par un tube de faible diam`etre. Suivant les conditions d’injection, le r´egime de combustion peut ´evoluer d’un ´etat de flamme de diffusion accroch´ee vers un ´etat de flamme suspendue stable puis instable (extinction). L’effet de dilution sur la flamme a ´et´e

´

etudi´e en adoptant la m´ethodologie suivante :

– Tout abord, nous ´etablissons des familles de ph´enom`enes physiques caract´erisant l’ac-

4 Introduction

tion du CO2, comme la transition entre deux ´etats de flamme (d´ecrochage, transition accrochage-suspension ; extinction, transition suspension-extinction), changement de lu- minosit´e ou de morphologie, flickering.

– Ensuite, nous cherchons des grandeurs physiques capables de quantifier ces changements de comportement de flamme dus au CO₂, comme les limites de d´ecrochage ou d’extinction, la hauteur de stabilisation, la longueur de flamme, l’´epaisseur de la zone de flamme, l’´emission globale de polluants, l’oscillation du front etc..

– Enfin, une quantification appropri´ee de ces grandeurs permet une analyse crois´ee de leurs r´esultats en vue de proposer des corr´elations capables de pr´edire les comportements de flamme, mais aussi de discriminer les diff´erents ph´enom`enes qui dominent l’action de CO₂ dans la dilution.

Pour ce faire, la premi`ere ´etape a ´et´e d’´etablir une cartographie de stabilit´e de flamme, ce qui permet de d´elimiter et classer les diff´erents ´etats de flamme qu’elle soit accroch´ee, lif- t´ee ou ´eteinte. Afin d’apporter une r´eponse circonstanci´ee sur la contribution relative entre l’a´erodynamique et la dilution, une large gamme de conditions de vitesse du m´ethane et de l’air a ´et´e choisie balayant le r´egime de convection naturelle `a celui de la convection for- c´ee. Il s’est av´er´e ´egalement prometteur d’utiliser d’autres diluants poss´edant des propri´et´es physico-chimiques diff´erentes de celles de CO₂pour obtenir des ´el´ements quantitatifs `a partir desquels une analyse comparative a ´et´e d´evelopp´ee. En particulier, l’azote et l’argon ont ´et´e choisis pour leur action chimiquement neutre dans le m´elange qui se double d’une action thermiquement neutre pour N<sub>2</sub>. Cette d´emarche permet d’am´eliorer la compr´ehension des m´ecanismes de d´estabilisation due `a l’ajout d’une famille de diluants, mais ´egalement de mettre en ´evidence les importances relatives des trois actions de chaque diluant.

L’analyse de ces r´esultats a permis de r´epondre aux questions suivantes :

– Quelle est l’importance relative des ph´enom`enes a´erodynamiques, thermiques ou chimiques suite `a la modification de l’air par ajout du CO₂?

– Comment s’adapte la flamme accroch´ee ou lift´ee pour r´esister `a la dilution ?

– Y a-t-il un lien qui permet de r´eunir en une unique r´eponse g´en´erique l’ensemble des impacts produits par les diff´erents diluants utilis´es ?

– L’influence de la dilution fait-elle appel toujours aux mˆemes ph´enom`enes pour modifier les grandeurs physiques ´etudi´ees ?

Plan du manuscrit

Le m´emoire est construit de la mani`ere suivante :

la Partie I propose une ´etude bibliographique concernant l’impact de la dilution sur le r´e- gime de flamme non-pr´em´elang´ee. Le Chapitre 1 rappelle les ´el´ements fondamentaux

5 n´ecessaires `a la compr´ehension des flammes de jets non-pr´em´elang´ees accroch´ees ou suspendues ainsi que leurs caract´eristiques. Le Chapitre 2 pr´esente les travaux sp´eci- fiques traitant de l’influence de la dilution, en mettant en valeur les diff´erents aspects sur lesquels elle agit : stabilisation, morphologie, ´emissions de polluants dans le cas de flammes non-pr´em´elang´ees ou partiellement pr´em´elang´ees.

la Partie II d´etaille et caract´erise le dispositif exp´erimental utilis´e (Chapitre 3), et les tech- niques de mesures utilis´ees pour analyser les diff´erentes propri´et´es de la flamme ainsi que celles de l’´ecoulement (Chapitre 4).

la Partie III est consacr´ee `a la pr´esentation des outils scientifiques d´evelopp´es au cours de cette th`ese, des r´esultats exp´erimentaux obtenus et de leur analyse physique. Ainsi les outils scientifiques sont pr´esent´es dans le Chapitre 5, en particulier les diff´erents traitements appliqu´es aux images de flamme, programm´es sous Matlab.

le Chapitre 6 a pour objectif d’´etablir la cartographie de stabilit´e `a partir des limites de d´ecrochage dans le domaine physique, vitesse d’air, vitesse de m´ethane, taux de dilution dans l’air ((Q<sub>diluant</sub>/Q<sub>air</sub>)). Trois protocoles de manipulation ont ´et´e test´es afin de d´elimiter les impacts suppl´ementaires qui, par le simple fait d’ajou- ter induisent une modification des caract´eristiques de l’´ecoulement de l’oxydant (masse, vitesse et fraction massique). La cartographie de d´ecrochage obtenue s’ap- parente `a une surface 3D. Elle a ´et´e sectoris´ee en fonction du r´egime de convection (naturelle, mixte et forc´ee) d´etermin´e `a partir du nombre de Richardson. Ceci a permis de cerner les effets comp´etitifs entre l’a´erodynamique et la dilution, et d’expliquer les diff´erents modes de stabilisation pour les flammes une fois lift´ees.

Une ´equation param´etrique caract´erisant la limite de d´ecrochage tenant compte des conditions a´erodynamiques initiales est propos´ee. L’´etude ´etendue aux autres diluants non-chimiquement r´eactifs comme N₂, Ar, et le m´elange CO₂+Ar ont permis de d´efinir un param`etre d’affinit´eK_diluant bas´e sur le seuil critique au d´e- crochage (Q_CO2/Q_air)_{lif ting} du CO₂. Ainsi l’´equation param´etrique ´etablie pour le CO₂ a ´et´e ´elargie aux autres diluants sous une forme g´en´erique. L’ensemble de ces r´esultats permet ´egalement de mettre en ´evidence les importances relatives des trois actions principales (dilution pure, thermique et chimie) sur la limite de d´ecrochage.

le Chapitre 7 bas´e sur la cartographie de stabilit´e obtenue au Chapitre 6, s’attache `a la caract´erisation des effets de dilution des diff´erentes grandeurs d’une flamme accroch´ee : hauteur de stabilisation, longueur de flamme, localisation et forma- tion des suies, zone de flamme d´ecrit par le radical OH, et ´emission polluante globale. En particulier, les points juste avant le d´ecrochage sont finement ´etudi´es.

Pour chaque cas d’´etude, les trois diluants (CO₂, N₂ et Ar) sont syst´ematique- ment utilis´es. Les ´evolutions des grandeurs physiques choisies sont d´ecrites par des corr´elations qui tiennent compte `a la fois des effets de vitesses et de dilution.

6 Introduction

L’´evolution des grandeurs identifi´ees ci-dessus est caract´eris´ee par une loi de si- militude, grˆace `a l’utilisation de l’abscisse normalis´ee par le coefficient d’affinit´e K<sub>diluant</sub>. Il ressort que la vitesse de propagation de flamme (S<sub>L</sub>) est l’´el´ement cl´e permettant d’expliquer ce comportement auto-similaire. En effet, ces gran- deurs physiques sont d´ependantes de la dynamique du bout de flamme propagatif influenc´ee par les trois actions principales (dilution pure, thermique, chimie) in- troduits par l’ajout de diluant. Un autre groupe de grandeur a ´et´e mis en ´evidence qui n’ob´eit pas `a la d´ependance au bout de flamme. Seul l’effet de la dilution pure r`egle leur ´evolution comportementale.

le Chapitre 8 s’int´eresse aux m´ecanismes d’extinction et de stabilisation pour desflammes lift´eesen pr´esence d’un diluant ajout´e `a l’air. La cartographie pr´ec´edente de sta- bilit´e est ainsi compl´et´ee par les limites d’extinction. Diff´erents sc´enarios d’extinc- tion ont ´et´e identifi´es selon les conditions a´erodynamiques initiales. La pr´esence d’une l`evre ´epaisse du brˆuleur prot´egeant la base d’une flamme accroch´ee induit une extinction tardive dans certaines conditions. L’action de la l`evre a ´egalement

´et´e mise en ´evidence `a travers des exp´eriences d’allumage r´ealis´ees au voisinage du brˆuleur et en champ lointain. Pour les flammes initialement lift´ees, une ´equation param´etrique caract´erisant la limite d’extinction a ´et´e obtenue. La comparaison entre les diluants (CO<sub>2</sub>, N<sub>2</sub>, Ar et CO<sub>2</sub>+Ar) confirme `a nouveau la validit´e du co- efficient K_diluant trouv´e pr´ec´edemment. Finalement, les hauteurs de stabilisation et les rayons apparents de la base des flammes lift´ees sont ´egalement investigu´es.

Des r´eponses diff´erentes des flammes lift´ees dilu´ees ont ´et´e observ´ees par rapport au cas sans dilution.

Le manuscrit se termine par une conclusion g´en´erale qui rassemble les principaux ´el´ements obtenus au cours de cette ´etude. Quelques perspectives viennent apporter des ´el´ements de r´eflexion pour un futur d´eveloppement de cette recherche encore riche de potentialit´es.