Caractérisation expérimentale des plissements à petite échelle dans une flamme turbulente prémélangée PDF Download

Author: Romain Fragner
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 0

View

Book Description
Le présent travail est une étude expérimentale sur l'interaction entre flamme et turbulence. L'effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l'aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l'étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l'effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l'effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l'impact majeur de l'échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude.

Author: Ronnie Knikker
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 232

View

Book Description
La simulation numérique est un outil important pour mieux comprendre et prédire les systèmes de combustion industriels, où interviennent des phénomènes physiques complexes à des échelles caractéristiques très variées. La simulation des grandes échelles (LES), où les grandes structures de l’écoulement sont calculées explicitement et l’effet des plus petites est modélisé, apparaît alors comme une approche particulièrement prometteuse. Elle nécessite Donc de disposer de modèles décrivant l’action des échelles non-résolues sur les échelles calculées. Le principal objectif de cette thèse est le développement et la validation de modèles de sous-mailles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée. L’étude expérimentale d’une flamme turbulente en V stabilisée derrière un obstacle a été réalisée au moyen de techniques de mesures avancées. Des visualisations du front de flamme instantané effectuées par fluorescence induite par laser ont permis l’analyse de la modélisation de sous-maille du taux de réaction. L’interaction de la flamme avec une onde acoustique a été étudiée car son mécanisme est considéré comme une étape importante dans le développement des instabilités de combustion. De larges structures cohérentes de la flamme ont été observées, ainsi que de fortes contributions du taux de réaction de sous-maille phénomènes qui doivent être reproduits par les modèles LES. Des analyses détaillées des données expérimentales ont conduit au développement d’un modèle basé sur la courbure de la flamme résolue. Ce modèle prédit une action importante du modèle de sous-maille dans les régions où le front de flamme résolu est fortement courbé, en accord avec les expériences. Un second modèle, basé sur le concept de similarité, désormais classique en modélisation pour la simulation des grandes échelles des écoulements non-réactifs, a également été proposé et testé. Un complément attractif à ce modèle a été développé par une extension originale de la théorie des fractals à là LES des écoulements réactifs. La modélisation fractale du taux de réaction de sous-maille est discutée et analysée à partir des données expérimentales. Une formulation dynamique de ce modèle a également été étudiée. Enfin, l’approche LES analysée dans ce travail a été implantées dans un code de calcul numérique existant et des premiers calculs de la configuration expérimentale ont été réalisés. Les aspects critiques de ces simulations sont discutés et les premiers résultats du modèle de similarité proposé sont comparés aux données expérimentales et à un modèle de sous-maille exitant.

Author: JULIEN.. PIANA
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 187

View

Book Description
Ce travail se place dans le cadre de la simulation aux grandes échelles (les) de la combustion turbulente. Le but des simulations les est de résoudre les structures de grande taille et de modéliser les effets des petites structures par des modèles de sous-maille. L'intérêt de ces méthodes est de décrire les phénomènes instationnaires, fortement turbulents, notamment dans des configurations géométriques complexes. Elles constituent à cet égard un outil attractif pour la simulation de la combustion turbulente dans des configurations industrielles. Cependant représenter la combustion dans ce contexte pose des problèmes particuliers devant être résolus par des méthodes spécifiques. Dans ce mémoire, nous étudions notamment une description cinématique de la combustion pour laquelle il convient d'estimer les effets de la turbulence sur la vitesse de flamme. L'analyse de la géométrie de la flamme peut nous apporter à cet effet des informations utiles. Nous avons donc mené une étude expérimentale sur une flamme turbulente prémelangée afin de caractériser, par visualisation tomographique, la géométrie du front de flamme. Les mesures du plissement de la flamme nous ont permis de proposer un modèle de sous-maille pour la vitesse de flamme. Des mesures de vélocimétrie laser ont par ailleurs apporté des informations complémentaires sur la dynamique de la flamme. La méthode basée sur la représentation cinématique du front de flamme a été ensuite développée de façon détaillée. Le front de flamme y est défini à partir d'une variable de progrès appelée G et son évolution est exprimée par une équation pour G. Le couplage entre la combustion et l'écoulement est assure par un modèle spécifique pour le dégagement de chaleur que nous avons proposé et étudié. Dans une première étape de validation nous avons comparé cette méthode avec la simulation directe dans des configurations bidimensionnelles spatialement résolues. Ensuite, le modèle est utilisé dans une simulation les reactive 3d dans le cas d'un écoulement fortement turbulente (RE = 50.000). Finalement, une alternative aux calculs les traditionnels est présentée. Elle s'appuie sur les algorithmes FCT (flux corrected transport) dont les propriétés numériques dissipatives ont des effets comparables à la dissipation de sous-maille introduite dans les simulations aux grandes échelles. Nous avons étudié leur sensibilité à la résolution numérique dans un calcul de couche de mélange réactivé. Lorsque la résolution diminue, le mélange est toujours correctement représente mais cette méthode ne permet pas une bonne description de l'allumage de la couche de mélange ; ceci montre également la nécessité de représenter la combustion non-prémelangée par des modèles spécifiques aux méthodes LES.

Author: Nazim Merlo
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
Cette thèse est une contribution à l'étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l'oxydant. L'étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d'un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l'oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l'injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l'acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l'origine d'une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L'étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l'air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L'enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d'accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L'augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L'étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l'étude. L'étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l'écoulement permetde mettre en évidence l'effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l'évolution du taux d'entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l'évolution des NOx suivant la richesse globale à l'injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d'identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l'écoulement.

Author: Claire Martel
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 251

View

Book Description
Les modèles de combustion turbulente prémélangée basés sur le concept de flamelettes étudiés ici, en découplant la turbulence et la combustion, analysent la flamme comme une fine surface plissée et connectée par l'écoulement turbulent. Le taux de réaction par unité de volume est écrit comme le produit du taux de réaction par unité de surface de flamme (issu des calculs de structure de flamme laminaire) par la densité de surface de flamme (surface de flamme disponible par unité de volume). La densité de surface de flamme peut être obtenue soit par une expression algébrique à partir des caractéristiques géométriques de la flamme, soit à l'aide d'une équation exacte de transport. Certains termes de cette équation ne sont pas fermes et nécessitent une modélisation. L'essentiel de cette thèse est consacré à l'analyse expérimentale des modèles de densité de surface de flamme. L'étude a été menée sur une flamme de prémélange propane/air stabilisée par un barreau dans une conduite rectangulaire. Plusieurs diagnostics ont été mis en œuvre pour cette étude. L'imagerie d'émission spontanée C H fournit l'image de la zone de réaction. L'analyse de gaz donne la composition moyenne des gaz avec une assez bonne précision. La tomographie laser produit les caractéristiques géométriques instantanées puis moyennes du front de flamme. Enfin, la vélocimétrie laser Doppler détermine le champ de vitesse moyen et ses fluctuations. L'utilisation de toutes ces techniques pour différentes conditions opératoires nous a permis de constituer une base de données expérimentale complète et de préciser quelques caractéristiques de l'écoulement pour valider et améliorer certains termes des principaux modèles de flammelettes.

Author: Fabrice Charlette
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 207

View

Book Description
La simulation numérique de la combustion, qui constitue un outil puissant pour le développement de nombreuses applications industrielles, est rendue difficile par la grande diversité des échelles caractéristiques de la turbulence et par la finesse des zones de réaction. Les méthodes aux grandes échelles ou LES, qui sont étudiées dans ce travail, permettent de s’affranchir des limitations des simulations directes, tout en permettant, notamment au niveau des phénomènes instationnaires, une meilleure description de l’écoulement que la résolution des équations moyennées. Le principal problème de l’application des méthodes aux grandes échelles pour la simulation de la combustion turbulente prémélangée réside dans le fait que l’épaisseur de flamme est généralement très inférieure au pas du maillage du calcul. Afin de se défaire de ce problème de résolution numérique, deux méthodes ont été ici étudiées : l’épaississement artificiel du front de flamme (TP-LES), et l’approche filtrée, pour laquelle une taille de filtre supérieure au pas du maillage a été utilisée. Des expressions analytiques ou basés sur une bibliothèque de flammelettes permettent la fermeture de la partie laminaire de l’approche filtrée. Des tests simples de propagation de flamme attestent du bon contrôle de l’épaisseur de la flamme par l’approche TF-LES et par l’approche filtrée. Pour la propagation turbulente, trois modèles ont été étudiés au cours de ce travail : un modèle algébrique de type Bray-Moss-Libby, un modèle à une équation proposé pour le plissement, et un modèle à fonction d’efficacité avec une loi en puissance. Des résultats de simulations tridimensionnelles d’interaction entre une flamme prémélangée et une turbulence homogène isotrope temporellement décroissante montrent que les trois modèles sont relativement peu dépendants des paramètres numériques des calculs (résolution, facteur d’épaississement, taille du filtre). Par comparaison avec des données expérimentales et de simulation directe, le modèle de plissement de flamme qui suit une loi en puissance à la meilleure estimation de la vitesse de flamme turbulente globale. Pour ce modèle une procédure de détermination dynamique de l’exposant est également proposée et testée avec succès dans la même configuration d’interaction flamme/turbulence.

Author: Bruno Renou
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 231

View

Book Description
CETTE ETUDE EXPERIMENTALE A POUR BUT DE CARACTERISER LES INTERACTIONS ET LES COUPLAGES ENTRE LES PHENOMENES AERODYNAMIQUES (LA TURBULENCE) ET LES PHENOMENES CHIMIQUES (LA COMBUSTION) QUI ONT LIEU AU NIVEAU DES CONTOURS DE FLAMMES TURBULENTES PREMELANGEES INSTATIONNAIRES. CETTE ETUDE A ETE MENEE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION A PRESSION ATMOSPHERIQUE OU LES FLAMMES SONT ALLUMEES PAR ETINCELLE AU CENTRE DE LA CHAMBRE DANS UN ECOULEMENT TURBULENT HOMOGENE ET ISOTROPE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL A ETE CONSACREE A UNE ANALYSE TEMPORELLE DES CONTOURS DE FLAMMES POUR DIFFERENTS COMBUSTIBLES (METHANE, PROPANE ET HYDROGENE) GRACE A LA TECHNIQUE DE TOMOGRAPHIE LASER RAPIDE. NOUS AVONS AINSI PU MESURER ET CALCULER DES GRANDEURS LOCALES TELLES QUE LES COURBURES, LES VITESSES DE DEPLACEMENT, DES GRANDEURS GEOMETRIQUES COMME LES RAYONS DE FLAMME ET DES GRANDEURS MOYENNES TELLES QUE LES DIFFERENTES VITESSES DE FLAMME, LE TAUX D'ETIREMENT. CES CARACTERISTIQUES ONT ETE OBTENUES POUR DIFFERENTES CONDITIONS DE TURBULENCE ET DE RICHESSE. DANS UN DEUXIEME TEMPS, LE MONTAGE EXPERIMENTAL A ETE MODIFIE POUR PERMETTRE UNE MESURE STATISTIQUE DES CONTOURS DE FLAMMES. LES GRANDEURS SPATIALES CARACTERISTIQUES (ORIENTATION DES FLAMMELETTES, ECHELLES INTEGRALES DE PLISSEMENTS ET DENSITES DE SURFACE DE FLAMMES) SONT OBTENUES EN FONCTIONS DES PARAMETRES EXPERIMENTAUX. UN MODELE TEMPOREL DU TAUX DE REACTION MOYEN EST PROPOSE ET VALIDE POUR LES DIFFERENTS NOMBRES DE LEWIS ETUDIES. ENFIN, LA MESURE DES PROPRIETES DU CHAMP DYNAMIQUE PAR VELOCIMETRIE PAR IMAGE DE PARTICULES A PERMIS DE DETERMINER LES GRANDEURS CARACTERISTIQUES LOCALES DES INTERACTIONS ENTRE LA CHIMIE ET LA TURBULENCE (CISAILLEMENT, ETIREMENT LOCAL,). NOUS AVONS MONTRE QUE LA REPONSE DU FRONT DE FLAMME EN TERME DE COURBURE, A UN CISAILLEMENT EXTERIEUR, EST LINEAIRE, ET QUE LES VALEURS DES COEFFICIENTS DEPENDENT DES PROPRIETES THERMODIFFUSIVES DU COMBUSTIBLE.

Author: David Pavé
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
Les flammes turbulentes de prémélange présentent un sujet d'intérêt important pour la recherche aussi bien du point de vue fondamental que pratique. Le but de cette thèse est de faire progresser nos connaissances sur les flammes de prémélanges pauvres. Nous avons observé les changements de structure de la flamme lorsque l'on modifie la richesse et les paramètres de turbulence. En premier lieu, nous faisons une description macroscopique de la flamme à l'aide de l'imagerie de Mie. Nous déterminons les iso-c, l'épaisseur turbulente, l'échelle caractéristique de plissements et la densité de surface de flamme. La densité de surface de flamme est également calculée pour six régions de la flamme. Nous étudions ensuite la structure du front de flamme instantané. Nous faisons une étude statistique de la courbure du front. Afin d'étudier l'épaisseur du front de flamme, à partir de l'imagerie Rayleigh, deux définitions de l'épaisseur sont utilisées : l'épaisseur thermique de la zone de réaction du front de flamme et la zone de préchauffage avec le gradient de température. Nous avons aussi étudié la corrélation entre l'épaisseur du front de flamme et la courbure du front. Enfin, nous comparons nos résultats avec les modèles de combustion turbulente de prémélange : le modèle de Bray, Moss et Libby et les modèles utilisant la dissipation scalaire. Les distributions des longueurs d'entre-croisement sont spécialement étudiées. Nous analysons ensuite la relation entre la dissipation scalaire et la densité de surface de flamme à partir de l'imagerie Rayleigh. Nous déterminons alors l'intensité de combustion et le taux de combustion. Ces derniers résultats sont acquis à partir de l'imagerie Rayleigh et de Mie. Nous comparons nos résultats avec ceux obtenus par d'autres techniques de mesures : l'anémométrie Doppler laser associée à Mie, la diffusion Rayleigh un point et les résultats de la littérature.

Author: Bertrand Varoquie
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 257

View

Book Description
En simulation aux grandes échelles (LES), les grandes structures turbulentes sont explicitement calculées tandis que les effets des plus petites sont modélisés en utilisant des modèles de sous maille. Cette formulation permet en combustion turbulente de déterminer l'interaction entre les structures cohérentes, le dégagement de chaleur instationnaire et la pression acoustique qui est responsable du développement des instabilités de combustion. La validation de la LES en combustion non prémélangée, exige la connaissance du mélange entre les réactifs, de la position de la zone de réaction et la distribution des gaz brûlés. Ainsi la chambre de combustion utilisée pour cette étude est conçue pour faciliter le diagnostic optique (configuration bidimensionnelle) et les simulations numériques. Afin d'étudier la réponse de la flamme aux perturbations acoustiques longitudinales, un ingrédient clef pour prévoir et analyser les instabilités de combustion, la circulation d'air est modulée par des ondes acoustiques. Ainsi, la fonction de transfert de la flamme est alors déterminée en terme d'amplification et de déphasage (modèle n-tau). Les indices n et tau extraits à partir des simulations LES du même brûleur sont en accord avec les données expérimentales. La distribution des gaz brûlés et la fraction massique de propane ont été extraites en utilisant la PLIF simultanée sur le radical OH et la vapeur d'acétone tandis que la vitesse est mesurée avec la PIV. Ces diagnostics montrent que l'excitation acoustique module le mélange des réactifs et la distribution des gaz brûlés, mécanismes principaux de la stabilisation des flammes et que la LES reproduit les tendances observés.

Author: Jean-Marc Duclos
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 231

View

Book Description
Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la modélisation de la combustion turbulente prémélangée, et plus particulièrement dans le régime dit des flammelettes. Des modèles de combustion représentatifs de ce régime et plus particulièrement des modèles à densité de surface de flamme sont présentés puis confrontés à l'expérience. L'étude expérimentale a porté sur l'étude d'une flamme turbulente de prémélange quasi bidimensionnelle stabilisée par un barreau. Cette étude comprend des mesures de vitesse de l'écoulement par vélocimétrie laser Doppler, des mesures de l'émission spontanée du radical CH et des mesures de densité de surface par tomographie laser. Cette étude expérimentale met en évidence quelques points faibles des modèles à densité de surface de flamme qu'il soit à fermeture algébrique ou à équation de transport. Dans la suite, des corrections et des modifications sont apportées à l'un de ces modèles, le modèle de flamme cohérente, et testées numériquement sur la configuration étudiée expérimentalement et des configurations proches. Des tests numériques effectués sur des géométries proches des moteurs automobiles montrent que les modifications introduites ne sont pas aussi utiles dans le domaine de fonctionnement de ces foyers, mais que d'autres aménagement du modèle de flamme cohérente s'imposent, pour que ce modèle puisse être adaptée a la description spécifique de la croissance d'un noyau de flamme turbulent dans un milieu prémélangé hétérogène. Finalement, l'aptitude du modèle de flamme cohérente à représenter la combustion turbulente a été démontrée même si des développements sont et seront nécessaires pour affiner les descriptions.