Etude asymptotique, simulation numérique directe et modélisation de l'intéraction flamme turbulente prémélangée -paroi PDF Download
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Book Description
Au cours de ce travail de thèse, nous étudions les interactions flamme turbulente prémélangée-paroi à l'aide d'analyses théoriques et numériques. En premier lieu, nous nous intéressons au régime laminaire. Tout d'abord, un rappel des études menées dans la littérature scientifique nous permet de caractériser les configurations d'interaction puis de valider l'emploi de schémas cinétiques simplifiés. Ensuite, des calculs d'intéraction laminaire sont effectués à l'aide d'une simulation numérique directe employant un schéma cinétique à une étape, puis sont comparés avec succès à une analyse asymptotique. Nous retrouvons les distances de coincement et les flux de chaleur pariétaux de la littérature. Les pertes thermiques réduisent la vitesse de consommation et mènent à l'extinction de la flamme lors du maximum du flux de chaleur pariétal. Cette extinction est suivie d'une phase de retrait de la flamme, quand le fuel diffuse dans la zone de réaction, qui explique la faible production d'imbrûlés de combustion lors de l'interaction. Dans une seconde partie, nous étudions le régime turbulent. Pour cela, deux types de simulations numériques directes sont menés : des calculs bi-dimensionnels complets et des calculs tri-dimentionnels à densité constante. Des résultats similaires sont obtenus : le comportement local de la flamme turbulente est assimilable à une interaction laminaire, et il existe des poches de gaz frais dans les gaz brûlés, associées à des zones d'extinction locales. Dans les calculs bi-dimensionnels les distances de coincement et les flux thermiques maximaux sont comparables aux valeurs laminaires. Cependant, dans les calculs tri-dimensionnels, la structure de la turbulence induit des distances plus petites et les flux plus élevés. Dans une dernière partie, nous élaborons et validons un modèle d'interaction flamme-paroi. Ce modèle s'appuie sur l'approche des flammelettes, où la flamme est décrite par sa vitesse de consommation et sa densité de surface. L'équation exacte de propagation de la densité de surface est prise comme point de départ et son bilan est équilibré avant, pendant et après l'interaction. Des sous-modèles sont proposés pour chacun des termes de l'équation et sont comparés individuellement aux résultats de la DNS. L'effet des pertes thermiques sur la vitesse de consommation est pris en compte dans l'expression du taux de réaction moyen, ainsi que dans les expressions des termes de transport et de destruction de surface. La diminution des échelles turbulentes près du mur affecte les expressions des termes d'étirements turbulent et de diffusion turbulente. Ensuite, ce modèle est dérivé en loi de paroi puis incorporé dans un code de calcul moyenné (Kiva2-MB). Il est validé dans un calcul de combustion moteur.
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Au cours de ce travail de thèse, nous étudions les interactions flamme turbulente prémélangée-paroi à l'aide d'analyses théoriques et numériques. En premier lieu, nous nous intéressons au régime laminaire. Tout d'abord, un rappel des études menées dans la littérature scientifique nous permet de caractériser les configurations d'interaction puis de valider l'emploi de schémas cinétiques simplifiés. Ensuite, des calculs d'intéraction laminaire sont effectués à l'aide d'une simulation numérique directe employant un schéma cinétique à une étape, puis sont comparés avec succès à une analyse asymptotique. Nous retrouvons les distances de coincement et les flux de chaleur pariétaux de la littérature. Les pertes thermiques réduisent la vitesse de consommation et mènent à l'extinction de la flamme lors du maximum du flux de chaleur pariétal. Cette extinction est suivie d'une phase de retrait de la flamme, quand le fuel diffuse dans la zone de réaction, qui explique la faible production d'imbrûlés de combustion lors de l'interaction. Dans une seconde partie, nous étudions le régime turbulent. Pour cela, deux types de simulations numériques directes sont menés : des calculs bi-dimensionnels complets et des calculs tri-dimentionnels à densité constante. Des résultats similaires sont obtenus : le comportement local de la flamme turbulente est assimilable à une interaction laminaire, et il existe des poches de gaz frais dans les gaz brûlés, associées à des zones d'extinction locales. Dans les calculs bi-dimensionnels les distances de coincement et les flux thermiques maximaux sont comparables aux valeurs laminaires. Cependant, dans les calculs tri-dimensionnels, la structure de la turbulence induit des distances plus petites et les flux plus élevés. Dans une dernière partie, nous élaborons et validons un modèle d'interaction flamme-paroi. Ce modèle s'appuie sur l'approche des flammelettes, où la flamme est décrite par sa vitesse de consommation et sa densité de surface. L'équation exacte de propagation de la densité de surface est prise comme point de départ et son bilan est équilibré avant, pendant et après l'interaction. Des sous-modèles sont proposés pour chacun des termes de l'équation et sont comparés individuellement aux résultats de la DNS. L'effet des pertes thermiques sur la vitesse de consommation est pris en compte dans l'expression du taux de réaction moyen, ainsi que dans les expressions des termes de transport et de destruction de surface. La diminution des échelles turbulentes près du mur affecte les expressions des termes d'étirements turbulent et de diffusion turbulente. Ensuite, ce modèle est dérivé en loi de paroi puis incorporé dans un code de calcul moyenné (Kiva2-MB). Il est validé dans un calcul de combustion moteur.
Author: Martin Hilka Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 260
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Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances et les modèles de la combustion turbulente prémélangée et en particulier de la formation des polluants dans les flammes turbulentes. Basée sur une approche de simulation numérique directe, bâtie autour du code NTMIX-CHEMKIN et en tenant compte de cinétiques chimiques complexes, nous avons étudié, d'une part, l'interaction d'une flamme de prémélange plane avec une paire de tourbillons, d'autre part, l'interaction flamme turbulence sur la base d'une turbulence homogène isotrope bidimensionnelle. Les résultats de ces études montrent l'inadéquation de certains schémas cinétiques pour la description de l'interaction flamme-tourbillons et donc, à fortiori, pour l'interaction flamme-turbulence. On trace également l'évolution de grandeurs caractéristiques telles que le taux de dégagement de chaleur et l'émission lumineuse au cours de l'interaction. L'étude de flammes turbulentes montre le rôle du monoxyde de carbone en tant qu'intermédiaire clé entre l'oxydation du combustible méthane et la formation du dioxyde de carbone. On observe également que la formation instantanée du monoxyde d'azote no dans une flamme turbulente suit la même dépendance de la température que celle d'une flamme laminaire et peut donc être modélisée en faisant intervenir la fonction de densité de probabilité de la température de l'écoulement turbulent. Par ailleurs, l'analyse statistique des flammes avec une cinétique chimique complexe montre qu'il n'est pas possible d'obtenir les propriétés représentatives d'une surface de flamme à partir d'un seul iso-contour d'une variable caractéristique. L'exploitation de résultats de simulation numérique directe pour ce type de modèles de combustion nécessite l'introduction de grandeurs globales, définies ici par intégration perpendiculaire au front de flamme.
Author: Bénédicte Cuenot Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 192
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LES FLAMMES DE DIFFUSION TURBULENTES SONT LE MECANISME DE COMBUSTION DE NOMBREUX SYSTEMES PROPULSEURS (STATOREACTEUR SUPERSONIQUE PAR EXEMPLE). DANS DE TELS SYSTEMES, LE COMBUSTIBLE ET L'OXYDANT SONT AMENES SEPAREMENT DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION. A L'ENDROIT OU LES DEUX FLUX ENTRENT EN CONTACT SE CREE UNE INTERFACE, DONT LA POSITION ET L'EPAISSEUR DEPENDENT DES CONDITIONS AUX LIMITES, DE LA CINETIQUE CHIMIQUE ET DES VITESSES DE DIFFUSION. C'EST DANS CETTE ZONE QUE SE MELANGENT PAR DIFFUSION LES DEUX REACTIFS ET QUE S'ALLUME EVENTUELLEMENT LA FLAMME. DANS DE TELS SYSTEMES, LE RENDEMENT DE COMBUSTION, DIRECTEMENT LIE A LA CINETIQUE CHIMIQUE MAIS AUSSI A L'EFFICACITE DE MELANGE, EST NETTEMENT AUGMENTE PAR LA TURBULENCE. AU COURS DU TRAVAIL PRESENTE, DEUX APPROCHES COMPLEMENTAIRES SONT UTILISEES POUR ETUDIER CE PHENOMENE: UNE APPROCHE THEORIQUE D'UNE PART (METHODE ASYMPTOTIQUE), ET UNE APPROCHE NUMERIQUE D'AUTRE PART (SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE). A CAUSE DES CINETIQUES CHIMIQUES TRES RAPIDES RENCONTREES DANS LA PLUPART DES SYSTEMES PROPULSEURS (COMBUSTION DE L'HYDROGENE DANS LE CAS DU STATOREACTEUR SUPERSONIQUE PAR EXEMPLE), LA ZONE DE REACTION SITUEE A L'INTERFACE DES DEUX FLUX EST TRES MINCE PAR RAPPORT AUX AUTRES ECHELLES CARACTERISTIQUES DU SYSTEME. UNE ANALYSE ASYMPTOTIQUE NOUS PERMET DE CALCULER UNE SOLUTION APPROCHEE, CONSTRUITE SUR UN NOMBRE ADIMENSIONNEL CARACTERISTIQUE, LE NOMBRE DE DAMKOHLER. LA SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE PERMET DE CALCULER DES FLAMMES DE DIFFUSION LAMINAIRES OU TURBULENTES DANS DES GEOMETRIES SIMPLES, PAR LA RESOLUTION DIRECTE DES EQUATIONS DE CONSERVATION, SANS MODELE DE TURBULENCE, NI HYPOTHESE D'EQUILIBRE CHIMIQUE. CES CALCULS APPORTENT DES INFORMATIONS LOCALES ET INSTANTANEES SUR LES INTERACTIONS ENTRE LA FLAMME ET LA TURBULENCE, EN MEME TEMPS QU'UNE ETUDE STATISTIQUE GLOBALE UTILE A LA MODELISATION. ENFIN, LA COMPARAISON DES SOLUTIONS ISSUES DES DEUX METHODES-THEORIQUE ET NUMERIQUE- PERMET UNE VALIDATION RECIPROQUE DANS LE CAS DE LA FLAMME DE DIFFUSION LAMINAIRE MONODIMENSIONNELLE. APRES AVOIR VERIFIE LA BONNE CORRESPONDANCE ENTRE LES DEUX SOLUTIONS, ON UTILISE CETTE METHODE DE COMPARAISON POUR EVALUER LES EFFETS DE COURBURE ET D'INSTATIONNARITE, D'ABORD DANS UNE CONFIGURATION D'INTERACTION FLAMME-PAIRE DE TOURBILLONS, ENSUITE DANS UNE CONFIGURATION DE FLAMME TURBULENTE, ABOUTISSANT A DES DIAGRAMMES DE REGIME DE COMBUSTION TURBULENTE
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LE PRESENT TRAVAIL EST CONSACRE A L'ETUDE NUMERIQUE DE L'INTERACTION FLAMME TURBULENTE-PAROI SOLIDE. LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE RETENUE EST CELLE D'UN ECOULEMENT TURBULENT, ISSU D'UN INJECTEUR CIRCULAIRE, IMPACTANT SOUS INCIDENCE NORMALE UNE PAROI SOLIDE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'INTERACTION FLAMME DE DIFFUSION TURBULENTE-PAROI DANS LE JET PARIETAL, LA OU LA FLAMME SE TROUVE AU VOISINAGE DE LA PAROI. LA COMBUSTION EST DECRITE PAR UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE SOUS LA FORME D'UNE FONCTION BETA ET LA TURBULENCE PAR UN MODELE K- A BAS NOMBRE DE REYNOLDS. L'UTILISATION DES APPROXIMATIONS DE COUCHE LIMITE PERMET L'OBTENTION D'UN SYSTEME PARABOLIQUE D'EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES, RESOLUES PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. LES RESULTATS NUMERIQUES SONT EN BON ACCORD AVEC CEUX OBTENUS EXPERIMENTALEMENT A L'ECOLE CENTRALE DE LYON SUR CETTE MEME GEOMETRIE. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DE L'INTERACTION FLAMME TURBULENTE DE PREMELANGE-PAROI. LA COMBUSTION EST DECRITE PAR LE MODELE DE FLAMMELETTES BMLC (BRAY-MOSS-LIBBY-CHAMPION) ET LA TURBULENCE PAR UN MODELE K- A BAS NOMBRE DE REYNOLDS. LE SYSTEME ELLIPTIQUE D'EQUATIONS DE BILAN MOYENNES EST RESOLU A L'AIDE D'UN CODE DE CALCUL DEVELOPPE AU LABORATOIRE. L'INFLUENCE DU NOMBRE DE DAMKOHLER SUR LA STRUCTURE DE LA FLAMME TURBULENTE EST MISE EN EVIDENCE. ON MONTRE QUE PLUS CE NOMBRE EST FAIBLE, PLUS LA FLAMME S'APPROCHE DE LA PAROI AVEC L'EXISTENCE D'UNE LIMITE INFERIEURE EN DESSOUS DE LAQUELLE CELLE-CI SE STABILISE LOIN DE L'AXE, SUR LES BORDS DU JET. SUR L'AXE DE SYMETRIE, NOS RESULTATS SONT EN BON ACCORD AVEC CEUX DE BRAY, CHAMPION ET LIBBY OBTENUS PAR UNE ANALYSE ASYMPTOTIQUE. DANS LE CAS D'UNE PAROI A TEMPERATURE FIXEE, NOS RESULTATS SONT QUALITATIVEMENT EN ACCORD AVEC CEUX OBTENUS EXPERIMENTALEMENT A L'E.C. DE LYON
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Ces travaux sont principalement consacrés à l'étude de la combustion turbulente prémélangée et à sa modélisation. L'outil numérique qui a été choisi est la Simulation Numérique Directe (DNS). Tout d'abord, des flammes planes placées dans des turbulences homogènes et isotropes ont été simulées. Il a été montré que cette configuration ne permet pas d'obtenir de solutions statistiquement stationnaires, ce qui limite considérablement leur utilisation pour tester des modélisations qui ont pour objet de décrire le comportement des champs moyens. L'accent a alors porté sur la réalisation de DNS proches de configurations expérimentales. Des flammes en V se développant dans différentes turbulences de grille et stabilisées par un fil chaud ont été étudiées. A partir des données issues de la DNS, l'interaction flamme-turbulence a été analysée. Deux régimes de transport turbulent sont observés : un régime de type gradient et un régime de type contre-gradient. C'est donc une formulation au second ordre qui a été retenue pour analyser la modélisation de la combustion turbulente. La formulation au second ordre fait intervenir de nouveaux termes qui doivent être modélisés pour que le problème soit fermé. Ce sont les modèles basés sur l'approche conditionnelle développée par Bray, Moss et Libby qui sera retenue. Suivant ce formalisme, une évaluation des termes et des fermetures existantes a été effectuée. Puis de nouveaux modèles, plus précis, ont été proposés. Enfin, les travaux ont évolué vers l'étude de la densité de surface de flamme. Sa fermeture algébrique et les termes, qui apparaissent dans son équation de transport, ont été étudiés. A l'aide de ces résultats, une nouvelle fermeture pour le taux de dissipation scalaire est proposée.
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Ce travail présente l’étude de flammes turbulentes non-prémélangées et partiellement prémélangées par simulations numériques directes (DNS) en utilisant des modèles détaillés de chimie de transport. L’interaction entre une flamme H2/Air et un champ de turbulence est simulée et l’influence de la diffusion différentielle sur la structure de la flamme est qualifiée. On note en particulier l’absence de corrélation entre la température de flamme et le taux de dissipation scalaire quand un modèle de transport élaboré est utilisé, ainsi qu’une modification de la limite d’équilibre. Le ré-établissement de l’équation de flammelettes avec la prise en compte d’un nombre de Lewis non unitaire pour la fraction de mélange Z permet de prendre en compte, au moins partiellement, cet effet. Une simulation de l’interaction entre une flamme non-prémélangée H2/Air et une paire de tourbillons avec des modèles détaillés de chimie et de transport a été réalisée, post traitée et analysée. Une extinction de la flamme est observée et la structure partiellement prémélangée au bord de la zone réactive est étudiée. On montre que le radical OH est un bon traceur de la zone d’extinction de la flamme, mais qu’il ne « voit » pas l’intensification de l’activité chimique dans les zones partiellement prémélangées. L’auto-allumage d’une flamme turbulente non prémélangée a été examiné. Les résultats de DNS permettent d’extraire des informations sur la prévision de la localisation du premier site d’autoallumage, sur l’influence du modèle de transport et sur la structure partiellement prémélangée observée. La répétition des calculs permet une étude statistique de l’influence de la turbulence sur le temps d’allumage. Le test a priori d’un nouveau modèle de combustion turbulente basé sur le concept de densité de surface de flamme généralisée donne de premiers résultats prometteurs.
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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.
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La complexité des mécanismes physiques en jeu en combustion turbulente et la difficulté à mesurer des grandeurs physiques dans des configurations réelles ont considérablement ralenti l'avancement des connaissances dans ce domaine. Un moyen de se sortir de ce mauvais pas est d'étudier des configurations modèles simples pour espérer tirer des informations exploitables pour des cas plus complexes. L'étude des interactions flamme/tourbillon relève de cette démarche. Ce travail de thèse s'articule autour de quatre chapitres. Le premier commence par exposer un certain nombre de faits expérimentaux liés aux tourbillons. Puis, on y fait le bilan des connaissances sur les interactions flamme/tourbillon tant dans le cas prémélange que dans le cas non-prémélange. Enfin, une petite synthèse des théories les plus récentes sur les diagrammes de combustion turbulente est présentée. Le deuxième chapitre présente les différents moyens d'analyse à notre disposition. Le dispositif expérimental est d'abord présenté. Puis, une description, assez détaillée, des techniques de mesure est proposée. Enfin, l'interprétation des mesures est faite à la lumière de simulations numériques directes d'interactions flamme/tourbillon bidimensionnelles. Un certain nombre de calculs analytiques sont présentes dans le troisième chapitre. Ils permettent d'avoir accès à des grandeurs physiques importantes pour la compréhension de la dynamique de l'interaction qui ne sont pas accessibles à la mesure. Le dernier chapitre présente les résultats de ce travail. Pour commencer, des mesures expérimentales sont présentées pour le cas prémélange. Elles confirment des résultats antérieurs de simulation et ouvrent de nouveaux horizons sur l'étude des interactions de fronts de flamme. Puis, le cas non-prémélange est traité. Des résultats de simulations sont d'abord analysés, ce qui donne des clés pour la compréhension des résultats expérimentaux. Une comparaison de nos modèles théoriques sur les tourbillons avec l'expérience est ensuite faite. Les différents régimes d'interaction sont alors présentés et regroupés dans un diagramme spectral qui permet l'élaboration d'un diagramme de combustion turbulente. Pour finir, un modèle de combustion turbulente pour la simulation aux grandes échelles est proposé.
Author: Ronnie Knikker Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 232
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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: Gilles Bruneaux
Author: Gilles Bruneaux
Author: Gilles Bruneaux
Author: Martin Hilka
Author: Bénédicte Cuenot
Author: DJAMEL.. KARMED
Author: Raphae͏̈l Hauguel
Author: Renan Hilbert
Author: Fabrice Charlette
Author: Paul-Henri Renard
Author: Ronnie Knikker