Etude expérimentale de la combustion turbulente prémélangée PDF Download
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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.
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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.
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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: 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: Ahmed Maghrebi Publisher: Editions Universitaires Europeennes ISBN: 9783841733610 Category : Languages : fr Pages : 116
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L'efficacite energetique est le maitre-mot de notre epoque ou la modernite a ete fondee sur des energies fossiles tres polluantes qui tendent inexorablement vers l'epuisement. Les etudes d'optimisation de la combustion sont une necessite dans cette periode de transition energetique. Cette etude s'inscrit dans ce cadre et traite la combustion turbulente non-premelange dans un jet coaxial. La premiere partie est une etude analytique qui explique les theories de flamme de diffusion et de fraction de melange. La deuxieme partie decrit le dispositif experimental imagine et concu pour valider ces theories. La troisieme partie decrit d'abord la methodologie de construction et de resolution du modele numerique. Ensuite, s'appuie sur les resultats obtenus par simulation numerique sur ANSYS-FLUENT pour etudier la stabilite de la flamme, l'interaction et l'interdependance des differentes grandeurs physiques (la turbulence, la temperature, st chiometrie). Et enfin, met en evidence l'effet de confinement et de la recirculation de fumees.
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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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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: Eric Bourguignon Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 240
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CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE DE LA COMBUSTION TURBULENTE DE PREMELANGE DANS UN ECOULEMENT A JETS OPPOSES. DANS CETTE CONFIGURATION, DEUX JETS IDENTIQUES DE MELANGE DE METHANE/AIR, TURBULENTS ET AXISYMMETRIQUES S'OPPOSENT ET FORMENT UN POINT D'ARRET. CE DISPOSITIF EXPERIMENTAL PERMET DE STABILISER DES FLAMMES PLANES, OU L'ETIREMENT EST UN PARAMETRE CONTROLE. CETTE ETUDE EXPERIMENTALE S'APPUIE SUR DES DIAGNOSTICS OPTIQUES CLASSIQUES TELS QUE LA VELOCIMETRIE DOPPLER LASER (V.D.L.) EN UN POINT ET LA TOMOGRAPHIE PAR PLAN LASER MAIS AUSSI SUR DES DISPOSITIFS PLUS ORIGINAUX, DEVELOPPES AU COURS DE CE TRAVAIL, AVEC LA V.D.L. EN DEUX POINTS ET LE COUPLAGE V.D.L.-DIFFUSION DE MIE. UNE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ECOULEMENT NON-REACTIF ET PRESENTE UNE ETUDE DES CARACTERISTIQUES TURBULENTES D'UN ECOULEMENT A POINT D'ARRET, EN FONCTION DE DEUX GEOMETRIES : L'ECOULEMENT CONTRE UNE PAROI SOLIDE ET L'ECOULEMENT A JETS OPPOSES. DANS LA CONFIGURATION A JETS OPPOSES, LE PROBLEME DES BASSES FREQUENCES EST MIS EN EVIDENCE AU NIVEAU DE LA MESURE DES ECHELLES SPATIALES. LES RESULTATS SONT COMPARES AVEC UNE MODELISATION DE CHAMPION ET LIBBY ET CONFORTENT LEURS HYPOTHESES ET LEURS RESULTATS THEORIQUES. UNE AUTRE PARTIE DE CE TRAVAIL EST CONSACRE A L'ECOULEMENT REACTIF. LE PROBLEME DE L'EXTINCTION GLOBALE DE CES FLAMMES EST TRAITE. LA COMPARAISON AVEC D'AUTRES ETUDES EST REALISEE AINSI QU'AVEC LA MODELISATION (BML). UNE NOUVELLE METHODE A ETE MISE EN PLACE POUR EVALUER LE TAUX DE PRODUCTION MOYEN ET MONTRE QUE LA DETERMINATION USUELLE DE LA VITESSE DE COMBUSTION TURBULENTE DANS LES ECOULEMENTS DE STAGNATION EST ERRONEE. IL EST MONTRE QUE LE FLUX TURBULENT PEUT ETRE NEGLIGE. ENFIN, LA COMPARAISON DES DONNEES EXPERIMENTALES AVEC LA THEORIE DE BRAY-MOSS LIBBY MONTRE UN DESACCORD A L'APPROCHE DES CONDITIONS D'EXTINCTION DES FLAMMES.
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REVUE DES DIFFERENTS MODES DE COMBUSTION. NOTION DE VITESSE DE COMBUSTION TURBULENTE. DIFFERENTES EQUATIONS DE COMBUSTION TURBULENTE. ETUDE EXPERIMENTALE D'UNE FLAMME OBLIQUE DE PREMELANGE AIR-HYDROGENE SE DEVELOPPANT DANS UN ECOULEMENT TURBULENT CONFINE. RESULTATS OBTENUS POUR DES ECOULEMENTS LAMINAIRE ET TURBULENT. EXPLICATION DE L'EVOLUTION LONGITUDINALE ET VERTICALE DES FLUCTUATIONS DE VITESSE EN PRENANT EN COMPTE LES DIFFERENTS TERMES DE L'EQUATION DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE
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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.
Author: Jean-Michel Most Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 219
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ETUDE THEORIQUE DE LA COMBUSTION HETEROGENE. DESCRIPTION DES MONTAGES EXPERIMENTAUX ET DES METHODES DE MESURE UTILISES POUR L'ETUDE DE LA COMBUSTION HETEROGENE GAZ-SOLIDE ET DE SA "SIMULATION" PARTIELLE PAR INJECTION D'UN GAZ COMBUSTIBLE DANS UN ECOULEMENT GAZEUX. CONFRONTATION DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET THEORIQUES OBTENUS A PARTIR DES DIFFERENTS MODELES
Author: Claire Martel
Author: Claire Martel
Author: Bertrand Varoquie
Author: Ronnie Knikker
Author: Ahmed Maghrebi
Author: Renan Hilbert
Author: JULIEN.. PIANA
Author: Eric Bourguignon
Author: DANY.. ESCUDIE OLIVE
Author: Jean-Marc Duclos
Author: Jean-Michel Most