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Ce travail s'intéresse aux phénomènes instationnaires en combustion dont la maîtrise est un point clé dans le fonctionnement efficace des foyers et des moteurs. Les limites de stabilité et les mécanismes de stabilisation sont analysés pour des flammes de jets coaxiaux (méthane/air) non-prémélangés, accrochées au brûleur ou suspendues. La transition entre flamme accrochée et suspendue est caractérisée à l'aide d'un critère thermique original pour les deux processus de décrochage identifiés au cours desquels la base de flamme passe d'une extrémité essentiellement propagative à une essentiellement diffusive. Les propriétés de la flamme, suspendue en zone d'hystérésis ou de lift pur, et celles des structures tourbillonnaires du jet, détectées par une technique d'identification automatique, sont quantifiées par des diagnostics d'imagerie et de vélocimétrie. L'organisation de la couche de mélange méthane/air régit la réponse de la flamme qui passe d'une forme laminarisée à base lobée à une forme turbulente lorsque la vitesse de l'air (Uo) croît. La flamme est stabilisée par la dynamique des tourbillons contra-rotatifs issus des instabilités secondaires, initialement influencés par les vortex de Kelvin-Helmholtz. Elle s'adapte aux conditions imposées par Uo dont le rapport avec la vitesse de flamme laminaire (Sl) pilote son comportement laminarisé ou turbulent. Dans les foyers, les instabilités de combustion sont accrues par les ondes acoustiques créant divers modes en interaction avec les modes propres de l'écoulement. L'expérience est donc ajustée pour étudier la flamme soumise à un forçage sinusoïdal du méthane. Ses réponses sont discriminées en fonction des fréquences et amplitudes du forçage; augmenter Uo déplace les limites des zones identifiées, certaines pouvant même disparaître. Quel que soit Uo, forcé au voisinage : - de sa fréquence naturelle (1200 Hz), le jet présente une organisation accrue ; - de sa première surharmonique (2600 Hz), le jet se caractérise par l'apparition de modes en interaction non linéaire. Pour ces deux hautes fréquences, le forçage conduit à un mélange plus efficace, donc à une réduction de la hauteur de suspension de flamme (Hl) pour les faibles Uo. Mais cet effet est freiné avec Uo croissant, voire inversé à 2600 Hz pour Uo élevé. Aux moyennes fréquences (200 Hz), le comportement est unifié vers une flamme turbulente dont la hauteur pivote autour de celle obtenue pour Uo ~ Sl (Hl croît (diminue) pour Uo faible (élevé)). Pour toute condition (Uo, fréquence, amplitude), les mécanismes d'interaction de modes régissent la réponse de flamme à travers les structures tourbillonnaires.
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L'influence de l'aérodynamique du sillage d'un obstacle sur les mécanismes de stabilisation de la flamme non prémélangée a été examiné sur une configuration expérimentale non confinée de deux écoulements concentriques (combustible et air), dans le cas de deux stabilisateurs simplifiés (disque et vitesses (Anémométrie Dopler Laser). Les champs moyens de température et concentration ont été obtenus avec un thermocouple à fil fin et une sonde de prélèvement reliée à un analyseur de gaz. L'analyse du développement et de la structure de la flamme a mis en évidence trois régimes de stabilisation principaux (développement, anneau, renfermement), deux régimes de transition et un domaine d'extinction. Une étude détaillée a montré que l'anneau est une flamme triple stabilisée à l'interface de deux écoulements : un prémélange de combustible, d'air et de produits de combustion et un écoulement d'air.
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L'utilisation de l'oxy-combustion dans un brûleur à jets séparés ouvre des possibilités intéressantes de contrôle de la pollution et de modularité des propriétés de la flamme. Cette géométrie complexe peut conduire à des écoulements défavorables à la stabilisation d'oxy-flammes décrochées. Cette étude porte sur le développement d'outils numériques d'aide au dimensionnement de ces oxy-brûleurs à jets séparés. Les différents outils numériques employés et développés sont testés sur une version simplifiée du brûleur à jets séparés composée d'un jet central de gaz naturel entouré de deux injecteurs d'oxygène pur. Dans un premier temps, les caractéristiques aérodynamiques de l'écoulement inerte des différentes configurations du brûleurs sont simulées et comparées à l'expérience. Dans un deuxième temps, les caractéristiques des oxy-flammes laminaires de prémélanges et de diffusion sont étudiées. Dans un dernier temps, les résultats des flammes laminaires sont utilisés au sein d'une base de données pour reproduire le comportement en combustion de ces oxy-brûleur. Cette modélisation est basée sur une partition de la flamme turbulente en une zone partiellement prémélangée et une seconde zone lointaine de diffusion. La transition entre les deux régimes s'effectue dans l'espace de la fraction de mélange à travers une fonction reliée à la variable d'avancement. Les premières comparaisons avec les résultats expérimentaux sont encourageantes.
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L'objectif de ce travail est de faire ressortir l'influence de l'aérodynamique du sillage d'un obstacle sur les mécanismes de stabilisation de la flamme non prémélangée. Cette aérodynamique est régie non seulement par la dynamique des écoulements mais aussi et surtout par la géométrie de l'accroche-flamme. Elle a été étudiée sur une configuration expérimentale non confinée de deux écoulements (combustible et air) séparés, concentriques, et dans le cas de deux stabilisateurs simplifiés (disque et tulipe). Des visualisations directes ont été réalisées et complétées par des mesures quantitatives des champs de vitesses en écoulements isotherme et réactif grâce à un système d'Anémométrie Doppler Laser à deux composantes. Les champs thermiques ont été obtenus au moyen d'un couple thermoélectrique à fil fin. Une caractérisation fine de la zone de recirculation a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants: (i) Le disque, provoquant une divergence importante dans l'écoulement annulaire, engendre une zone de recirculation plus longue, plus large et plus intense que celle observée dans le cas de la tulipe et pour laquelle l'effet du développement de couches limites est prépondérant, (ii) La compétition en terme de débit de quantité de mouvement "jet central/écoulement de retour" permet de distinguer le régime "jet dominant" de celui "écoulement dominant", (iii) En écoulement réactif, c'est la diminution de la masse volumique dans l'environnement proche du jet central qui facilite sa pénétration, (iv) L'effet de la forme du stabilisateur s'évalue en écoulement réactif de façon comparable au cas isotherme: l'aérodynamique de l'écoulement de retour engendré par le disque est plus perturbatrice que celle créée par la tulipe. L'analyse du développement et de la structure de la flamme a mis en évidence trois régimes de stabilisation principaux (développement, anneau, renfermement), deux régimes de transition et un domaine d'extinction. En complément de cette analyse, l'étude plus approfondie du régime "flamme avec anneau" a fait ressortir que l'anneau est une flamme triple obtenue à l'interface de deux écoulements: un prémélange de combustible, d'air et de produits de combustion et un écoulement d'air.
Author: Nazim Merlo Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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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.
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LES INCENDIES DE LOCAUX DOMESTIQUE OU INDUSTRIEL SONT TRES SOUVENT ATTISES PAR UN VENT OU UN COURANT D'AIR. L'ASPECT DEVASTATEUR EST ALORS CONSIDERABLEMENT AMPLIFIE. CE TRAVAIL DE RECHERCHE EVALUE L'INFLUENCE D'UN ECOULEMENT FORCE SUR LA STRUCTURE DE FLAMME D'UN FEU DE NAPPE A SURFACE HORIZONTALE. LA COMBUSTION D'UNE LARGE GAMME DE POLYMERES EST PARTIELLEMENT SIMULEE PAR L'INJECTION D'UN HYDROCARBURE GAZEUX AU TRAVERS D'UN BRULEUR POREUX, PLAN THERMOSTATE, PLACE AU SEIN D'UNE SOUFFLERIE DE SECTION RECTANGULAIRE. LA TAILLE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL SE SITUE ENTRE L'ECHELLE DE LABORATOIRE ET LA VRAIE GRANDEUR, AFIN DE PERMETTRE DE STABILISER UNE FLAMME AYANT LES PHENOMENES PHYSIQUES DEJA CARACTERISTIQUES DE CEUX D'UN INCENDIE. POUR PLUSIEURS VALEURS DES PARAMETRES PRINCIPAUX DE L'EXPERIENCE (PUISSANCE CALORIFIQUE DU FOYER, SURFACE DE PYROLYSE SIMULEE, VITESSE DE L'ECOULEMENT FORCE, GEOMETRIE DU DISPOSITIF), LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT EST IDENTIFIEE DANS ET HORS DE LA ZONE REACTIVE. POUR CELA, UNE TECHNIQUE ORIGINALE DE TRAITEMENT D'IMAGES DE L'EMISSION SPONTANEE DE LA FLAMME A ETE DEVELOPPEE. LES GRANDEURS GEOMETRIQUES DE LA FLAMME VISIBLE AINSI DETERMINEES SONT CORRELEES AUX PARAMETRES DU TEST. DES MODELES PHYSIQUES SIMPLES INSPIRES DES ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES SONT ADAPTES A LA COMBUSTION EN PRESENCE D'UN VENT TRAVERSIER. L'OBSERVATION ET LE TRAITEMENT DE L'INFORMATION SUR L'ASPECT DE LA FLAMME SONT COMPLETES PAR UNE CARACTERISATION DE L'AEROTHERMIQUE DE L'ECOULEMENT. LES EVOLUTIONS DE TEMPERATURE SUR L'AXE DE LA FLAMME SONT EXTRAITES DE LA MESURE DES CHAMPS COMPLETS ET RELIEES A LA FORME DE FLAMME. LA DETERMINATION DU CHAMP AERODYNAMIQUE A MIS EN EVIDENCE LA MODIFICATION DE L'ECOULEMENT EN AMONT DU BRULEUR PAR LA COMBUSTION. UN ECOULEMENT A CONTRE COURANT EST OBSERVE DANS LA PARTIE HAUTE DE LA CONDUITE POUR CERTAINES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT. LA MESURE DES FLUX DE CHALEUR RECUS AU SOL EN AVAL ET SUR LE BRULEUR PERMET D'IDENTIFIER LE MODE ET L'INTENSITE DES TRANSFERTS FLAMME-PAROI. LES RESULTATS DE CETTE ETUDE EXPERIMENTALE AMELIORENT LA COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES DANS UNE FLAMME DE DIFFUSION STABILISEE SUR UNE SURFACE COMBUSTIBLE. L'APPROCHE AU MOYEN D'UNE SIMULATION PERMET LA CARACTERISATION FIGEE DU DEVELOPPEMENT ET DE LA PROPAGATION D'UN FEU. CETTE ETUDE CONSTITUE UNE ETAPE FONDAMENTALE DANS LE DEVELOPPEMENT DE MODELES PHYSIQUES ET LA VALIDATION DE CODES D'ANALYSE ET DE SURETE
Author: David Demare Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 260
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Les effets d'une perturbation acoustique sur une flamme suspendue non-prémélangée sont analysés à l'aide de dispositifs d'imagerie et de vélocimétrie. Une étude préalable sans acoustique est réalisée avec une flamme de jet libre organisé naturellement, dans la zone d'hystérésis. Dans ce cas, la flamme se stabilise toujours au niveau des éjections latérales de structures tourbillonnaires contrarotatives longitudinales issues d'instabilités secondaires. Les réponses de la flamme à une large gamme de fréquences et d'amplitudes acoustiques sont reportées sous la forme d'une cartographie. Celle-ci présente différentes zones : - Des zones hautes fréquences (de l'ordre du kilohertz) où lorsque, le forçage s'effectue proche des fréquences de résonance, la stabilisation de la flamme est améliorée grâce à une meilleure organisation du jet; ailleurs, les plus faibles modulations influent sur le développement des instabilités, pouvant entraîner le raccrochage définitif de la flamme. - Des zones moyennes fréquences (de l'ordre de l'hectohertz) où, il est possible à la fois d'empêcher la flamme de se raccrocher, et de changer le régime de combustion : la flamme devient alors plus courte, le panache, rayonnant à cause des suies, disparaît par un accroissement de la turbulence qui améliore le mélange. - Des zones basses fréquences (de l'ordre du décahertz) où les perturbations entraînent des fluctuations de la hauteur de suspension qui conduisent, selon l'amplitude, soit au raccrochage définitif de la flamme, soit à des successions d'accrochages et de décrochages. Ces différentes réponses sont observées pour différents diamètres et vitesses de sortie tout en conservant des nombres de Reynolds modérés (3000-6000) et un jet naturellement organisé
Author: Norbert Peters Publisher: Cambridge University Press ISBN: 1139428063 Category : Science Languages : en Pages : 322
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The combustion of fossil fuels remains a key technology for the foreseeable future. It is therefore important that we understand the mechanisms of combustion and, in particular, the role of turbulence within this process. Combustion always takes place within a turbulent flow field for two reasons: turbulence increases the mixing process and enhances combustion, but at the same time combustion releases heat which generates flow instability through buoyancy, thus enhancing the transition to turbulence. The four chapters of this book present a thorough introduction to the field of turbulent combustion. After an overview of modeling approaches, the three remaining chapters consider the three distinct cases of premixed, non-premixed, and partially premixed combustion, respectively. This book will be of value to researchers and students of engineering and applied mathematics by demonstrating the current theories of turbulent combustion within a unified presentation of the field.
Author: D Brian Spalding Publisher: Elsevier ISBN: 1483188175 Category : Reference Languages : en Pages : 393
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Genmix: A General Computer Program for Two-dimensional Parabolic Phenomena explains a computer program called GENMIX. The main intention of the program is to be used as a tool of instructions. The name of the program is a mixture of two considerations: its generality and its concern for mixing processes. The book aims to help the potential user to understand the physical and mathematical basis of the topic computer program. It is also the aim of the book to make the program applicable to practical problems. The book is arranged in such a way as to parallel a course of lectures and associated computer-workshop sessions wherein the student is allowed to do some elementary computations as soon as he has gained some knowledge of the method. The book contains the mathematical, physical, and computer-coding aspects of the program. Concepts such as the boundary layer, two-dimensional, and steady- flow are defined and discussed in depth. The text will be a useful tool for computer instructors and students.
Author: Thierry Poinsot Publisher: R.T. Edwards, Inc. ISBN: 9781930217102 Category : Science Languages : en Pages : 544
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Introducing numerical techniques for combustion, this textbook describes both laminar and turbulent flames, addresses the problem of flame-wall interaction, and presents a series of theoretical tools used to study the coupling phenomena between combustion and acoustics. The second edition incorporates recent advances in unsteady simulation methods,
Author: Aurélie Wyzgolik
Author: Isabelle Esquiva-Dano
Author: Cyrille Lesieur
Author: Huũ Tuyên Nguyêñ
Author: Nazim Merlo
Author: Gilles Kolb
Author: David Demare
Author: Norbert Peters
Author: D Brian Spalding
Author: Thierry Poinsot