Étude experimentale et theorique des vitesses de flammes laminaires d'hydrocarbures PDF Download
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La vitesse de flamme adiabatique est un paramètre clé dans l'étude de la combustion d'hydrocarbures. Elle joue en effet un rôle essentiel dans le domaine de la combustion, dans la mesure où elle est utilisée pour valider des modèles numériques, pour construire des brûleurs, ou encore pour prédire d'éventuels retours de flamme ou souffles de la flamme. Le but de cette thèse a été d'étudier les vitesses de flammes laminaires d'un grand nombre d'hydrocarbures présents dans les gaz naturels, les essences et les gazoles. Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie de modélisation. La partie expérimentale a permis d'enrichir les bases de données de la littérature pour différentes compositions de mélanges air/hydrocarbures. Les travaux ont été effectués sur un nouveau montage mis au point au LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) pour la mesure de vitesses de flammes laminaires par la méthode du flux de chaleur à l'aide d'un brûleur adiabatique à flamme plate. Cette méthode est basée sur l'équilibre des pertes thermiques nécessaires pour stabiliser la flamme par le flux de chaleur convectif allant de la surface du brûleur vers le front de flamme. Le brûleur est constitué d'une plaque perforée montée sur une chambre de mélange des gaz et la mesure de la distribution radiale de la température est réalisée grâce à une série de thermocouples. Ce montage a d'abord été utilisé à pression atmosphérique et plusieurs températures pour la mesure de vitesses de flammes de composés gazeux (alcanes, alcènes, méthane enrichi en hydrogène ou oxygène, gaz naturels, mélanges méthane-éthane et méthane-propane) et de composés liquides (alcanes, éthanol, essences commerciale et modèle additionnées ou non d'éthanol, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). Le montage a ensuite été placé dans une enceinte pour pouvoir travailler avec des pressions pouvant théoriquement aller jusqu'à 10 atm. Les vitesses de flammes de deux composés ont été étudiées à température ambiante et à haute pression : un composé gazeux, le méthane, jusqu'à une pression de 6 atm et un composé liquide, le n-pentane, jusqu'à une pression de 4 atm. Une étude de modélisation a complété ce travail par l'utilisation de modèles cinétiques détaillés pour la combustion des composés étudiés. Ces modèles ont été testés par la simulation des résultats expérimentaux précédemment obtenus, dans des conditions de richesse, température et pression variées.
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La vitesse de flamme adiabatique est un paramètre clé dans l'étude de la combustion d'hydrocarbures. Elle joue en effet un rôle essentiel dans le domaine de la combustion, dans la mesure où elle est utilisée pour valider des modèles numériques, pour construire des brûleurs, ou encore pour prédire d'éventuels retours de flamme ou souffles de la flamme. Le but de cette thèse a été d'étudier les vitesses de flammes laminaires d'un grand nombre d'hydrocarbures présents dans les gaz naturels, les essences et les gazoles. Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie de modélisation. La partie expérimentale a permis d'enrichir les bases de données de la littérature pour différentes compositions de mélanges air/hydrocarbures. Les travaux ont été effectués sur un nouveau montage mis au point au LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) pour la mesure de vitesses de flammes laminaires par la méthode du flux de chaleur à l'aide d'un brûleur adiabatique à flamme plate. Cette méthode est basée sur l'équilibre des pertes thermiques nécessaires pour stabiliser la flamme par le flux de chaleur convectif allant de la surface du brûleur vers le front de flamme. Le brûleur est constitué d'une plaque perforée montée sur une chambre de mélange des gaz et la mesure de la distribution radiale de la température est réalisée grâce à une série de thermocouples. Ce montage a d'abord été utilisé à pression atmosphérique et plusieurs températures pour la mesure de vitesses de flammes de composés gazeux (alcanes, alcènes, méthane enrichi en hydrogène ou oxygène, gaz naturels, mélanges méthane-éthane et méthane-propane) et de composés liquides (alcanes, éthanol, essences commerciale et modèle additionnées ou non d'éthanol, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). Le montage a ensuite été placé dans une enceinte pour pouvoir travailler avec des pressions pouvant théoriquement aller jusqu'à 10 atm. Les vitesses de flammes de deux composés ont été étudiées à température ambiante et à haute pression : un composé gazeux, le méthane, jusqu'à une pression de 6 atm et un composé liquide, le n-pentane, jusqu'à une pression de 4 atm. Une étude de modélisation a complété ce travail par l'utilisation de modèles cinétiques détaillés pour la combustion des composés étudiés. Ces modèles ont été testés par la simulation des résultats expérimentaux précédemment obtenus, dans des conditions de richesse, température et pression variées.
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Les moteurs à pistons utilisent en général l'air ambiant comme comburant. Cet air est composé principalement d'azote et d'oxygène mais aussi de vapeur d'eau. La présence de cette vapeur modifie le processus de combustion de façon plus ou moins significative. S'agissant des moteurs, l'addition d'eau modifie les performances et diminue les émissions d'oxydes d'azote. Cependant très peu de travaux traitent de ces effets. Ce travail a donc pour objectif d'étudier expérimentalement et numériquement l'influence de l'humidité de l'air sur la combustion et plus particulièrement sur le fonctionnement des moteurs à pistons. L'approche numérique, menée de front avec l'approche expérimentale, modélise une flamme laminaire de prémélange. L'outil numérique qui a été utilisé est le logiciel de calcul de cinétique chimique COSILAB® pour du méthane et de l'isooctane. L'approche expérimentale utilise deux bancs d'essais. Le premier banc est un brûleur bec Bunsen à fente qui a été entièrement conçu et validé au cours de cette étude afin de mesurer des vitesses de flamme laminaire. Une attention particulière a été portée à la métrologie et à l'estimation quantitative des incertitudes de mesures. Ces mesures obtenues à pression atmosphérique sur ce brûleur, pour une humidité spécifique pouvant atteindre 80 g.kg-1, ont permis de valider les résultats obtenus numériquement. Les calculs ont ensuite été portés à des conditions de pression et température représentatives d'un fonctionnement moteur. Un banc d'essai moteur recherche a été utilisé pour confirmer les tendances observées dans le cas des flammes laminaires. Les résultats obtenus montrent une forte diminution de la vitesse de flamme ainsi que des émissions d'oxydes d'azote lorsque l'humidité augmente. Par exemple pour une humidité spécifique de 110 g.kg-1, la vitesse de flamme chute de 55% et les émissions de NOX chutent de 70%. Les essais au banc moteur ont montré une augmentation de l'avance à l'allumage optimale et des émissions d'hydrocarbures imbrûlés lorsque l'humidité augmente. Ils confirment également la forte diminution des émissions d'oxydes d'azote ; par exemple pour une augmentation de l'humidité de 30 g.kg-1, les NOX baissent de 35%.
Author: Philippe Versaevel Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 244
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Ce travail s’inscrit dans le cadre de recherches visant à améliorer les modèles de combustion turbulente diphasique. L’étude a consisté à analyser finement d’un point de vue théorique et expérimental la structure de deux types de flammes monodimensionnelles diphasiques laminaires : la flamme de prémélange non-étirée et la flamme de diffusion à contre-courant. Pour ces deux types de flammes, nous nous sommes attachés dans un premier à vérifier la validité de notre modélisation sur les flammes monophasiques. Grâce à une méthode originale de remaillage dynamique, des calculs en chimie complexe ont pu être réalisés sur les deux flammes diphasiques étudiées. En ce qui concerne les flammes de prémélange diphasiques, les courbes donnant la vitesse de flamme en fonction de la richesse pour différents diamètres de gouttes ont pu être obtenues numériquement, ainsi que l’extinction des flammes de prémélange riches. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les mesures disponibles. En ce qui concerne les flammes de diffusion monophasiques, de nombreuses mesures d’extinction ont été réalisées pour différentes pressions et richesses pour valider notre code. Enfin, les limites d’extinction des flammes de diffusion diphasiques ont été obtenues numériquement en chimie complexe. Les calculs ne sont pas en bon accord avec les mesures. L’origine de ce désaccord semble provenir de la modélisation de la trainée des gouttes. Cette hypothèse est renforcée par des mesures de Vélocimétrie Laser Doppler de phase.
Author: Solène de Ferrières Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 23
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Cette étude a pour but de valoriser la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène, combustible alternatif qui permettrait de réduire les émissions polluantes. L'objectif est d'acquérir des données cinétiques détaillées (température, concentrations d'espèces chimiques) sur la combustion de différents mélanges gaz naturel/hydrogène dans des flammes. L'influence de la quantité d'hydrogène, de la richesse et de la pression sur la cinétique chimique de combustion du gaz naturel a été examinée. Dix-huit flammes laminaires prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2 opérant à basse pression (0,079 atm) et à pression atmosphérique ont été étudiées. Les profils d'évolution des espèces moléculaires sont obtenus après prélèvement par microsonde et analyse par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse couplée à la spectroscopie d'absorption infrarouge. Les profils de température sont mesurés par thermocouple recouvert. Cette base de données expérimentales a été utilisée pour développer le mécanisme chimique GDF-Kin® qui comporte 192 espèces impliquées dans 1287 réactions dont la plupart sont réversibles. Le mécanisme prédit de façon satisfaisante les profils de fraction molaire des espèces hydrocarbonées analysées, l'effet de l'hydrogène sur la cinétique d'oxydation du gaz naturel ainsi qu'un grand nombre de données globales et détaillées de la littérature (délais d'auto-inflammation, vitesses de flamme ... ). L'effet de l'hydrogène dépend fortement de sa quantité initiale et de la richesse, mais peu de la pression. L'hydrogène modifie les voies réactionnelles principales d'oxydation du gaz naturel, en particulier les réactions de métathèse par les atomes d'hydrogène.
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Le modèle de la flamme cohérente, développé au laboratoire EM2C, considère la combustion turbulente comme l'assemblage de flammelettes laminaires étirées convectées et déformées par la turbulence. L'étude des flammelettes laminaires permet: 1) de valider les mécanismes chimiques; 2) de dégager les réactions prépondérantes de la combustion; 3) de connaitre la structure fine du front de flamme soumis à un étirement; 4) de connaitre, pour une pression et une température des gaz frais données, les limites d'extinction (étirement maximal) de la flammelette pour une richesse donnée, et les limites d'inflammabilité (richesse mini et maxi) pour un étirement donné. Ce travail se subdivise en deux parties l'une expérimentale et l'autre numérique. Le chapitre 1 est consacré à l'étude expérimentale de flammes laminaires étirées de prémélange propane-air. On y trouvera une description de l'installation expérimentale (bruleurs, montage mécanique, alimentation en gaz et système de débitmétrie à cols soniques), ainsi que les techniques de mesure de vitesse par vélocimétrie laser, de température par thermocouple, de distance de flammes par déviation de faisceau laser et la visualisation de l'écoulement par tomographie laser (photographie et vidéo). Le chapitre 2 est consacré à la modélisation et au traitement numérique des flammes laminaires étirées. On y trouvera une description de l'écriture des équations de bilan des mélanges réactifs gazeux, des expressions des propriétés de transport et des variables thermodynamiques, les notions de réactions chimiques et de mécanisme cinétique, les équations de bilan des flammes laminaires étirées (formulation a étirement constant et formulation a vitesse imposée), les conditions aux limites et la méthode de résolution numérique des équations de bilan (couplage de la méthode de newton et d'un maillage adaptatif). Le chapitre 3 est consacré à l'étude numérique de flammes laminaires étirées de prémélange propane-air: calcul en chimie complexe (123 réactions et 33 espèces chimiques). On y trouvera l'influence de la température des gaz frais, de l'étirement, de la richesse et de la vitesse d'injection des gaz frais sur la structure des flammes. Enfin une comparaison théorie/expérience est présentée montrant les avantages et les inconvénients de la modélisation ainsi que les limites de l'expérience. Le chapitre 4 est une copie de l'article présenté au SPIE’S International Symposia On Laser Engineering. Laser application in combustion and combustion diagnostics. (19-20 january 1993 SPIE Proceeding vol. 1862 Los Angeles, California, USA) “Laser Doppler velocimetry measurements in a laminar counter flow premixed double flame: comparison with numerical calculations”.
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Ce document présente l'étude de la structure des flammes laminaires étirées non prémélangées en régime stationnaire et en régime instationnaire. La démarche adoptée est de confronter les résultats d'expériences réalisées sur un bruleur laminaire à ceux obtenus par le calcul. Dans une première partie, la flamme stationnaire est analysée grâce à différents outils. Des simulations numériques sont menées dans une approximation monodimensionnelle. D'autre part, des mesures par diagnostic optique (diffusion Rayleigh, DRASC, PLIF, LVD) sont effectuées dans un brûleur en configuration stationnaire. Les résultats de ces mesures sont comparés a ceux des simulations numériques et permettent de valider le modèle de cinétique chimique utilisé. Dans la seconde partie de l'étude, la flamme est soumise à des perturbations instationnaires: variation temporelle du taux d'étirement et interaction flamme-tourbillon. Une première modification du montage expérimental permet d'introduire une variation sinusoïdale des vitesses d'injection. Les expériences réalisées utilisent l'émission spontanée du radical oh et la vélocimétrie laser résolue dans le temps. Les résultats confirment les tendances obtenues par les simulations numériques monodimensionnelles. Une modification supplémentaire du dispositif expérimental est réalisée afin de permettre l'envoi vers la zone de réaction d'un tourbillon torique. Les premières expériences, visualisation par tomographie laser et mesures des vitesses axiales, sont décrites. Différents régimes d'interaction sont mis en évidence. Les perspectives de développement sont évoquées.
Author: Anne Turbiez Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 660
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Meme si le methane est le constituant principal du gaz naturel, l'ethane, le propane et les alcanes superieurs, presents en faible quantite dans le gaz naturel, peuvent jouer un role important sur sa combustion. L'etude porte sur la combustion du gaz naturel dans des flammes laminaires premelangees a basse pression (0,053
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L'objet de la thèse est l'amélioration de l'évaluation du risque hydrogène dans les réacteurs nucléaires, dans le cas où les mélanges pauvres donnent lieu à des déflagrations accélérées. Dans ce but les propriétés explosives des mélanges hydrogène/air/diluant ont été étudiées avec deux dispositifs : (1) une bombe sphérique afin de déterminer les propriétés des flammes laminaires (vitesse fondamentale à étirement nul, énergie globale d'activation, nombre de Zeldovich, longueur de Markstein...). (2) Une ENceinte d'ACCElération de Flamme (ENACCEF) hautement instrumentée et encombrée d'obstacles afin de d'observer l'accélération de flammes. Le premier dispositif a permis la validation d'un modèle de cinétique chimique et la formulation de la vitesse normale de combustion paramétrée des conditions initiales (composition, température, pression). L'étude des accélérations de flammes (jusqu'à 600m/s) en présence d'obstacles a mis en évidence les influences sur les profils de vitesse de flamme, du taux de blocage, de la forme des obstacles, de la composition du mélange réactif ainsi que de la présence de gradients de concentration. Enfin, une étude de simulation numérique portant sur des flammes laminaires et accélérées a permis d'améliorer le code de calcul TONUS en introduisant un suivi fin de la position de flamme. Les expériences en bombe sphérique ont été reproduites grâce à la mise au point d'une corrélation entre le taux numérique de combustion et la richesse. La modélisation a conduit à une meilleure compréhension des phénomènes d'accélération de flamme. La prise en compte, dans le code, des pertes thermiques a amélioré la simulation des expériences d'accélération de flamme.
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Ce travail présente une étude numérique et expérimentale de flammes laminaires étirées de prémélange air-propane. Les équations des flammes laminaires étirées sont obtenues en cherchant des solutions auto-semblables des équations de conservation des mélanges réactifs gazeux. La résolution de ces équations est basée sur la méthode de Newton et une technique de continuation. La méthode de réduction systématique de schémas cinétiques est ensuite présentée. En appliquant cette méthode à la combustion du propane, nous proposons un mécanisme chimique à 9 espèces et 6 réactions. Une comparaison de résultats de calculs zéro dimensionnels en chimie complexe et réduite montre que le schéma réduit reproduit correctement l'enthalpie de fin de combustion de l'état chimique en fonction de la température. Ce schéma réduit est ensuite appliqué au calcul d'une flamme laminaire étirée et les résultats sont comparés aux calculs en chimie complexe. Il apparaît que le mécanisme réduit reproduit correctement la structure et l'extinction de la flamme à pression atmosphérique. La structure de la flamme autour de la zone de réaction reste bien décrite jusqu'à la pression de dix atmosphères. Par ailleurs, le gain en temps de calcul est un facteur proche de 4. Enfin, une étude expérimentale de ces flammes est présentée. Trois types de résultats sont proposés: tomographie par plan laser, vélocimétrie laser et mesures de distance de flammes par déviation de faisceau laser.
Author: Patricia Dirrenberger
Author: Patricia Dirrenberger
Author: Yannick Dhué
Author: Philippe Versaevel
Author: Solène de Ferrières![Etude [sic] numérique et expérimentale de flammes laminaires étirées de prémélange propane-air PDF](https://books.google.com/books/content/images/frontcover/Mql1tgAACAAJ?fife=w80-h100)
Author: MOHAMED.. SENNOUN
Author: Frédéric Aguerre
Author: Anne Turbiez
Author: Fabrice Malet
Author: Jean Rappeneau
Author: Ebrahim Djavdan