Etude numérique et expérimentale de l'influence de l'humidité de l'air sur la combustion. Application aux stratégies de réduction d'émissions polluantes et de consommation des moteurs à pistons PDF Download

Author: Yannick Dhué
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
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: Cristiana Monica Bouilly
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 181

View

Book Description
Le domaine de la qualité de l’air intérieur (QAI) attire de plus en plus l’intérêt des chercheurs, intérêt parfaitement compréhensible sachant que les citadins passent plus de 80% de leur temps à l’intérieur des bâtiments. Beaucoup d’études expérimentales ont analysé l’influence des paramètres environnementaux sur le processus d’émission des Composées Organiques Volatils (COV) et sur l’effet de puits des matériaux du bâtiment. Alors que pour la température elles ont conduit à un consensus, pour l’humidité les conclusions sont souvent différentes. Ce constat représente la motivation principale de notre étude. Notre travail traite d’une étude expérimentale sur la détermination des paramètres phénoménologiques et d’une modélisation statique et d’une modélisation dynamique des interactions polluant gazeux/ humidité/ paroi. A ce titre une description des phénomènes est présentée. Compte tenu du manque de données concernant les coefficients phénoménologiques nous avons cherché et trouvé des corrélations entre les caractéristiques physico-chimiques et ces coefficients. De plus, nous avons mené des expérimentations pour caractériser des équilibres d’adsorption polluant/matériau et pour décrire la distribution porosimétrique des matériaux. Ces derniers essais nous permettent de calculer les coefficients de diffusion effectifs des COV et de quantifier la condensation dans les pores. La dernière phase de l’étude a consisté à intégrer les modèles de transfert de masse dans un code de simulation sous MATLAB. Cette approche permet de reproduire le transport des polluants gazeux, de l’humidité dans la paroi et d’étudier l’influence de l’humidité sur les interactions COV/parois.

Author: Audrey Manoukian
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
La composition de l'air intérieur est complexe et fortement influencée par les activités humaines. Celles-ci engendrent notamment l'émission de composés organiques et de particules. Les inquiétudes grandissantes quant à la qualité de l'air intérieur et à son impact sanitaire ont contraint les pouvoirs publics à prendre des mesures pour mieux assurer son suivi. Parmi les activités humaines fréquemment soupçonnées de contribuer à la contamination de l'air intérieur, on retrouve l'utilisation de parfums d'ambiance de types encens et bougies. De récentes études ont montré que cette pratique pouvait entraîner l'émission de composés organiques volatils (COV) et de particules. Une des carences liées à ces études résulte dans le fait qu'il n'existe pas de protocole de prélèvement et de mesures normalisés pour ce type de pratique, rendant l'exploitation et l'inter comparaison des résultats sujette à beaucoup de controverses. Les industriels français ont dès lors souhaité réagir, par la mise en place d'une méthodologie commune de mesure des émissions induites par la combustion des parfums d'ambiance. Le but de ce travail est de développer et de valider un dispositif expérimental permettant de mieux contrôler la combustion et les paramètres environnementaux qui l'influencent, afin de disposer d'un protocole expérimental calibré et reproductible. Ainsi, après avoir étudié les types de polluants et les possibilités de prélèvements et d'analyses associées, l'étude a été conduite en trois étapes. La première a été réalisée dans une pièce laboratoire simulant en taille réelle la pièce d'un logement. Elle a permis de déterminer le type de composés émis (COV et particules) par la combustion de parfums d'ambiance et les niveaux de concentrations associés. La seconde étape consistait en la réalisation d'un plan d'expériences complet dans une enceinte d'essais d'émissions pour déterminer l'influence de la température, de l'humidité relative et du taux de renouvellement d'air sur les niveaux émissions. Enfin, dans le cadre de la dernière étape, la méthode et les connaissances acquises précédemment ont été transférées à une enceinte d'essai climatique de faible volume, afin de permettre la réalisation d'analyse en routine.

Author: Eric Masson
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 262

View

Book Description
La combustion sans flamme est un mode de combustion innovant dans le domaine des économies d'énergie et de la réduction des émissions polluantes qui reste toutefois encore peu étudié. L'objectif de cette étude est de caractériser ces mécanismes par une étude expérimentale. La première étape de cette étude a été réalisée sur une installation d'essais semi-industrielle. Différents moyens de mesure dans la flamme ont été utilisés pour caractériser le mode d'accrochage de la flamme, la structure des zones de réactives, les recirculations des produits de combustion et leur impact sur la combustion et les émissions polluantes. Parallèlement, une installation d'essais de laboratoire a été mise en place. La caractéristique essentielle de cette installation est la possibilité de changer une des dimensions de la chambre tout en gardant identiques les conditions opératoires. Différents paramètres (puissance, température de l'air, température des parois, taux d'aération, confinement de la flamme) sont modifiés afin de caractériser leur impact sur le régime de combustion sans flamme. Les résultats montrent que la flamme peut être divisée en deux zones. Alors que la réaction principale se situe où le jet d'air et de gaz naturel se rejoignent, une première zone réactive est aussi observée dans la zone de recirculation interne, assurant la stabilisation de la flamme. La recirculation des produits de combustion est mise en évidence et quantifiée à partir des résultats des mesures dans la flamme. Entraînées par l'écoulement proncipal, ces recirculations induisent une importante dilution des zones réactives, où la concentration en CO et la température restent à de faibles niveaux. Les oxydes d'azote sont principalement produits par voie thermiques, mais restent très faibles. Par ailleurs, un mécanisme de réduction dans la flamme des oxydes d'azote présents dans les recirculations peut être observé. L'étude paramétrique montre que si la puissance n'a pas d'influence sur le régime de combustion, la combustion sans flamme est possible avec de l'air non préchauffé. Par ailleurs, une augmentation du taux d'aération réduit la dilution de la zone réactive par les inertes. Pour de fortes augmentations du taux d'aération, on peut observer l'apparition d'une troisième zone de réaction à l'extérieur des jets de gaz naturel ; on quitte alors le régime de combustion sans flamme.

Author: Hatim Machrafi
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 406

View

Book Description
Une des solutions très prometteuses pour la réduction des émissions polluantes et de la consommation des moteurs à combustion interne est la mise en place de combustions alternatives pour une optimisation à la source. En particulier, de nombreuses études sont menées autour du développement d'une combustion en charge homogène par auto inflammation appelée "Homogeneous Charged Compression Ignition". Cependant, le contrôle de ce mode de combustion nécessite une recherche avancée incluant une approche interdisciplinaire associant la chimie, la mécanique des fluides et les contraintes d'un fonctionnement moteur. Cette thèse a pour objet l'étude de l'auto inflammation en mode homogène traité d'un point de vue numérique et expérimental. L'étude numérique s'intéresse au développement de mécanismes réduits de carburants de référence. Ces mécanismes réduits sont introduits dans le cadre de modèles plus généraux simulant un fonctionnement de cycle moteur, se focalisant sur trois carburants de référence ; le n-heptane, l'isooctane et le toluène. Trois mécanismes et un mécanisme "mélange" sont ainsi proposés et font l'objet tout d'abord d'une validation numérique et ensuite d'une validation expérimentale. Le mécanisme final "mélange" est composé de 62 réactions et de 49 espèces. En outre, l'interaction des oxydes d'azote NO avec les hydrocarbures est incluse par un appendice cinétique. La validation expérimentale est effectuée dans une gamme de paramètres respectant les conditions de fonctionnement d'un mode HCCI. Les gammes de température d'admission sont comprise entre 35 et 70 °C, avec une richesse entre 0,28 et 0,64 et des taux de compression entre 7 et 14, et ceci pour différentes teneurs des 3 composées de base formant le carburant. En particulier, les carburants testés présentent une gamme complète de proportion de n-heptane/iso-octane. En ce qui concerne le cas des mélanges de n-heptane/toluène, la valeur maximum étudiée du pourcentage volumique de toluène est de 40 %. Des analyses comparatives entre l'essence, le gasoil et leurs substituts de référence sont proposées. En outre, l'effet de NO sur le processus d'auto-inflammation est étudié jusqu'à une addition de 170 ppm. Une étude complète des effets de l'introduction d'EGR est présentée avec en particulier les effets de la dilution par N2 et CO2, les effets du niveau thermiques sur une gamme de 30 à 120 °C, et les effets chimiques de certaines espèces comme le CO, le CH2O et de CH3CHO. L'analyse expérimentale a été soutenue par le mécanisme validé. De cette analyse aboutit un ensemble de conclusions en ce qui concerne le contrôle du processus d'auto-inflammation en mode HCCI.

Author: Sébastien Caillat
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 213

View

Book Description
CE TRAVAIL EST DESTINE A UNE MEILLEURE COMPREHENSION DES PHENOMENES PHYSIQUES ET CHIMIQUES A L'ORIGINE DE LA REDUCTION DES OXYDES D'AZOTE LORS DE LA COMBUSTION EN AIR HUMIDE. UNE SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE SUR DES SUJETS CONNEXES FAIT APPARAITRE UN MANQUE DE DONNEES EXPERIMENTALES LOCALES NECESSAIRES A UNE ANALYSE FINE DU ROLE DE L'EAU DANS LA COMBUSTION DU GAZ NATUREL. NOUS AVONS DONC DEVELOPPE UN BRULEUR DE LABORATOIRE PRODUISANT UNE FLAMME METHANE / AIR NON PREMELANGEE A SWIRL, CONFINEE, DANS LAQUELLE DIFFERENTS DEBITS DE VAPEUR D'EAU SONT INJECTES (JUSQU'A 1,7 MOLE / MOLE DE COMBUSTIBLE). LES TECHNIQUES DE MESURES UTILISEES SUR CETTE FLAMME SONT L'ANEMOMETRIE DOPPLER LASER, LA MESURE DE TEMPERATURE PAR MICROTHERMOCOUPLES, ET L'ANALYSE LOCALE DES GAZ (CO, CO 2, O 2, C NH M, NOX). DES VISUALISATIONS DE LA FLAMME PAR FLUORESCENCE (SPONTANEE ET INDUITE PAR LASER) DU RADICAL OH SONT AUSSI EFFECTUEES. L'ANALYSE DES MESURES LOCALES MONTRE QUE L'INJECTION D'EAU NE MODIFIE LA STRUCTURE AERODYNAMIQUE DE LA FLAMME QUE DANS LES PROPORTIONS DES DEBITS VOLUMIQUES DE DILUANTS INJECTES, LES TEMPERATURES MAXIMALES AU NIVEAU DE LA ZONE DE RECIRCULATION CENTRALE DIMINUENT DE 200 A 300 K. UNE SIMULATION NUMERIQUE DU BRULEUR A ETE EFFECTUEE AU MOYEN DU LOGICIEL FLUENT, LA TURBULENCE ETANT MODELISEE PAR LE MODELE K- ET LA COMBUSTION PAR UN MODELE SIMPLIFIE A CINQ REACTIONS. ELLE PERMET DE RETROUVER LES TENDANCES DU COMPORTEMENT DU BRULEUR. L'ASPECT CHIMIQUE DE L'EAU EST ETUDIE PAR COMPARAISON AVEC UNE DILUTION A L'ARGON. LA SIMILITUDE DES COMPORTEMENTS LOCAUX, Y COMPRIS DE LA REDUCTION DES NOX, INDIQUE UNE FORTE PREDOMINANCE DE L'EFFET PHYSIQUE, PLUTOT QUE CHIMIQUE, DE L'EAU SUR LA PRODUCTION DES NOX. CET EFFET EST CONFIRME PAR UNE SIMULATION EFFECTUEE A L'AIDE DU CODE CHEMKIN II, EN UTILISANT LE SCHEMA CINETIQUE GRI 2.11. TOUTEFOIS LES IMAGES DE FLUORESCENCE DU RADICAL OH, CORRIGEES DU QUENCHING, METTENT EN EVIDENCE UNE CONCENTRATION DE OH PLUS ELEVEE DANS LE CAS DE LA DILUTION PAR L'EAU.

Author: Mohammed Yacine Ferroukhi
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l'humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l'outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l'ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d'études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l'impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d'étude a été dédié à l'étude de l'efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d'apparition de désordres liés à l'humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s'est focalisée sur l'analyse de l'impact de l'état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l'échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d'étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l'influence d'une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments.

Author: Jimmy Suarez (docteur en physique).)
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 0

View

Book Description
La combustion de l'aluminium est un phénomène présent dans de nombreux domaines, tels que le domaine du spatial, de la défense et de l'automobile. Une fois allumée, une particule d'aluminium représente un excellent vecteur d'énergie pour l'écoulement environnant grâce à sa grande densité énergétique. Sa combustion avec l'air, ou avec d'autres oxydants, a fait l'objet de quelques études expérimentale et numérique, ce qui a mis en avant l'une des particularités de cette combustion diphasique. Lors de la combustion de l'aluminium, elle produit une espèce appelée alumine qui existe uniquement en phase liquide dans ses gaz brûlés. Cette particularité rend la modélisation de la combustion diphasique de l'aluminium complexe à modéliser. L'objectif de cette thèse est divisé en deux parties. La première partie est de développer un modèle de combustion diphasique de l'aluminium avec l'air. Cette modélisation est une simulation Euler- Lagrange réalisée avec AVBP, qui est un code de simulation mis en place par le CERFACS. Elle prend en compte la combustion rapide de l'aluminium en phase gazeuse et les changements de phase qui interviennent comme la fusion et l'évaporation de l'aluminium, mais aussi la condensation et la solidification de l'alumine. Une méthode de germination est développée pour permettre la condensation de l'alumine dans les gaz brûlés et suivre de façon lagrangienne sa croissance derrière la flamme aluminium-air. Cette modélisation nous a permis de simuler des flammes aluminium-air 1D et 2D pour les comparer aux données expérimentales trouvées dans la littérature. La seconde partie de cette thèse est l'analyse de la dispersion et de la participation énergétique de l'aluminium dans la post-combustion d'une charge explosive. Le phénomène de post-combustion est très lumineux et rapide, ce qui empêche expérimentalement de connaître l'évolution de l'état des particules d'aluminium contenues initialement dans la charge explosive. Ces simulations permettent de suivre la dispersion des particules et leurs interactions avec les différentes phases qui composent la post-combustion. Un modèle de combustion de particule isolée est repris de la littérature et adapté à notre cas d'étude. Ainsi l'influence de la présence physique des particules et de la chaleur dégagée par leur combustion a pu être évaluée sur l'évolution de la boule de feu et la propagation du choc secondaire. L'ensemble de ces travaux de thèse, que ce soit pour la modélisation de la flamme aluminium-air et l'analyse de l'impact de l'aluminium sur la post-combustion, a montré des résultats convaincants par rapport aux données de la littérature. Les modèles numériques utilisés et développés sont prometteurs pour des futures études sur la combustion de l'aluminium.

Author: Benoît Taupin
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 208

View

Book Description
La combustion de pré-mélange pauvre est un procédé très prometteur pour réduire les émissions polluantes d'oxyde d'azote. Malheureusement, dans ce mode de combustion, des extinctions locales, sources d'imbrûlés, des intabilités de combustion ou le retour de flamme dans l'injecteur peuvent être occasionnés. Cette étude expérimentale traite des résultats obtenus sur un brûleur transparent pressurisé avec air de combustion préchauffé. Ce brûleur muni d'un injecteur à "swirl" avec "Bluff-Body" génère des conditions représentatives de turbine à gaz. L'objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes qui entraînent la déstabilisation de la flamme et d'une manière générale d'étudier la structure de flamme turbulente de pré-mélange pauvre sous l'influence de la pression et de la température de l'air de combustion dans une configuration proche de la réalité. Une étude de la stabilité et de la structure de la flamme caractérisée par son émission spontanée CH* en fonction des paramètres pression, température de l'air de combustion et richesse met en évidence une influence relativement faible de la pression tandis que la température de l'air joue un rôle prépondérant. L'étude du mélange par Fluorescence induite par plan laser sur de l'acétone montre la présence d'inhomogénéité du mélange à la sortie de l'injecteur. La comparaison avec une flamme obtenue dans le cadre d'un pré-mélange parfait montre que ces inhomogénéités participent à la stabilisation de la flamme. Cette stabilisation s'effectue par le biais d'une zone nommée pied de flamme où la flamme se propage d'un mélange riche vers un mélange pauvre permettant la combustion de mélange globalement plus pauvre. Nous terminons par l'étude en combustion de deux cas instables.

Author: Guanqin Ma
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 226

View

Book Description
Dans le cadre de la réduction des émissions polluantes et de la consommation de carburant des moteurs à combustion interne, ces dernières années ont vu le développement de modes de combustion à allumage par compression partiellement prémélangés (LTC, PCCI,..) pour lesquels la cinétique chimique joue un rôle important. Dans ce contexte, le travail présenté dans ce mémoire vise à développer un modèle phénoménologique 1D multizone de combustion Diesel, basé sur un modèle de spray évolué et intégrant différents niveaux de description de la cinétique chimique. L’étude bibliographique réalise un aperçu sur la physique de combustion Diesel et sa modélisation, où l’accent est mis sur les modèles phénoménologiques existants à ce jour. Le modèle élaboré est basé sur la modélisation de spray 1D transitoire de Musculus et al., à laquelle de nombreux développements et améliorations sont apportés, pour passer d’un spray inerte en milieu infini à un spray vaporisant puis brûlant en milieu confiné. Plusieurs approches du calcul de taux de réaction sont envisagées, allant jusqu’à la résolution d’un mécanisme chimique détaillé avec CHEMKIN. Le modèle permet d'analyser l'évolution d'un spray Diesel pendant toute la durée du processus de combustion, de calculer non seulement les paramètres globaux comme la pénétration, l'angle de spray, le délai d’inflammation, la pression et le taux de dégagement de chaleur, mais aussi les paramètres locaux, comme la température et la composition de chaque zone. Ce modèle est tout d’abord confronté à des résultats expérimentaux obtenus dans un réacteur à volume constant(base de données «Engine Combustion Network»).. Il permet de retrouver qualitativement les différentes phases de la combustion (délai, combustion de pré mélange puis établissement d’une flamme de diffusion). L’influence des paramètres du modèle est analysée puis il est confronté à des résultats expérimentaux de sensibilité à la fraction d’O2 et à la température ambiante. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler le déroulement de la combustion dans le cas d’un moteur Diesel automobile, avec une chambre à volume variable et des interactions spray / paroi. Là encore, l’influence des quelques paramètres du modèle est étudiée, puis les résultats sont comparés avec des données expérimentales dans de nombreuses configurations impliquant les principaux paramètres de réglage : injection simple ou utilisation d’une injection pilote, pression d’injection, pression de suralimentation, taux d’EGR... Finalement, le modèle développé permet de retrouver des tendances qualitatives, avec un accord quantitatif plus ou moins correct selon les cas et un nombre de paramètres de réglage très restreint.