Caractérisation expérimentale des flammes laminaires et turbulentes en expansion PDF Download
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Author: Bénédicte Galmiche
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Book Description
Le moteur downsizé à allumage commandé constitue l'une des voies principales explorées par les constructeurs automobiles pour améliorer le rendement et réduire les émissions de dioxyde de carbone des motorisations essence. Il s'agit de combiner une réduction de la cylindrée avec une forte suralimentation afin d'améliorer le rendement du moteur, en particulier à faibles et moyennes charges. Leur mise au point est limitée par l'augmentation des combustions anormales, dont le contrôle par forte dilution peut également entraîner l'apparition de variabilités cycliques importantes. Actuellement, la compréhension des nombreux paramètres intervenant dans l'apparition de ces phénomènes et de leurs interactions, reste encore imparfaite. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension des mécanismes impliqués dans les processus de propagation des flammes turbulentes. Cette étude est réalisée dans une enceinte de combustion sphérique haute pression haute température, équipée de ventilateurs générant une turbulence homogène et isotrope. La première partie de ce travail est consacrée à l'étude de la combustion prémélangée laminaire isooctane/air. Dans un deuxième temps, l'aérodynamique de l'écoulement dans l'enceinte est finement caractérisée par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules. Enfin, la propagation des flammes turbulentes est étudiée en termes de vitesse à partir de visualisations par ombroscopie. Une loi unifiée, permettant de décrire la propagation des flammes turbulentes indépendamment des conditions thermodynamiques initiales, de l'intensité de la turbulence et de la nature du mélange réactif est notamment proposée.
Author: Bénédicte Galmiche
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Le moteur downsizé à allumage commandé constitue l'une des voies principales explorées par les constructeurs automobiles pour améliorer le rendement et réduire les émissions de dioxyde de carbone des motorisations essence. Il s'agit de combiner une réduction de la cylindrée avec une forte suralimentation afin d'améliorer le rendement du moteur, en particulier à faibles et moyennes charges. Leur mise au point est limitée par l'augmentation des combustions anormales, dont le contrôle par forte dilution peut également entraîner l'apparition de variabilités cycliques importantes. Actuellement, la compréhension des nombreux paramètres intervenant dans l'apparition de ces phénomènes et de leurs interactions, reste encore imparfaite. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension des mécanismes impliqués dans les processus de propagation des flammes turbulentes. Cette étude est réalisée dans une enceinte de combustion sphérique haute pression haute température, équipée de ventilateurs générant une turbulence homogène et isotrope. La première partie de ce travail est consacrée à l'étude de la combustion prémélangée laminaire isooctane/air. Dans un deuxième temps, l'aérodynamique de l'écoulement dans l'enceinte est finement caractérisée par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules. Enfin, la propagation des flammes turbulentes est étudiée en termes de vitesse à partir de visualisations par ombroscopie. Une loi unifiée, permettant de décrire la propagation des flammes turbulentes indépendamment des conditions thermodynamiques initiales, de l'intensité de la turbulence et de la nature du mélange réactif est notamment proposée.
Author: Charles Endouard
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Book Description
Depuis plusieurs années, les constructeurs automobiles suivent la voie du « downsizing » pour le développement des moteurs à allumage commandé. Ce procédé basé sur la réduction des cylindrées moteur combinée à la suralimentation a déjà fait ses preuves quant à son intérêt dans l'augmentation du rendement et la réduction des émissions polluantes des moteurs à essence. Les nouvelles conditions thermodynamiques, de turbulence et de dilution de ces moteurs engendrant de nouvelles possibilités de dilution dans les mélanges air/carburant, elles amènent également de nouvelles problématiques quant aux combustions anormales observées et l'apparition d'importantes variabilités cycliques. Ces travaux de thèse s'insèrent dans l'objectif de compréhension du comportement des flammes de prémélange d'isooctane/air en expansion dans des conditions représentatives d'un moteur « downsizé ». Leur étude a dans un premier temps été réalisée dans des conditions laminaires afin d'extraire les vitesses de flammes et longueurs de Markstein associées aux différents mélanges réactifs, et notamment sous forte dilution. Des corrélations ont alors été développées pour répondre aux besoins des modèles de simulation. Un nouveau dispositif de diagnostic optique a ensuite été employé pour améliorer la visualisation des flammes turbulentes en expansion. Une corrélation de coefficient correctif est ici développée pour remédier à la surestimation de vitesse engendrée par une visualisation Schlieren de ces flammes turbulentes. Une étude approfondie de l'influence des conditions thermodynamiques initiales, de la turbulence, ainsi que des caractéristiques diffusives du mélange air/carburant a par ailleurs été conduite afin d'isoler l'effet de chacun de ces paramètres sur le développement et la propagation de la flamme turbulente. Enfin l'effet d'une évolution simultanée des conditions thermodynamiques initiales similaire à celle d'une compression moteur a été étudié pour mieux appréhender les changements de comportement des flammes turbulentes dans des conditions plus représentatives du moteur à allumage commandé.
![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
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Languages : fr
Pages : 267
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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”.
Author: Roland Borghi
Publisher: Editions TECHNIP
ISBN: 9782710807582
Category : Combustion
Languages : fr
Pages : 520
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Théorie de la combustion : flammes de prémélange, de diffusion, propagation et stabilisation des flammes, flammes laminaires, flammes turbulentes, brouillard de gouttelettes, écoulements réactifs, et autres phénomènes thermochimiques impliqués dans les chambres de combustion pour la propulsion ou la production d'énergie.
Author: Nazim Merlo
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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.
Author: Claire Martel
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Languages : fr
Pages : 251
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Book Description
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.
Author: Erwann Samson
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Languages : fr
Pages : 470
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Book Description
La propagation de flammes en expansion dans un prémélange propane-air est étudiée pour des mélanges présentant des répartitions hétérogènes de combustible. Dans une première partie, une flamme laminaire est allumée dans une stratification symétrique de combustible. Pendant la propagation de la flamme, des enregistrements tomographiques sont effectués pour différents temps de propagation et différentes répartitions initiales de combustible. Dès le début de la propagation, la flamme dans son ensemble est influencée par la stratification. La courbure moyenne peut être déduite du comportement de la flamme homogène dans des conditions stoechiométriques à travers une loi linéaire ; cette loi dépend de l'amplitude initiale de la fraction de mélange Z et du temps de propagation. Des mesures simultanées de vitesse absolue de déplacement et d'émission de radicaux OH* et CH*, combinées avec des mesures de Z par P.L.I.F. montrent la faible contribution du terme -2D/Z n.grad(Z) présent dans la définition de la vitesse de déplacement du front de flamme. on montre que "l'effet mémoire" de la stratification est principalement dû au réservoir de radicaux et de température induit, à l'inertie de l'allumage et à l'expansion thermique liée aux zones brûlant à la stoechiométrie. Dans une seconde partie, pour une turbulence de grille donnée, une comparaison entre des flammes de prémélanges homogènes et hétérogènes est réalisée, et ce, pour différentes fractions de mélanges moyennes et niveaux de fluctuations. L'étude géométrique des flammes montre l'importance du niveau d'hétérogénéités sur la propagation pour les différentes conditions. Dans les premiers temps de propagation, les fluctuations de fraction de mélange n'affectent pas la taille de la flamme, pour des conditions moyennes stoechiométriques. Dans les instants suivants, un niveau optimum d'hétérogénéités peut être déterminé, sous forme d'un couple (Z, Z'), pour lequel la propagation de la flamme est équivalente aux flammes homogènes ayant une fraction de mélange moyenne supérieure. Ce soutien est dû au réservoir chimique et thermique induit, permettant d'obtenir une combustion dans un milieu en dessous des limites classiques d'inflammabilité.
Author: MARIO.. DITARANTO
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Languages : fr
Pages : 201
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Book Description
DANS UNE FLAMME NON-PREMELANGEE, LA SUBSTITUTION DE L'OXYGENE PURE A L'AIR DE COMBUSTION PROVOQUE UNE MODIFICATION DES PROPRIETES DE LA COMBUSTION EN TERME DE TEMPERATURE ADIABATIQUE ET CONSOMMATION ENERGETIQUE. DE PLUS, L'ABSENCE D'AZOTE DANS L'OXYDANT EVITE LA PRODUCTION DES OXYDES D'AZOTES (NOX). L'APPLICATION DE L'OXY-COMBUSTION AUX FOURS INDUSTRIELS DE VERRERIE CONSTITUE UNE EVOLUTION PAR RAPPORT AUX SYSTEMES A AIR PRECHAUFFE. NOUS AVONS ETUDIE EXPERIMENTALEMENT L'OXY-COMBUSTION DU GAZ NATUREL DEVELOPPEE EN AVAL D'UN BRULEUR COAXIAL A OUVREAU CONIQUE ET CYLINDRIQUE. LES CONDITIONS DYNAMIQUES INITIALES ONT ETE VARIEES EN MODIFIANT LE RAPPORT DES QUANTITES DE MOUVEMENT INITIALES DES JETS DE GAZ NATUREL ET D'OXYGENE TOUT EN CONSERVANT UNE PUISSANCE DE 25KW. AFIN DE PLACER L'ETUDE PROCHE DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT INDUSTRIELLES, LES FLAMMES ETAIENT CONFINEES DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION A PAROIS CHAUDES, DONT ON POUVAIT CONTROLER LES TEMPERATURES DE PAROIS ET LES CONCENTRATIONS D'OXYGENE ET CO 2 DANS LES FUMEES. L'OBJET DE L'ETUDE EST DE CARACTERISER L'OXY-COMBUSTION A L'AIDE DE LA VELOCIMETRIE DOPPLER LASER A DEUX COMPOSANTES, L'IMAGERIE DE L'EMISSION SPONTANEE DU RADICAL OH, LA STRIOSCOPIE, LA TOMOGRAPHIE LASER PAR DIFFUSION DES PARTICULES ENSEMENCEES DANS L'ECOULEMENT ET LA MESURE LOCALE DE CONCENTRATIONS DE CO 2, CO, O 2 ET NO. LES DONNEES RECUEILLIES CONSTITUENT UNE SOURCE D'INFORMATIONS SUR LE DEVELOPPEMENT DYNAMIQUE ET LES INTERACTIONS ENTRE LA TURBULENCE ET LA ZONE DE REACTION. LES DIFFERENTES METHODES DE VISUALISATION MONTRENT EGALEMENT LES INSTABILITES A GRANDE ECHELLE SE FORMANT DANS LES FLAMMES DE TAILLE SEMI-INDUSTRIELLE. LA SYNTHESE DES RESULTATS OBTENUS PERMET D'ETABLIR LES CARACTERISTIQUES GEOMETRIQUES DES FLAMMES, LES SCHEMAS STRUCTURELS AINSI QUE LES PROPRIETES TURBULENTES CARACTERISANT LE MELANGE DANS LES FLAMMES NON-PREMELANGEES A HAUTE TEMPERATURE, EN FONCTION DU RAPPORT DES QUANTITES DE MOUVEMENT INITIALES.
Author: CHRISTOPHE.. MAUREY
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Languages : fr
Pages : 284
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Book Description
CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STABILISATION ET DU SOUFFLAGE DES FLAMMES DE DIFFUSION TURBULENTES SUSPENDUES AU-DESSUS D'UN INJECTEUR. DANS LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL, NOUS AVONS UTILISE LA FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER SUR LE RADICAL OH, POUR EFFECTUER UNE ETUDE PARAMETRIQUE ET STATISTIQUE SUR LES HAUTEURS ET LES RAYONS D'ACCROCHAGE DE LA FLAMME SUSPENDUE. LES RESULTATS ONT MONTRE QUE LE COMPORTEMENT MOYEN DE LA FLAMME, EST LIE AUX MOUVEMENTS DES GROSSES STRUCTURES DANS LE JET TURBULENT. DANS LA SECONDE PARTIE, NOUS AVONS COUPLE LA FLUORESCENCE INDUITE PAR LASER SUR LE RADICAL OH AVEC LA VELOCIMETRIE PAR IMAGES DE PARTICULES, AFIN DE CARACTERISER LES PROPRIETES DYNAMIQUES EN AMONT DE LA FLAMME. A PARTIR DES IMAGES DE FLUORESCENCE DE OH, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'EXISTENCE D'UNE EXTREMITE PROPAGATIVE A LA BASE DE LA FLAMME. DES MESURES CONDITIONNEES DE VITESSES DANS LES GAZ FRAIS A LA BASE DE LA FLAMME, AINSI QU'A LA POSITION DE L'EXTREMITE PROPAGATIVE MONTRENT QUE LA FLAMME STABILISE DANS UNE REGION OU LES VITESSES DE L'ECOULEMENT SONT PROCHES DE LA VITESSE DE PROPAGATION D'UNE FLAMME LAMINAIRE DE PREMELANGE. DANS LA DERNIERE PARTIE, NOUS AVONS REALISE DEUX EXPERIENCES AFIN D'ETUDIER LE MELANGE JUSTE EN AMONT DE LA BASE DE LA FLAMME. LA PREMIERE PERMET DE CALCULER LA RICHESSE A LA BASE DE LA FLAMME PAR ANALYSE DES INTENSITES DE CHIMILUMINESCENCE DE RADICAUX. LA SECONDE DONNE LES VALEURS DE LA FRACTION DE MELANGE JUSTE EN DESSOUS DE LA FLAMME A PARTIR D'IMAGES DE FLUORESCENCE D'UN TRACEUR INJECTE DANS LE JET CENTRAL. LES RESULTATS DE CES DEUX INVESTIGATIONS, TENDENT A PROUVER QUE LE MELANGE INFLAMMABLE EN DESSOUS DE LA BASE DE LA FLAMME DEVIENT DE PLUS EN PLUS PAUVRE LORSQUE LA VITESSE DE SORTIE DES GAZ AUGMENTE. LES RESULTATS DE CES TRAVAUX ONT PERMIS DE DECRIRE LES PROPRIETES DE LA TURBULENCE ET DU MELANGE DE L'ECOULEMENT A LA BASE DES FLAMMES SUSPENDUES, ET DE FOURNIR DES DONNEES DE VALIDATION AUX CODES DE CALCUL NUMERIQUE.
Author: Romain Fragner
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Languages : en
Pages : 0
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Book Description
Le présent travail est une étude expérimentale sur l'interaction entre flamme et turbulence. L'effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l'aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l'étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l'effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l'effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l'impact majeur de l'échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude.
