Author: Charles Endouard
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Languages : fr
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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.

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: Erwann Samson
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Languages : fr
Pages : 470

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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: CHAOUKI.. GHENAI
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Languages : fr
Pages : 255

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CE MEMOIRE PORTE SUR L'ETUDE DE LA STRUCTURE ET DE LA DYNAMIQUE SPATIO-TEMPORELLE DES FRONTS DE FLAMME INSTANTANES EN COMBUSTION PREMELANGEE. L'OBJECTIF GLOBAL DE CETTE ETUDE EST DE COMPRENDRE LES MECANISMES D'INTERACTION ENTRE LA STRUCTURE DE LA TURBULENCE ET LA DYNAMIQUE DES FRONTS DE FLAMME INSTANTANES PAR LA MISE EN UVRE D'UNE DOUBLE APPROCHE: UNE APPROCHE EXPERIMENTALE, UTILISANT DES TECHNIQUES FIABLES ET AYANT UNE RESOLUTION SPATIO-TEMPORELLE APPROPRIEE, UNE APPROCHE THEORIQUE, UTILISANT LES MODELES DE COMBUSTION TURBULENTE LES PLUS RECENTS VISANT A LES VALIDER OU A LES AMELIORER. LA PRINCIPALE TECHNIQUE DE DIAGNOSTIC OPTIQUE UTILISEE EST LA DIFFUSION DE LA LUMIERE PAR EFFET RAYLEIGH. CELLE-CI EST APPLIQUEE A L'ETUDE DES FLAMMES DE PREMELANGE CONIQUES LAMINAIRES ET TURBULENTES. LES FLAMMES DE METHANE-AIR ETUDIEES SONT STABILISEES SUR DES BRULEURS DU TYPE BEC BUNSEN. LES MESURES CONCERNENT PRINCIPALEMENT LE CHAMP SCALAIRE INSTANTANE DES FLAMMES (TEMPERATURE OU DENSITE) EN UTILISANT LA TECHNIQUE DE DIFFUSION DE LA LUMIERE PAR EFFET RAYLEIGH EN UN OU DEUX POINTS. UN NOUVEAU DISPOSITIF EXPERIMENTAL A ETE CONCU ET DEVELOPPE DANS CETTE ETUDE ; IL PERMET D'EFFECTUER DES MESURES PAR EFFET RAYLEIGH DU CHAMP SCALAIRE EN DEUX POINTS SUIVANT LA DIRECTION RADIALE, AXIALE ET LE LONG DES CONTOURS OU LA DENSITE MOYENNE DE LA FLAMME RESTE CONSTANTE. POUR LA FLAMME LAMINAIRE, L'ETUDE A POUR BUT DE FOURNIR LES DONNEES NECESSAIRES SUR L'EPAISSEUR ET LA VITESSE DE PROPAGATION LAMINAIRE QUE NOUS UTILISONS DANS L'ESTIMATION DES PARAMETRES CONCERNANT LA DYNAMIQUE TEMPORELLE DES FLAMMELETTES AINSI QUE SUR L'EFFET DE LA GRAVITE (OU DE LA CONVECTION NATURELLE). POUR LA PREMIERE FOIS, LA TECHNIQUE DE DIFFUSION RAYLEIGH A ETE UTILISEE DANS L'ETUDE DE LA STABILITE DES FLAMMES LAMINAIRES PREMELANGEES. POUR LES FLAMMES TURBULENTES DE PREMELANGE DANS LE REGIME DES FLAMMELETTES, L'OBJECTIF ESSENTIEL DE CE TRAVAIL EST LA CARACTERISATION DE LA STRUCTURE ET DE LA DYNAMIQUE SPATIO-TEMPORELLE DES FRONTS DE FLAMME INSTANTANES. LES MESURES PAR EFFET RAYLEIGH EN UN ET DEUX POINTS ONT PERMIS DE DETERMINER LES ECHELLES SPATIALES ET TEMPORELLES DE LA DYNAMIQUE DES FLAMMELETTES, LEUR VITESSE DE CONVECTION ET LEUR VITESSE DE PROPAGATION NORMALE, LE FACTEUR D'ORIENTATION DE LA NORMALE A LA FLAMMELETTE, LA DENSITE SURFACIQUE DE FLAMME AINSI QUE LE TAUX MOYEN DE PRODUCTION CHIMIQUE. CES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT COMPARES AUX PREDICTIONS DE DIVERS MODELES DE FLAMMELETTES, NOTAMMENT A CELLES DES MODELES PROPOSES PAR BRAY, MOSS, CHAMPION ET LIBBY

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: DANY.. ESCUDIE OLIVE
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Languages : fr
Pages : 139

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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

Author: Thierry Lachaux
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Languages : fr
Pages : 211

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L'étude expérimentale porte sur l'influence de la haute-pression jusqu'à 0.9 MPa pour la combustion d'une flamme de prémélange méthane-air, pauvre, turbulente stabilisée sur un brûleur de type Bunsen. La vitesse débitante et la richesse sont fixées à 2.1 m/s et 0.6. Le champ de vitesses et les échelles de la turbulence sont déterminés à l'aide de l'anémométrie Laser Doppler. Les mesures de diffusion Rayleigh renseignent sur la fluctuation du scalaire. De l'imagerie de Mie deux dimensions sont obtenus la courbure, l'angle d'orientation, les longueurs de plissement et enfin, la densité de surface de flamme et l'intensité de combustion qui sont comparées avec les valeurs données par le modèle BML. Lorsque la pression augmente les échelles de Taylor et de Kolmogorov diminuent avec la viscosité cinématique, l'échelle intégrale et la vitesse fluctuante restent constantes, les structures du front de flamme deviennent plus petites et plus pointues, augmentant la densité de surface de flamme.

Author: Claire Martel
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Languages : fr
Pages : 251

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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.

Author: Francis Sabathier
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Languages : fr
Pages : 76

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Author: Yannick Dhué
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Languages : fr
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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%.