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
APRES UN RAPPEL DES CONNAISSANCES ACTUELLES SUR LA COMBUSTION TURBULENTE, L'AUTEUR DECRIT LES DISPOSITIFS DE MESURE MIS AU POINT POUR AUGMENTER LA PRECISION DES MESURES ET ELIMINER LES PARAMETRES SPECIFIQUES D'EXPERIENCE QUI GENE LES COMPARAISONS. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS SUR DES FLAMMES DE PREMELANGE AIR-HYDROGENE, SERVENT DE BASE A L'INTERPRETATION PHYSIQUE DES PHENOMENES RENCONTRES: CLARIFICATION DE LA VITESSE DE COMBUSTION, ET DU PROCESSUS DE DEVIATION DES FILETS FLUIDES CONDUISANT A UNE ACCELERATION ET A LA MODIFICATION DU CHAMP TURBULENT
SERIE D'EXPERIENCES EN VUE DE DETERMINER LA REPONSE D'UN FRONT DE FLAMME DE PREMELANGE A DES TOURBILLONS ELEMENTAIRES DE L'ALLEE DE VON KARMAN. MISE AU POINT D'UN NOUVEAU BANC DE MESURES POUR L'ETUDE DE LA FLAMME DANS LE SILLAGE D'UN CYLINDRE
CE MEMOIRE CONCERNE L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA FLAMME TURBULENTE EN V D'UN PREMELANGE HYDROGENE-AIR EN REGIME DE FLAMME PLISSEE. LES INFLUENCES DE LA TURBULENCE INITIALE, DU CONFINEMENT ET DE LA RICHESSE SUR LE CHAMP DE VITESSE ET LA STRUCTURE SPATIALE DU FRONT DE FLAMME ONT ETE ETUDIEES. LES CHAMPS DE VITESSE CONDITIONNEL ET NON CONDITIONNEL ONT ETE MESURES PAR VELOCIMETRIE DOPPLER LASER. LA STATISTIQUE DE LA STRUCTURE SPATIALE DU FRONT A ETE REALISEE PAR TOMOGRAPHIE LASER COUPLEE AU TRAITEMENT D'IMAGE. LA CORRELATION ENTRE LES FLUCTUATIONS DE VITESSE DE L'ECOULEMENT ET DE POSITION DU FRONT A ETE REALISEE EN LES MESURANT SIMULTANEMENT. L'ENSEMBLE DES EFFETS DU PASSAGE INTERMITTENT DU FRONT, DE LA PROPRIETE DU MELANGE ET DE LA CONFIGURATION DE LA FLAMME A UNE INFLUENCE DIFFERENTE SUR LE CHAMP DYNAMIQUE APPARENT. LES EVOLUTIONS DE LA STRUCTURE SPATIALE DU FRONT DE FLAMME DEPENDENT DE LA TURBULENCE INITIALE ET NON DE LA TURBULENCE LOCALE. LE COMPORTEMENT DE LA FLAMME AUGMENTE LA ZONE D'INTERMITTENCE MAIS CELA NE MODIFIE PRATIQUEMENT PAS LA CARACTERISTIQUE DU PLISSEMENT DU FRONT. IL EST DEMONTRE QU'IL Y A UNE DIFFERENCE ENTRE L'ECHELLE DE PLISSEMENT DU FRONT ET L'ECHELLE DE LONGUEUR SCALAIRE (PROPOSEE DANS LE MODELE BML). DANS NOTRE CONDITION DE FLAMME, LA CORRELATION DES FLUCTUATIONS DE VITESSE ET DE POSITION SIGNIFIE QUE LA POSITION SPATIALE DU FRONT EST ASSOCIEE A L'ECOULEMENT DES GAZ FRAIS
DANS LES BRULEURS ORIGINAUX ET A L'AIDE DE DIAGNOSTICS NON INTRUSIFS BASES SUR DES TECHNIQUES LASER IL A ETE MIS EN EVIDENCE LES EFFETS HYDRODYNAMIQUES ASSOCIES A LA RETROACTION DU MOUVEMENT DU FRONT DE LA FLAMME SUR L'ECOULEMENT TURBULENT AMONT. CE PHENOMENE SE TRADUIT PAR UNE ATTENUATION SPECTACULAIRE DES BASSES FREQUENCES PRESENTES DANS LE SPECTRE DE LA TURBULENCE DE L'ECOULEMENT EXCITATEUR. AU VOISINAGE DU SEUIL D'INSTABILITE, ON MET EN EVIDENCE L'EMERGENCE D'UN PHENOMENE DE RESONANCE LORSQUE LA TAILLE CARACTERISTIQUE DES TOURBILLONS SE RAPPROCHE DE CELLE DES STRUCTURES CELLULAIRES
CETTE ETUDE EXPERIMENTALE A POUR BUT DE CARACTERISER LES INTERACTIONS ET LES COUPLAGES ENTRE LES PHENOMENES AERODYNAMIQUES (LA TURBULENCE) ET LES PHENOMENES CHIMIQUES (LA COMBUSTION) QUI ONT LIEU AU NIVEAU DES CONTOURS DE FLAMMES TURBULENTES PREMELANGEES INSTATIONNAIRES. CETTE ETUDE A ETE MENEE DANS UNE CHAMBRE DE COMBUSTION A PRESSION ATMOSPHERIQUE OU LES FLAMMES SONT ALLUMEES PAR ETINCELLE AU CENTRE DE LA CHAMBRE DANS UN ECOULEMENT TURBULENT HOMOGENE ET ISOTROPE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL A ETE CONSACREE A UNE ANALYSE TEMPORELLE DES CONTOURS DE FLAMMES POUR DIFFERENTS COMBUSTIBLES (METHANE, PROPANE ET HYDROGENE) GRACE A LA TECHNIQUE DE TOMOGRAPHIE LASER RAPIDE. NOUS AVONS AINSI PU MESURER ET CALCULER DES GRANDEURS LOCALES TELLES QUE LES COURBURES, LES VITESSES DE DEPLACEMENT, DES GRANDEURS GEOMETRIQUES COMME LES RAYONS DE FLAMME ET DES GRANDEURS MOYENNES TELLES QUE LES DIFFERENTES VITESSES DE FLAMME, LE TAUX D'ETIREMENT. CES CARACTERISTIQUES ONT ETE OBTENUES POUR DIFFERENTES CONDITIONS DE TURBULENCE ET DE RICHESSE. DANS UN DEUXIEME TEMPS, LE MONTAGE EXPERIMENTAL A ETE MODIFIE POUR PERMETTRE UNE MESURE STATISTIQUE DES CONTOURS DE FLAMMES. LES GRANDEURS SPATIALES CARACTERISTIQUES (ORIENTATION DES FLAMMELETTES, ECHELLES INTEGRALES DE PLISSEMENTS ET DENSITES DE SURFACE DE FLAMMES) SONT OBTENUES EN FONCTIONS DES PARAMETRES EXPERIMENTAUX. UN MODELE TEMPOREL DU TAUX DE REACTION MOYEN EST PROPOSE ET VALIDE POUR LES DIFFERENTS NOMBRES DE LEWIS ETUDIES. ENFIN, LA MESURE DES PROPRIETES DU CHAMP DYNAMIQUE PAR VELOCIMETRIE PAR IMAGE DE PARTICULES A PERMIS DE DETERMINER LES GRANDEURS CARACTERISTIQUES LOCALES DES INTERACTIONS ENTRE LA CHIMIE ET LA TURBULENCE (CISAILLEMENT, ETIREMENT LOCAL,). NOUS AVONS MONTRE QUE LA REPONSE DU FRONT DE FLAMME EN TERME DE COURBURE, A UN CISAILLEMENT EXTERIEUR, EST LINEAIRE, ET QUE LES VALEURS DES COEFFICIENTS DEPENDENT DES PROPRIETES THERMODIFFUSIVES DU COMBUSTIBLE.
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.
La flamme à point d'arrêt est une configuration académique d'écoulement réactif offrant la possibilité de comparer les résultats de l'analyse théorique avec les données expérimentales. La disposition géométrique retenue pour ce travail est celle d'un écoulement axisymétrique turbulent heurtant sous indice normale une paroi solide : dans ces conditions, une flamme de prémélange peut être stabilisée entre le plan d'injection et la paroi solide. Les conditions de faible turbulence et l'hypothèse d'un régime de flammelette permettent de mener une analyse asymptotique de cet écoulement réactif et en particulier d'exprimer les termes de transport turbulent de masse sous la forme d'une expression algébrique. Sur le plan de l'application, la combustion dans des écoulements étirés et eventuellement non-isenthalpiques du fait des pertes thermiques pariétales est une problématique récurrente rencontrée dans la conception des foyers industriels : l'étude des propriétés dynamiques et structurales d'une flamme stabilisée au voisinage d'une paroi adiabatique ou non permet d'étudier les influences respectives de l'étirement et de la température de paroi. Sur le plan fondamental, l'ambition est le développement de modèles de combustion à fonction densité de probabilité multi-dimensionnelles, prenant en compte une variable d'avancement de la combustion, l'enthalpie, voire la fraction de mélange. Dans un premier temps, l'objectif est limité à la mesure simultanée des champs de vitesse et de variable d'avancement de la combustion en conditon de paroi adiabatique.Le banc Vestales, conçu pour atteindre cet objectif, est composé d'un injecteur de prémélange réactif (propane-air), équipé d'une grille de turbulence et d'une paroi solide disposée en vis-à-vis. Les mesures de vitesse sont effectuées par Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.) et Vélocimétrie par Images de Particules (V.I.P.). Afin de déterminer simultanément la variable d'avancement à partir des images V.I.P., un traitement d'image original a été développé pour l'extraction du contour des fronts de flammes locales (flammelettes). Le couplage des contours actifs aux approches frontières et régions s'avère une méthode robuste et précise permettant une analyse topologique du contour. L'étude est limitée à deux valeurs de l'étirement (100 et 120 s^{-1}) et de richesse (0,89 et 0,99). L'écoulement a été caractérisé par A.D.L. et V.I.P. dans différents plans. Une analyse statistique et fréquentielle de la turbulence est proposée. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence sont exprimées en terme de moyenne de Reynolds et de Favre, en particulier le flux turbulent de la variable d'avancement, ce qui autorise la comparaison avec des résultats issus de la théorie asymptotique d'une part et de la simulation numérique bidimensionnelle d'autre part.
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
