ETUDE SYNTHETIQUE DES DIFFERENTS ASPECTS DE LA COMBUSTION TURBULENTE ET PROPOSITION DE L'INTERPRETATION SPECTRALE DE LA VITESSE DE PROPAGATION TURBULENTE. DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES D'UNE FLAMME FROIDE TURBULENTE. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA TURBULENCE DYNAMIQUE ET THERMIQUE DANS DES ECOULEMENTS A TEMPERATURE ELEVEE
LE PRESENT TRAVAIL EST CONSACRE A L'ETUDE NUMERIQUE DE L'INTERACTION FLAMME TURBULENTE-PAROI SOLIDE. LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE RETENUE EST CELLE D'UN ECOULEMENT TURBULENT, ISSU D'UN INJECTEUR CIRCULAIRE, IMPACTANT SOUS INCIDENCE NORMALE UNE PAROI SOLIDE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'INTERACTION FLAMME DE DIFFUSION TURBULENTE-PAROI DANS LE JET PARIETAL, LA OU LA FLAMME SE TROUVE AU VOISINAGE DE LA PAROI. LA COMBUSTION EST DECRITE PAR UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE SOUS LA FORME D'UNE FONCTION BETA ET LA TURBULENCE PAR UN MODELE K- A BAS NOMBRE DE REYNOLDS. L'UTILISATION DES APPROXIMATIONS DE COUCHE LIMITE PERMET L'OBTENTION D'UN SYSTEME PARABOLIQUE D'EQUATIONS AUX DERIVEES PARTIELLES, RESOLUES PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. LES RESULTATS NUMERIQUES SONT EN BON ACCORD AVEC CEUX OBTENUS EXPERIMENTALEMENT A L'ECOLE CENTRALE DE LYON SUR CETTE MEME GEOMETRIE. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A L'ETUDE DE L'INTERACTION FLAMME TURBULENTE DE PREMELANGE-PAROI. LA COMBUSTION EST DECRITE PAR LE MODELE DE FLAMMELETTES BMLC (BRAY-MOSS-LIBBY-CHAMPION) ET LA TURBULENCE PAR UN MODELE K- A BAS NOMBRE DE REYNOLDS. LE SYSTEME ELLIPTIQUE D'EQUATIONS DE BILAN MOYENNES EST RESOLU A L'AIDE D'UN CODE DE CALCUL DEVELOPPE AU LABORATOIRE. L'INFLUENCE DU NOMBRE DE DAMKOHLER SUR LA STRUCTURE DE LA FLAMME TURBULENTE EST MISE EN EVIDENCE. ON MONTRE QUE PLUS CE NOMBRE EST FAIBLE, PLUS LA FLAMME S'APPROCHE DE LA PAROI AVEC L'EXISTENCE D'UNE LIMITE INFERIEURE EN DESSOUS DE LAQUELLE CELLE-CI SE STABILISE LOIN DE L'AXE, SUR LES BORDS DU JET. SUR L'AXE DE SYMETRIE, NOS RESULTATS SONT EN BON ACCORD AVEC CEUX DE BRAY, CHAMPION ET LIBBY OBTENUS PAR UNE ANALYSE ASYMPTOTIQUE. DANS LE CAS D'UNE PAROI A TEMPERATURE FIXEE, NOS RESULTATS SONT QUALITATIVEMENT EN ACCORD AVEC CEUX OBTENUS EXPERIMENTALEMENT A L'E.C. DE LYON
Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances et les modèles de la combustion turbulente prémélangée et en particulier de la formation des polluants dans les flammes turbulentes. Basée sur une approche de simulation numérique directe, bâtie autour du code NTMIX-CHEMKIN et en tenant compte de cinétiques chimiques complexes, nous avons étudié, d'une part, l'interaction d'une flamme de prémélange plane avec une paire de tourbillons, d'autre part, l'interaction flamme turbulence sur la base d'une turbulence homogène isotrope bidimensionnelle. Les résultats de ces études montrent l'inadéquation de certains schémas cinétiques pour la description de l'interaction flamme-tourbillons et donc, à fortiori, pour l'interaction flamme-turbulence. On trace également l'évolution de grandeurs caractéristiques telles que le taux de dégagement de chaleur et l'émission lumineuse au cours de l'interaction. L'étude de flammes turbulentes montre le rôle du monoxyde de carbone en tant qu'intermédiaire clé entre l'oxydation du combustible méthane et la formation du dioxyde de carbone. On observe également que la formation instantanée du monoxyde d'azote no dans une flamme turbulente suit la même dépendance de la température que celle d'une flamme laminaire et peut donc être modélisée en faisant intervenir la fonction de densité de probabilité de la température de l'écoulement turbulent. Par ailleurs, l'analyse statistique des flammes avec une cinétique chimique complexe montre qu'il n'est pas possible d'obtenir les propriétés représentatives d'une surface de flamme à partir d'un seul iso-contour d'une variable caractéristique. L'exploitation de résultats de simulation numérique directe pour ce type de modèles de combustion nécessite l'introduction de grandeurs globales, définies ici par intégration perpendiculaire au front de flamme.
Ce document présente les résultats d'une étude numérique et théorique des flammes prémélangées. Les sujets abordés sont l'allumage des flammes et l'interaction entre front de flamme et turbulence homogène isotrope dans des configurations bidimensionnelles. Un des objectifs poursuivis était d'envisager la faisabilité d'une simulation directe complète d'un écoulement réactif turbulent avec chimie et modèles de transport complets. De façon générale, on constate que cet objectif est aujourd'hui réalisable et on présente ici un certain nombre d'applications. Un algorithme de simulation directe (DNS) a été développé dans le cadre de ce travail pour aborder ces problèmes. L'algorithme, initialement développé pour traiter des schémas cinétiques simplifiés est ensuite étendu aux schémas cinétiques plus détaillés avec des propriétés de transport réalistes (avec l'utilisation de CHEMKIN et TRANSPORT). Cet algorithme a permis tout d'abord d'étudier l'allumage de flammes prémélangées avec un schéma cinétique simple. Nous nous sommes intéressés au mécanisme qui contrôle l'allumage dans des écoulements turbulents. Dans une première approche, nous avons étudié l'allumage par déposition d'énergie dans des écoulements a flux massique imposé en configuration bidimensionnelle. Les délais et les temps minimaux d'allumage sont déterminés en fonction de la puissance de chauffage et du flux. Les rayons critiques des noyaux de flamme sont aussi examinés. Un modèle simple est enfin présenté pour représenter ces résultats. Dans une seconde étude nous avons considéré l'interaction entre front de flamme et turbulence homogène isotrope dans une configuration bidimensionnelle. Cette étude est réalisée pour des flammes hydrogène-air représentées par un schéma cinétique a 9 espèces et 19 réactions. Une flamme plane, stationnaire, laminaire, non-étirée, adiabatique est superposée a un champ de vitesse déterminé sur la base d'un spectre d'énergie du type Von Karmann-Pao. L'observation de l'évolution du front de flamme a permis d'établir une description qualitative ainsi que les propriétés statistiques de ce type de flamme.
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
La comprehension et la modelisation des phenomenes physiques intervenant dans la combustion turbulente sont primordiaux pour l'etude et l'optimisation des dispositifs industriels tels que les moteurs a allumage commande ou les bruleurs. La complexite du probleme est liee a l'interaction entre les phenomenes thermo-chimiques, caracterisant un front de flamme, et les echelles du spectre continu de la turbulence. Le probleme peut etre simplifie si l'on discretise le spectre de la turbulence en assimilant chaque echelle turbulente a un tourbillon. Les travaux que nous avons realises dans le cadre de cette etude, s'articulent autour de deux axes: la prediction d'une flamme turbulente premelangee et la simulation de l'interaction entre un front de flamme oblique premelangee et une allee tourbillonnaire de von karman. Le premier point est aborde par une simulation de reference en ecoulement laminaire. Puis la flamme oblique turbulente premelangee est etudiee. Deux premelanges, air-hydrogene et air-methane, permettent de traiter le probleme de l'influence du nombre de lewis sur la structure de ces flammes. Dans une deuxieme partie, on s'interesse a l'interaction entre une flamme oblique laminaire de premelange air-hydrogene et une allee tourbillonnaire de von karman. La prediction de cette configuration met en evidence l'influence des tourbillons sur le plissement et l'extinction du front de flamme. Pour chacune de ces etapes, la comparaison entre les predictions numeriques et des donnees experimentales est realisee. Elle nous permet d'analyser les performances des modelisations et elle apporte des informations complementaires sur les phenomenes etudies.
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.
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.
TECHNIQUE DE MESURE UTILISEES. ETUDE EXPERIMENTALE DU CHAMP THERMIQUE MOYEN ET DES FLUCTUATIONS DE TEMPERATURE DANS LA FLAMME FROIDE TURBULENTE. ETUDE DU CHAMP THERMIQUE TURBULENT DANS UN ECOULEMENT D'AIR PRESENTANT UN GRADIENT DE TEMPERATURE AXIAL. ANALYSE SPECTRALE DES FLUCTUATIONS DE TEMPERATURE ET ETUDE DE LA FONCTION DENSITE DE PROBABILITE DE LA TEMPERATURE DANS LA FLAMME FROIDE TURBULENTE
