Thèse soutenue

Stabilisation d'une flamme non-prémélangée dans un écoulement de jets coaxiaux : effets d'un champ acoustique

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Auteur / Autrice : Aurélie Wyzgolik
Direction : Françoise Baillot
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique. Énergétique
Date : Soutenance en 2008
Etablissement(s) : Rouen

Résumé

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Ce travail s'intéresse aux phénomènes instationnaires en combustion dont la maîtrise est un point clé dans le fonctionnement efficace des foyers et des moteurs. Les limites de stabilité et les mécanismes de stabilisation sont analysés pour des flammes de jets coaxiaux (méthane/air) non-prémélangés, accrochées au brûleur ou suspendues. La transition entre flamme accrochée et suspendue est caractérisée à l'aide d'un critère thermique original pour les deux processus de décrochage identifiés au cours desquels la base de flamme passe d'une extrémité essentiellement propagative à une essentiellement diffusive. Les propriétés de la flamme, suspendue en zone d'hystérésis ou de lift pur, et celles des structures tourbillonnaires du jet, détectées par une technique d'identification automatique, sont quantifiées par des diagnostics d'imagerie et de vélocimétrie. L'organisation de la couche de mélange méthane/air régit la réponse de la flamme qui passe d'une forme laminarisée à base lobée à une forme turbulente lorsque la vitesse de l'air (Uo) croît. La flamme est stabilisée par la dynamique des tourbillons contra-rotatifs issus des instabilités secondaires, initialement influencés par les vortex de Kelvin-Helmholtz. Elle s'adapte aux conditions imposées par Uo dont le rapport avec la vitesse de flamme laminaire (Sl) pilote son comportement laminarisé ou turbulent. Dans les foyers, les instabilités de combustion sont accrues par les ondes acoustiques créant divers modes en interaction avec les modes propres de l'écoulement. L'expérience est donc ajustée pour étudier la flamme soumise à un forçage sinusoïdal du méthane. Ses réponses sont discriminées en fonction des fréquences et amplitudes du forçage; augmenter Uo déplace les limites des zones identifiées, certaines pouvant même disparaître. Quel que soit Uo, forcé au voisinage : - de sa fréquence naturelle (1200 Hz), le jet présente une organisation accrue ; - de sa première surharmonique (2600 Hz), le jet se caractérise par l'apparition de modes en interaction non linéaire. Pour ces deux hautes fréquences, le forçage conduit à un mélange plus efficace, donc à une réduction de la hauteur de suspension de flamme (Hl) pour les faibles Uo. Mais cet effet est freiné avec Uo croissant, voire inversé à 2600 Hz pour Uo élevé. Aux moyennes fréquences (200 Hz), le comportement est unifié vers une flamme turbulente dont la hauteur pivote autour de celle obtenue pour Uo ~ Sl (Hl croît (diminue) pour Uo faible (élevé)). Pour toute condition (Uo, fréquence, amplitude), les mécanismes d'interaction de modes régissent la réponse de flamme à travers les structures tourbillonnaires.