Etude des vitesses fondamentales des flammes laminaires prémélangées : application aux mélanges méthane/air et syngas (H2/CO)/air

Experimental and numerical studies of the fundamental flame speeds of methane/air and syngas(H2/CO)/air mixtures

• Auteur / Autrice : Nicolas Bouvet
• Direction : Iskender Gökalp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 17/12/2009
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Christine Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iskender Gökalp, Christine Rousselle, Geoff Searby, Alexander Konnov, Robert J. Santoro, Bruno Renou, Daniel Durox, Christian Chauveau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geoff Searby, Alexander Konnov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz de synthèse

Combustion

Flamme

Mots clés libres

Vitesse fondamentale de flamme

Vélocimétrie par imagerie de particules

Flammes à contre courant

Flammes sphériques

Flammes coniques

Fundamental flame speed

Particle image velocimetry

Counterflow flames

Outwardly propagating flames

Conical flames

Résumé

Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitessesfondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie deParticules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant lastabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d’étirementssubits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L’approche ici développée atout d’abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive desrésultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX,OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l’approche proposée.Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencéesdans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force dethermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses deflammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges aété conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contrecourant,les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultatsobtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l’étirement des flammes de syngas aété caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges(5/95 to 50/50 % H2/CO).

In the context of CO2 emission reduction, the present study is devoted to the development of alaminar flame speed measurement methodology, using the Digital Particle Image Velocimetry (DPIV)diagnostic. The latter is applied to stagnation flow flames, seen to have considerable assets for suchstudies. Indeed, flames stabilized in these diverging flows are planar, steady and in near-adiabaticconditions, while subtraction of strain effects on flame is intrinsically allowed. The methodology developedherein has been applied to the well-characterized methane/air mixtures for validation. An extensivecomparison with the literature datasets has been provided. Both 1D (PREMIX, OPPDIF) as well as 2D(Fluent©) numerical tools have been used to confirm the reliability and accuracy of the developed approach.A particular attention has been given to the characterization of the seeding particle motion within thediverging flow, with consideration of the often-neglected thermophoretic force. Fundamental flame velocitiesof various syngas (H2+CO) mixtures have been investigated using multiple experimental approachesincluding the aforementioned counterflow methodology as well as spherical and conical flameconfigurations. Performed measurements from the different approaches have been confronted and flamesensitivities to stretch have been characterized for a wide range of equivalence ratios (E.R.=0.4 to 5.0) andmixture compositions (5/95 to 50/50 % H2/CO).