Étude experimentale et theorique des vitesses de flammes laminaires d'hydrocarbures

Experimental and theoretical study of laminar burning velocities of hydrocarbons

• Auteur / Autrice : Patricia Dirrenberger
• Direction : Frédérique Battin-Leclerc, Roda Bounaceur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 20/03/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Pascale Desgroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Alexandre Glaude
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Armelle Cessou, Nabiha Chaumeix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vitesse

Flamme

Calorimétrie

Combustion

Hydrocarbures

Mots clés libres

Vitesse de flamme

Laminaire

Adiabatique

Hydrocarbures

Brûleur

Burning velocity

Laminar

Adiabatic

Hydrocarbons

Burner

Résumé

La vitesse de flamme adiabatique est un paramètre clé dans l'étude de la combustion d'hydrocarbures. Elle joue en effet un rôle essentiel dans le domaine de la combustion, dans la mesure où elle est utilisée pour valider des modèles numériques, pour construire des brûleurs, ou encore pour prédire d'éventuels retours de flamme ou souffles de la flamme. Le but de cette thèse a été d'étudier les vitesses de flammes laminaires d'un grand nombre d'hydrocarbures présents dans les gaz naturels, les essences et les gazoles. Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie de modélisation. La partie expérimentale a permis d'enrichir les bases de données de la littérature pour différentes compositions de mélanges air/hydrocarbures. Les travaux ont été effectués sur un nouveau montage mis au point au LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) pour la mesure de vitesses de flammes laminaires par la méthode du flux de chaleur à l'aide d'un brûleur adiabatique à flamme plate. Cette méthode est basée sur l'équilibre des pertes thermiques nécessaires pour stabiliser la flamme par le flux de chaleur convectif allant de la surface du brûleur vers le front de flamme. Le brûleur est constitué d'une plaque perforée montée sur une chambre de mélange des gaz et la mesure de la distribution radiale de la température est réalisée grâce à une série de thermocouples. Ce montage a d'abord été utilisé à pression atmosphérique et plusieurs températures pour la mesure de vitesses de flammes de composés gazeux (alcanes, alcènes, méthane enrichi en hydrogène ou oxygène, gaz naturels, mélanges méthane-éthane et méthane-propane) et de composés liquides (alcanes, éthanol, essences commerciale et modèle additionnées ou non d'éthanol, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). Le montage a ensuite été placé dans une enceinte pour pouvoir travailler avec des pressions pouvant théoriquement aller jusqu'à 10 atm. Les vitesses de flammes de deux composés ont été étudiées à température ambiante et à haute pression : un composé gazeux, le méthane, jusqu'à une pression de 6 atm et un composé liquide, le n-pentane, jusqu'à une pression de 4 atm. Une étude de modélisation a complété ce travail par l'utilisation de modèles cinétiques détaillés pour la combustion des composés étudiés. Ces modèles ont été testés par la simulation des résultats expérimentaux précédemment obtenus, dans des conditions de richesse, température et pression variées

The laminar burning velocity is a key parameter in the combustion of hydrocarbons study. It plays an essential role in the combustion science area since it is used for the validation of numerical models, the design of burners or to predict potential flashback or blow off of the flame. The goal of the thesis was the study of laminar burning velocities of many hydrocarbons found in natural gases, gasolines or diesel fuels. This work includes an experimental part and a modeling part. The experimental part allowed the implementation of the literature database for different air/hydrocarbons mixtures. The experiments were performed with a new apparatus developed at LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) for the measurement of laminar burning velocities by the heat flux method thanks to a flat flame adiabatic burner. This method is based on balancing of the heat loss required for the flame stabilization by the convective heat flux from the burner surface to the flame front. The burner head is a thick perforated plate included in a plenum mixing chamber and the measurement of the radial distribution of the temperature is performed with a thermocouples series. This apparatus was first used at atmospheric pressure and several temperatures to measure laminar burning velocities of gaseous compounds (alkanes, alkenes, hydrogen-enriched or oxygen-enriched methane, natural gases, methane-ethane and methane-propane mixtures) and liquid compounds (alkanes, ethanol, commercial gasoline and model fuel with addition of ethanol or not, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). The apparatus was then placed in a chamber in order to work under pressures theoretically up to 10 atm. Laminar burning velocities of two compounds were studied at room temperature and high pressure : a gaseous compound, methane, for pressures up to 6 atm and a liquid compound, n-pentane, for pressures up to 4 atm. A modelling study completed this work by using detailed kinetic models for the combustion of studied compounds. These models were tested by the simulation of experimental results previously obtained, in various equivalence ratio, temperature and pressure conditions