Interaction entre une flamme de prémélange et une structure tourbillonnaire

A premixed flame interacting with a toroidal vortex

• Auteur / Autrice : Chaimae Bariki
• Direction : Fabien Halter
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Énergétique
• Date : Soutenance le 06/11/2018
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Luc Vervisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Halter, Luc Vervisch, Bruno Renou, Thierry Schuller, Nicolas Mazellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Renou, Thierry Schuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tourbillons (mécanique des fluides)

Rayonnement thermique

Turbulence

Flamme

Mots clés libres

Interaction flamme-vortex

Étirement et courbure du front de flamme

Effets thermodiffusifs

Structure de flamme

Vitesses de déplacement/consommation

Flame/vortex interaction

Flame front stretch/curvature

Thermodiffusive effects

Flamme structure

Displacement/consumption speeds

Résumé

Comprendre et prédire les différents mécanismes en jeu dans les flammes prémélangées turbulentes est un enjeu crucial pour le dimensionnement ou l’optimisation de nombreux systèmes de combustion. Les écoulements réactifs turbulents se caractérisent par une interaction complexe entre les mouvements hydrodynamiques, le dégagement de chaleur produit par la flamme et la turbulence. Ce défi étant extrêmement difficile à relever, l’étude préalable des interactions entre une flamme plane et une structure tourbillonnaire fournit un cadre canonique idéal pour mieux appréhender et comprendre les mécanismes physiques à l’oeuvre. Dans cette perspective, des études expérimentales ont été réalisées utilisant un brûleur à jet impactant alimenté par un prémélange (méthane/air, propane/air, hydrogène/air). Un panel de techniques expérimentales ainsi que des outils numériques ont été utilisés pour caractériser finement les interactions entre une flamme de prémélange et un vortex toroïdal. En modifiant la richesse et la composition du mélange ainsi que l’intensité du vortex, le suivi temporel de l’interaction a permis d’extraire différentes informations telles que la dynamique de la surface de flamme, de l’étirement et de la courbure du front de flamme ainsi que les vitesses de déplacement/consommation. De surcroit, la structure interne du front de flamme a été étudiée en la décomposant en une zone de préchauffage et une zone de réaction.

Understanding and predicting the different mechanisms at play in turbulent premixed flames is a tremendously difficult issue for sizing or optimizing many combustion systems. Turbulent reactive flows are characterized by a complex interaction between the fluid motion, the inherent heat generated by the flame and turbulence. This challenge being extremely difficult to meet, the study of the interactions between a flat flame and a toroidal vortex provide an ideal canonical framework to better understand the physical mechanisms at play. In this perspective, experimental studies were carried out using a stagnation burner fed by a premixed fuel and air (methane/air,propane/air, hydrogen/air). A panel of experimental techniques as well as numerical tools have been used to characterize thoroughly the flame/vortex interactions. By modifying the equivalence ratio, the mixture composition and the vortex intensity, the temporal evolution of the interaction enable the extraction of the flame surface, the flame front stretch and curvature as well as the displacement/consumption speeds. In addition, the internal flame structure is deeply investigated by decomposing the flame front into a preheat zone and a reaction zone.