Recherche Avancée

Thèse soutenue

Stabilisation, structure, et comportement thermique des oxy-flammes avec un niveau de swirl variable

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Auteur / Autrice : Arthur Degeneve
Direction : Thierry Schuller, Ronan Vicquelin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Combustion
Date : Soutenance le 23/10/2020
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
référent : CentraleSupélec (2015-....)
Jury : Président / Présidente : Dany Escudié
Examinateurs / Examinatrices : Christian Olivier Paschereit, Luc Vervisch, Gilles Bruneaux, Thierry Poinsot, Clément Mirat
Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Olivier Paschereit, Luc Vervisch

Résumé

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Ce travail porte sur la stabilisation, la structure et le comportement thermique d’oxy-flammes turbulentes opérées avec du méthane comme combustible. L’étude recouvre des flammes fonctionnant dans des conditions prémélangées et non prémélangées, avec et sans swirl, et avec un oxydant dont la concentration d'oxygène est variable. Plus de 3000 flammes sont étudiées sous une large gamme de conditions de fonctionnement grâce à une chambre de combustion polyvalente, et à des diagnostics laser et des outils de calcul haute-fidélité. L'objectif de cette thèse est de répondre à la question suivante. Si un changement de composition du combustible ou de l'oxydant, de la puissance thermique ou une légère modification de l'injecteur est effectué, est-il possible d’ajuster le swirl conféré aux réactifs afin de retrouver la même structure de flamme et le même régime de stabilisation ? L'impact de l’angle d’ouverture d’un divergent placé en sortie d’injecteur sur l’écoulement est étudié sous un angle à la fois théorique et expérimental au moyen de diagnostics optiques. Un modèle est développé pour prédire la position de la zone de recirculation centrale lorsque cet angle varie. Les effets d'une modification de la composition de l'oxydant sur la structure de flamme sont ensuite étudiés lorsque la flamme passe d'une dilution en N2 à une dilution en CO2. Il est démontré que le swirl a un impact considérable sur la structure de la flamme. La température et la distribution du transfert thermique sont ensuite caractérisées expérimentalement le long des parois latérales de la chambre de combustion. Un modèle de premier ordre est développé pour expliquer les changements de transferts thermiques observés entre les flammes diluées en N2 et en CO2. Le comportement thermique de la chambre de combustion Oxytec est ensuite étudié à l’aide de la simulation numérique aux grandes échelles couplée à un solveur de rayonnement Monte Carlo. La prise en compte détaillée du rayonnement thermique modifie faiblement la position de la flamme et la structure de l’écoulement, mais a un impact considérable sur la température des gaz brûlés et sur la distribution du flux thermique à l'intérieur de la chambre de combustion. Un modèle permettant de prédire la température moyenne du gaz et la distribution du transfert thermique des parois lors du passage d'une simulation non couplée à une simulation couplée est finalement proposé.La suite de l’étude est consacrée à la caractérisation expérimentale des effets du swirl sur la structure et les modes de stabilisation des oxy-flammes en condition non prémélangées et opérées avec un injecteur coaxial dans lequel les deux jets peuvent être swirlés. Une analyse paramétrique est menée en couvrant une large gamme de rapports de flux de moments axiaux et de fractions massiques d'O2, et aboutit sur un modèle qui prédit la longueur d’oxy-flammes coaxiales avec et sans swirl. Il est ensuite montré qu’une augmentation du swirl interne peut détacher la flamme des lèvres de l’injecteur. L'origine des différentes structures de flamme et d'écoulement qui en résultent est étudiée plus en détail à l'aide de mesures couplées OH-PLIF / PIV. Il apparaît que le phénomène de détachement de la flamme hors de l’injecteur central est provoqué par un blocage partiel du jet de méthane central lorsque le swirl interne augmente. De plus, la température mesurée à la surface de l’injecteur lorsque la flamme est détachée est considérablement plus faible que lorsque la flamme est accrochée. Enfin, la structure des oxy-flammes coaxiales non prémélangées est étudiée lorsque les swirls centraux et annulaires sont injectés de manière co- et contra-rotatives. Il est prouvé qu’un swirl contra-rotatif diminue la recirculation du gaz tandis qu’un swirl co-rotatif l'améliore. Cette analyse aboutit à un modèle prédisant l’évolution de la position du pied d’une flamme lorsqu’elle est décrochée de l’injecteur.