Etude expérimentale et numérique de la propagation du front de flamme lors d'une explosion de poussières combustibles

Experimental and numerical study of the propagation of the flame front during a combustible dust explosion

• Auteur / Autrice : Fares Hadidi
• Direction : Frédéric Heymes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Inscription en doctorat le 06/10/2021
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Risques et Société (Nîmes ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSR - Laboratoire des Sciences des Risques
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EUREQUA - Etude des risques et de la qualité de l'air

Mots clés

Mots clés libres

Flamme

Explosion

Poussières combustibles

Métrologie optique

Turbulence

Flame

Explosion

Combustible dust

Optical metrology

Turbulence

Résumé

Les risques d'explosion de poussières sont fréquemment rencontrés dans les installations industrielles. Les secteurs industriels concernés sont nombreux (industrie pharmaceutique, céréalière,…) et les composés pulvérulents mis en jeu sont d'une grande diversité (matières organiques, métalliques…). Les analyses de sûreté pour les problèmes d'explosion de gaz sont de plus en plus bâties sur des résultats par simulations numériques avec des logiciels CFD ou par des approches analytiques de type énergétique. Dans le premier cas, l'étape de déflagration (combustion pré-mélangée) est caractérisée par la propagation d'un front de flamme qui sépare les gaz frais des gaz brûlés. Cette vitesse de flamme est le plus souvent obtenue via des corrélations prenant en compte des paramètres physiques du problème ou via une vitesse de flamme laminaire que l'on vient modifier suivant la turbulence de l'écoulement (initiale, créée par des obstacles ou générée par le front de flamme). Le couplage entre combustion et turbulence est donc très important à prendre en compte afin de modéliser les déflagrations. Cependant, un manque de connaissance des mécanismes mises en jeu lors des déflagrations de poussières rend impossible la modélisation des conséquences d'une telle explosion en situation accidentelle ; par l'absence de corrélations entre combustion et turbulence, mais aussi par les mécanismes de combustion qui diffèrent de ceux observés dans le cas de déflagrations de prémélange gazeux. Les logiciels de simulation numérique des phénomènes de déflagration s'appuient sur une donnée de base du phénomène de combustion : la vitesse de flamme laminaire. Cette vitesse est une donnée intrinsèque du mélange, ne dépendant pas des propriétés de l'écoulement. Dans le cas des exposions de prémélange gazeux, cette donnée est obtenue soit expérimentalement, soit théoriquement. Pour les explosions de poussières, aucune relation théorique ne permet à ce jour ce calcul a priori de la vitesse de flamme laminaire. De plus, l'étude expérimentale de la propagation d'une flamme dans une suspension de poussières en écoulement laminaire est impossible ; un niveau de turbulence minimal étant nécessaire à la mise en suspension de la poussière. Ainsi, la détermination expérimentale de cette vitesse de flamme laminaire reste un challenge expérimental. La turbulence de l'écoulement va alors modifier cette vitesse de flamme laminaire ; une vitesse de flamme turbulente est ainsi obtenue. La relation reliant la vitesse de flamme laminaire et le niveau de la turbulence permettant d'obtenir la vitesse de flamme turbulente est une donnée d'entrée de ces logiciels de simulation numérique. Dans le cadre des explosions de poussières, peu de relations ont été proposées. La plupart des relations utilisées sont proches de celles obtenues dans le cadre des explosions de prémélange gazeux. Cependant, au vue de la différence des mécanismes intervenant dans le cadre des explosions métalliques, de telles relations semblent être inadaptées. Ainsi, la détermination expérimentation de la relation entre turbulence et combustion est indispensable comme donnée d'entrée de ces modèles. L'objectif principal de ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la vitesse de flamme laminaire et de l'influence de la turbulence sur cette vitesse de flamme. Dans un premier temps, le travail consistera en l'élaboration d'un prototype de type brûleur permettant l'étude de flammes stationnaires. Après un premier travail d'étude bibliographique et de conception, le pilote expérimental sera caractérisé ; notamment en termes de concentration et d'homogénéité de la suspension. En effet, un point important afin d'étudier des explosions de poudres est de s'assurer de l'homogénéité de la suspension dans laquelle la flamme se propage. Pour cela, une méthode optique basée sur l'extinction lumineuse d'un faisceau laser par la suspension pourra par exemple être mise au point. Dans un second temps, les flammes de poussières seront étudiées à l'aide de ce prototype ; la vitesse de flamme ainsi que l'influence de la turbulence sur cette vitesse seront déterminées. Le phénomène global de combustion de ces poussières sera alors examiné : vitesse des gaz frais, flux radiatif émis, température de flamme… Ce travail pourra aussi s'appuyer sur des essais complémentaires réalisés dans la colonne expérimentale mise au point lors de précédents travaux. En effet, le prototype mise en place lors de cette thèse permettra l'étude d'une flamme stationnaire alors que la colonne précédemment conçue permet l'étude d'une flamme en propagation ; les résultats obtenus seront ainsi complémentaires. Enfin, ce travail sera complété par la modélisation numérique du phénomène de propagation du front de flamme dans la colonne expérimentale mise au point lors de précédents travaux. Dans un premier temps, les relations précédemment obtenues (reliant turbulence et vitesse de flamme) pourront être implémentées dans le logiciel P²REMICS. Par la suite, la propagation du front de flamme dans la colonne expérimentale pourra être modélisée. Des propositions de modification du code existant pourront être proposées ; notamment par la prise en compte des effets thermiques étudiés précédemment.

The risks of dust explosions are frequently encountered in industrial installations. The industrial sectors concerned are numerous (pharmaceutical, cereal industry, etc.) and the powdery compounds involved are of great diversity (organic, metallic materials, etc.). Safety analyzes for gas explosion problems are increasingly based on results by numerical simulations with CFD software or by energy-type analytical approaches. In the first case, the deflagration stage (premixed combustion) is characterized by the propagation of a flame front which separates the fresh gases from the flue gases. This flame speed is most often obtained via correlations taking into account the physical parameters of the problem or via a laminar flame speed that is modified according to the turbulence of the flow (initial, created by obstacles or generated by the flame front). The coupling between combustion and turbulence is therefore very important to take into account in order to model the blasts. However, a lack of knowledge of the mechanisms involved in dust explosions makes it impossible to model the consequences of such an explosion in an accident situation; by the absence of correlations between combustion and turbulence, but also by the combustion mechanisms which differ from those observed in the case of gas premix deflagrations. The digital simulation software for explosion phenomena is based on a basic data of the combustion phenomenon: the laminar flame speed. This speed is an intrinsic factor of the mixture, not depending on the properties of the flow. In the case of gas premix exposures, this data is obtained either experimentally or theoretically. For dust explosions, no theoretical relationship to date allows this a priori calculation of the laminar flame speed. In addition, the experimental study of the propagation of a flame in a suspension of dust in laminar flow is impossible; a minimum level of turbulence being necessary for the suspension of the dust. Thus, the experimental determination of this laminar flame speed remains an experimental challenge. The turbulence of the flow will then modify this laminar flame speed; a turbulent flame speed is thus obtained. The relationship between the laminar flame speed and the level of turbulence to obtain the turbulent flame speed is an input data for these digital simulation software. In the context of dust explosions, few relationships have been proposed. Most of the relationships used are close to those obtained in the context of gas premix explosions. However, in view of the difference in the mechanisms involved in metallic explosions, such relationships seem to be unsuitable. Thus, the experimental determination of the relationship between turbulence and combustion is essential as an input to these models. The main objective of this thesis work is the experimental study of the laminar flame speed and the influence of turbulence on this flame speed. Initially, the work will consist in the development of a prototype of the burner type allowing the study of stationary flames. After an initial bibliographic study and design, the experimental pilot will be characterized; especially in terms of the concentration and homogeneity of the suspension. Indeed, an important point in studying powder explosions is to ensure the homogeneity of the suspension in which the flame propagates. For this, an optical method based on the light extinction of a laser beam by the suspension could for example be developed. Secondly, the dust flames will be studied using this prototype; the flame speed as well as the influence of the turbulence on this speed will be determined. The overall phenomenon of combustion of this dust will then be examined: speed of the fresh gases, radiative flux emitted, flame temperature ... This work can also be based on additional tests carried out in the experimental column developed during previous work. Indeed, the prototype set up during this thesis will allow the study of a stationary flame while the previously designed column allows the study of a propagating flame; the results obtained will thus be complementary. Finally, this work will be completed by the numerical modeling of the flame front propagation phenomenon in the experimental column developed during previous work. First, the relationships obtained previously (linking turbulence and flame speed) can be implemented in the P²REMICS software. Subsequently, the propagation of the flame front in the experimental column can be modeled. Proposals for modifying the existing code may be proposed; in particular by taking into account the thermal effects studied previously.