Etude expérimentale de la propagation du front de flamme lors d’une explosion de poussières combustibles

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

• Auteur / Autrice : Fares Saad al hadidi
• Direction : Frédéric Heymes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique des fluides, energetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Risques et Société (Nîmes ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences des Risques - Laboratoire des Sciences des Risques / LSR
• Jury : Président / Présidente : Paola Russo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Heymes, Joaquim Casal, Clément Chanut, Laurent Aprin, Fabien Duval
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paola Russo, Joaquim Casal

Mots clés

Mots clés libres

Propagation de flamme

Explosion de poussières

Poussières combustibles

Poudre métallique

Turbulence

Vitesse de combustion

Aluminium

Flame propagation

Dust explosion

Combustible dust

Metallic powder

Turbulence

Burning velocity

Aluminum

Résumé

Les explosions de poussières représentent un danger majeur dans divers secteurs industriels, avec des défis spécifiques posés tant par les poussières organiques que métalliques en raison de leur nature combustible. Parmi celles-ci, la poussière d’aluminium est particulièrement préoccupante en raison de sa réactivité et de ses caractéristiques de combustion. La compréhension des dynamiques des explosions de poussières est essentielle pour améliorer les protocoles de sécurité et prévenir les catastrophes. Les connaissances sur les explosions de poussières, en particulier celles impliquant des poudres métalliques, restent limitées, principalement en raison des complexités liées aux études expérimentales.Ce travail s’est concentré sur l’investigation expérimentale des mécanismes de propagation des flammes dans les suspensions de poussière d’aluminium. L’objectif de la recherche était d’approfondir la compréhension des dynamiques d’explosion de poussières en fournissant des données expérimentales significatives permettant d’affiner et de valider les modèles prédictifs de ces phénomènes. L’étude s’articule autour de deux parties principales.Dans la première partie, un dispositif expérimental a été développé, en intégrant des techniques optiques avancées, telles que la vélocimétrie par image de particules à résolution temporelle (TR-PIV) et la visualisation directe des flammes. Ces techniques ont permis de mesurer avec précision les caractéristiques du front de flamme et les dynamiques d’écoulement, facilitant ainsi la détermination à la fois de la vitesse de propagation de la flamme et de la vitesse de combustion locale.La deuxième partie de l’étude a analysé les effets de la taille et de la concentration des particules sur la propagation des flammes. Il a été constaté que les particules d’aluminium plus petites (6 μm) entraînaient des vitesses de propagation des flammes et de combustion plus élevée que les particules plus grosses (20 μm), soulignant l’influence de la taille des particules sur le comportement de la combustion. De plus, les particules plus petites ont généré une intensité de turbulence presque quatre fois supérieure, bien que l’impact de la concentration de poudre sur la turbulence reste incertain. Bien que les niveaux de turbulence n’aient pas dépassé 10%, une relation claire a été observée entre l’intensité de la turbulence et la vitesse de combustion, l’augmentation de cette dernière étant plus marquée pour les petites particules.

Dust explosions represent a significant hazard in industries, with both organic and metallic dusts posing unique challenges due to their combustible nature. Among these, aluminum dust is particularly concerning due to its reactivity and combustion characteristics. Understanding the dynamics of dust explosions is critical for improving safety protocols and preventing catastrophic events. knowledge regarding dust explosions, particularly those involving metallic powders, remains limited, largely due to the complexities involved in experimental studies.This work focused on the experimental investigation of flame propagation mechanisms in aluminum dust suspensions. The research aimed to deepen the understanding of dust explosion dynamics by providing significant experimental data that could refine and validate predictive models for these phenomena. The study was structured in two main parts.In the first part, an experimental setup was developed, while incorporating advanced optical techniques, such as Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) and direct flame visualization. These techniques facilitated accurate measurements of flame front characteristics and flow dynamics, enabling the determination of both flame propagation velocity and local burning velocity.The study's second part analyzed the effects of particle size and concentration on flame propagation. It found that smaller aluminum particles (6 μm) resulted in higher flame propagation velocities and burning velocities compared to larger particles (20 μm), highlighting the influence of particle size on combustion behavior. While turbulence levels did not exceed 10%, a clear relationship was highlighted between turbulence intensity and burning velocity, with the increase in burning velocity being more pronounced for the smaller particles.