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THESE
pr´esent´ee par
Jiesheng MIN
Pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Institut National des Sciences Appliqu´ees de Rouen
Discipline : Physique
Sp´ecialit´e : Energ´etique
Comportement transitionnel et stabilisa-
tion de flammes-jets non-pr´em´elang´es de
m´ethanedansuncoflowd’airdilu´eenCO 2
soutenue le 31 Mai 2011
Composition du Jury :
Rapporteurs :
Philippe GUIBERT Professeur `a l’Universit´e Pierre et Marie Curie
Jean-Michel MOST Directeur de recherche CNRS, l’Institut Pprime
Examinateurs :
Dany ESCUDIE Directrice de recherche CNRS, CETHIL, Lyon
Luc VERVISCH Professeur `a l’INSA de Rouen
Eric DOMINGUES Maˆıtre de conf´erences `a l’Universit´e de Rouen
Pierre PLION Ing´enieur de recherche `a EDF
Hongsheng GUO Directeur de recherche au NRC Canada
Directrice de th`ese :
Franco¸ ise BAILLOT Professeure `a l’Universit´e de Rouen
Invit´ee :
B´eatrice PATTE-ROULAND Professeure `a l’Universit´e de Rouen
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011Flamme lif´ee laminaire dilu´ee en CO en forme de tube2
(U = 0.1 m/s, U = 1 m/s, 10.7% de CO ajout´e `a l’air)air CH4 2
P.S. : Les remerciements ont ´et´e mis `a la fin de cette th`ese selon la philosophie chinoise.
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011Table des mati`eres
Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1. Flamme de jet non-pr´em´elang´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1 Flammes de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 Structuration des flammes de diffusion accroch´ees . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 Longueur des flammes de diffusion laminaires accroch´ees . . . . . . . 16
1.1.3 Ph´enom`ene de ‘Flickering’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.4 Hauteur d’accrochage au voisinage du bruˆleur . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Flammes partiellement pr´em´elang´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 Zone d’hyst´er´esis, flamme accroch´ee ou lift´ee . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 M´ecanismes de d´ecrochage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3 M´ecanismes de stabilisation des flammes lift´ees turbulentes . . . . . . 25
1.2.4 Flamme lift´ee laminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.5 Importance des l`evres du bruˆleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2. Influence de la dilution sur la flamme non-pr´em´elang´ee . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 Pr´esentation de trois effets majeurs cons´ecutifs `a l’ajout d’un diluant . . . . 39
2.1.1 Effet de la dilution pure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.2 Effet de la thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.3 Effet de la chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011iv Table des mati`eres
2.2 R´eponses de la flamme lors de l’ajout d’un diluant . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Stabilisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Emission de polluants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.3 Longueur de la flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3. Dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 Le foyer et son environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.1 Conception du foyer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.2 Condition de non-existence d’une zone de recirculation au sein du foyer 58
3.1.3 Syst`emes d’alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2 Choix des conditions exp´erimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1 Vitesses d´ebitantes de m´ethane et d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2 Configurations de dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4. Techniques de mesures utilis´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Chimiluminescence des flammes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.2 Spectres de bandes des radicaux OH*, CH*, C * et CO * . . . . . . . 672 2
4.1.3 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Rayonnement des suies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2.2 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Fluorescence Induite par Laser sur radical OH (LIF-OH) . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.2 Caract´eristiques spectrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3.3 Caract´eristiques temporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.4 Montage exp´erimental de PLIF-OH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.5 Lin´earit´e du signal de fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011Table des mati`eres v
4.4 Incandescence Induite par Laser (LII) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4.2 Caract´eristiques de la technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.3 Montage exp´erimental de LII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.4.4 S´election du signal : synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.5 An´emom´etrie Doppler Laser (ADL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5.2 Chaˆıne d’acquisition d’ADL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.5.3 Ensemencement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.6 Ombroscopie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.6.2 Montage exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5. Traitement d’images et extraction de grandeurs physiques . . . . . . . . . . . . . 103
5.1 Images de chimiluminescence CH* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1.1 Hauteur de suspension, H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105L
5.1.2 Hauteur d’accrochage, H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107a
5.1.3 Largeur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.1.4 Contour de flamme par CH* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Images d’´emission directe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Longueur lumineuse, L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110f;luminous
5.2.2 Longueur de pic d’intensit´e, L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110f;peak
5.3 Images de Fluorescence Induite par Laser sur le radical OH (LIF-OH) . . . . 111
5.3.1 Contour et squelette de la base de flamme . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2 Longueur de flamme, L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113f;OH
5.4 Images d’Incandescence Induite par Laser (LII) . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.1 Zone de pr´esence des suies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.4.2 Longueur de flamme, L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114f;LII
5.5 Images d’ombroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011vi Table des mati`eres
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6. Influence de la dilution sur le d´ecrochage de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.1 Cartographie de la stabilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.1 Limite haute d’hyst´er´esis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.1.2 Limite basse d’hyst´er´esis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.3 Influence du syst`eme d’homog´en´eisation . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.2 Impact d’un diluant sur le d´ecrochage de flamme . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.1 Trois protocoles d’ajout d’un diluant . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2.2 Limite de d´ecrochage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.3 R´egions convectives de l’´ecoulement et r´eponses de flamme associ´ees . 130
6.3 Comparaison entre les diff´erents diluants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3.1 Coefficient relatif d’un diluant, K . . . . . . . . . . . . . . . . . 132diluant
6.3.2 Action diff´erenci´ee d’un diluant sur le d´ecrochage . . . . . . . . . . . 133
6.3.3 Impact relatif des trois actions principales du CO . . . . . . . . . . . 1342
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7. Caract´erisation de la flamme accroch´ee lors de l’ajout d’un diluant . . . . . . . . . 139
7.1 Hauteur d’accrochage, H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141a
7.1.1 Hauteur d’accrochage sans dilution, ´etat de r´ef´erence . . . . . . . . . 141
7.1.2 Hauteur d’accrochage avec dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1.3 Couplage entre l’a´erodynamique et la dilution . . . . . . . . . . . . . 143
7.1.4 Interpr´etation physique de H via S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146a L
7.2 Structure interne de flamme, zones de OH et de CH* . . . . . . . . . . . . . 147
7.2.1 Evolution de la zone de OH sans dilution . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2.2 Evolution de la zone de OH avec dilution . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.3 Formation des suies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4 Longueur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.4.1 R´esultats exp´erimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011Table des mati`eres vii
7.4.2 Structure interne de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.4.3 Comparaison avec les mod`eles analytiques . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5 Emissions polluantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.6 Flickering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.6.1 Amplitude et fr´equence de l’oscillation de la largeur de flamme . . . . 172
7.6.2 Apparition du premier vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8. Influence de la dilution sur l’extinction de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.1 Extinction de flamme sans dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2 Extinction de flamme en pr´esence de dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.1 Cartographie d’extinction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.2 Effet de la vitesse de l’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.2.3 Effet de la vitesse du m´ethane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.2.4 Comparaison entre les diluants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.3 Allumage de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.3.1 Allumage loin du bruˆleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.3.2 Allumage proche du bruˆleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
8.4 Stabilisation de flamme lift´ee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.4.1 Hauteur de suspension, H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194L
8.4.2 Rayon apparent de flamme en pr´esence de dilution, R . . . . . . . . 200P
8.4.3 Corr´elation entre H et R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202L P
8.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Conclusion g´en´erale et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Annexe 215
A. Propri´et´es physiques des gaz utilis´es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011viii Table des mati`eres
B. Syst`eme d’ensemencement int´egr´e `a la chambre de tranquillisation . . . . . . . . . 219
C. Effet combin´e de la dilution et de la thermique sur la stabilit´e de flamme . . . . . 221
C.1 Influence du pr´echauffage d’air : El´ements bibliographiques . . . . . . . . . . 222
C.2 Dispositif exp´erimental du CETHIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
C.2.1 Installation thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
C.2.2 Etude thermique pr´eliminaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
C.2.3 Protocole d’exp´erience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
C.3 Zone d’hyst´er´esis avec diff´erentes T , cas de r´ef´erence . . . . . . . . . . . . 227air
C.4 Limite de d´ecrochage de flamme en pr´esence de la dilution et du pr´echauffage 228
C.4.1 Limite de d´ecrochage avec CO `a diff´erentes T . . . . . . . . . . . . 2282 air
C.4.2 Comparaison entre les diluants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
C.5 Nouveau r´egime stable de flamme, ‘flamme coup´ee’ . . . . . . . . . . . . . . 232
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Table des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Liste des tableaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011Publications
Articles
– J. Min,F.Baillot,A.Wyzgolik,E.Domingues,M.Talbaut,B.Patte-Rouland,C.Galizzi
(2010)‘Impactof CO /N /ArAdditionontheInternalStructureandStabilityof Nonpre-2 2
mixed CH /Air Flames at Lifting’, Combustion Science and Technology, 182, 1782-1804.4
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
– H. Guo, J. Min, C. Galizzi, D. Escudi´e, F. Baillot (2010) ‘A Numerical Study on the
Effects of CO /N /Ar Addition to Air on Liftoff of a Laminar CH /Air Diffusion Flame’,2 2 4
Combustion Science and Technology, 182, 1549-1563.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 6)
– J. Min, F. Baillot, H. Guo, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland (2011) ‘Impact
ofCO ,N orArDilutedinAirontheLengthandLiftingBehaviorofaLaminarDiffusion2 2
Flame’, Proceedings of the Combustion Institute, 33, 1071-1079.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
Actes de congr`es internationaux
– J. Min, F. Baillot, E. Domingues, B. Patte-Rouland, M. Talbaut, D. Escudi´e, C. Galizzi,
F. Andr´e, O. Gicquel (2008) ‘Effect of CO Addition on the Stability and the Flickering2
thof Non-Premixed Methane/Air Flames’, The 19 International Symposium on Transport
Phenomena, Reykjavik, Iceland.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
– J. Min,F.Baillot,A.Wyzgolik,E.Domingues,M.Talbaut,B.Patte-Rouland,C.Galizzi
(2009) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH /Air Flames : Effect of CO Addition4 2
thand Reactant Preheating’, The 4 European Combustion Meeting, Vienna, Austria.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011x Publications
– J. Min, A. Wyzgolik, F. Baillot, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland, D. Es-
cudi´e, C. Galizzi, F. Andr´e, O. Gicquel (2009) ‘Impact of CO /N /Ar Addition on the2 2
ndInternal Structure and Stability of Non-Premixed CH /Air Flames at Liftoff’, The 224
International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk,
Belarus.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
– H. Guo, J. Min, C. Galizzi, D. Escudi´e, F. Baillot (2009) ‘A numerical Study on the
ndEffectsofCO /N /ArAdditiononLiftoffofaLaminarCH /AirDiffusionFlame’, The222 2 4
International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk,
Belarus.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 6)
– J. Min, F. Baillot, H. Guo, E. Domingues, M. Talbaut, B. Patte-Rouland (2010) ‘Impact
ofCO ,N orArDilutedinAirontheLengthandLiftingBehaviorofaLaminarDiffusion2 2
rdFlame’, The 33 International Symposium on Combustion, Beijing, China.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans les chapitres 6 et 7)
– S. Lamige, C. Galizzi, J. Min, J. Perles, F. Andr´e, F. Baillot, D. Escudi´e (2010) ‘Effect
thof Reactant Preheating on the Stability of Non-Premixed Methane/Air Flames’, The 14
International Heat Transfer Conference, Washington D.C. USA.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans l’annexe C)
– J. Min, F. Baillot (2011) ‘Experimental Investigation on Flame Extinction Process of
rdNon-Premixed CH /Air Flames in an Air-Diluted Coflow by CO , N or Ar’, The 234 2 2
International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Irvine,
USA.
(les r´esultats propos´es dans ce papier sont pr´esent´es dans le chapitre 8)
Posters
– J. Min,F.Baillot,A.Wyzgolik,E.Domingues,M.Talbaut,B.Patte-Rouland,C.Galizzi
(2009) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH /Air Flames : Effect of CO Addition4 2
thand Reactant Preheating’, The 4 European Combustion Meeting, Vienna, Austria.
– J. Min, S. Lamige, C. Galizzi, F. Baillot, J. Perles, E. Domingues, M. Talbaut, F. An-
dr´e, B. Patte-Rouland, D. Escudi´e (2010) ‘Experimental Study of Non-Premixed CH /Air4
rdFlames:LiftoffandExtinctioninDilutedHotCoflow’, The 33 International Symposium
on Combustion, Beijing, China.
tel-00633005, version 1 - 17 Oct 2011