Comportement transitionnel et stabilisation de flammes-jets non-prémélangés de méthane dans un coflow d’air dilué en CO2, Transition and stabilization behaviors of non-premixed methane jet flames insaide an air coflow diluted by carbon dioxide

Jiesheng Min

Description

Sous la direction de Françoise Baillot
Thèse soutenue le 31 mai 2011: INSA de Rouen
Ce travail s'intéresse à la compréhension du comportement des flammes non-prémélangées issues d'un jet de méthane assisté par un coflow d'air dilué avec du CO2, ou d'autres gaz chimiquement inertes pour discriminer les différents phénomènes impliqués dans la dilution. Les phénomènes transitionnels, décrochage et extinction, quantifiés par des limites de stabilité, sont analysés à l'aide de grandeurs physiques représentatives. Le domaine de stabilité de flamme est limité par des surfaces 3D dans le domaine physique ( Qdiluant/Qair (taux de dilution), Uair (vitesse d'air), UCH4 (vitesse de méthane)), révélant un effet compétitif entre l'aérodynamique et la dilution. Des cartographies génériques de décrochage et d'extinction communes à tous ces diluants sont proposées. Des grandeurs liées à la stabilisation sont toutes soumises à des lois d'évolution auto-simlilaires. Il en ressort que la vitesse de propagation de flamme est l'élément clé du mécanisme de stabilisation lors de la dilution.
-Dilution de l’air par CO2 N2 Ar
-Stabilisation
-Décrochage
-Extinction
-Flamme accrochée suspendue de diffusion partiellement prémélangée
This work focuses on the understanding of the behaviours of non-premixed methane flame inside an air coflow diluted by carbon dyoxide (CO2) or by other chemically inert diluents in order to discriminate different phenomena involved in dilution. Transitional phenomena (liftoff and extinction) quantified trough the stability limits, are analyzed trough representative physical quantities. The flame stability domain is limited by 3D-surfaces (liftoff and extinction) in the physical domain (Qdiluant/Qair (dilution level), Uair (air velocity), UCH4 (methane velocity)) revealing a competitive effect between aerodynamics and dilution. Generic diagrams of flame liftoff and extinction are proposed for all the diluents. Physical quantities related to flame stabilization process are all submitted to, regardless of diluent, self-similar laws. This is explained by flame burning velocity which is considered as the key element in the flame stabilization mechanism with air-side dilution.
-Air-side dilution by CO2 N2 Ar
-Stabilization liftoff extinction
-Attached flame lifted non-premixed partially premixed
-Flame burning velocity
-LIF-OH LDV LII.
Source: http://www.theses.fr/2011ISAM0005/document

Sujets

• Décrochage

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 59
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 29 Mo

Extrait

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .