Etude du mélange et de la combustion dans les flammes jets subsoniques à haute vitesse : influence des vitesses, des densités et de la composition du combustible

Content Provider	Semantic Scholar
Author	Grondin, Jean
Copyright Year	2009
Abstract	Les travaux de these presentes ici ont ete motives par les besoins de connaissances, sur le melange et la combustion des flammes jets non premelangees, rencontrees dans les propulseurs de type aerobies (statoreacteurs). En effet, il existe encore de nombreux problemes inherents a ce type de propulseurs, notamment en ce qui concerne le melange et la combustion de fluide de densites tres differentes, puis l'allumage et la stabilisation de flammes, caracterisees par une importante heterogeneite des reactifs. Pour le faire, nous avons determine experimentalement, l'influence sur le melange et la combustion, d'une variation du rapport de vitesse r (entre l'ecoulement de combustible et les ecoulements d'airs amont), puis d'une variation de la masse volumique des ecoulements d'air et enfin d'une modification de la nature du combustible (comparaison entre de l'hydrogene pur et des melanges methane/hydrogene). Ces travaux experimentaux sont menes au sein d'une soufflerie dediee a l'etude des flammes jets non premelangees, dans des ecoulements subsonique a haute vitesse. Pour les besoins de l'etude, differents diagnostics, notamment optiques, ont ete mis en place de maniere permanente ou ponctuelle : mesure de pressions et de temperatures, chimiluminescence, velocimetrie par imageries de particules (PIV) et fluorescence induite par plan laser sur radicaux OH (PLIF-OH). La premiere partie de l'etude nous a permis de mettre en exergue l'influence d'une variation du rapport de densite s (initiee par la modification de la temperature des ecoulements d'air amont) sur le melange et la combustion. Il est ressorti de l'etude que le ratio de masse volumique n'avait que peu ou pas d'influence sur le melange et la combustion des flammes jets non premelangees d'hydrogene/air subsonique a haute vitesse. Une deuxieme partie de l'etude nous a permis d'observer l'influence d'une variation du rapport de vitesse r sur le melange et la combustion. Pour le faire 3 flammes d'hydrogene/air avec des vitesses d'entree de combustible differentes ont ete mises en œuvre. Nous avons pu conclure que la diminution du rapport de vitesse (associee a l'augmentation de la vitesse d'entree du combustible) conduisait a l'amelioration du melange au sein des ecoulements et une meilleure efficacite de la combustion (definie a partir du degagement de chaleur). Nous avons egalement pu conclure que sous l'hypothese d'une vitesse des ecoulements d'air amont constante, l'augmentation de la vitesse du combustible etait accompagnee d'une amelioration de l'entrainement (evasement du jet). Une troisieme partie de l'etude nous a permis de mettre en avant l'influence de la nature du combustible sur le melange et la combustion. La modification de la nature du combustible entraine a la fois une modification du rapport de densite s et de la composition du melange. Ainsi le melange et la combustion de 4 combustibles differents ont ete compares dans les memes conditions aerothermodynamiques: de l'hydrogene pur et 2 melanges de methane/hydrogene avec 5%-mol et 10%-mol de CH4. L'etude du melange a revele que le ratio de masse volumique s n'avait que peu ou pas d'influence, confirmant ainsi la premiere etude. L'etude de la combustion a permis de mettre en exergue plusieurs points. Notamment que la cinetique chimique plus lente du methane par rapport a l'hydrogene entraine une diminution de l'efficacite de la combustion (basee sur le taux de combustible brule). Neanmoins, le PCIv du methane ~3 fois plus eleve que celui de l'hydrogene conduit a un niveau de chaleur degage au sein de la veine du meme ordre dans les memes conditions aerothermodynamique. Il est egalement ressorti de l'etude, que l'introduction croissante de methane dans le melange conduit a une structure de la zone de reaction de plus en plus marquee par des discontinuites (extinctions locales de la flamme). L'accrochage et la stabilisation de la flamme ont egalement ete abordes. Alors que la flamme d'hydrogene/air ne pose aucun probleme, l'accrochage et la stabilisation de la flamme de methane/hydrogene/air avec 34%-mol de CH4, n'a jamais pu etre obtenue. Ainsi la proportion de methane dans le melange est apparue comme un facteur tres limitant (methane caracterisee par une chimie plus lente que l'hydrogene). La vitesse des ecoulements d'air amont est egalement apparue comme un facteur limitant, du fait du processus d'accrochage et de stabilisation de la flamme intrinseque au dispositif experimental. Ainsi l'accrochage et la stabilisation des flammes de methane/hydrogene/air n'ont pu etre obtenus qu'a des vitesses des ecoulements d'air amont inferieures a 80 m/s, une fois la flamme stabilisee. Un autre point important est ressorti de l'etude : nous avons pu mettre en evidence une longueur de combustion conditionnee par la presence du confinement. En effet, du fait du confinement, on observe une acceleration des ecoulements exterieurs au sein de la veine (encore plus importante en reactif du fait de la presence d'un gradient de pression favorable induit par la combustion). Le jet de combustible ayant ete clairement identifie comme un type de jet « fortement advecte », l'acceleration des ecoulements exterieurs conduit a une convection globale des ecoulements accrue. Enfin, les perspectives de cette etude concernent essentiellement la comparaison des resultats experimentaux avec les resultats de simulations numeriques realisees au moyen d'un code CFD (CEDRE de l'ONERA).
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Language	English
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Resource Type	Article