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Auteur(s)
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Denis VEYNANTE : Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique CNRS
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La combustion est aujourd’hui un des principaux moyens de conversion de l’énergie. Elle est utilisée dans de nombreux systèmes pratiques aussi bien pour produire de l’énergie thermique (chaudières ou fours domestiques et industriels) ou de l’électricité (centrales thermiques), que pour le transport (moteurs automobiles et aéronautiques, moteurs fusée, …) ou encore la destruction de déchets (incinérateurs). La combustion peut être caractérisée comme une (ou des) réaction(s) irréversible(s) fortement exothermique(s) entre un combustible (ou réducteur) et un comburant (ou oxydant) selon le schéma global :
Cette réaction induit un fort dégagement de chaleur qui a lieu dans une zone très mince (les flammes les plus courantes ont des épaisseurs δ L typiques de l’ordre de 0,1 à 1 mm) conduisant à des gradients thermiques très élevés (le rapport des températures absolues entre gaz brûlés et gaz frais, Tb / Tu , est de l’ordre de 5 à 7) et à de larges variations de la masse volumique ρ.
Les combustibles les plus divers, qu’ils soient gazeux, liquides ou solides peuvent être utilisés. Parmi les plus courants, citons le bois, le charbon, les hydrocarbures (méthane CH4 , propane C3H8 , essence, gasoil, kérozène, fioul, …), l’hydrogène (H2)… Le comburant est le plus souvent l’oxygène de l’air, plus exceptionnellement de l’oxygène pur (moteurs-fusée, certains fours industriels) qui permet d’atteindre des températures plus élevées et éviter le stockage d’azote inerte mais pose des problèmes de sécurité. Plus rarement, d’autres comburants sont utilisés (moteurs fusée pyrotechniques).
Dans de nombreux systèmes pratiques, combustible et comburant sont injectés séparément dans la zone de réaction, sans prémélange initial. La combustion est alors contrôlée non seulement par la réaction chimique mais aussi par le transport diffusif des réactifs l’un vers l’autre, d’où le nom de flamme de diffusion.
Si les flammes de diffusion laminaires semblent n’intervenir que dans quelques applications plutôt anecdotiques (bougie, flamme de briquet, …), nous allons montrer que la compréhension de la structure de ces flammes est fondamentale pour la description et la modélisation de nombreuses situations industrielles.
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2. Calcul simplifié d’une flamme de diffusion laminaire
L’objectif de ce paragraphe est de montrer que, dans un cas simple, il est possible de déterminer complètement la structure de la flamme de diffusion. Cette analyse, initialement due à Burke et Schumann (1928), permet également d’introduire les notions habituellement utilisées pour décrire ce type de flamme.
Il s’agit de l’étude d’un jet plan bidimensionnel de combustible F, cocourant avec un jet infini d’oxydant O (figure 8). Les deux jets sont supposés avoir le même débit unitaire initial ρu (soit ρ F U F = ρ O U O où ρ F et ρ O désignent respectivement les masses volumiques des écoulements combustible et oxydant, tandis que U F et U O correspondent aux vitesses de ces écoulements). Cette configuration idéale n’est pas réaliste puisqu’elle suppose implicitement un débit infini d’oxydant.
2.1 Équations de base
Considérons une réaction chimique à une étape entre combustible F et oxydant O :
où s désigne le coefficient stœchiométrique massique de la réaction (pour brûler 1 kg de combustible, il faut s kg d’oxydant).
Soit YF et YO les fractions massiques de combustible et de comburant. Elles obéissent aux équations de transport :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Les références présentées ici se limitent volontairement à quelques livres de base et articles de revue
-
(2) - BORGHI (R.), DESTRIAU (M.) - La combustion et les flammes. - Technip 1995.
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(3) - KUO (K.K.) - Principles of Combustion. - Wiley-Interscience 1986.
-
(4) - TURNS (S.R.) - An introduction to combustion, concepts and applications. - Series in Mechanical Engineering Mc Graw-Hill 1996.
-
(5) - VERVISCH (L.), POINSOT (T.) - Direct numerical simulation of non-premixed turbulent flames. - Annual Rev. Fluid Mech. 30 p. 655-691 1998.
-
(6) - WILLIAMS (F.A.) - Combustion Theory. - Benjamin-Cummings 1985.
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