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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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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Stabilisation des flammes de diffusion
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4. Flammes de diffusion laminaires étirées
4.1 Introduction
Les flammes laminaires étirées, tant de prémélange que de diffusion, ont fait et font toujours l’objet de nombreuses études aussi bien théoriques qu’expérimentales. La configuration la plus simple pour une flamme de diffusion est celle de la flamme à contre-courant (figure 15). Un jet de combustible et un jet de comburant de directions opposées forment un écoulement avec un point de stagnation (x = y = 0). Le front de flamme est alors étiré dans son propre plan, voisin du plan y = 0. L’intérêt de ces flammes étirées est double.
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Il s’agit d’une des configurations les plus simples. En première approximation, ces flammes peuvent être supposées monodimensionnelles et ne dépendent que d’une seule coordonnée spatiale. Elles ont aussi l’avantage d’être stationnaires, ce qui facilite considérablement toute étude expérimentale. Ainsi, elles se prêtent particulièrement bien aux confrontations théories/expériences et permettent l’analyse aisée de nombreux phénomènes dont, notamment, l’influence de schémas cinétiques chimiques détaillés.
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Elles constituent l’ingrédient de base de nombre de modèles proposés pour décrire la combustion turbulente. En effet, sous l’hypothèse dite de « flammelettes », nous avons vu 3.3.3 que les flammes turbulentes peuvent être analysées comme constituées d’éléments de flamme laminaire étirée. Ainsi, le taux de réaction de combustible V F par unité de surface de flamme est, le plus souvent, exprimé comme celui d’une flamme laminaire étirée.
4.2 Flamme de diffusion étirée...
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Flammes de diffusion laminaires étirées
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Les références présentées ici se limitent volontairement à quelques livres de base et articles de revue
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(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.
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(6) - WILLIAMS (F.A.) - Combustion Theory. - Benjamin-Cummings 1985.
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