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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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5. Stabilisation des flammes de diffusion
Jusqu’à présent, nous avons essentiellement analysé la structure de flammes laminaires de diffusion établies, sans se préoccuper de leur initiation ou des mécanismes de stabilisation qui leur permettent de subsister. En pratique, l’initiation des flammes fait appel à un apport d’énergie extérieur qui provient, par exemple, d’une petite flamme annexe (allumette) ou de l’étincelle issue d’une bougie d’allumage. Mais cet apport n’intervient en général que pendant un temps limité. Ensuite, la flamme doit rester stable sans source extérieure d’énergie, sous peine de s’éteindre. L’analyse des mécanismes de stabilisation d’une flamme est donc très importante en pratique : une flamme qui s’éteint intempestivement non seulement ne remplit plus sa mission (que penser d’un réacteur d’aviation qui s’éteindrait en vol ?) mais peut conduire à de graves problèmes ultérieurs (explosion) si les écoulements de réactifs ne sont pas stoppés… Les principaux mécanismes de stabilisation des flammes de diffusion vont maintenant être brièvement décrits. Ils sont évoqués à la fois pour décrire la stabilisation des flammes laminaires et des flammes turbulentes. Il est vrai que la stabilisation des flammes turbulentes est le plus souvent analysée comme se produisant dans des zones où les caractéristiques de l’écoulement sont laminaires…
5.1 Auto-inflammation
Ce mécanisme, illustré sur la figure 19 est le plus simple : les réactifs mis en contact s’auto-inflamment spontanément. Ce mécanisme remplit à la fois les rôles d’allumage (pas d’apport d’énergie extérieur pour initier la réaction) et de stabilisation. La flamme ne se développe en général qu’à partir d’une distance di , distance d’auto-inflammation. Un prémélange se forme d’abord en aval des lèvres du brûleur puis s’enflamme spontanément ensuite. En pratique, ce mécanisme d’auto-inflammation se rencontre dans deux situations :
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le couple de réactifs réagit spontanément dans les conditions d’injection. Ce n’est pas le cas des combustibles usuels pour les conditions atmosphériques. Par ailleurs, la réaction hydrogène/fluor, utilisée pour réaliser des lasers chimiques,...
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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
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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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