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RÉSUMÉ
En 1979, l’accident de Three Mile Island démontrait qu’une explosion massive d’hydrogène pouvait se produire dans l’enceinte de confinement d’un réacteur nucléaire en situation d’accident grave. La catastrophe de Fukushima a rappelé les effets destructeurs des explosions d’hydrogène. Cet article a pour objectif la compréhension des phénomènes d’explosion. Schématiquement cela passe par la capacité à prédire l’existence et la vitesse de l’onde de réaction à tout moment au cours de sa propagation. Pour atteindre cet objectif, il a fallu faire émerger des ordres de grandeur et des règles en déterminant les grandeurs fondamentales et ensuite comprendre les couplages entre la zone de réaction et l’écoulement compressible qu’elle engendre au cours de sa propagation.
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Etienne STUDER : Ingénieur de recherche - Laboratoire d'applications en thermohydraulique et mécanique des fluides CEA Saclay, Gif-sur-Yvette, France
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Sergey KUDRIAKOV : Ingénieur de recherche - Laboratoire d'applications en thermohydraulique et mécanique des fluides CEA Saclay, Gif-sur-Yvette, France
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Alberto BECCANTINI : Ingénieur de recherche - Laboratoire d'applications en thermohydraulique et mécanique des fluides CEA Saclay, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
En 1979, l'accident de Three Mile Island démontrait qu'une explosion massive d'hydrogène pouvait se produire dans l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire en situation d'accident grave. Plus récemment, la catastrophe de Fukushima a rappelé les effets destructeurs de ces explosions d'hydrogène. Comprendre comment une simple étincelle peut engendrer un phénomène aux effets si dévastateurs constitue notre objectif. Schématiquement, la compréhension de ces phénomènes passe par la capacité de prédire l'existence et la vitesse de l'onde de réaction à tout moment au cours de sa propagation. Pour atteindre cet objectif, il a fallu tout d'abord faire émerger des ordres de grandeur et des règles en déterminant les grandeurs fondamentales, et ensuite comprendre les couplages entre la zone de réaction et l'écoulement compressible qu'elle engendre au cours de sa propagation.
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Propagation subsonique de la combustion : les déflagrations laminaires et turbulentes
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1. Contexte de la physique de la combustion des prémélanges gazeux
1.1 Contexte
Dans les applications industrielles, la combustion relève généralement de plusieurs disciplines scientifiques : la chimie, la thermodynamique et la mécanique des fluides. Elle se situe donc au carrefour de ces connaissances et le Pr. Von Karman lui donne même le nom évocateur d'aérothermochimie.
Traitons tout d'abord l'aspect chimique. Généralement, la combustion est une réaction d'oxydation d'un premier réactif, appelé combustible, avec un second réactif, appelé comburant, qui va être lui réduit. Ce dernier sera, dans la suite, l'oxygène de l'air bien que d'autres composés puissent jouer ce rôle. Écrivons, par exemple, la réaction de bilan stœchiométrique de la combustion du méthane avec l'oxygène :
Cette équation traduit la conservation de la masse à l'issue du processus de combustion lorsque les réactifs sont initialement présents en proportion idéale ou stœchiométrique. Elle sert principalement de référence car les réactifs peuvent être présents dans une autre proportion et les produits (dioxyde de carbone et vapeur d'eau) peuvent ne pas atteindre leur degré d'oxydation maximal. Dans les flammes de prémélange, la composition des réactifs est, par convention, caractérisée par la notion de richesse, c'est-à-dire le rapport des masses en combustible et en comburant...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ABDEL-GAYED (R.G.), Al-KHISHALI (K.J.), BRADLEY (D.) - Turbulent burning velocities and flame straining in explosions. - Proceeding of the Royal Society of London, A391, p. 393-414 (1984).
-
(2) - ABDEL-GAYED (R.G.), BRADLEY (D.) - Dependence of turbulent burning velocity on turbulent Reynolds number and ratio of laminar burning velocity to rms turbulent velocity. - Proceedings of the Combustion Institute, 16, p. 1725-1735 (1976).
-
(3) - ADDABBO (R.), BECHTOLD (J.K.), MATALON (M.) - Wrinkling of spherically expanding flames. - Proceedings of the Combustion Institute, 29, p. 1527-1535 (2002).
-
(4) - ARDEY (N.) - Structure and acceleration of turbulent hydrogen/air flames within obstructed confinements. - PhD thesis, Technical University of Munich (1998).
-
(5) - AUNG (K.T.), HASSAN (M.I.), FAETH (G.M.) - Flame stretch interactions of laminar premixed H2/air flames at normal temperature and pressure. - Combustion and Flame, 109, p. 1-24 (1997).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
COSILAB http://www.rotesco.com
GASEQ http://www.gaseq.co.uk
CHEMKIN http://www.reactiondesign.com/products/chemkin/chemkin-2
SENKIN
PREMIX
HAUT DE PAGE2.1 Laboratoires et centres de recherche
Institut Pprime (UPR 3346) http://www.pprime.fr
ICARE – Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement http://www.icare.cnrs-orleans.fr
ONERA – Office National d'Études et Recherches Aérospatiales http://www.onera.fr
CORIA – Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie http://www.coria.fr
IRPHE – Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Équilibre http://www.irphe.fr
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