Dissertations / Theses on the topic 'Cisaillement du front de flamme'

Cette étude porte sur des flammes en V, diphasiques, stabilisées dans un écoulement pseudo-laminaire ou modérément turbulent. Un support de combustible gazeux est également injecté pour aider à la stabilisation des flammes, en particulier en régime turbulent. Une approche expérimentale et une approche numérique (Simulation Numérique Directe) sont menées simultanément. Les mêmes outils de post-traitement sont utilisés pour traiter les résultats des expériences et des simulations. Expérimentalement, l'écoulement est caractérisé en terme de distribution en taille des gouttes (Malvern), propriétés de la turbulence (PIV), répartition qualitative de la vapeur de combustible (PLIF sur acétone) et distribution en température des gouttes (réfractométrie d'arc-en-ciel). Numériquement, l'écoulement gazeux est décrit par les équations de Navier-Stokes dans le cadre eulérien. Le couplage avec la phase liquide est de type two-way avec un solveur lagrangien pour les gouttes. La cinétique chimique dérive des résultats de chimie complexe issus de Chemkin (schéma cinétique de San Diego pour l'acétone auquel sont ajoutées les réactions d'oxydation de l'acétone). Le modèle de flamme épaissie (facteur d'épaississement et fonction d'efficacité) est utilisé, dans le cadre de la DNS à des fins d'analyse, pour permettre une réduction du maillage et un gain de temps de calcul. Les propriétés moyennes géométriques et locales de la flamme sont déterminées et analysées: morphologie des flammes, angle d'ouverture, variable de progrès, évolution du flame brush, courbure et cisaillement. L'angle d'ouverture de la flamme est utilisé pour caler les paramètres de la simulation. L'évolution de la température des gouttes devant le front de flamme est étudiée pour les différentes conditions de turbulence, selon les deux approches. Les données de la DNS sont utilisées pour développer une méthode de calcul du cisaillement, à partir des données expérimentales, selon la méthode tensorielle
This work deals with V-shaped two-phase flames stabilised in a pseudo-laminar or moderated turbulent flow. Some gaseous fuel is also injected to help turbulent flames stabilisation. An experimental approach and a numerical approach (Direct Numerical Simulation) are conducted simultaneously. The same tools are used for post-processing of experimental and numerical data. The flow is experimentally charaterised in term of droplet size distribution (Malvern), turbulent properties (PIV), qualitative fuel repartition (PLIF on acetone) and droplet temperature distribution (rainbow refractometry). The gaseous flow is numerically defined by Navier-Stokes equations in an eulerian framework. Two-way coupling is use to determine interaction of gaseous and liquid phases. A lagrangian solver is used for the dispersed phase. Chemical kinetics is derived from complex chemistry results computed with Chemkin (San Diego mechanism for n-heptane with acetone oxydation reactions). Flame front is artificially thickened (Flame thickness factor and efficiency function). This enables reduction of the mesh size which is time saving. Mean geometrical and local properties of the flame front are determined: morphology, flame angle, progress variable, flame brush evolution, curvature and strain rate. The mean flame angle is used to ajust DNS parameters. The evolution of the droplets mean temperature is presented for different turbulent conditions and from experimental and numerical approaches. DNS fields are used to develop a calculation method of strain rate from experimental data following tensorial method

Simulation d'oscillations de relaxation dans un modele de retrocombustion dans un solide poreux, de l'instabilite thermodiffusive, et de l'instabilite hydrodynamique de darrieus-landau. Etude de l'extinction par pertes de chaleur a la paroi d'un tube et de l'interaction entre une flamme courbee et du bruit dans l'ecoulement

Nous avons contribue a la modelisation et a l'etude de l'effet hump qui est une anomalie de survitesse et de surpression observee lors de la combustion de certains blocs de propergols solides dans des propulseurs. Le modele mathematique considere consiste en un systeme forme d'une equation parabolique pour la temperature et d'une equation d'hamilton-jacobi representant la propagation du front de flamme dans un milieu strie. Apres un decouplage de ces deux equations, on a pu etudier l'equation d'hamilton-jacobi comme une equation de propagation d'un front de flamme. La difficulte et la nouveaute viennent du fait que le milieu est strie et donc non homogene. En plus, les stries peuvent avoir un angle quelconque avec le front de propagation. Les resultats obtenus sont de deux ordres: dans les cas vertical et horizontal, une etude mathematique complete (existence, unicite et homogeneisation) a ete menee. Dans le cas des striations obliques, on dispose egalement d'un theoreme d'existence. Les resultats theoriques sur les solutions quasi-periodiques (ou decalees) et les calculs numeriques montrent que la vitesse moyenne du front est une fonction croissante de l'angle, ce qui est en parfaite correlation avec l'effet hump. Une etude de stabilite des schemas numeriques utilises a complete ce travail

La modelisation d'une anomalie dans la combustion de propergols solides (effet bosse) conduit a l'etude de la propagation d'un front de flamme dans un milieu heterogene strie. Le modele mathematique, decrit par une equation de hamilton-jacobi, est etudie des points de vue theorique et numerique. Les solutions d'une telle equation sont cherchees dans la classe des solutions de viscosite et sa resolution numerique est effectuee au moyen des schemas eno, d'ordre 2, mis sous forme differenciee

Ce mémoire concerne l'étude expérimentale de la flamme turbulente en V d'un prémélange hydrogène-air en régime de flamme plissée. Les influences de la turbulence initiale, du confinement et de la richesse sur le champ de vitesse et la structure spatiale du front de flamme ont été étudiées. Les champs de vitesse conditionnel et non conditionnel ont été mesurés par vélocimétrie Doppler laser. La statistique de la structure spatiale du front a été réalisée par tomographie laser couplée au traitement d'image. La corrélation entre les fluctuations de vitesse de l'écoulement et de position du front a été réalisée en les mesurant simultanément. L'ensemble des effets du passage intermittent du front, de la propriété du mélange et de la configuration de la flamme a une influence différente sur le champ dynamique apparent. Les évolutions de la structure spatiale du front de flamme dépendent de la turbulence initiale et non de la turbulence locale. Le comportement de la flamme augmente la zone d'intermittence mais cela ne modifie pratiquement pas la caractéristique du plissement du front. Il est démontré qu'il y a une différence entre l'échelle de plissement du front et l'échelle de longueur scalaire (proposée dans le modèle BML). Dans notre condition de flamme, la corrélation des fluctuations de vitesse et de position signifie que la position spatiale du front est associée à l'écoulement des gaz frais

Les flammes turbulentes de prémélange pauvre ont un intérêt fondamental et pratique. Ce travail étoffe leur connaissance (changements de structure, richesse, paramètres de turbulence).
Nous décrivons macroscopiquement la flamme par imagerie Mie avec les iso-c, l'épaisseur turbulente, l'échelle de plissements et la densité de surface de flamme. Nous étudions la structure du front de flamme instantané, la statistique de la courbure du front, l'épaisseur du front de flamme par imagerie Rayleigh. Nous caractérisons les épaisseurs thermiques (zone de réaction et de préchauffage) et déterminons la corrélation entre l'épaisseur et la courbure du front de flamme.
Nous confrontons nos données aux modèles de combustion turbulente de prémélange (BML et ceux basés sur la dissipation scalaire). Nous étudions les distributions des longueurs d'entrecroisement, et le taux de combustion. Nous comparons nos résultats à ceux obtenus dans la littérature par d'autres techniques de mesure.

Comprendre et prédire les différents mécanismes en jeu dans les flammes prémélangées turbulentes est un enjeu crucial pour le dimensionnement ou l’optimisation de nombreux systèmes de combustion. Les écoulements réactifs turbulents se caractérisent par une interaction complexe entre les mouvements hydrodynamiques, le dégagement de chaleur produit par la flamme et la turbulence. Ce défi étant extrêmement difficile à relever, l’étude préalable des interactions entre une flamme plane et une structure tourbillonnaire fournit un cadre canonique idéal pour mieux appréhender et comprendre les mécanismes physiques à l’oeuvre. Dans cette perspective, des études expérimentales ont été réalisées utilisant un brûleur à jet impactant alimenté par un prémélange (méthane/air, propane/air, hydrogène/air). Un panel de techniques expérimentales ainsi que des outils numériques ont été utilisés pour caractériser finement les interactions entre une flamme de prémélange et un vortex toroïdal. En modifiant la richesse et la composition du mélange ainsi que l’intensité du vortex, le suivi temporel de l’interaction a permis d’extraire différentes informations telles que la dynamique de la surface de flamme, de l’étirement et de la courbure du front de flamme ainsi que les vitesses de déplacement/consommation. De surcroit, la structure interne du front de flamme a été étudiée en la décomposant en une zone de préchauffage et une zone de réaction
Understanding and predicting the different mechanisms at play in turbulent premixed flames is a tremendously difficult issue for sizing or optimizing many combustion systems. Turbulent reactive flows are characterized by a complex interaction between the fluid motion, the inherent heat generated by the flame and turbulence. This challenge being extremely difficult to meet, the study of the interactions between a flat flame and a toroidal vortex provide an ideal canonical framework to better understand the physical mechanisms at play. In this perspective, experimental studies were carried out using a stagnation burner fed by a premixed fuel and air (methane/air,propane/air, hydrogen/air). A panel of experimental techniques as well as numerical tools have been used to characterize thoroughly the flame/vortex interactions. By modifying the equivalence ratio, the mixture composition and the vortex intensity, the temporal evolution of the interaction enable the extraction of the flame surface, the flame front stretch and curvature as well as the displacement/consumption speeds. In addition, the internal flame structure is deeply investigated by decomposing the flame front into a preheat zone and a reaction zone

Serie d'experiences en vue de determiner la reponse d'un front de flamme de premelange a des tourbillons elementaires de l'allee de von karman. Mise au point d'un nouveau banc de mesures pour l'etude de la flamme dans le sillage d'un cylindre

’explosion est un phénomène redouté dans les installations industrielles. Le risque d’explosions impliquant des poussières combustibles est présent dans un grand nombre d’industries d’activités différentes, compte tenu de la grande diversité de poussières combustibles : les poussières organiques (farine, charbon, sucre…) mais aussi les poussières métalliques (aluminium, magnésium…). En effet, toutes ces poussières combustibles si elles sont suffisamment fines, et si elles sont en suspension dans l’air, peuvent provoquer des explosions. Les industriels doivent donc quantifier et maîtriser ce risque au sein de leurs différentes installations. Dans le cas des explosions de gaz, l’état actuel des connaissances permet une compréhension et une modélisation précise du phénomène. Cependant, l’état des connaissances est plus limité dans le cas des explosions de poussières, notamment à cause de la plus grande difficulté à étudier ces dernières expérimentalement. Des modèles, basés sur les explosions de gaz, existent néanmoins dans le cas des explosions de poussières. Ces derniers semblent cohérents dans le cas d’explosions de poussières organiques mais inadaptés au cas des poussières métalliques.Ces travaux de thèse s’intéressent à l’étude expérimentale de la propagation de la flamme lors d’une explosion de poussières d’aluminium. Afin de modéliser une propagation éventuelle de flamme lors d’une explosion, une première approche expérimentale est nécessaire. Pour cette étude expérimentale des prototypes ont été spécialement conçus, puis améliorés, au cours des différents tests réalisés. La description de ces travaux est divisée en deux parties.Dans un premier temps, la mise en suspension de la poudre est étudiée. En effet, afin de pouvoir étudier ce phénomène d’explosion, un système de mise en suspension de la poudre a été élaboré. Une première partie de l’étude permet donc de s’assurer que la suspension obtenue est homogène en termes de concentration. Par la suite, le niveau de turbulence obtenue dans l’enceinte après la fin de la mise en suspension de la poudre est étudié. En effet, ce paramètre influe grandement sur la propagation de la flamme, augmentant ainsi les conséquences de l’explosion.Par la suite, la propagation de la flamme est étudiée. Pour cela, la suspension précédemment obtenue est enflammée à l’aide d’un arc électrique. Le phénomène est étudié au travers de la visualisation de la propagation de la flamme et par l’évolution de la pression dans le prototype. Deux principales méthodes optiques, l’une basée sur la visualisation de la lumière émise par la flamme et l’autre sur la visualisation de variations d’indice de réfraction (liées à des variations de température), sont utilisées. A partir de ces dernières la vitesse de propagation de la flamme dans le référentiel du laboratoire est étudiée. Cependant, cette vitesse dépend fortement du prototype utilisé pour son étude. Ainsi, une méthode est utilisée afin d’en déduire la vitesse de combustion, correspondant à la vitesse de consommation des réactifs par la flamme. Des limites potentielles de cette méthode sont par la suite exposées, et une nouvelle méthode de détermination de cette vitesse est alors proposée
Explosions are one of the most feared events in the industry. Risk of explosions with combustible dusts can occur in a large variety of industry of different fields, because of the large amount of combustible dusts: organic dusts (flour, carbon, sugar…) but also metallic dusts (aluminum, magnesium…). All of these combustible dusts, if they are fine enough, and if they are dispersed in the air, can cause explosions. Companies have to quantify this risk present in their plant. Concerning gas explosions, the current state of knowledge allows an understanding and a precise modelling of the phenomenon. However, the state of knowledge about dust explosions is more limited, especially because of the difficulty to study the explosions experimentally. Some models, based on gas explosions, exist for the case of dust explosion. These models seem coherent in the case of organic dust explosions but less adapted for metallic dust.This PhD work focus on the experimental study of flame propagation during an aluminum dust explosion. To model an eventual propagation of the flame during the explosion, an experimental approach is required. For this experimental study, specific prototypes have been elaborated, and then improved, during the different tests. This work is mainly separated in two parts.In a first part the dispersion of the dust is studied. Indeed, to study the explosion phenomenon, a system has been elaborated to disperse the dust. A first part of study allows checking that the dispersion is well homogeneous in terms of concentration. Then, the turbulence level inside the prototype after the end of the dispersion is studied. Indeed, this parameters influence a lot the flame propagation, increasing the consequences of the explosion.Then, the flame propagation is studied. The dust dispersion, previously studied, is ignited by an electric spark. The phenomenon is studied thanks to visualization of the flame propagation and by the evolution of the pressure inside the prototype. Two main optical techniques, one based on the light emitted by the flame, the other one linked to refractive index variations (due to temperature variations) are used. Thanks to these methods, the propagation velocity in the laboratory referential is studied. However, this velocity depends mainly on the prototype used for his determination. A method is used to determine the burning velocity (consumption rate of the reactants by the flame front). Some potential limits of this method are then exposed, and a new method of determination of this burning velocity is proposed

Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants
Recently, the interest for zero-dimensional models has increased. Indeed, these models provide easily the engines thermodynamic behavior and can be coupled with control tools. However, their accuracy must be improved to meet the current technological challenges. In the spark ignition engines, the premixed turbulent flame is modeled as a set of coherent flamelets. This approach requires special treatment near the walls, motivated by the modifications of the flame structure due to boundary layers. The present work proposes 0D modeling of combustion near the walls and in the reaction zone of the flame. To combustion model near the walls, the flame is divided into a free propagation contribution, and an interacting contribution with the walls. Each contribution is divided into a convective zone, wherein the entrainment of fresh gas is described, and a reaction zone, wherein the combustion reaction is modeled. Adding a reaction zone near the walls allows modeling a thermal gradient and a slower combustion reaction near the walls. To model the reaction zone, a flame discretization is made into several reaction zones. An engine operating range is simulated with our models, for quantifying the calibration parameters variability. To do this, models are calibrated on each operating point, by a method of minimization of the quadratic error on the heat released rate. Linear correlations can be found, depending on engines parameters. A good agreement between experimental data and simulation results is obtained with these parameters correlations

Durant ces dernieres decennies, la legislation concernant les emissions polluantes des moteurs des vehicules automobiles s'est montree de plus en plus draconienne. Dans le cas du moteur a allumage commande, les constructeurs automobiles ont repondu a cette contrainte par le post-traitement des gaz d'echappement par catalyse trois voies. Le souci de limiter l'effet de serre (protocole de kyoto, 1997) apporte une nouvelle dimension en reglementant les emissions de co 2, ce qui implique une diminution de la consommation des vehicules. Dans cette optique, la solution du fonctionnement en melange pauvre peut sembler une voie prometteuse, a condition de resoudre les problemes inherents a ce mode, a savoir une forte instabilite de fonctionnement. Parmi les causes connues de l'irregularite cyclique, la fluctuation des ecoulements internes du moteur a allumage commande s'avere etre de premiere importance. Ce travail s'inscrit dans ce cadre, et propose, par une approche experimentale, d'obtenir de nouvelles donnees sur l'impact de l'aerodynamique interne sur la phase initiale de la combustion. Son originalite reside dans l'utilisation de techniques d'imagerie recentes, appliquees sur un moteur a acces optiques. Parmi ces techniques, la velocimetrie par images de particules (vip) permet la mesure des deux composantes de la vitesse d'un ecoulement, dans un plan de mesure delimite par une nappe laser. Cette technique est utilisee dans un premier temps pour obtenir une mesure de la structure tridimensionnelle de l'ecoulement moyen au moment de l'allumage. Un post-traitement des donnees est effectue dans le but d'extraire les grandeurs caracterisant la turbulence dans le cylindre au meme instant. L'utilisation simultanee de la technique

Determination des champs moyens et fluctuant de la masse volumique, des densites de probabilite, des hauteurs de flammes, des epaisseurs apparentes, des spectres de puissance, des echelles integrales et des frequences de passage du front de flamme. Comparaison des resultats experimentaux avec les preditions de modeles theoriques

Le présent travail est une étude expérimentale sur l’interaction entre flamme et turbulence. L’effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l’aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l’étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l’effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l’effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l’impact majeur de l’échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude
The present work is an experimental study on the interactions between flame and turbulence. The pressure effect on the flame front wrinkling is characterised using laser diagnostics and hot wire anemometry. To begin with, the turbulence generated by a multi-grid system is characterised. It is shown that the present system produces a higher turbulence rate by 40% than for an equivalent mesh single-grid system. Moreover, the small turbulence scales sizes are experimentally found smaller with the multi-grid system. From those results, the interactions between premixed flames and turbulence were studied. By using the laser tomography diagnostic, the flame front of several gases premixes was observed. By changing the mixing conditions, the effect of parameters such as the Lewis number, the turbulence conditions and the small scale was observed. The low impact of the thermodiffusives instabilities in our conditions was demonstrated. However, the important effect of the turbulence conditions on the flame front characteristics was observed. Moreover, the present results showed the major impact of the Taylor micro scale on the flame front wrinkling for these study experimental conditions

L'objectif de cette thèse est la résolution numérique d'un système d'équations différentielles non-linéaire décrivant une flamme plane stationnaire, avec chimie complexe et modèles de transport et de diffusion réalistes, par la méthode des éléments finis décentrés de Petrov-Galerkin. Du point de vue numérique nous montrons que l'utilisation de la méthode de Petrov-Galerkin supprime les instabilités spatiales qui apparaissent lors de l'utilisation d'un schéma centré, ce qui augmente la robustesse du schéma sans détériorer sa précision. Du point de vue mathématique nous présentons un nouveau résultat concernant l'analyse numérique des méthodes implicites utilisées pour le calcul des flammes stationnaires. Trois études ont été réalisées par cette méthode sur la flamme d'oxydation d'hydrogène dans l'air: la première sur une flamme stœchiométrique, la deuxième sur la variation de la vitesse de propagation de la flamme avec la richesse du mélange, et la troisième sur un phénomène d'extinction purement cinétique.

Pour mieux comprendre la combustion en mode stratifié, la propagation de flammes au sein de stratifications de richesse laminaire ou turbulente a été étudiée par des mesures simultanées de richesse et de vitesse effectuées par couplage de la PIV et de la PLIF. L'accent a été mis sur le développement de méthodes permettant d'améliorer la qualité des mesures locales. En particulier, un nouvel algorithme de PIV permettant la mesure locale de la vitesse des gaz frais véritablement à l'entrée de la zone de préchauffage a été développé. Pour améliorer la résolution,les mailles de calcul s'adaptent localement à la topologie de la flamme, pour tenir compte de la forme du front de flamme et de l'expansion des gaz. L'analyse statistique des mesures conditionnée sur la richesse locale a permis de caractériser les propriétés de la flamme soumise à une stratification de richesse dans un écoulement laminaire et turbulent, en particulier en mettant en évidence un effet mémoire.

Ce travail est consacré à l’étude expérimentale et numérique de la propagation des feux de végétation à l’échelle du laboratoire. Une méthode de suivi de front de flamme par caméras visibles a été développée pour reconstruire et mesurer les propriétés du front au cours du temps. Les données recueillies comprennent la vitesse de propagation (Rate Of Spread), l’épaisseur du front, les longueurs du contour du front, les profils de hauteur et la puissance du feu. Une campagne expérimentale de 105 expériences de propagation sur de la frisure de bois a été réalisée sur la plateforme PROMETHEI (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) du laboratoire LEMTA. Elle contient notamment une étude de l’effet de la largeur et de la charge sur la dynamique de propagation (sur la vitesse et l’épaisseur). Une base de données (en libre accès sur internet) dédiée aux feux de végétation a été créée et fournit les positions du front de flamme (avant et arrière) pour 85 expériences. Un modèle de propagation Petit Monde à réseau de cellules hexagonales a été également développé en parallèle. Plusieurs approches sont proposées pour déterminer l’évolution de l’état des cellules : la première modélise le transfert radiatif alors que la deuxième se base sur une fonction de distribution identifiée. Un algorithme d’optimisation par essaims particulaires (PSO) est employé pour estimer les différents paramètres du modèle à l’aide des résultats expérimentaux. Le modèle Petit Monde est ensuite comparé à des expériences de propagation comprenant des coupures de combustible ou des rétrécissements/élargissements de la largeur du lit
This work is devoted to the experimental and numerical study of wildland fire spread at laboratory scale. A tracking fire front method using visible cameras was used in order to follow the fire front positions during the propagation and to evaluate some fire front properties. The data include the Rate Of Spread (ROS), the fire front width, the length of fire, the profile of flames and the Heat Release Rate. An experimental campaign of 105 fire spread tests with wood shaving as fuel was conducted on the PROMETHEI plateform (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) of the laboratory LEMTA. This campaign was essentially focused on the effect of the fuel bed width and the fuel loading on the fire dynamics (particularly on the ROS and fire width). An open-source data base provides the positions of the front and backing fire as a function of time. A fire spread model based on the small world concept with a hexagonal cell network was developed. Two approaches were studied: the first one is based on a radiative transfer model for the definition of the cell states and the other one is based on an estimated distribution function. A particle swarm optimization (PSO) algorithm was used for the identification of the different parameters of the model using the experimental results. Then, the model was compared to other experiments included fuel breaks or narrowing/widening of the fuel bed width

La modélisation à échelle fine de la réaction sodium-eau est motivée par ses applications aux réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis au sodium et aux réacteurs expérimentaux. La littérature indique que le contact entre le sodium liquide et l’eau donne naissance à un film gazeux où la réaction se produit sous la forme d’une flamme de diffusion gazeuse. Dans ce manuscrit, nous avons choisi de nous focaliser sur la combustion d’une goutte de sodium liquide immergée dans un volume infini d’eau. Plusieurs hypothèses simplificatrices sont introduites : en particulier, nous nous limitons au problème uni-dimensionnel. En supposant que le film gazeux a une masse volumique constante, une étude analytique révèle que l’état physique de l’hydroxyde de sodium a une forte influence sur le comportement du système : si la soude est entièrement gazeuse, la flamme s’éteint, tandis que si elle est entièrement condensée, une solution auto-similaire peut être exhibée et la combustion est entretenue. Un algorithme numérique est développé. Le modèle précédent est ensuite amélioré par la prise en compte de la compressibilité du film. Nous développons un algorithme bas Mach. Les calculs montrent que le film a un comportement oscillant, du fait de l’inertie de l’eau. Les taux de réaction calculés sont en bon accord avec les mesures d’Ashworth. Les conditions initiales dans le film sont inconnues : un mécanisme simplifié de formation du film est donc proposé, et une étude de sensibilité aux conditions initiales est effectuée. Les résultats ne dépendent que faiblement de l’état initial du système
The fine-scale modeling of sodium-water reaction is motivated by its applications to sodium-cooled fast nuclear reactors and experimental irradiation reactors. As shown by several experiments from the literature, the contact between liquid sodium and water gives rise to a gaseous film where the reaction takes place in the form of a gaseous diffusion flame. In this manuscript, we have chosen to focus on the combustion of a liquid sodium drop immersed in an infinite volume of water. Several simplifying assumptions are introduced : in particular, we limit ourselves to the one-dimensional problem.Assuming the gaseous film has constant density, an analytical study shows that the physical state of sodium hydroxide has a strong influence on the behavior of the system : if soda is entirely vaporized, the flame gets choked, while, on the opposite, if it is entirely condensed, a self-similar solution can be exhibited and the combustion is sustained. A numerical algorithm is developed.Then, the previous model is improved by taking into account the gas compressibility. We develop a low Mach number algorithm. The computations show an oscillatory behavior of the one-dimensional film, due to the inertia of water. The calculated reaction rates are found to be in good agreement with Ashworth’s measurements. Initial conditions in the film are unknown : a simplified mechanism of film formation is therefore proposed, and a sensitivity analysis on initial conditions is carried out. The results are seen to be only slightly dependent on the initial state of the system

La thèse s’intéresse au contrôle de la température d’un front de combustion propagé dans un milieu poreux contenant du carbone fixe et des carbonates (CaCO3). L’objectif principal est de réduire la température, in situ (récupération d’huile ou production de gaz à partir d’un schiste bitumineux) ou dans un procédé (combustion de semicoke), afin de limiter la décarbonatation du milieu et les émissions induites de CO2. Le milieu réactif retenu pour réaliser les expériences en laboratoire est un schiste bitumineux préalablement broyé (0.5 à 2 mm) et pré-pyrolysé, appelé semicoke. Le front est propagé en co-courant. La première technique testée expérimentalement est l’ajout au semicoke d’un matériaux inerte (sable) et/ou d’un matériaux réactif (CaCO3) afin de faire varier le taux de carbone fixe et le taux de CaCO3 et ceci indépendamment. Nous montrons que l’augmentation de CaCO3 permet de baisser la température à 800 °C, mais pas en dessous, ce qui ne permet pas d’éviter la décarbonatation. Faire chuter le contenu en carbone fixe permet de baisser la température du front, voire d’atteindre l’extinction. Aux températures de propagation les plus basses, la décarbonatation est fortement limitée. En revanche le front ralentit car il n’utilise plus tout l’oxygène alimenté. La deuxième technique originale consiste à ajouter du CO2 (20 %molaire) dans l’air de combustion. Nous montrons que dans le cas d’un front chaud, ceci permet de réduire le taux de décarbonatation de 100% à 70%, et d’augmenter en parallèle la production de CO résultant de l’oxydation du carbone fixe, ce qui augmente le PCI du gaz produit. Sur un front plus froid, la décarbonatation qui était de 20% est totalement évitée par l’ajout de CO2. Enfin, des expériences sont proposées dans le mode de combustion “reaction trailing”, très peu connu et mis en oeuvre. Ce mode a l’intérêt majeur d’éviter les réactions de “Lower Temperature Oxidation” préjudiciables au rendement en huile ou en gaz d’un process in situ. Des expériences stables et répétables sont réalisées avec différents pourcentages d’oxygène dans le gaz alimenté. La température du front est directement liée à ce paramètre ; la décarbonatation est clairement limitée dans ce mode de propagation. Deux types de modélisation sont proposés. Un bilan de matière et d’énergie basé sur des expressions analytiques simples permet d’évaluer la température du front et sa vitesse de propagation. Un modèle numérique développé par l’IMFT se base sur des équations de transfert convectif/diffusif de chaleur et de matière, couplées aux réactions d’oxydation du carbone (en CO et en CO2) et de décarbonatation de CaCO3. Il décrit de façon très satisfaisante les expériences en mode “reaction leading” avec variation de la composition du milieu (première technique)
This PhD thesis focuses on the control of the smoldering front propagating in a porous medium containing fixed carbon and carbonates (CaCO3). The main objective is to reduce the front temperature, in situ (oil recovery or gas production from oil shale) or in process (combustion of semicoke), in order to limit the medium decarbonation and the resulting CO2 emissions. The reactive porous medium retained to realize the laboratory experiments is a crushed (0.5 to 2 mm) and pre-pyrolyed oil shale, called semicoke. The front propagates in co-current. The first technique experimentally tested is the addition to the semicoke of an inert material (sand) and/or a reactive material (CaCO3) to vary the contents of fixed carbon and of CaCO3, independently. We show that the increase of the CaCO3 content enables to reduce the temperature to 800 °C, but not below; this does not allow to avoid decarbonation. Bringing down the fixed carbon content enables to reduce the front temperature, see even to reach extinction. In the lowest temperatures of propagation, the decarbonation is strongly limited. On the other hand, the front slows down because it does not use all of the fed oxygen. The second original technique consists in adding CO2 (20 mol.%) to the oxidizer air. We show that for a hot front, the decarbonated fraction is reduced from 100% down to 70%, and the CO production at fixed carbon oxidation is increased; this leads to increase the LCV of the produced gas. For a cold front, the decarbonation which was 20%, is totally avoided by adding CO2. Finely, experiments are proposed in the “reaction trailing” combustion mode, little known and implemented. This mode has the major interest to avoid the reactions of “Lower Temperature Oxidation” prejudicial for oil or gas yields in in situ process. Stable and repeatable experiments are realized with different oxygen fractions in feeding gas. The front temperature is directly linked to this parameter; the decarbonation is clearly limited in this mode of propagation. Two types of modeling are proposed. A mass and thermal balance based on simple analytical expressions enables to evaluate the front temperature and velocity. A numerical model developed by IMFT is based on convective/diffusive heat and mass transfer equations coupled with the oxidation reactions (into CO and CO2) and CaCO3 decarbonation is proposed. It describes in a very satisfactory way the experiments in the “reaction leading” mode with variation of the medium composition (first technique)

L'influence de l'ajout d'hydrogène sur les flammes de premelange pauvre methane-air est simulée dans cette étude. Le modèle de la chambre a haute pression Orleans - ICARE (France), a été développé. Les propriétés du front de flamme sont examinées par deux modèles de combustion turbulente prémélangée, à savoir Zimont et Flamme Cohérente Model (CFM) modèles.Toutes les études de modélisation sont effectués avec le logiciel Fluent et les résultats sont comparés aux expériences. En suite, l'influence de la pression sur les statistiques de la front de flamme prémélangée a été examinée. Les simulations montrent que l'augmentation du ratio d'équivalence a diminué la hauteur des flammes et l'épaisseur de la flamme du méthane/air flames. D'autre part, l’ajout d’hydrogene de mélange pauvre méthane-air a modifié les propriétés de la flamme prémélangée. Lorsque le pourcentage volumique de l'hydrogène dans le mélange est augmenté, la position en hauteur de la flamme est réduite et l'épaisseur de la flamme devient plus mince. En outre, il a été observé que les propriétés de la flamme prémélangée ont été modifiées avec l'opération à des conditions de pression plus élevée
Hydrogenated premixed methane/air flames under lean conditions are simulated in this study. The model of the high pressure chamber setup of Orleans - ICARE (France) has been developed. The flame front properties are investigated by two turbulent premixed combustion models, Zimont and Coherent Flame Model (CFM) models. All modeling studies are performed with Fluent software and compared to experiments. The influence of the pressure on the premixed flame front statistics has been examined as well. The simulations show that increasing the equivalence ratio decreases the flame tip height and the flame brush thickness for methane/air flames. In addition, enriching the methane-air mixture with hydrogen modifies the premixed flame front properties. When the volumetric percentage of hydrogen in the mixture is increased, the flame-end position is reduced and flame brush thickness becomes thinner. It is also observed that the premixed flame properties have been modified with operation at higher pressure conditions

L'étude expérimentale porte sur l'influence de la haute-pression jusqu'à 0.9 MPa pour la combustion d'une flamme de prémélange méthane-air, pauvre, turbulente stabilisée sur un brûleur de type Bunsen. La vitesse débitante et la richesse sont fixées à 2.1 m/s et 0.6. Le champ de vitesses et les échelles de la turbulence sont déterminés à l'aide de l'anémométrie Laser Doppler. Les mesures de diffusion Rayleigh renseignent sur la fluctuation du scalaire. De l'imagerie de Mie deux dimensions sont obtenus la courbure, l'angle d'orientation, les longueurs de plissement et enfin, la densité de surface de flamme et l'intensité de combustion qui sont comparées avec les valeurs données par le modèle BML. Lorsque la pression augmente les échelles de Taylor et de Kolmogorov diminuent avec la viscosité cinématique, l'échelle intégrale et la vitesse fluctuante restent constantes, les structures du front de flamme deviennent plus petites et plus pointues, augmentant la densité de surface de flamme.