Academic literature on the topic 'Combustion de brouillards'

Dans cette étude, nous nous sommes intéressés au cas général des brouillards en combustion et nous avons essayé d'en bâtir une simulation numérique simplifiée. Le principe de notre simulation est basée sur un algorithme du type automate cellulaire qui prend en compte, dans un maillage carré bidimensionnel, des dispositions aléatoires de gouttelettes de diamètre donné. On peut alors réaliser des simulations statistiques en fonction du temps de la combustion d'un brouillard donné. Le but de cette simulation est d'étudier les différents phénomènes existant dans la combustion des brouillards, en fonction de la densité de gouttes, et des caractéristiques du liquide et du gaz

Un modèle numérique, basé sur une approche de type fonction densité de probabilité, a été développé pour calculer le mélange turbulent intervenant au sein des brouillards de gouttelettes se vaporisant. Ce sous modèle est basé sur la simulation stochastique de type Monte Carlo d'une équation de transport de la PDF jointe liquide-gaz prenant en compte aussi bien le mélange air-fuel vapeur à grande échelle que l'effet de la turbulence à petite échelle. Cette dernière est causée par le transport moléculaire dans le champ turbulent, lui-même perturbe par la dynamique aléatoire des gouttes se vaporisant. L'interaction vaporisation-micromélange est traitée par un processus modifié de coalescence-redispersion où l'on a introduit une partie laminaire au mélange. Le sous modèle a été incorporé au code de calcul tridimensionnel Kiva II. L'analyse de la structure fluctuante du champ de fuel vapeur a montré des distributions discontinues de fraction massique et de température dans les zones où les gouttes ne sont pas entièrement vaporisées. Les distributions locales sont très différentes de celles habituellement supposées par les modèles classiques qui supposent la vapeur parfaitement mélangée dans la maille. L'application de ce modèle au cas Diesel montre un bon comportement en terme de prédiction des champs de concentrations et de dégagement de chaleur. Le modèle de PDF permet d'obtenir des informations détaillées sur les sites probables d'auto-allumage, sur les domaines occupes par le fuel vapeur et sur les zones de combustion. Dans la configuration moteur-fusée, la méthode permet d'obtenir une hauteur d'accrochage au proche voisinage de l'injecteur, comme l'a montré l'expérience, contrairement au modèle EBU. La dynamique aléatoire de la phase liquide contribue fortement au champ de fluctuations de température, très intense dans la zone de stabilisation moyenne de la flamme.

On introduit un modèle multi-fluides eulérien pour décrire l'évolution de sprays polydispersés dans des flammes diphasiques. Nous montrons que ce modèle peut être obtenu à partir d'un niveau cinétique de description. Il peut ainsi prendre en compte des interactions entre gouttes d'inerties différentes, comme la coalescence, ce qui n'avait jamais été fait avec un modèle eulérien. Il est validé par des comparaisons avec des mesures expérimentales pour le cas des sprays dilués sur des configurations de flammes laminaires de diffusion à contre-courant. Il est également comparé numériquement à des méthodes d'échantillonnages dans des cas de sprays dilués ou denses. D'autre part, son analyse numérique est menée dans un cas simplifié où seule subsiste l'évaporation. Cette analyse nous permet d'introduire d'autres méthodes numériques d'ordre arbitrairement élevé pour discrétiser l'espace des phases en taille et décrire l'évaporation. Elle nous permet aussi de considérer la propagation de flammes planes de prémélange, en présence d'un spray polydispersé. Cette configuration est décrite par un système de réaction-diffusion pour un modèle thermo-diffusif du gaz couplé au modèle cinétique du spray. La propagation de telles flammes est décrite par des ondes progressives du système complet. Pour en étudier l'existence, on utilise des méthodes de degré topologique pour des opérateurs elliptiques dans des domaines non bornés. Cependant, le modèle cinétique introduit une EDP hyperbolique. Les résultats d'analyse numérique permettent d'envisager une discrétisation de l'espace des tailles de gouttes, afin de se ramener à un système dynamique de dimension finie. Il reste à ajouter une diffusion dans la partie hyperbolique du système, afin d'obtenir un système elliptique et pouvoir appliquer une méthode de degré topologique. En passant à la limite sur la diffusion, puis sur le pas de discrétisation, on montre l'existence de flamme plane se propageant, en présence d'un spray polydispersé.

La sécurité contre les feux d'incendies et dans les systèmes explosifs est primordiale pour la société. Cependant, l'interdiction des Halons est un réel challenge pour leur remplacement. Les brouillards d'eau constituent une bonne alternative grâce à leur neutralité vis à vis de l'environnement et leurs divers avantages. Afin d'approuver leut efficacité et de déterminer les mécanismes prédominants dans l'extinction des flammes de prémélange en vue de leur optimisation, un travail expérimental de recherche à travers cette thèse a été initié au LCSR. L'objectif de notre étude est la caractérisation de l'efficacité des brouillards d'eau pour l'extinction des flammes turbulentes de prémélanges méthane/air stabilisées entre deux jets opposés, en fonction des paramètres liés à la flamme et au brouillard d'eau. Pour répondre aux besoins de l'étude, nous avons développé un dispositif expérimental spécifique permettant de faire varier ces paramètres. Les diagnostics optiques PDA et PIV ont été utilisés pour la caractérisation du brouillard d'eau, généré par un injecteur capable de produire des gouttes avec un diamètre moyen de l'ordre de 4 um. Le champ dynamique et la granulométrie des gouttes d'eau ont été étudiés pour les différentes conditions expérimentales explorées. Les limites d'extinction des flammes ont été déterminées avec et sans l'ajout du brouillard d'eau. Un nouveau paramètre définissant l'efficacité du brouillard d'eau a été introduit et utilisé dans l'interprétation des résultats. Les mécanismes d'extinction des flammes par application des brouillards d'eau ont été identifiés en conduisant les expériences avec trois configurations différentes d'interaction brouillard d'eau / flamme. Les influences de la quantité d'eau injectée ainsi que du temps d'application sur l'extinction des flammes ont été également étudiées. Finalement, une partie de ce travail a été consacrée à caractériser les possibilités de l'utilisation de l'eau de mer pour l'extinction de la flamme.

Dans les moteurs Diesel à injection directe, la combustion est contrôlée par lescaractéristiques de l'atomisation d'une part, et par celles du spray formé par l'injecteur d'autre part. Les études expérimentales et numériques ont montré que la transition entre la région du coeur liquide dense à la sortie de l'injecteur, et la partie dispersée du spray en aval de l'écoulement, est pilotée par des mécanismes complexes incluant la cavitation dans l'injecteur, les instabilités aérodynamiques à la surface du jet et la turbulence. Ce travail a pour objectif l'élaboration d'un modèle d'atomisation fondé sur une description eulérienne de l'écoulement diphasique issu de l'injecteur. Le modèle bifluide eulérien met en jeu un système d'équations de bilan pour la phase liquide et la phase gazeuse composée du gaz et de la vapeur du carburant. La valeur de la densité d'aire interfaciale par unité de volume est obtenue par une équation de transport supplémentaire qui comporte dans son second membre des termes de production et de destruction de surface d'échange. On utilise aussi une équation de transport pour la fraction volumique de liquide. Ces deux quantités permettent de déterminer les caractéristiques locales du spray et de déduire les termes d'échange interfaciaux entre les deux phases. Des calculs réalisés dans des configurations représentatives de l'injection Diesel montrent un bon accord entre les longueurs de pénétration de la phase liquide obtenues numériquement et les valeurs relevées expérimentalement. Les calculs en condition évaporantes ne donnent cependant pas les résultats escomptés et des pistes pour résoudre les problèmes liés à l'évaporation sont proposées
The present work particularly focuses on direct injection engines, in which combustion is determined by the characteristics of theatomisation and of the fuel spray produced by the nozzle. Previous experimental and numerical studies show that transition between the dense liquid region at the nozzle exit and the domain where the liquid is dispersed is governed by a range of mechanisms including cavitation inside the injector, aerodynamic instabilities, and turbulence. This report describes the development of an atomisation model for eulerian description of two-phase flows produced by nozzles. The eulerian-eulerian description includes a system of balance equations for each phase:liquid fuel and gas (fuel vapour and air). The amount of interfacial area perunit volume between the gas and the liquid is obtained from a balance equation whose source terms figuring on the rightand side account for production and destruction of interfacial area. A balance equation for the void fraction is used too. Both quantities allow to calculate local spray characteristics from which are deduced interfacial exchange terms between both phases. Various numerical test cases have been carried out to check the numerical implementation of the model while the simulation of droplet laden jets showed the ability of the model to deal with two-phase flows. The model is then validated against experimental results with comparisons of phase penetration in high pressure test cells under conditions close to those prevailing in direct injection diesel engines. Numerical results in evaporating conditions do not follow experimental trends but possibilities to solve the remainaining problems are proposed

Dans le cadre de la sécurité incendie, et de la prévention de départ d'un feu en environnement confiné, un objectif majeur consiste en l'amélioration des procédés d'extinction et plus précisément de la pulvérisation de brouillards d'eau qui est un moyen de lutte largement utilisé. Les simulations numériques doivent prévoir l'efficacité des brouillards en évaluant précisément l'évolution spatiotemporelle des caractéristiques du foyer incendie en présence d'un champ pulvérisé de gouttelettes. Pour déterminer les fractions massiques d'eau sous forme liquide ou vapeur, les concentrations des produits formés ainsi que les niveaux de températures en tout point du local, nous présentons ici le développement d'un modèle apte à décrire un milieu réactif dans lequel la stabilité de la flamme est altérée par la présence de gouttelettes d'eau. Un formalisme diphasique eulérien-eulérien est utilisé pour modéliser le transport des gouttelettes qui interagissent avec le milieu réactif en le refroidissant et en le diluant via l'introduction de vapeur d'eau issue du processus d'évaporation. Le modèle sousjacent est une approche de combustion à multi-fractions de mélange avec un diagramme de reconstitution des espèces mettant en compétition un domaine inflammable et un domaine non inflammable. Les modèles finalement obtenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides qui a récemment été adapté à l'étude des incendies. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données expérimentales issues de la littérature, et sur des cas test d'échelle intégrale.

L’objectif de ce travail est d’approfondir les connaissances sur les phénomènes mis en jeu lors de la combustion de carburant liquide dispersé sous forme d’aérosol. De nombreux propulseurs (moteurs de fusée, turbines à gaz, moteurs à combustion interne..) reposent sur la combustion de combustibles initialement sous forme liquide. Or, la combustion diphasique est un phénomène très complexe faisant intervenir de nombreux processus: atomisation, interaction entre gouttelettes, vaporisation, écoulement diphasique, cinétique chimique, propagation de flamme. Tous ces phénomènes étant couplés, une description complète est seulement possible par le biais de simulations numériques ; mais les investigations expérimentales sont nécessaires pour fournir des données aussi quantitatives que possible dans des configurations simples afin de proposer ou de confirmer des modèles prenant en compte ces couplages. Ainsi, des études théoriques, expérimentales et numériques, doivent être menées en parallèle pour accroître les connaissances dans le domaine de la combustion diphasique et améliorer le fonctionnement des applications actuelles. Ce travail a été initié dans le cadre du Groupement de Recherche « Micropesanteur Fondamentale et Appliquée » du CNRS et du CNES, en 2008. Il est la suite des précédents travaux sur la vaporisation et la combustion des gouttes en microgravité conduites à ICARE et soutenus par le CNES durant de longues années. Cette nouvelle étude a essentiellement porté sur la détermination expérimentale des vitesses de propagation des flammes dans un aérosol (ou brouillard). Elle s’est appuyée sur l'utilisation d’une chambre de combustion haute pression développée à ICARE. Les expériences ont été principalement conduites sous des conditions de gravité réduite, pour éviter les problèmes de sédimentation de la phase dispersée. Cet appareillage a été conçu et élaboré pour être utilisé à bord de l’Airbus A300-0g du CNES
Spray and aerosol cloud combustion accounts for 25% of the world’s energy use, and yet it remains poorly understood from both a fundamental and a practical perspective. Realistic sprays have a liquid breakup region, a dispersed multiphase flow, turbulent mixing processes, and various levels of flame interactions through the spray. Idealization of spray configurations in a quiescent environment (the starting point for models) has been impossible in 1 g due to the settling of large droplets and the buoyant pluming of post combustion gases. Testing in microgravity conditions relates to the possibility of creating aerosols without sedimentation effects. This research was to determine experimentally the flame propagation velocity in aerosols. First, the size of droplets in the aerosol was characterized using a laser diffraction particle size analyzer “Sympatec-HELOS”, and using ethanol as fuel. Second, high-Pressure combustion studies were performed using a high-Pressure combustion chamber (max pressure 12 MPa). These pieces of equipment were designed to be used in microgravity while aboard the Airbus A300-0g of the CNES. After ground tests, five parabolic flight campaigns were conducted. A systematic comparative analysis for identical initial conditions in both normal and reduced gravity was performed. The effects of initial temperature and pressure on the droplet diameter distribution of the aerosol, the effects of gravity on the flame behavior for both vapor-Air and droplet-Vapor-Air mixtures, and the effect of drops size on the flame speed and structure were all studied

Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches sur la combustion diphasique dans les chambres propulsives des moteurs aéronautiques et spaciaux. Tout d'abord, une description des techniques d'investigation existantes pour caractériser la phase liquide dispersée dans un environnement réactif et une revue des différentes approches utilisées pour la modélisation des écoulements polyphasiques sont effectuées. Le montage expérimental est ensuite présenté dans la deuxième partie. Inspire par les systèmes a ergols liquides stockables, il s'agit d'un injecteur coaxial avec, au centre, un jet liquide de monométhylhydrazine entouré par un jet annulaire d'air enrichi en oxygène. Une étude détaillée des caractéristiques du brouillard est réalisée en fonctionnement isotherme grâce à un analyseur de particules phase-Doppler. La troisième partie est consacrée au développement et à la validation d'un code de calcul pour la simulation de l'écoulement diphasique turbulent isotherme. Une formulation Eulérienne est utilisée pour les deux phases. La dernière partie décrit l'étude du brouillard en combustion. Tout d'abord des visualisations de la flamme diphasique par tomographie laser révèlent l'existence de deux modes de flamme en fonction du rapport des vitesses de sortie. Une méthode de granulométrie par numérisation et traitement d'images de films est proposée. Un modèle de combustion de brouillard est ensuite utilise pour prédire l'écoulement réactif. La comparaison des diamètres et des concentrations calculées avec les données disponibles s'avère encourageante. La simulation numérique permet enfin de proposer une explication à l'existence de régimes de combustion différents.

Les écoulements en phase dispersée sont présents dans de nombreux procédés industriels. En particulier, dans les moteurs à combustion interne ou en propulsion aéronautique et spatiale, le mélange est réalisé par injection du carburant liquide dans l’air environnant. L'efficacité de la combustion et le niveau de production de polluants dépendent très fortement de la qualité de la pulvérisation de carburant (phénomène d’atomisation). Les caractéristiques de la phase dispersée peuvent être modifiées par l'interaction du brouillard avec les parois de la chambre de combustion, processus qu’il convient de comprendre, prévoir et quantifier pour l'optimisation des performances des moteurs. Ce travail de thèse a donc consisté à étudier expérimentalement puis à modéliser les différents processus physiques liés à l’interaction entre des gouttes de carburant et une paroi chaude. Une classification des différents régimes observés est tout d’abord proposée, sur la base d’une classification existante étendue à l’aide des données expérimentales obtenues dans le cadre de cette thèse. Ensuite, une étude détaillée du régime dit de « splashing » est entreprise ; l’avancée principale de cette étude provient de l'élaboration d’une corrélation permettant de calculer la distribution en taille des gouttes secondaires générées à la suite du splashing, cette corrélation prenant en compte non seulement les caractéristiques de la goutte incidente, mais également la température de la paroi. Enfin, l’ensemble des phénomènes est intégré au sein d’un modèle global d'interaction gouttes/paroi qui permet de déterminer, pour chacun des régimes, le devenir de la goutte incidente. Ce modèle a par ailleurs été validé à l’aide de résultats expérimentaux provenant de la littérature.