conception chambre de combustion

8/19/2019 conception chambre de combustion

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CONCEPTION D’UNE

CHAMBRE DE

COMBUSTION

INNOVANTE – LA

TECHNOLOGIE T.V.C.

RAPPORT DE PROJET INNOVATION :

S3 & S4

le 8 Juin 2010

Par le groupe 11107 :

Grégoire Cane, Ying Luo, Jérôme Moiziard,

Fabien Moreno, Francisco Rodriguez

Prada, Thomas Tartière, Tairan Wang

A l’attention de M. Thierry Schuller


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Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 1

SOMMAIRE

I. OBJECTIF DU PROJET ................................................................................................................................................... 5

1.1. LE CONTEXTE .................................................................................................................................................... 5

1.2. IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET SANITAIRE DES POLLUANTS DE LA COMBUSTION ............................................................. 6

LES O XYDES D’ AZOTE (NO X ) ........................................................................................................................................ 6

LE MONOXYDE DE CARBONE (CO)................................................................................................................................. 6

LES SUIES ................................................................................................................................................................. 7

1.3. L’EVOLUTION DE LA LEGISLATION .......................................................................................................................... 7

1.4. DEFINITION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION...................................................................................................... 10

1.5. LES DIFFERENTES ETAPES DE NOTRE PROJET ........................................................................................................... 10

II. LES TECHNOLOGIES ACTUELLES DE CHAMBRE DE COMBUSTION (C.C.) ................................................................................ 12

2.1. LE FONCTIONNEMENT GENERAL .......................................................................................................................... 12

2.2. AVANTAGES / INCONVENIENTS .......................................................................................................................... 13

2.3. IDENTIFICATION DES SOURCES D’EMISSION DE POLLUANTS ....................................................................................... 15

C AS DES OXYDES D' AZOTE .......................................................................................................................................... 16

P ARAMETRES DE FORMATION DES NO X ........................................................................................................................ 17

III. L’IDEE DE LA TRAPPED VORTEX COMBUSTION (T.V.C.) ................................................................................................... 20

3.1. FONCTIONNEMENT D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FONDEE SUR LA TECHNOLOGIE TVC ............................................ 20

3.2. ASPECTS PHYSIQUES DE LA FORMATION DE VORTEX DANS UNE CAVITE ........................................................................ 21

3.3. LES DIFFERENTES GENERATIONS DE T.V.C. ........................................................................................................... 23

3.4. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE LA TECHNOLOGIE T.V.C................................................................................ 26

IV. LE DIMENSIONNEMENT DE NOTRE SYSTEME ................................................................................................................... 27

4.1. DESIGN GENERAL ............................................................................................................................................ 27

4.2. CHOIX DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT NOMINALES ..................................................................................... 27

C ALCUL DES DEBITS .................................................................................................................................................. 27

C HOIX D’ UNE RICHESSE DE FONCTIONNEMENT ............................................................................................................... 28

C ALCUL DU NOMBRE DE REYNOLDS.............................................................................................................................. 29

4.3. DETERMINATION DES GRANDEURS CLES ............................................................................................................... 29

DETERMINATION DES RAPPORTS DE DIMENSIONNEMENT .................................................................................................. 29


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C ONSERVATION DE LA PUISSANCE VOLUMIQUE ............................................................................................................... 29

RESUME DES EQUATIONS : ......................................................................................................................................... 30

4.4. POSITIONNEMENT DES INJECTEURS ..................................................................................................................... 31

4.5. DIMENSIONNEMENT DE L’ENTREE ET SORTIE PRINCIPALES ........................................................................................ 33

E NTREE D’ AIR .......................................................................................................................................................... 33

C HOIX DE LA LONGUEUR TOTALE DE LA CHAMBRE ........................................................................................................... 34

V. SIMULATION NUMERIQUE – PARTIE 1 : ÉCOULEMENT SANS COMBUSTION ........................................................................... 35

5.1. PRESENTATION DE LA MFN (OU CFD : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) .............................................................. 35

5.2. INTERETS DE LA MFN DANS NOTRE PROJET .......................................................................................................... 35

5.3. MISE EN ŒUVRE DES SIMULATIONS ..................................................................................................................... 35

UTILISATION DE G AMBIT ........................................................................................................................................... 36

UTILISATION DE F LUENT ............................................................................................................................................ 36

5.4. QUELQUES PROBLEMES RENCONTREES ................................................................................................................. 37

VI. REALISATION D’UN PROTOTYPE ................................................................................................................................... 38

6.1. BUT DU PROTOTYPE ......................................................................................................................................... 38

6.2. DESIGN ET REALISATION DU PROTOTYPE ............................................................................................................... 38

6.3. TECHNIQUES DE MESURE ET DE VISUALISATION ...................................................................................................... 40

6.4. ESSAIS SUR PROTOTYPE..................................................................................................................................... 41 MONTAGE EXPERIMENTAL ......................................................................................................................................... 41

6.5. TRAITEMENT INFORMATIQUE DES SEQUENCES VIDEOS............................................................................................. 43

E XEMPLES DE TRAITEMENTS ....................................................................................................................................... 43

LIMITATIONS DU LABORATOIRE : ................................................................................................................................. 45

1ERE

ACQUISITION : F LUX PRINCIPAL MAXIMAL ................................................................................................................ 45

2EME

ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL /INJECTION F UEL .................................................................................... 46

3EME

ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL /INJECTION F UEL / INJECTIONS AIR SECONDAIRES ............................................ 48

C ONCLUSION : CE QUE NOUS ONT APPORTE CES EXPERIMENTATIONS .................................................................................. 50

VII. REALISATION DE LA C.C. FINALE .................................................................................................................................. 51

7.1. EVALUATION DE LA TEMPERATURE DE FLAMME ..................................................................................................... 51

7.2. CAHIER DES CHARGES DE NOTRE CHAMBRE ET DU DISPOSITIF .................................................................................... 53


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7.3. CHOIX DES MATERIAUX ..................................................................................................................................... 54

7.4. DESIGN GENERAL DE LA CHAMBRE ...................................................................................................................... 54

7.5. FABRICATION DE LA CHAMBRE ET MONTAGE ......................................................................................................... 56

VIII. MISE EN PLACE DU DISPOSITIF ET DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL ....................................................................................... 58

8.1. MISE EN PLACE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 58

8.2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL ............................................................................................................................... 63

IX. ANALYSE DES RESULTATS ET CONCLUSION SUR LE FONCTIONNEMENT DE NOTRE CHAMBRE ...................................................... 64

9.1. RESULTATS EXPERIMENTAUX .............................................................................................................................. 64

9.2. LIMITES D'ALLUMAGE ....................................................................................................................................... 64

9.3. CARACTERISTIQUES DE LA COMBUSTION ............................................................................................................... 65

9.4. CONCLUSION SUR LES ESSAIS REALISES ................................................................................................................. 70

9.5. SIMULATION NUMERIQUE ET COMPARAISON AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ............................................................ 72

X. CONCLUSION DE NOTRE TRAVAIL DE L’ANNEE................................................................................................................. 77

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................................................ 78

ANNEXES ........................................................................................................................................................................ 80

ANNEXE 1 : PROGRAMME DE CALCUL DE LA TEMPERATURE ADIABATIQUE ................................................................................ 80

ANNEXE 2 : GAMME DE DEBITS TESTES SUR LA CHAMBRE DE COMBUSTION .............................................................................. 82


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REMERCIEMENTS

Notre deuxième année à l’école Centrale Paris touche à sa fin. Celle-ci a été rythmée par notre projet innovationentrepris en septembre et venant succéder à un projet Enjeu dédié aux chambres de combustion de micro

turbines. Ce projet fut pour nous tous très instructif autant sur le plan scientifique qu’humain. Il n’aurait jamais pu

être réalisé sans l’aide des encadrants et autres intervenants.

Nous remercions tout particulièrement Thierry Schuller du laboratoire EM2C qui fut un des initiateurs du projet. Il

nous a accompagné en tant qu’encadrant du projet et a su nous guider sur le plan théorique et nous orienter vers

les bonnes personnes.

Nous remercions grandement les techniciens du laboratoire EM2C qui nous ont permis, grâce à leurs compétences

techniques, d’avancer rapidement sur nos réalisations pratiques. Sans Alain Walton, Erika Jean-Bart, Sid

Bouamama et Samira El Ghazi, aucune de nos expériences n’aurait pu être mené à bien.

Merci à Daniel Durox, du laboratoire EM2C, qui nous a apporté ses lumières concernant la visualisation des

écoulements par nappe Laser et l’analyse de nos résultats.

Merci aux chercheurs et aux thésards du laboratoire EM2C pour nous avoir présenté leur travail. Cela nous a

permis d’avoir une meilleure idée des contraintes qu’une chambre de combustion en fonctionnement pouvait

présenter. Nous n’oublierons pas non plus l’aide précieuse que nous a fournis Amar Lamraoui dans la fabrication

pratique de notre chambre.

Merci à l’Ecole Centrale pour nous avoir offert un tel cadre de travail et les crédits nécessaires à la réalisation du

projet.

Nous remercions aussi Nasser Darabiha et Benoit Fiorina pour leur encadrement du cours de Modélisation de la

Combustion. Ils nous ont permis de comprendre les difficultés et les enjeux de l ’utilisation de la simulation

numérique.

Merci à ce dernier pour son encadrement des projets innovations pour le département Énergie ainsi qu’à tous les

membres du jury qui ont eu l’obligeance de se déplacer. Nous savons que vous saurez juger notre travail et notre

implication à sa juste valeur.

Finalement, nous remercions tous du fond du cœur nos familles qui seront toujours présentes pour nous aider.


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I.

OBJECTIF DU PROJET

1.1.

LE CONTEXTE

L’une des technologies les plus intéressantes pour utiliser des ressources énergétiques de moindre qualité comme

le pétrole ou le charbon pour la génération d’électricité se nomme IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle

ou Cycle combiné à gazéification intégrée).

Il s’agit d’un type de centrale électrique utilisant des carburants solides tels que le charbon. Ces centrales se

caractérisent par une opération de gazéification, qui convertit la matière première en un gaz combustible (gaz de

synthèse ou syngas) pour alimenter une centrale électrique à cycle combiné.

Les turbines à gaz disponibles sur la marché ont été initialement développées pour l’utilisation de gaz naturel mais

en les utilisant dans des centrales IGCC on cherche désormais à y brûler des syngas (gaz de synthèse), riche en

hydrogène et à faible valeur calorifique (100-300 BTU/scf contre 800 à 1200 BTU/scf pour le gaz naturel). Cela

entraine l’augmentation de la masse du flux dans l’engin et peut poser problème, la plupart des turbines à gaz ne

pouvant supporter cette surcharge.

Une centrale à gazéification intégrée a des niveaux d’émission de polluants locaux tels que les SO2, NOx, ozone,

mercure, microparticules et composés organiques, plus bas que les meilleures centrales à chaudière, approchant

le niveau d’une centrale au gaz naturel.

Les Dry Low NOx (DLN) combustors obtiennent des émissions de NOx inférieures à 10 ppm ( partie par million, sec,

à 15% d’oxygène) avec du gaz naturel. Ils reposent sur le principe de pré-mélange de l’air et du gaz naturel quidiminue la température de la flamme et par là même freine la formation de NOx. Ce principe ne peut être utilisé

avec le syngas, à cause de la haute teneur en hydrogène et du risque de retour de flamme dans le système

d’injection. Ainsi, les émissions de NOx des chambres de combustion à syngas sont au mieux entre 10 et 20 ppm.

Une méthode de post-combustion pourrait être utilisée pour aller plus loin vers la diminution des NOx. Mais la

méthode SCR la plus répandue est efficace pour les gaz naturels sans sulfure, alors que les syngas en contiennent.


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La récente technologie Trapped Vortex Combustion pourrait apporter une réponse à ce problème, en améliorant

l’efficacité, la réduction des émissions, la stabilité de flamme, la diversité des carburants et le coût des turbines à

gaz IGCC.

Initialement développé pour le secteur aéronautique, ce n’est qu’au début des années 2000 que l’intérêt de ce

système est apparu pour des applications industrielles comme l’incinération, la génération d’électricité ou le

chauffage industriel.

En 2005, des taux d’émissions de NOx inférieurs à 3 ppm ont ainsi été atteints avec une turbine à gaz TVC dans

des conditions d’utilisation industrielle, tout en conservant des émissions de CO acceptables (20 ppm).

1.2.

IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET SANITAIRE DES POLLUANTS DE LA COMBUSTION

LES OXYDES D’AZOTE (NOX)

Les NOx sont des polluants atmosphériques qui contribuent notamment aux pluies et dépôts acides, au smogphotochimique, à l’effet de serre et à l’appauvrissement de l’ozone stratosphérique.

La pollution acide a ensuite des répercussions néfastes sur les métaux (corrosion) ainsi que sur les écosystèmes

forestiers (dégâts sur les végétaux) ou sur les écosystèmes d’eau douce.

Les NOx ont des effets directs sur l’atmosphère principalement dans deux régions :

Troposphère (10 à 15 km) où la température peut atteindre 240K : les NOx contribuent à la

formation d’ozone en présence de l’énergie apportée par le rayonnement UV ce qui conduit au

smog photochimique.

Stratosphère (15 à 50 km) où la température remonte jusqu’à 270K : NO participe à la

destruction de l’ozone stratosphérique.

Les NOx entrainent ainsi la formation d’ozone dans les couches basses de l’atmosphère et sa disparition dans les

couches hautes.

Au niveau de la santé humaine, les NOx affectent la respiration, en entrainant une hyperréactivité des bronches

chez les sujets sensibles comme les asthmatiques. De plus, le monoxyde d’azote passe dans les alvéoles

pulmonaires et se dissout dans le sang ou il limite la fixation de l’oxygène sur l’hémoglobine : les organes sont

alors moins bien oxygénés. Notons également que le dioxyde d’azote est dix fois plus toxique que le monoxyde de

carbone.

LE MONOXYDE DE CARBONE (CO)

Le monoxyde de carbone est l’un des polluants atmosphériques les plus répandus. Il résulte de la combustion

incomplète de composés organiques carbonés.

Le CO est incolore, inodore et très toxique. En réagissant avec l'hémoglobine du sang, il bloque le transfert de

l'oxygène dans l'organisme. La limite pour la protection de la santé humaine est de 10mg/Nm3 pour le maximum

journalier de la moyenne sur 8h.


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La constante d'équilibre de la dissociation de CO2 en CO est endothermique, donc fonction croissante de la

température. L'énergie libérée par l'oxydation du carbone est moins élevée que lors d'une combustion complète.

LES SUIES

Les suies sont un ensemble de particules de carbone résultant de la combustion incomplète de combustiblesfossiles. Cela se produit lorsque la flamme se stabilise dans des régions pauvres en oxygène.

1.3. L’EVOLUTION DE LA LEGISLATION

La législation sur les émissions de polluants évolue et devient de plus en plus sévère au fur et à mesure que la

compréhension de leur impact sur l’environnement et la santé progresse. Elle tient également compte des progrès

techniques réalisés en matière de captage ou de diminution de ces émissions. L’Union Européenne élabore ainsi

des directives de plus en plus contraignantes se fondant sur le concept de « meilleure technologie

disponible n’entrainant pas de coût excessif ».

UNITES ET CONVERSION

Les limites d’émission de polluants sont le plus souvent exprimées en mg/Nm3, alors que les analyses sont en ppm

(partie par million en volume, ce qui équivaut d’après la loi des gaz parfait à des ppm en moles). La relation de

passage s’écrit :

3 = .

22,4

Avec M la masse molaire du composé gazeux en g.mol-1

et 22,4 le volume molaire normal en L.mol-1

(10 –3

m3.mol-1

).

Dans le cas particulier des NOx, les concentrations sont exprimées en mg NO2/Nm3.

Pour les chaudières ou incinérateurs, les valeurs limites d’émission sont rapportées à des fumées considérées à

l’état sec (sans vapeur d’eau), avec une concentration en oxygène de référence Or (% d’O2 en volume). Cela

permet d’éviter toute diminution des concentrations de polluants par dilution des fumées avec de l’air.

Les mesures réelles faites sur les dégagements gazeux des installations, en mg/m3 réel humide contenant une

valeur Om de O2 sur base sèche doivent être corrigées avant d’être comparées aux normes d’émissions imposées.

La formule suivante donne la correction :

3 sec à % 2 =

3 é .

273 + 273 .

1013

.100

100 − % 2 .21 − 21 −

Avec :

et (°) Conditions de pression absolue et de température réelles du gaz à l’endroitde la mesure

% 2 La teneur en vapeur d’eau réelle de la fumée


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et % en volume d’oxygène mesuré en réalité et utilisé comme référencerespectivement.

DIRECTIVE EUROPEENNE POUR LES GRANDES INSTALLATIONS DE COMBUSTION

La directive 2001/80/CE reprend les directives 88/609/CEE et 94/66/CE et limite les émissions de polluants

provenant des grandes installations de combustion. Ces limites sont fonction de la puissance de l’installation, du

type de combustible et de la date de construction.

Puissance (MWth) Combustibles Type d’installation Norme (mg/Nm3) Norme après le 1er

Janvier 2016 (mg/Nm3)

50 à 500>500

Solides

* 600500

600200

50 à 100100 à 300

>300

** 400200(biomasse 300)200

50 à 500>500

Liquides

* 450400

50 à 100100 à 300>300

** 400200200

50 à 500>500

Combustiblesgazeux

* 300200

50-300>300

** 200 (gaz naturel150)200 (gaz naturel100)

Pour turbines à gaz(teneur en O2: 15%,P>50MWth)

Combustiblesliquides (distillatslégers et moyens)

** 120

Combustiblesgazeux

120 (gaz naturel 50)

Tableau 1 : Valeurs limites d'émission de NOx pour les grandes installations de combustion (Thomas, 07/2009)

Pour les installations existantes (autorisation de construction ou d’exploitation antérieure au 1er

juillet 1987) et

pour les nouvelles installations (autorisation de construction ou d’exploitation postérieure au 1er

Juillet 1987 et

antérieure au 27 novembre 2002

Pour les nouvelles installations dont l’autorisation de construction ou d’exploitation est postérieure au 27

novembre 2002 à l’exception des turbines à gaz.

INCINERATION DES ORDURES MENAGERES

Depuis 2002 (2005 pour les installations existantes), les incinérateurs d'ordures ménagères doivent respecter la

directive européenne 2000/76/CE du 04/12/2000. Outre les polluants classiques (poussières, métaux, HCl, HF,


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SO2, COV, CO), ce texte vise plus particulièrement les NOx et les dioxines / furannes en instaurant des valeurs

limites d'émissions.

Type d’installation Capacité nominale Norme (mg/Nm3)

Existantes >6 t/h 200

Existantes


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Elle cible particulièrement les véhicules équipés d’un moteur diesel, qui auront l’obligation de réduire leurs

émissions de NOx de manière importante. Pour les voitures et autres véhicules destinés au transport, ces

émissions seront limitées à 80mg/km (moins de 50% de la norme Euro5). Les émissions combinées

d'hydrocarbures et d'oxydes d'azote provenant des véhicules diesel seront également réduites, pour être

plafonnées, par exemple à 170 mg/km en ce qui concerne les voitures et autres véhicules destinés au transport.

1.4.

DEFINITION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION

La plupart du temps, les C.C. s’inscrivent dans un ensemble plus grand qui est la turbine à gaz. Cette turbine à gaz

permet soit, par la rotation d’un arbre central, la production d’énergie, soit la propulsion par projection.

Comme son nom l’indique, au sein de la C.C. se produit la combustion d’un combustible gazeux (méthane,

propane) ou liquide pulvérisé (kérosène, ou autre hydrocarbure). Le flux d’air traversant la chambre joue le rôle de

comburant et de vecteur d’énergie. Le but d’une C.C. est de chauffer (donner de l’énergie) de manière optimale au

gaz la traversant.

Afin d’optimiser le rendement de la machine thermique utilisant cette source chaude qui est l’air chauffé dans la

C.C., cette dernière est encadrée par un turbocompresseur. L’air atmosphérique est aspiré et comprimée dans le

compresseur. Ensuite, l’air entre dans la chambre de combustion, pour y être chauffés. Les gaz de combustion à

haute pression sont détendus dans une turbine de détente qui fournit du travail dont une part pour entraîner le

compresseur, d’autre part pour entrainer l’arbre principal.

Paramètres important auxquels une bonne C.C. doit répondre (Renaud, 02/2009) :

- Assurer une combustion complète du combustible

- Réduire les émissions de polluants

- Minimiser la perte de charge (qui représente ensuite un surcroit de compression)

-

Assurer une bonne stabilité de la flamme

-

Occuper un volume aussi réduit que possible tout en permettant un bon refroidissement des parois.

Nous veillerons le long de notre projet à respecter ces critères le mieux possible.

1.5.

LES DIFFERENTES ETAPES DE NOTRE PROJET

Nous venons de le voir la problématique des polluants dans une centrale de production d’énergie ou dans tout

autre dispositif faisant intervenir la combustion d’un hydrocarbure est une problématique cruciale dans la

préservation de notre environnement. Lors de ce projet, nous nous sommes tout d’abord aux technologiesexistantes de chambre de combustion afin d’en comprendre les mécanismes de génération de polluants afin de les

réduire. Un design innovant de chambre de combustion a récemment émergé et a fait ses preuves en terme

d’émission de polluants comme les oxydes d’azote.

Notre objectif est donc de définir et de fabriquer une telle chambre pour en mesurer ses performances. Suite à un

dimensionnement préalable, nous avons fait le choix de le valider à froid à l’aide d’un prototype. Des résultats


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concluants ont clôturé la première période du projet fin Janvier. En S4, nous avons réalisé en dur cette chambre

pour y faire des essais et des mesures en fonctionnement.

En parallèle à cella, un important travail de simulation numérique a été mené afin de confirmer notre

dimensionnement fait à froid en simulant la combustion. Une estimation des divers paramètres nous a permis de

d’évaluer les zones de forte émission de polluants et donc d’encore optimiser le design de notre chambre.


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II . LES TECHNOLOGIES ACTUELLES DE CHAMBRE DE COMBUSTION (C.C.)

2.1.

LE FONCTIONNEMENT GENERAL

Une chambre de combustion se retrouve le plus souvent dans un cycle de puissance traversé par un fluide, dont

l’objectif est de fournir un travail mécanique à la sortie, par exemple sous forme de poussée dans l’aéronautique,pour la propulsion des avions.

Étant un composant d’un système plus global (un turboréacteur par exemple), elle s’insère dans le sous -système

du turbocompresseur. Recevant en amont un flux d’air sous pression ayant traversé par plusieurs étages de

compression, elle délivre en aval un flux d’air hautement énergétique qui va ensu ite entraîner les aubes de la

turbine pour fournir un travail permettant notamment d’entraîner le compresseur précédemment cité (voir

schéma).

Figure 1 : Schéma d'un turboréacteur

A présent, concernant le principe de fonctionnement de la chambre de combustion proprement dit, elle va jouer

un rôle déterminant dans le cycle global, notamment parce qu’elle va avoir une forte influence sur le rendement

total de l’installation.

En effet, a lieu en son sein la réaction de combustion entre le comburant (l’air prélevé à l’extérieur le plus souvent)

et le combustible (souvent du carburant, du méthane dans le cadre de notre projet). L’air est injecté à plusieurs

endroits, au moyen des orifices primaires et de dilution. Il est alors mélangé au fuel introduit dans la chambre par

des injecteurs, enfin une bougie d’allumage permet à la réaction de combustion de se produire. La chambre est

alors le siège de réactions très exothermiques et doit pouvoir résister à de fortes contraintes de pression et detempérature. Son dimensionnement doit alors être réalisé en conséquence.

Les gaz émis, produits de la combustion, sont ensuite évacués vers la turbine avale après avoir été dilués avec un

débit d’air froid entrant par les orifices de dilution (voir Figure 2).


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Fuel Air Gaz brûlés

Figure 2 : Eléments d'une chambre de combustion et mouvements fluides

En plus de son rôle d’apport énergétique au fluide traversant le turboréacteur, la chambre de combustion se doit

de respecter certaines contraintes dues aux exigences économiques, environnementales et de sécurité.

Ainsi, les principaux critères d’évaluation du fonctionnement de la chambre sont :

- Faible consommation en fuel

- Faible émission de gaz polluants

- Flamme stabilisée (risque de soufflement)

Les technologies actuelles qui sont utilisées dans l’industrie y répondent du mieux possible, mais l’optimum ne

semble pas encore atteint puisque certains points sont encore perfectibles (émissions polluantes notamment).

2.2.

AVANTAGES / INCONVENIENTS

Nous pouvons notamment citer à titre d’exemple la technologie swirl burner, très répandue dans l’aéronautique

(voir Figure 3 : Présentation de la technologie Swirl Burner).


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Recirculation de gaz chauds Recirculation de l’écoulement rotatif

Figure 4 : Simulation numérique des écoulements dans une C.C. de première génération (Laboratory of Thermal Engineering)

Aujourd’hui, le swirl burner a 40 ans et pourtant, tous les aspects scientifiques n’en sont aujourd’hui pas

complètement compris, et l’on se fie à des règles empiriques.

On peut en dresser le tableau des principaux avantages et inconvénients :

Avantages Inconvénients

Technologie rodée Technologie complexe

Bonne stabilisation de la flamme Perfectibilité au niveau de la consommation en fuel

Perfectibilité au niveau des gaz polluants

Un seul point de fonctionnement

2.3.

IDENTIFICATION DES SOURCES D’EMISSION DE POLL UANTS

La maitrise de la formation des polluants dans les foyers constitue un enjeu majeur depuis plusieurs années. Les

polluants sont des composés formés en petites quantités durant la combustion, comme le monoxyde de carbone

ou les suies. Nous n'aborderons pas ici la formation des oxydes de souffre, qui survient uniquement dans le cas où

le combustible contient déjà des atomes de souffre.


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CAS DES OXYDES D'AZOTE

Les oxydes d’azote NOx sont l’un de ces polluants, particulièrement nocif pour la santé et possédant un rôle

important dans la chimie de l’atmosphère, ce qui entraine des conséquences environnementales non négligeables.

MECANISMES DE FORMATION DE NO EN COMBUSTION (Darabiha, Esposito, Lacas, &

Veynante, 2004)

Les principaux oxydes d’azote formés par les unités de combustion sont :

- NO, pour plus de 95% des NOx émis par une cheminée.

- NO2, résultant de l’oxydation à basse température de NO par l’oxygène résiduel des fumées, moins de 5%

des NOx émis.

- N2O, quelques ppm pour les chaudières classiques.

Avec les combustibles qui ne contiennent pas d’atomes d’azote, l’oxyde d’azote est formé par trois mécanismes

faisant intervenir l’azote de l’air :

Mécanisme de Zel’dovich (Thermique)

Mécanisme par l’intermédiaire de N2O : important dans la combustion pauvre et à basse température.

Mécanisme de Fenimore (Précoce)

Si le combustible contient des atomes d’azote, il faut rajouter un quatrième mécanisme, qui est le « Fuel-NO » (ou

NO du combustible).

NO-Précoce (prompt NO):

Formation par attaque de l’azote de l’air. Très rapide et peu sensible à la température. Les réactions ont lieu tout

au début de la flamme (dans le front), dans les zones actives où le NO-thermique n’a pas encore eu le temps de se

former. Le NO précoce est présent en quantité faible dans les fumées (5 à 10%).

NO-Thermique (thermal NO) :

La formation de NO par ce mécanisme est couplée au mécanisme de combustion du carburant. Il s’agit de la

rupture de la liaison azote-azote de l’air. L’énergie d’activation de ce mécanisme est relativement élevée, donc est

très dépendant en température. Il devient efficace à partir de 1800K et a lieu derrière le front de flamme. La

vitesse de réaction augmente avec la température et diminue en présence d’un excès d’O 2 car la flamme est

refroidie.

NO du combustible (fuel NO) :

Certains combustibles comme le charbon contiennent des atomes d’azote dans leur structure élémentaire. Avecces hydrocarbures, l’azote du carburant se transforme rapidement en HCN, puis la suite du mécanisme estsimilaire à NO-précoce. Le taux de formation de fuel NO est nettement plus important que celui de NO-thermique,allant parfois jusqu’à 60 à 75% du NO émis par la flamme de charbon.


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PARAMETRES DE FORMATION DES NOX

Les tentatives de diminution des émissions de NOx passent notamment par un meilleur contrôle de la

combustion. Il est ainsi vital de déterminer l’impact de différents paramètres comme la température, la richesse

du mélange ou la pression sur les mécanismes de formation des NOx évoqués précédemment.

La Figure 5 donne un aperçu de la formation de NO en fonction de la température :

Figure 5 : Formation des NOx en fonction de la température (Thomas, 07/2009)

Globalement, plus la température augmente, et plus les niveaux d’émission sont hauts.

La Figure 6 représente les résultats de mesures effectuées dans des flammes de pré-mélange CH4-air stabilisées à

pression atmosphérique (Nishioka, Nakagawa, Ishikawa, & Takeno, 1994). Le mécanisme thermique prédomine

dans la majeure partie du domaine de richesse. Cependant, en milieu riche, la diminution de la température et la

formation importante des radicaux CH favorisent le mécanisme du NO « précoce ». En milieu très pauvre,

l’importance relative du mécanisme via N2O augmente.


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Figure 6 : Formation des NOx en fonction de la richesse (Vovelle, 11/2004)

L’indice d’émission représente la masse de NO émise par kilo de CH4 consommé.

Les décisions à prendre pour limiter la formation de NO-thermique sont ainsi:- Diminuer la température du milieu-

Réduire la concentration en oxygène- Limiter la présence d’azote moléculaire N2

Pour limiter la formation de NO du combustible :- Choix du combustible- Reformulation, dénitrification du combustible

Pour limiter la formation de NO-précoce :

-

Limiter la quantité de combustible (stœchiométrie proche de 1)- Choix du combustible

Influence de la pression :

La pression joue un rôle important dans certaines installations industrielles. Des études ont ainsi été menées pour

en évaluer l’impact sur la formation des oxydes d’azotes. (Reisel & Laurendeau, 1994) ont étudié des flammes pré-

mélangées C2H6/O2/N2 entre 3.05 et 14.6 atm dans un domaine de richesse compris entre 0.6 et 1.5. On observe

sur la Figure 7 qu’à pression constante, la concentration de NO passe par un maximum lorsqu e la richesse varie.

De plus, la richesse correspondant au maximum diminue lorsque la pression augmente.


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Figure 7 : Influence de la pression sur l'émission de NOx (Vovelle, 11/2004)

Globalement, l’indice d’émission de NO augmente avec la pression.


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III. L’IDEE DE LA TRAPPED VORTEX COMBUSTION (T.V.C.)

3.1.

FONCTIONNEMENT D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FONDEE SUR LA

TECHNOLOGIE TVC

On l’a vu, le principe d’une chambre de combustion est de créer une « zone de recirculation » (i.e. une zone defaible vitesse) dans l’écoulement pour, tout en maintenant un débit d’air suffisant pour atteindre la puissance

ciblée, ne pas souffler la flamme. Si ce but était déjà atteint par les « swirleurs », l’évolution des normes et surtout

la complexité des pièces mécaniques nécessaires à la création des tourbillons par cette méthode invitent à

développer de nouveaux procédés pour les engendrer.

La méthode « Trapped Vortex Combustion » permet de résoudre ces deux écueils : en piégeant la flamme dans

une simple cavité, on peut maintenir des débits très élevés tout en améliorant la combustion, et donc en émettant

moins de polluants.

Le TVC crée donc dans une ou plusieurs cavités les zones de recirculation nécessaires à l’allumage et au ma intien

de la flamme. Voir Figure 8.

Figure 8 : Schéma de principe d’un TVC : la combustion a lieu dans les cavités

Certaines formalités de conception doivent être respectées pour assurer le bon fonctionnement de la chambre :

L’échange de matière entre la cavité et l’écoulement principal est trop faible pour homogénéiser la richesse. La

flamme risque de s’éteindre si l’on n’injecte pas directement un flux d’air et de carburant dans la cavité.

De plus, la géométrie de la chambre doit permettre l’apparition de tels tourbillons. Nous verrons dans la partie

suivante les conditions sur les ratios de longueur qui permettent de les produire.

Introduisons le vocabulaire (anglais) que nous utiliserons par la suite pour nous référer au TVC : la partie de la

cavité qu’atteint l’écoulement en premier est nommée « Forebody », celle qu’elle atteint en second s’appelle

« Afterbody ».


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3.2.

ASPECTS PHYSIQUES DE LA FORMATION DE VORTEX DANS UNE CAVITE

Le fonctionnement d’une chambre de combustion fondée sur la technologie TVC s’appuie sur le piégeage de

tourbillons dans des cavités. Pour en réaliser une, nous devons donc nous intéresser aux conditions de formation

de tels écoulements et à leur maintien en vue de créer des zones de recirculation où la flamme pourra être

stabilisée.

L’étude des écoulements aux abords des cavités est un sujet de recherche assez ancien, et l’on peut trouver dans

la littérature de nombreuses références qui décrivent ce phénomène de manière exhaustive.

Ces écoulements sont entièrement caractérisés par la géométrie de la chambre, notamment par deux ratios : et

. Examinons l’influence de chacun de ces rapports.

Plusieurs modes existent, fonctions du rapport . Le schéma ci-contre (Ben-Yakar & Hanson, 07/2001) indique les

caractéristiques de chacun de ces modes. De cavités « ouvertes » pour < 7 ~ 10, on passe à des cavités

« fermées » pour > 10 ~ 13 c’est-à-dire où l’écoulement principal atteint le fond de la cavité.

De même, le rapport influe sur la stabilisation des tourbillons au sein des cavités. L’a rticle « Locked

vortex afterbodies » (Little & Whipkey, 05/1979) présente les principales caractéristiques géométriques des

cavités pour assurer un tourbillon piégé.

Le coefficient de traînée est le paramètre déterminant la présence du vortex au sein de la cavité. Pour un rapport donné, sa minimisation donne le rapport

optimum pour piéger le tourbillon au sein de la cavité.

Dans l’article (Little & Whipkey, 05/1979), des visualisations d’écoulements pour une géométrie cylindrique et

pour = 0,75 sont données. On remarque que pour = 0,60 le coefficient est minimum, et lestourbillons apparaissent de manière remarquable.


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24/85


En se fondant sur les résultats de cet article, on se fondera donc sur :

= 0,75 = 0,6

3.3. LES DIFFERENTES GENERATIONS DE T.V.C.

Les phénomènes de Trapped Vortex (tourbillons piégés) étaient connus depuis des années pour réduire la traînée

aérodynamique. Les caractéristiques géométriques nécessaire pour produire un vortex piégé dans le cadre de la

combustion sont les mêmes que ceux utilisés pour minimiser la traînée. En 1995, Hsu fut le premier à publier un

rapport au sujet de cette technique de T.V.C. permettant de stabiliser les réactions de combustion dans les

turbines à gaz pour des applications de propulsion. Dès lors, plusieurs articles et brevets ont décrit les résultats del'utilisation de ce concept de combustion en cavité permettant d’atteindre une combustion stable et de faibles

émissions de polluants.

Les premières recherches, effectuées notamment par l’Air Force Research Laboratory (AFRL), étaient plutôt

concentrées sur les turbines à gaz militaires servant à la propulsion aéronautique, qui brûlaient du combustible

liquide. Ensuite, grâce aux travaux de plusieurs centres de recherche : NASA, General Electric, DOE National Energy

Technology Laboratory, Ramgen Power Systems, etc., la technologie TVC a évolué vers quatre générations.


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La première génération de TVC est représentée Figure 9. La cavité est formée entre les deux disques en tandem.

Cette chambre est composée d’une partie fixe, le Centerbody et de deux parties mobiles : le Foreboby et

l’Afterboby. Ceci permet de changer la distance entre les deux disques qui forment la cavité et qui sont

perpendiculaires à l’écoulement. Le flux principal d'air est injecté par le Forebody, mais le fuel et l'air sont injectéspar la surface de l’Afterbody. Les expériences de Hsu montrent qu'il existe certains rapports entre ces trois

longueurs (la distance entre le Forebody et l’Afterbody, le diamètre du Forebody et le diamètre de l’Afterbody)

permettant de diminuer la perte de charge et de stabiliser la flamme. De plus, ce modèle augmente l'efficacité de

combustion et diminue l'émission de NOx. La faiblesse principale de ce système est qu'il n'y a pas beaucoup

d'échange de masse et d'énergie entre la zone de cavité et la zone primaire. Cela aboutit à ce que la température

de la zone primaire n'est pas assez haute et la combustion est limitée à la zone près de l’Afterbody. (Hsu, Goss, &

Roquemore, 1998)

La deuxième génération met en jeu une configuration axisymétrique « de type cannette » avec la cavité autour de

la zone primaire. Par rapport à la première génération, ici l'injection decarburant et d’air se fait à la fois par la

surface aval de la cavité et par le flux d’air principal. Les résultats obtenus donnent une amélioration de l'efficacité

de combustion et un bon LBO (Lean Blow Out). (Roquemore, Shouse, & al., 01/2001)

Figure 9 : AFRL Première Génération de TVC

Figure 10 : AFRL Deuxième Génération de TVC


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La troisième génération a une structure relativement simple, en rectangle. Mais elle est conçue pour avoir deux

vortex dans chaque cavité à l'aide d’entrées de fuel et d’air par des trous bien posit ionnés. Cette génération nous

donne un LBO supérieur de 50% par rapport au C.C. classiques basées sur la technologie Swirl Stabilized

Combustor. L'émission de NOx vaut seulement 40%-60% des normes de l’ICAO (U.N. International Civil Aviation

Organization). Le rendement de combustion est maintenu à plus de 99% sur une plage d’exploitation 40% plus

large qu'une C.C. à gaz classique. (Burrus, Johnson, Roquemore, & Shouse, 2001)

Basé sur la troisième génération, une nouvelle chambre a été construite : RQL/TVC (Rich Quench Lean). Elle utilise

une plaque à trous au lieu d'un « flamme holder » (formes géométriques permettant de stabiliser la flamme) à

l’entrée de la chambre. En réglant l'entrée de fuel, ce modèle peut dim inuer encore l'émission de NOx. (Straub,

Casleton, Lewis, Sidwell, Maloney, & Richards, 2003)

Figure 11 : GE troisième Génération de TVC

Figure 12 : NETL RQL TVC


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3.4.

AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE LA TECHNOLOGIE T.V.C.

Il semble que la technologie TVC soit en passe de dépasser sur de nombreux points les performances des systèmes

précédents. Cependant, il est encore impossible de prévoir, par calcul, les caractéristiques et les performances

d’un nouveau système.

L’implémentation de cette nouvelle technologie (sous réserve de résultats expérimentaux et de prototypes

probants) resterait soumise à des campagnes d’essais longues et coûteuses. En effet, l’innovation dans ce secteur

de l’industrie se fait traditionnellement par optimisation incrémentales et modifications successives. La

technologie TVC quant à elle, nécessiterait une refonte complète des systèmes et moteurs existants.

A titre d’exemple, le moteur cléo-fonte de 1950 qui a équipé la première 4CV de RENAULT anime encore

aujourd’hui la Twingo (il a certes été modifié depuis, mais garde fondamentalement son principe de

fonctionnement originel).

Précisons maintenant dans le tableau suivant les avantages et inconvénients de la technologie TVC.

Avantages Inconvénients

Plus faible consommation en fuel Implémentation difficile

Plus léger Pour les écoulements compressibles, la traînée et lespertes de charge augmentent

40 à 60% moins polluant Nécessité d’injections intra-cavité(peu d’échange de chaleur et de matière avec

l’écoulement central)

Stabilisation de la flamme optimisée

Processus de stabilisation moins complexe

Tableau 3 : Avantages et inconvénients de la technologie TVC


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IV . LE DIMENSIONNEMENT DE NOTRE SYSTEME

4.1.

DESIGN GENERAL

Compte tenu des diverses générations de T.V.C., nous avions le choix entre plusieurs géométries de chambre. Lesdeux principales sont les géométries circulaires, comme dans la première et deuxième génération, et

parallélépipédiques, comme dans la troisième génération. Deux facteurs nous ont fait penché pour cette dernière

géométrie : d’une part car la bibliographie la concernant était plus importante et qu’elle a donc profité des

conclusions des recherches sur les générations précédentes, et d’autre part car il est beaucoup plus pratique de

faire des mesures sur une chambre de forme parallélépipédique et qu’elle est plus facile à réaliser.

Voici un schéma d’une coupe de notre chambre avec les notations utilisées ensuite pour le dimensionnement.

Figure 13 : Schéma de coupe de notre chambre

4.2.

CHOIX DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT NOMINALES

CALCUL DES DEBITS

On se fixe une puissance de fonctionnement de = 5.On en déduit le débit de fuel nécessaire = = 1.1 0−4. −1

é = 50,01 .−1 Globalement nous allons travailler à une richesse globale Φ = 0,7, Cette valeur est justifiée dans le paragraphesuivant.


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Ceci nous donne un débit d’air global : = . = 2,46. 10−3. −1 , avec = 0,058 : rapport de mélangestœchiométrique.

CHOIX D’UNE RICHESSE DE FONCTIONNEMENT

La Figure 14 (Vovelle, 11/2004) représente l’évolution des concentrations de NO lors de la combustion de

mélanges CH4-air, à pression atmosphérique, dans un réacteur auto agité par jets gazeux (Nichol, Steele, Marinov,

& Malte, 1995).

Cette étude montre que l’on a intérêt à

travailler à des richesses globales

inférieures ou égales à 0,7.

Ce choix est à mettre en parallèle avec

les émissions de CO et le rendement

de combustion.

Les études menées sur les chambres

de combustion TVC chez Ramgen

(Edmonds & Steele, 07/2003)

montrent en effet qu’en dessous de

0,65 il y a une diminution nette du

rendement de combustion.

Figure 14 : Importance relative des mécanismes de formation des NOx.

Figure 15


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CALCUL DU NOMBRE DE REYNOLDS

On souhaite conserver le nombre de Reynolds entre notre expérience et la plupart des autres manipulations

réalisées jusqu’à présent. Dans la littérature, on trouve un nombre de Reynolds de fonctionnement aux alentours

de 300 000.

Calcul de = . = ∙ .

= 4. Ρ =4..

2.(+ ) =2..

(+ ) avec H : hauteur de l’entrée et Lp : largeur d’entrée

On remplace . = dans le Reynolds : =2

.(+ ) =266

(+ ) avec = 1,85. 10−5.−1. −1 à 300

4.3. DETERMINATION DES GRANDEURS CLES

DETERMINATION DES RAPPORTS DE DIMENSIONNEMENT

Trois rapports caractéristiques du système sont définis d ’après des expériences existantes. Tout d’abord, en se

fondant sur les travaux de (Little & Whipkey, 05/1979) et de (Xing, Fan, & Yang, 08/2009) :

10 = 0,75 ;

20 = 0,6

Pour ces valeurs, reprises par (Sturgess & Hsu, 10/1998), il a été démontré que la perte de charge est minimale,

que le vortex est bien centré dans a cavité et qu’il a la plus petite période de révolution.

Le rapport 0 provient aussi de la literature. Nous trouvons un rapport très constant entre les différentesexpériences :

Référence bibliographiques : H/D0

凹腔油气匹配对驻涡燃烧室点火性能影响试验 0,6855

凹腔驻涡模型燃烧室内涡的演化发展 0,70

驻涡燃烧室设计与试验验证研究 0,6818

Nous avons donc choisi :

0= 0,67.

CONSERVATION DE LA PUISSANCE VOLUMIQUE

Une dernière équation va nous permettre de trouver toutes les grandeurs nécessaires au dimensionnement. Nous

avons calculé les rapports puissance délivrée par la chambre, volume de la chambre pour plusieurs expériences et

nous avons trouvé que cette grandeurs varie peu et se situe aux alentours de = 10

8 .−3.


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Figure 16 : Dimensionnement de la chambre H en fonction de Lp

On se fixe = 2 , on a alors : = 2,8 d’après la courbe :

0 = 2,99 1 = 2,24 = 3,59

Ces dimensions nous donnent un nombre de Reynolds :

= 2 . ( + ) = 8875 > 2300

4.4.

POSITIONNEMENT DES INJECTEURS

D’après (Sturgess & Hsu, 10/1998) au moins 5% de l’air doit être injecté dans les cavités afin de faire fonctionner le

système. Nous choisissons alors les paramètres suivants :

- 15% de l’air total est injecté dans les cavités, mélangé avec le fuel.

- 15% de l’air total est injecté seul dans les cavités.

- 70% restant forment le flux d’air principal de la chambre.

Soit, dans chaque cavité :

()

()


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- Air+fuel : + = 1,85. 10−4 . −1 + = 0,5. 10−4 . −1 - Air seul : = 1,85.10−4 . −1

Ces rapports ont été choisis mais devront être améliorés lors de nos tests sur la maquette.

Figure 17 : Schéma de possitionnement des injecteurs

La position des injecteurs dans la cavité permet de maintenir les deux vortex. Pour cela, l’injection du mélange

Fuel/air se fait au fond de la première paroi de la cavité et l’injection d’air se fait au milieu de la seconde paroi.

Injection Fuel/air :

Pré mélange

Diamètre : 4 mm

Un injecteur par cavité

+ = 2,35. 10−4 . −1 Vitesse d’éjection du tuyau : 5,37 m/s

Position : à 2mm du fond de la cavité

Injection d’air seul :

Diamètre : 4 mm

Un injecteur par cavité

= 1,85. 10−4 . −1 Vitesse d’éjection du tuyau : 4,23 m/s

Position : au milieu de D1


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4.5.

DIMENSIONNEMENT DE L ’ENTREE ET SORTIE PR INCIPALES

ENTREE D’AIR

On reste sur une entrée rectangulaire, sans plaques à trous ou guidage particulier. Ce choix est motivé par les

contraintes du laboratoire: nous devons avoir dans notre expérience un nombre de Reynolds le plus élevé

possible.

Pour conserver le rapport d'échelle avec les expériences des papiers trouvés dans la littérature, il nous aurait fallu

un nombre de Reynolds de 300.000.Or, en optimisant les contraintes géométriques de notre chambre et en

prenant en compte la vitesse maximale délivrable par le labo, on arrive à un nombre de Reynolds de près de

10.000. Nous ne pouvons donc pas nous permettre de rajouter un système qui, s'il optimise la stabilité de la

flamme, induit une trop grande perte de charge et donc, une turbulence moindre, voire inexistante. On choisit

donc une entrée en forme de "boîte", de longueur L arbitraire . Celle-ci doit juste être suffisante pour permettre au

flux d'air de s'homogénéiser, et éventuellement de placer des appareillages utiles pour nos expériences. Dans un

premier temps, on peut prendre L=5cm, à affiner avec la simulation.

Il faut alors déterminer une géométrie pour passer d'une section circulaire (le tuyau du laboratoire) à une section

rectangulaire (i.e. TVC) en limitant les pertes de charges. Idéalement, une tuyère s'adaptant au mieux à l'entrée.

Dans la pratique, probablement un cône.

Figure 18 : Simulation du flux d'air d'un tuyau de 5mm dans un canal de 12cm de longueur

On voit sur la Figure 18 que, pour une longueur en entrée d’environ 5/6 cm, on a un flux d'air à peu près

homogénéisé. Si on réduit la perte de charge par une géométrie plus adaptée (type tuyère ou conique) cette

longueur apparaît comme satisfaisante.

En entrée :

- Diamètre : 6 mm

- é = 1,7.10−3 . −1 - Vitesse d’éjection du tuyau : 17,27 m. −1 - Vitesse dans une section droite proche de l'entrée: 0,20 m. −1


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CHOIX DE LA LONGUEUR TOTALE DE LA CHAMBRE

Le choix de la longueur totale de la chambre dépend de plusieurs facteurs :

- Temps de séjour de combustion

-

Distribution du champ de température en sortie

- Efficacité de la combustion

A ce stade de la conception, nous ne pouvons avoir accès qu’au temps de séjour. Il faut que ce temps de séjour τsoit supérieur à 5-6 ms pour brûler correctement le combustible.

Or, la vitesse du fluide ne peut dépasser 20 m/s, contrainte de l’installation.

Ainsi, τ = Lmu

avec ≤ 20 . −1 d’où ≥ 12 Nous choisirons ici = 12


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V. SIMULATION NUMERIQUE – PARTIE 1 : ÉCOULEMENT SANS COMBUSTION

En ayant fait des recherches sur le dimensionnement de la maquette nous avons en même temps réalisé des

simulations numériques des écoulements à froid dans la chambre. Une seconde partie traitera de la simulation de

la combustion dans la chambre.

5.1.

PRESENTATION DE LA MFN (OU CFD : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS)

La mécanique des fluides numérique (MFN) consiste à étudier les mouvements d'un fluide, ou leurs effets, par la

résolution numérique des équations régissant le fluide. En fonction des approximations choisies, qui sont en

général le résultat d'un compromis en termes de besoins de représentation physique par rapport aux ressources

de calcul ou de modélisation disponibles, les équations résolues peuvent être les équations d'Euler, de équations

de Navier-Stokes, etc.

La MFN a grandi d'une curiosité mathématique pour devenir un outil essentiel dans pratiquement toutes les

branches de la dynamique des fluides, de la propulsion aérospatiale aux prédictions météorologiques en passant

par le dessin des coques de bateaux.

Dans le domaine de la recherche, cette approche est l'objet d'un effort important, car elle permet l'accès à toutes

les informations instantanées (vitesse, pression, concentration) pour chaque point du domaine de calcul, pour un

coût global généralement modique par rapport aux expériences correspondantes. (Computational fluid dynamics)

5.2.

INTERETS DE LA MFN DANS NOTRE PROJET

La MFN permet une telle flexibilité dans les variations de géométrie et dans les paramètres d’entrée qu’elle peutnous permettre d’ajuster facilement le dimensionnement de notre chambre. Nous devons donc trouver la

géométrie optimale permettant de créer des zones tourbillonnaires dans les cavités.

De plus, étant donné que nous réalisons par la suite une maquette expérimentale, ces simulations pourront être

confirmées ou ajustées. De plus, il existe finalement peu de différences entre les écoulements à froid et ceux en

présence de la combustion. Ceci nous permet donc de valider notre chambre à l’aide d’un prototype ou de la

simulation à froid.

Nous utiliserons Fluent pour réaliser les simulations, associé au logiciel de maillage Gambit.

5.3.

MISE EN ŒUVRE DES SI MULATIONS

D’après l’étude sur la dimension de maquette nous avons obtenu les paramètres de notre maquette de chambre

de combustion.

Résumé des dimensions de la chambre (voir Figure 13 pour les références) :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluidehttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_d%27Eulerhttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Navier-Stokeshttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Navier-Stokeshttp://fr.wikipedia.org/wiki/Math%C3%A9matiqueshttp://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rospatialehttp://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9t%C3%A9orologiehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bateauhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bateauhttp://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9t%C3%A9orologiehttp://fr.wikipedia.org/wiki/A%C3%A9rospatialehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Math%C3%A9matiqueshttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Navier-Stokeshttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_de_Navier-Stokeshttp://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quations_d%27Eulerhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide


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Longueurs

H 2 cm

Lp 2,8 cm

D0 2,99 cm

l 3,59 cm

D1 2,24 cmLm 12 cm

UTILISATION DE GAMBIT

Afin de nous former au logiciel GAMBIT, nous avons suivi les conseils Paul PALIES du laboratoire EM2C ainsi que le

tutoriel de FLUENT de l’Université Cornell. (Fluent Tutorials)

UTILISATION DE FLUENT

Les conditions aux limites utilisées sont ici:

- Vitesse de l’entrée principale sur un trou de diamètre 6mm : 17,27 m/s;

-

Vitesse des injecteurs de l’air et fuel sur un trou de diamètre 4mm : 5,37 m/s;

- Vitesse des injecteurs de l’air pur sur un trou de diamètre 4mm : 4,23 m/s.

On assiste alors à l'apparition de vortex dans les cavités:

Figure 19


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Cette simulation nous confirme ainsi que pour les rapports de dimensionnement choisis, il est possible de faire

apparaitre des zones de recirculation dans les cavités.

5.4. QUELQUES PROBLEMES RENCONTREES

Nous nous sommes heurtés à beaucoup de difficultés pour faire ce travail de MFN.

- Étant donné notre absence de formation sur ces logiciels, nous avons dû nous former par nous-mêmes

pour arriver à des résultats pertinents. Pour cela, nous avons fait appel à plusieurs tutoriels en ligne et par

la suite à notre professeurs du cours de modélisation de la combustion.

- Parmi ces difficultés de prise en main des logiciels, nous nous sommes heurtés à des problèmes de

versions et d’incompatibilités.

- Au début de l’année 2010, GAMBIT fonctionnait. Une nouvelle version de FLUENT a été installé ce qui a

créé des problèmes d’incompatibilité.

- Le problème du manque d’accessibilité au laboratoire en soirée a été résolu par l’utilisation des logiciels

via le protocole ssh à domicile.


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Voici le résultat de notre montage:

4 raccords Legris de 6 mm ont été positionnés dans les cavités pour injecter ce qui représente l’air et le mélange

fuel/air. Un autre raccord de 8mm est présent à l’entrée de la cavité pour l’alimentation du flux d’air principal.

Une marge a été laissée afin de pouvoir faire varier la profondeur de la cavité et essayer un autre

dimensionnement.

6.3.

TECHNIQUES DE MESURE ET DE VISUALISATION

Dans notre essai, nous avons besoin d’une mesure des débits massique à travers les différentes entrées de la

chambre. Pour cela, nous avons utilisé des débitmètres de marque Bronkhorst intégrés à un réseau de canalisation

détaillé ci-après.

La visualisation de l’écoulement se fait par une nappe LASER qui éclaire des particules précédemment ajoutées à

l’écoulement. Une caméra haute vitesse permet de prendre des instantanés de l’écoulement et de visualiser le

déplacement des particules. Un logiciel permet ensuite d’exploiter ces clichés.

Le choix des particules ensemencées dans l’écoulement est primordial. Celles -ci doivent être assez lumineuses

lorsqu’on les éclaires et leur densité est limitée par la résolution de la caméra. La luminosité nécessaire est

inversement proportionnelle au temps de pose de la caméra. Ainsi, pour avoir des trainées de taille constante,

plus la vitesse de l’écoulement est grande, plus il faut que les particules soient lumineuses. Nous avons essayé

plusieurs type de particules : fumée de cigarette, fumée d’encensa, microgouttelettes d’huile. Les meilleurs

résultats ont été obtenus avec ces dernières.

Raccords Legris

6mm

Entrée de la chambre

Marge disponible

en fond de cavité

Figure 21 : Vue du prototype


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6.4.

ESSAIS SUR PROTOTYPE

MONTAGE EXPERIMENTAL

Pour le système d’ensemencement, nous avons mis en place un by -pass afin de réguler la quantité de particule

présente dans la chambre.

Voici le montage fluide Figure 22 :

Figure 22 : Schéma du montage fluide


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Voici une photo du montage lors d’essais avec l’ensemenceur d’huile :

Caméra

rototype de C.C.

Débitmètre flux fuel/air

Arrivée principale

d’air

Arrivée du ray

LASER

Afficheur

électronique d

débitmètres

Débitmètre air

ensemencé

Générateur

d’aérosol

Figure 23 : Photo du montage expérimental


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Détail du générateur d’aérosol (formation de microgouttelettes d’huille).

Ce générateur entraine de l’huile par effet venturi et la pulvérise lors de son passage dans le fort courant d’air. De

l’huile en suspension se forme dans le ballon et est entrainée par le flux d’air global.

6.5.

TRAITEMENT INFORMATIQUE DES SEQUENCES VIDEOS

EXEMPLES DE TRAITEMENTS

Après avoir acquis les séquences à l’aide de notre dispositif expérimental, nous avons utilisé le logiciel Virt ualdub

pour traiter les images TIFF obtenues. Cela nous a permis d’appliquer des filtres vidéo pour améliorer la netteté, le

contraste et même d’afficher les vecteurs de mouvement à l’aide des « flots optiques » (bien que les résultats

obtenues par cette dernière méthode ne soient pas excessivement convaincants). Nous avons également pu à

l’aide de ce logiciel régler le « framerate » pour exporter des fichiers .AVI lisibles par Windows Media Player

Classic, par exemple.

Tout ce travail de traitement, nécessaire à une meilleure visualisation, est utile pour comparer l’expérience à la

simulation : On peut ainsi vérifier si notre dimensionnement est cohérent.

Ballon de

génération de

gouttelettesEntrée d’air

Vanne de

contrôle du by-

pass

Sortie d’air

Figure 24 : Photo du générateur de microgouttelettes


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Exemple d’acquisitions traitées avec Virtualdub : On a ici appliqué un filtre « sharpen » pour améliorer la netteté

Exemple 1 de traitement au sein du logiciel Virtualdub : A gauche, l’image originale, à droite, l’image avec deux

filtres : Inversion des couleurs, et estimation du mouvement. On peut remarquer, en noir, les vecteurs vitesses

estimés à partir de l’image précédente. Cependant, la netteté n’est pas suffisamment bonne pour que ces vecteurs

soient très concluants.


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Exemple 2 de traitement au sein du logiciel Virtualdub : A gauche, l’image originale, à droite, l’image avec un filtre

« RGB Equalizer ».

Nous avons réalisé trois acquisitions vidéo, pour trois types d’écoulement différents dans notre chambre. En jouant sur les débits dans les injecteurs, on cherchait d’une part à valider ou infirmer notre dimensionnement, et

d’autre part à voir l’ impact des différents paramètres sur la formation et la stabilisation des tourbillons.

Voyons pour chaque acquisition les débits utilisés et les résultats obtenus en regard de la théorie et de la

simulation.

LIMITATIONS DU LABORATOIRE :

Nous n’avons pas pu obtenir suffisamment de débitmètres aux plages de mesure adaptées, et nous n’avons donc

pas pu réaliser les conditions exactes de fonctionnement de notre chambre de combustion. Pour régler malgré

tout au mieux les proportions des différents débits, nous les avons divisé chacun par deux. Cependant, nousn’avons pu qu’observer en réglant au jugé les vannes ce qui se passait quand on augmentait les débits.

Ainsi, nous avions en usage normal à peu près 4,7 nm3/h en flux principal, et de l’ordre de 1 nm

3/h dans chacun

des injecteurs. A cause des débitmètres inadaptés à de telles valeurs, nous avons utilisés 2,5 nm3/h en entrée et

0,5 nm3/h dans les cavités.

1ER E ACQUISITION : FLUX PRINCIPAL MAXIMAL

Réglages :

- Ouverture vanne principale : 100%

- Ouverture vanne injecteurs carburant/air : 0%

- Ouverture vanne injecteurs air secondaires : 0%

Résultats : On observe la formation de deux vortex symétriques, centrés au milieu des cavités et qui semblent

assez stables. Cependant, la visualisation est difficile : la luminosité est faible, et l’on n’arr ive à distinguer quelque

chose que lors de la « vidange » de la chambre.


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La comparaison avec la simulation n’est pas évidente à observer sur ces images et apparait plus clairement sur lavidéo, mais simulation et écoulement coïncident presque parfaitement ; les tourbillons sont bien centrés et

occupent toutes les cavités. On peut rappeller que nous nous étions fondé sur le papier « Locked vortex

afterbodies » pour dimensionner ces cavités, et que le rapport longueur/profondeur a été justement choisi pour

que ces tourbillons soient centrés. On en a la confirmation par l’expérience et la simulation.

2EM E ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL/INJECTION FUEL

Réglages :

-

Ouverture vanne principale : 50%

-

Ouverture vanne injecteurs carburant/air : 100%

- Ouverture vanne injecteurs air secondaires : 0%

Résultats :

On est dans la bonne proportion Flux principal/Injecteurs carburant. Les tourbillons apparaissent, mais se décalent

vers le fond de la chambre. On remarque des oscillations des tourbillons, qui « décrochent » parfois de la cavité et

sortent de la chambre, pour se reformer dans les instants qui suivent.


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Comparaison avec la simulation :

La simulation fait apparaître les tourbillons qui nous intéressent.

En mettant en vis à vis les deux images, on obtient :


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Les centres des tourbillons ne coïncident pas parfaitement, et l’on n’a pas le second petit tourbillon plaqué contre

la cavité, cependant la forme globale est respectée.

3EM E ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL/INJECTION FUEL/INJECTIONS AIR

SECONDAIRES

Réglages :

- Ouverture vanne principale : 50%

-

Ouverture vanne injecteurs carburant/air : 100% - Ouverture vanne injecteurs air secondaires : augmentation régulière au cours de l’enregistrement : 0%-

>100%

Résultats :

On observe un écoulement très similaire à précédemment, avec une amélioration de la stabilité des tourbillons,

puis une détérioration de celle-ci à mesure de l’ouverture de la vanne des injecteurs d’air secondaire.


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Comparaison avec la simulation :

On superpose deux images (à l’instant 6,412 s, par exemple), on obtient :

L’injection d’air dans les

injecteurs secondaires rapproche

l’écoulement de celui prédit par

la simulation.


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CONCLUSION : CE QUE NOUS ONT APPORTE CES EXPERIMENTATIONS

On l’a vu, la théorie et la simulation ne suffisent pas quand il s’agit d’écoulements complexes. Quelques

phénomènes inattendus sont apparus sur les vidéos, comme ces « oscillations » des tourbillons. Toutefois, l’on a

déjà fait remarquer que les débits en jeu dans ces visualisations étaient deux fois plus faibles que ceux de notre

dimensionnement. Or, en examinant l’écoulement en augmentant au jugé les débits (et en ayant retiré lesdébitmètres), on observe une nette amélioration de la stabilité des tourbillons dans la cavité, ce qui laisse

présager de meilleurs résultats pour notre futur chambre de combustion.

Cependant, le comportement global de notre chambre de combustion répond à nos attentes : nous avons bien

formation et stabilisation de deux vortex dans les cavités. De plus, le mélange air/carburant, que l’on peut estimer

à la luminosité de l’image, se fait efficacement et rapidement au sein des deux tourbillons.

On peut donc considérer que la géométrie choisie provoque les caractéristiques voulues sur l’écoulement et

répond bien à nos attentes.


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VII. REALISATION DE LA C.C. FINALE

7.1.

EVALUATION DE LA TEMPERATURE DE FLAMME

Nous allons calculer ici la température adiabatique de flamme générée par la combustion du méthane dans unechambre de combustion parfaitement isolée. Cette évaluation donne la température maximale qui peut être

atteinte dans la chambre.

Posons et les débits massiques d’air et de fuel. et les débits molaires.La réaction de combustion du méthane est :

4 + 2 2 + 2 → 22 + 2 () + 22

Avec = 3.764 en négligeant la présence d’argon. On a : Ф = la richesse du mélange

Avec le rapport de mélange stœchiométrique : = =+4

2(2+2 ) = 5,8 %

Et = = ∙ ∙ =

avec = 0,117

Ainsi, = ∙ Ф∙

Un tableau d’avancement donne :

() Etat initial 0 0Etat final 0 − 2 2 La loi de Hess donne alors :

(298)° = − 2984° −2 2982° +2 2982° + 2982° = −801,24 .−1 Ainsi,

= ∙ (298)°

En considérant la transformation comme adiabatique, on obtient :

0 = + (

∙ )

i.e.


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0 = + Ф ∙ − 2 2 + 22 + 2 + ∙ Ф ∙ 2

∗

Température adiabatique de fin de combustion pour le méthane, en fonction de la richesse du mélange

Voir le détail du programme Annexe 1 : Programme de calcul de la température adiabatique.

Pour Ф = 1, on obtient ainsi une température adiabatique de fin de combustion de T=2312 K pour le méthane.Les expérimentations menées par (Hendricks, Shouse, & Roquemore, 01/2004) avec des injections de carburant

uniquement dans les cavités du dispositif montrent que la zone intense de combustion reste localisée à l’intérieur

des cavités. Il n’y a qu’en ces points que la température adiabatique de combustion est approchée.


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Figure 25 : Simulation numérique des distributions de température dans une chambre TVC (Hendricks, Shouse, & Roquemore, 01/2004)

7.2. CAHIER DES CHARGES DE NOTRE CHAMBRE ET DU DISPOSITIF

Notre chambre et notre dispositif doit nous permettre de satisfaire les critères suivants :

- Correspondre aux dimensions qu'on a calculées lors du dimensionnement.

- Permettre d'injecter les fluides aux positions calculées et prévoir un système d’allumage.

- Permettre la visualisation de la flamme et sa dynamique


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-

Résister aux températures de combustion

- Pourvoir régler les trois débits entrants dans notre chambre

7.3.

CHOIX DES MATERIAUX

Après calcul, pour Ф = 1, on obtient une température adiabatique de fin de combustion de T=2312 K pour leméthane.

Nous allons utiliser du béton pour construire notre chambre, à cause de sa résistance aux températures élevées,

sachant que l'acier inoxydable ne tient pas à de si hautes températures.

La surface latérale de notre chambre sera faite en quartz transparent pour permettre une visualisation. La

prochaine étape de notre travail sera de concevoir une structure qui s’adapte aux caractéristiques des matériaux

que nous choisirons. Par exemple, prendre en compte le fait que le quartz n’accepte aucun vissage.

7.4.

DESIGN GENERAL DE LA CHAMBRE

Étant donné que la découpe du quartz ne peut être complexe tout en gardant un prix raisonnable, nous avons

choisi une découpe rectangulaire autour de la face de la chambre. Ceci a conditionné la forme extérieure de notre

chambre en béton.

De plus, de part la présence de petits injecteurs dans la chambre et de la petite taille de celle-ci, nous devions

prévoir des renforts. Pour cela, qu’une seule face de la chambre a été rendue transparente et l’autre est

constituée d’un plan en béton. Pour améliorer encore la solidité, une structure métallique vient encadrer la le

béton.

Voici, ci-dessous, la partie béton de la chambre :


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La structure métallique permet de fixer le béton avec les autres parties de la chambre: le quartz, les injecteurs et

les bougies. En même temps, les supports métalliques servent à diminuer les chocs sur le béton pendant la fixation

des vis, sachant que la sortie ouverte de la chambre en béton est particulièrement sensible aux forces verticales.

Donc, pour le design sous Spaceclaim, nous avons deux structures différentes à concevoir :

-

Premièrement, pour réaliser lachambre en béton, nous avons

du réaliser le design du moule en

PVC sous Spaceclaim. Il en

résulte 12 pièces

parallélépipédiques et une pièce

centrale prenant la forme de

l’intérieur de la chambre. Des

tubes en inox sont aussi fixés

pour mouler les injecteurs.

- Deuxièmement, la structure de support est constituée de pièces métalliques autour de la chambre, en

réservant une surface latérale au quartz. Pour la pièce du haut et la pièce du bas, nous avons laissé des

marges de 20mm au tour afin de pouvoir les visser entre elles.


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On assemble ces deux parties ce qui nous donne la structure de base de notre chambre présentée ci-dessous :

7.5.

FABRICATION DE LA CHAMBRE ET MONTAGE

Une fois ces pièces dessinées, nous sommes passés avec l’aide des techniciens à la fabrication de la chambre.

Suite à la fabrication du moule en PVC, nous avons pu couler le béton et obtenir la première pièce. Voici ci-dessous

une image de notre moule :

Le moulage du béton s’est fait sous les conseils d’Amar Lamraoui. Cette opération dure une demi-journée et on

doit passer par des étapes suivantes :


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Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Central

Documents

conception chambre de combustion