Etude expérimentale et numérique d'une flamme en V

diphasique

Camille Letty

Contexte de l’étude

• Diphasique Dans l’industrie:

o Facilité de stockage et de transporto Injection de combustible liquide fréquente

Enjeu scientifique important Nécessité de bases de données expérimentales

relatives à la combustion diphasique afin d’aider au développement de modèles.

Contexte de l’étude

• Configuration « en V » Flamme accrochée sur un fil chaud ou un

barreau Configuration quasi 2D

o Facile à mettre en œuvreo Facilite la comparaison expérimental/ numérique

Configuration de référence bien documentée

Plan

• Étude expérimentale Choix d’un système d’injection et caractérisation

du spray Dispositif expérimental Étude dynamique préliminaire et propriétés

scalaires de la flamme

• Étude numérique Configuration des conditions de calcul Génération d’une base de données diphasique

• Perspectives

Étude expérimentale - Choix d’un système d’injection

• Critères Volonté de conserver la configuration 2D Taille de gouttes (suivi de l’écoulement,

liquide au niveau du front de flamme) Gouttes non-balistiques

• Injecteur jet plat positionné sur le côté du brûleur

• Gicleur de chaudière, cône universel Dans la veine de prémélange

Dans le corps du brûleur

Étude expérimentale - Caractérisation du spray

• Mesure de la distribution par Malvern Diffraction de la lumière Focale de 200 mm: gamme de mesure entre 0,1

et 400 µm

1 ,3 0 1 ,3 5 1 ,4 0 1 ,4 5 1 ,5 0 1 ,5 5 1 ,6 0 1 ,6 5 1 ,7 0 1 ,7 5 1 ,8 0 1 ,8 5 1 ,9 0

21,0

21,522,0

22,5

23,0

23,524,0

24,5

25,025,5

26,0

26,5

27,0

27,5

28,0

Evolution du diamètre moyen de Sauter (SMD ou D32)en fonction du débit in jecté

H=35 mm, L=55 mm

Débit de N-heptane (kg/h)

SM

D (

µm

)

Distribution de taille de gouttes, cas laminaire

Étude expérimentale - Dispositif expérimental

Régime Débit de combustible Richesse globale Caractéristique

Laminaire  Entre 1.37 et 1.85 kg/h Entre 0.2 et 0.28

Grille A Entre 1.37 et 1.55 kg/h Entre 0.2 et 0.24 10 mm, barreaux

Grille D Entre 1.37 et 1.63 kg/h Entre 0.2 et 0.25 11 mm, barreaux

Grille E 1.45kg/h 0.22 8 mm, trous

Débit d’air: 80Nm3/h, soit U~4m/s Combustible: N-heptane

Étude expérimentale – Diagnostics optiques

• PIV: Particle Image Velocimetry Laser Nd:YAG, =532 nm Camera LaVision, 12 bits Ensemencement: DEHS

Image de tomographie

Ecoulement d’air ensemencé et de gouttes de N-heptane

Étude expérimentale – Champs de vitesse

Gaz brûlés

Gaz frais

Image de tomographie instantanée

Ecoulement d’air ensemencé et de N-heptane en combustion

Champ de vitesse d’une flamme en V laminaire et diphasique (N-heptane/ air, 6 bars)

Moyenne sur 250 images

Étude expérimentale – Profils de vitesse

Profils de vitesse radiale et axiale d’une flamme en V diphasique

Cas laminaire et turbulent (3 bars)

Vx (m/s)

Vy (m/s)

Étude expérimentale – Angle de flamme

• A partir des images de tomographie Algorithme validé sur des cas purement gazeux

(méthane/ air)

Étude numérique - Configuration

• DNS (Direct Numerical Simulation) 2D, 513² nœuds Description eulérienne de la phase gazeuse et

suivi lagrangien des gouttes Turbulence spatialement décroissante

Étude numérique - Génération d’une base de données diphasique

• Étude de l’impact du spray sur les propriétés d’une flamme en V diphasique 3 richesses: pauvre,

stœchiométrie, riche 3 densités de gouttes 2 RMS

Champ de température

Étude numérique - Génération d’une base de données diphasique

Diagramme de répartition de la température en fonction de la fraction

de mélange

Différentiation du taux de réaction dû à la combustion non- prémélangée et

prémélangée

Perspectives

• Étude expérimentale Étude des paramètres (angle, vitesse, …) en

fonction de la richesse locale de flamme Caractériser le champ de fraction molaire de

N-heptane gazeux (traceur: biacetyl ou acétone)

• Étude numérique Influence du spray sur le comportement de la

flamme Générer un cas de calcul plus proche des

conditions expérimentales