Etude de la Stabilité d’une Flamme de Prémélange par Simulation Numérique

Abstract

Le travail de thèse est une contribution à l’étude numérique des flammes de propane turbulentes prémélangées en régime très pauvre. L’effet de l’écoulement hélicoïdal (swirlé) et l’enrichissement en hydrogène sont analysés. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, la dynamique de l’écoulement réactif et les émissions polluantes. La configuration étudiée se compose d’un brûleur à swirler axial et un tube de prémélange précédé par une injection radiale de propane. Le brûleur est confiné dans une chambre de combustion cylindrique. La simulation numérique est réalisée avec l’approche RANS où trois modèles de turbulence sont testés : 𝑘 − 𝜀 Standard k-, 𝑘 − 𝜀 Realizable et 𝑘 − 𝜔 SST. Ceci permet d’évaluer la performance de ces modèles dans la prédiction des écoulements turbulents swirlés et confinés. Le schéma d'interaction turbulence-chimie est modélisé avec l’approche Finite-Rate/Eddy Dissipation avec un mécanisme de réaction globale de trois étapes. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale (ZRC) qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. Les comparaisons entre les résultats numériques (RANS) et les mesures expérimentales sont satisfaisantes, notamment les profils de la vitesse axiale et radiale, la température et la concentration du C3H8. Le modèle 𝑘 − 𝜀 Realizable a démontré la meilleure adéquation comparant aux autres modèles pour prédire proprement les caractéristiques de l’écoulement. L’étude de l’effet du nombre de swirl montre la présence d’une zone de recirculation externe (ZRE) au voisinage des coins de la chambre. La taille de cette zone est pilotée par le nombre de swirl. La flamme est toujours présente dans cette zone et sa température est plus au moins élevée. Lorsque le nombre de swirl atteint une valeur critique l’éclatement tourbillonnaire a lieu et conduit à l'apparition de la ZRC. Cette zone accroche la flamme par un effet aérodynamique et elle assure le contact entre le mélange frais et les gaz brûlés, ce qui conduit à l’allumage permanent de la flamme. L'augmentation du nombre de swirl à une valeur élevée conduit à la propagation de la ZRC en amont de la chambre, et par conséquent l'apparition du flashback (retour de flamme), un phénomène très défavorable dans les systèmes de combustion. iiL’étude de l’effet de l’ajout d’hydrogène apporte des détails sur les caractéristiques des flammes swirlées enrichies (C3H8/H2-air), comme l’élargissement du diagramme de sa stabilité et la réduction des émissions polluantes. L’étude de la richesse ultra-pauvre permet de mettre en évidence l’effet de l’ajour de H2 sur l’élimination de l’extinction de la flamme. Une étude de l’effet de la diffusion moléculaire est mise en évidence pour expliquer son importance dans l’exactitude de calcul numérique de ce type des flammes. L’ajout de faibles quantités d’hydrogène infule légèrement la structure et la température des flammes. L’ajout d’une quantité importante mène à compacter la flamme, augmenter la température et réduit les émissions polluantes comme le monoxyde de carbone (CO) et le gaz à effet de serre (CO2). Mots-clés : Combustion, Émissions polluantes, Enrichissement en Hydrogène, Flamme prémélangée, RANS, Swirl, stabilisation de flamme.