Contribution à la modélisation des flammes de prémélange partiel : Quantification du taux de dégagement de chaleur et du NO thermique

Abstract

Les modèles physico-mathématiques utilisés pour reproduire les phénomènes aérodynamiques et leurs interactions avec la chimie, sont validés sur des configurations de flammes de diffusion ou de prémélange. Cependant, ces configurations ne représentent que des cas limites, des flammes réelles, qui se développent en prémélange partiel. Ceci met en cause la validité de modèles cités quant à la description des situations réalistes. Dans ce contexte, le présent projet de thèse consiste en une contribution vers la modélisation et l’analyse d’un ensemble de configurations de flammes turbulentes partiellement prémélangées. Trois différentes configurations sont présentées, analysées et discutées, par rapport aux données relatives à la température, à la fraction massique du combustible et au monoxyde d’azote (NO). Dans la première partie, on propose une technique de réduction des émissions des oxydes d’azote (NOx) dans le cas d’une combustion turbulente de type méthane-air, au sein du brûleur (à échelle réelle) d’un four de cimenterie (ECDE, Chlef, Algérie). Une attention particulière est prêtée à la relation entre le taux d’émission et l’efficacité de la combustion. Le taux de pollution prédits par la simulation est surestimé de 5% par rapport aux mesures effectuées sur site. Il est aussi montré, que le niveau de pollution peut être réduit d’environ 28 % en utilisant une technique d’injection viciée (swirlée), pour l’air primaire qui alimente le four. La seconde partie, constitue la validation du modèle de LibbyWillimas- Poitiers(LW-P) sur une configuration de flamme turbulente (à échelle de laboratoire) stabilisée en sortie d’un brûleur dans un écoulement à richesse variable (brûleur ICARE, Orléans, France). Les résultats de la simulation permettent de bien capter le coeur potentiel de l’écoulement non réactif avec une surestimation de 7% par rapport aux données expérimentales. Une surestimation de 10% de la hauteur et l’épaisseur apparente de la flamme turbulente par rapport aux mesures, a pu être obtenue via une simulation numérique par le biais du solveur Code_Saturne®. La troisième configuration consiste en une flamme de prémélange (SANDIA-D) riche stabilisée par une flamme pilote pauvre et par un courant d’air de dilution. Le modèle de prémélange partiel à Pdf présumée du solveur Ansys-Fluent® est utilisé pour exprimer l’interaction chimie-turbulence, permettant de donner une solution initiale à la simulation effectuée par le modèle à Pdf transportée, sensé couvrir tout les régimes de combustion. Une fermeture des termes de micro-mélange par le modèle IEM (Interaction by Exchange with the Mean) est associée à une résolution Lagrangienne de type Monte-Carlo. Les résultats de la simulation pour le champ thermique et la concentration du CO, montrent une sous-estimation de 5% par rapport aux mesures effectuées aux laboratoires Sandia.