Master 2 Energétique et Environnement de l'Université Pierre et Marie Curie UPMC

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4AE02 Combustion et Ingénierie des énergies renouve-lables


Auteur :Guillaume Legros / Alexis Matynia
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Mots-clefs: température adiabatique de flamme, équilibre chimique, flammes prémélangées, flammes non-prémélangées, structure des flammes laminaires, phénomènes limitant la combustion

Pré-requis:

LA3M1 - Licence 3 - Thermodynamique approfondie (lien)
MSX01 - Master 1 (tronc commun) - Modélisation des milieux fluides (lien)

Evaluations:
1 contrôle (/30)
1 examen
(/40)
1 compte-rendu de Travaux pratiques (/30)


Cours: (~ 12h)

Le cours se développe en 4 chapitres, suivant le schéma représenté en figure 1. L'articulation proposée permet d'incorporer à la physique des zones en combustion un niveau de complexité supplémentaire à chaque étape. In fine, le cours doit vous apporter les notions nécessaires à la compréhension des structures de flammes laminaires, prémélangées et non-prémélangées. En cela, il vous prépare aux applications concrètes abordées dans les modules NSE01 et NSE21 du Master 2, traitant de la modélisation des flammes turbulentes.


Figure 1: enchaînement logique du cours
 
Nous étudierons ainsi dans un premier temps un système fermé, siège de réactions chimiques exothermiques, qui voit ses variables d'état évoluer de façon uniformes. S'appuyant sur des notions de thermochimie, notamment abordées au sein du module LA3M1 de Licence 3, la température adiabatique de flamme est ici le concept fondamental, rendant compte de la capacité d'un mélange réactif à libérer son énergie potentielle chimique et donc à alimenter un système de production de puissance. L'état d'équilibre chimique, intimement lié à la température adiabatique de flamme, sera explicité, de sorte à caractériser l'éventuelle propension du mélange initial à la production de polluants. Pour ce faire, nous spécifierons rigoureusement les équations permettant de déterminer de façon unique l'état (T,P,Xi) d'équilibre chimique. La mise en pratique sera développée par vos soins sous Matlab lors du 1er TD.

Dans un second temps, nous étendrons les équations de conservation établies
à l'occasion du module MSX01 de tronc commun de M1, de sorte à y incoporer les termes rendant compte du caractère réactif de l'écoulement et explicités dans le 1er chapitre. Ces équations, dite de l'aérothermochimie, feront tout particulièrement apparaître le couplage induit par les réactions chimiques entre équations de conservation des espèces et de l'énergie. L'analyse de Shvab-Zel'dovich permet alors d'extraire les structures canoniques des flammes, aussi bien prémélangées que non-prémélangées. Bien que recourant à des simplifications fortes, cette analyse offre des solutions dont l'interprétation physique met en évidence l'équilibre entre convection, diffusion et réaction, tout en soulignant les différences structurelles entre flammes prémélangées et non-prémélangées. Les écarts entre structures théoriques et réelles seront établis au travers des travaux dirigés. A titre d'exemple, la figure 2 illustre la structure d'une flamme prémélangée H2/air où interviennent en particulier les disparités de diffusivités moléculaire et thermique.

Enfin, le cours présentera des illustrations de phénomènes limitant la combustion et permettant le contrôle des écoulements réactifs. Ainsi aurez-vous l'occasion d'appréhender l'influence de l'interaction flamme/paroi, la production des particules de suie ou encore l'influence des champs magnétiques sur la stabilité des flammes.

 

Travaux dirigés: (~ 12h)

Le module a été conçu de sorte à intégrer des exercices d'application sous forme de travaux dirigés répartis de façon uniforme au sein même des séances de cours. C'est pour cette raison que l'intégralité du module se déroule en salle informatique. L'outil unique est l'environnement Matlab, largement utilisé dans l'ingénierie.

A titre d'illustration, la figure 2 représente la structure d'une flamme prémélangée H2/air laminaire, monodimensionnelle et stationnaire. Ce type de solution vous sera apporté par un code résolvant
sous Matlab les équations de conservation de la masse, de l'énergie et des espèces. Vous appréhenderez ainsi l'écart entre structures de flamme théoriques -telles qu'établies en cours- et réelles.

 
 
Figure 2: structure d'une flamme prémélangée H2/air laminaire, monodimensionnelle et stationnaire. Les profils de température et de différentes espèces au travers de la flamme sont représentés en traits pointillés. Les contributions des différents termes aux équations de conservation sont en traits pleins.


Travaux pratiques: (~ 6h)

La partie expérimentale de ces travaux pratiques vous amène à étudier l'influence de la nature du combustible, du début combustible et du débit d'air sur l'enveloppe d'une flamme non-prémélangée. Cliquez ici pour télécharger le texte du travail expérimental que vous réaliserez sur le site de Saint Cyr-l'école.


L'objectif est ensuite de vous amener à lire, comprendre et mettre en pratique une publication récente parue dans une revue de référence en combustion (Krishnan et al, Combust. Theory & Model., 4 (2008) 605-620). Sous l'environnement Matlab, vous chercherez ici la solution d'un modèle analytique de l'enveloppe d'une flamme non-prémélangée.

La figure 3 est tirée du rapport d'un de vos prédécesseurs. Grâce à la résolution du modèle de Roper étendu par Krishnan, vous serez notamment en mesure d'étudier la sensibilité de l'enveloppe de flamme aux paramètres du modèle, tels que la gravité, la nature du combustible, son débit ou encore le coefficient de diffusion moléculaire du combustible (supposé constant).

 

Figure 3: enveloppes de flammes non-prémélangées
établies sur un brûleur axisymétrique
en fonction de la nature du combustible







Téléchargements:
 

Transparents de cours:

Cours 0 - Structure du module
 
Cours 1 - Thermochimie

Cours 2 - Les équations de conservation de l'aérothermochimie

Cours 3 - Modèles analytiques de flamme

Cours 4 - Phénomènes limitant en combustion


Travaux Dirigés:

Enoncé du TD1 et programmes Matlab du TD1

Enoncé du TD2 et programmes Matlab du TD2

Enoncé du TD3 et programmes Matlab du TD3

Enoncé du TD4 et programmes Matlab du TD4


Travaux Pratiques Numériques:

Article de référence (15/01)


Travaux Pratiques Expérimentaux:

Enoncé (22/01)


Notes des évaluations:

Détails des notes du 4AE02 - Partie Combustion
















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