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CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 1 Christiane Rottier co-encadrants : D. Honoré, A. Boukhalfa CORIA - UMR 6614 CNRS, Université et INSA de Rouen 76801.

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1 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 1 Christiane Rottier co-encadrants : D. Honoré, A. Boukhalfa CORIA - UMR 6614 CNRS, Université et INSA de Rouen Saint Etienne du Rouvray ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBUSTION SANS FLAMME SUR UN FOUR PILOTE DE LABORATOIRE

2 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 2 Introduction Utilisé en industrie depuis une dizaine dannées MAIS les phénomènes physico-chimiques sont loin dêtre entièrement compris Principe de la combustion sans flamme Four pilote de laboratoire Imagerie de Chimiluminescence OH* Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) Conclusions et perspectives PLANPLAN optimisation des rendements réduction des émissions de polluants et de gaz à effet de serre mode de combustion innovant des foyers industriels La combustion sans flamme Étude expérimentale au CORIA

3 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 3 Combustion classiqueCombustion sans flamme (Milani, 2001) Principe : Forte recirculation des gaz brûlés dans le foyer Dilution des réactifs avant combustion La combustion sans flamme Caractéristiques : Haut rendement Pas de flamme visible Faibles maxima et gradients de température Homogénéité du transfert de chaleur Très faibles émissions de NOx

4 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 4 "FOUR" = Furnace with Optical access and Upstream Recirculation recirculation "naturelle" des produits de combustion Four pilote de combustion sans flamme du CORIA idem brûleur régénératif NFK HRS DL2-5 AIR CH 4 2 injections opposées de CH 4 ( 0 = 3 mm) 1 injection centrale d'air ( a = 25 mm) congé de sortie (R = 11 mm) entraxe injecteurs gaz = 101,4 mm géométrie du brûleur brûleur préchauffeur électrique d'air chambre de combustion blocs amovibles pour accès optiques cheminée accessibilité optique vs. confinement thermique dimensions variables de la chambre de combustion fonctionnement continu 24 h /24 h

5 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 5 Des flammes évanescentes… Dans les conditions nominales : P = 20 kW – = 1,1 – Ta = 873 K, simplement 2 flammes suspendues invisibles ? 2 zones de réaction dans les couches de mélange méthane / air après convergence des jets 150°C250°C390°C 600°C800°C900°C1100°C

6 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 6 Imagerie de chimiluminescence OH* 2 zones de réaction dans les couches de mélange CH 4 / air après convergence des jets Visualisation directe Image 308 nm P = 20 kW – = 1.1 – Ta = 873 K

7 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 7 Imagerie de chimiluminescence OH* 2 zones de réaction dans les couches de mélange CH 4 / air après convergence des jets Visualisation directe Image 308 nm P = 20 kW – = 1.6 – Ta = 873 K 2 zones de réaction entre CH 4 / O 2 dans les gaz brûlés recirculants

8 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 8 Imagerie de chimiluminescence OH* Plus de chimiluminescence détectable ! Visualisation directe Image 308 nm P = 20 kW – = 1.1 – Ta = 293 K

9 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 9 Mesures de vitesses par PIV sur le FOUR spécificités de l'application de diagnostics laser dans les fours - = image de fondimage bruteimage finale ensemencement des jets en ZrO 2 ( 5 m) forte température des parois fort rayonnement de fond obturateur cristaux liquides pré-traitement des images champ de vision réduit algorithme de corrélation directe avec fenêtres d'interrogation rectangulaires optimisation de la dynamique et de la résolution spatiale

10 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 10 Mesures de vitesses par PIV sur le FOUR Champs moyens de vitesse mesurés par PIV entraînement du fluide ambiant gaz brûlés recirculants à vitesse quasi nulle composante axiale & lignes de courant profils radiaux quantification du taux d'entraînement de chaque jet turbulent dilution des jets par les GB avant leur interactions 3 jets turbulents quasi libres avant convergence et fusion

11 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 11 Quantification des taux d'entraînement évolution linéaire – Ke(y*) 2évolution non linéaire – Ke(y*) 8 intégration du profil de vitesse axiale à chaque position longitudinale débit massique : normalisation par la valeur initiale à y = 10 mm : taux d'entraînement de chaque jet turbulent : AIRMETHANE

12 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 12 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K AIRMETHANE

13 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 13 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlés AIRMETHANE

14 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 14 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlésdilution et chauffage du jet de CH 4 AIRMETHANE

15 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 15 Conclusions et perspectives Caractérisation expérimentale du régime de combustion sans flamme Four pilote de combustion sans flamme visualisation des zones réactives par imagerie de chimiluminescence OH* Mesures de vitesse et taux d'entraînement par PIV Mesures de température par TC à fil fin Mesures de concentration par sondes de prélèvement Fluorescence Induite par Laser critères d'existence du régime de combustion sans flamme Étude de l'effet de la composition du combustible

16 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 16

17 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 17 Quantification des taux d'entraînement évolution linéaire – Ke(y*) 2évolution non linéaire – Ke(y*) 10

18 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 18 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K

19 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 19 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlés

20 CNRS – UNIVERSITE et INSA de Rouen 20 Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois masse volumique des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlésdilution et chauffage du jet de CH 4


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