A. ELORF1, Z. MANSOURI2*,T. BOUSHAKI1, M. AOUISSI2

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1 A. ELORF1, Z. MANSOURI2*,T. BOUSHAKI1, M. AOUISSI2
1 CNRS / ICARE, 1C, avenue de la recherche scientifique, Orléans cedex 2, France 2 UATL / Département de mécanique, route de Ghardaïa BP37G, 3000 Laghouat, Algérie Etude Numérique d’une Flamme Pauvre Prémélangée de Propane-Hydrogène-Air dans un Brûleur Stabilisé par Swirl I. Résumé: Ce travail présente une étude numérique de l'effet de l'enrichissement par hydrogène et de l'intensité de l’écoulement swirlé sur un mélange pauvre de propane-air dans une configuration de brûleur à swirl. La première étape atteint consiste à validé l’approche numérique par les données expérimentales. La deuxième étape est d’adressée l’effet de nombre de swirl sur l’évolution de l’écoulement à la présence d'hydrogène. On outre, l'effet de l'ajout d'hydrogène sur les émissions polluantes CO et la température maximale de combustion est également étudié. II. Présentation du brûleur Le brûleur se compose de trois éléments: le générateur de swirl, le tube de pré- mélange et la chambre de combustion. Il fonctionne sous la pression atmosphérique avec un préchauffement de l’air à l’entrée d’une température de 573°K. Il utilise le propane comme un combustible avec une richesse de Ф=0.5 III. Diagramme de stabilité du brûleur Le domaine de fonctionnement du brûleur est limité par deux phénomènes soit le Flashback ou bien l’Extinction Ф<0.5 On va étudier le cas stable (V) sans ajout d’hydrogène (Ф=0.5 et Sn=1.05). On s'interesse par la zone d’extinction où les cas (1,2 et 3): Fa- La richesse est de Ф=0.3 b- Trois fractions d'hydrogène X = 5%,7% et 10%. c- Trois nombres de swirl Sn = 0.4,0.8 et 1.05 Figure.2 Diagramme de stabilité et les cas étudiés Figure.1 Vue schématique de brûleur étudié IV. Méthode numérique et modélisation Le mailleur Gambit est utilisé pour générer le maillage du brûleur. Un maillage structuré avec y+=2 proche de la paroi est utilisé. Le code commerciale ANSYS Fluent 14.0 est utilisé pour résoudre le système d’équations de Navier-Stokes moyennes RANS. le modèle de turbulence k-ε est utilisé pour la fermeture. Le schéma décrit l'interaction turbulence-chimie est réalisée par le modèle Finite Rate-Eddy Dissipation. Un mécanisme réduit de trois étapes est utilisé pour les réactions qui définissent la combustion du propane. Le schéma second order upwind est utilisé pour tous les paramètres. Les critères de convergence sont mis à 1e-5 pour toutes les équations. V. Résultats et discussion V.1. Validation avec les données expérimentales : le cas stable (V) Une bonne confrontation entre les résultats numérique et les données expérimentales, pour les propriétés de l'écoulement réactif (vitesses axiale et radiale u et v, température T et la fraction massique du propane f). le modèle k-ε est capable de prédire le phénomène de l‘écoulement swirlé. Figure.3 Des profils radiaux dans plusieurs sections pour u (3.a), v (3.b), T (3.c) et f (3.d) V.2. Evolution de l’écoulement à la présence d'hydrogène X = 10% La figure 4 présente les contours de la vitesse axiale avec les lignes de courant pour les trois nombres de swirl Sn= 0.4, 0.8 et 1.05 à la présence d’une fraction d’hydrogène X=10% Quoi que ce soit le nombre de swirl, une zone de recirculation externe (ZRE) est présente en raison de l’expansion de l’écoulement à partir du tube de prémélange vers la chambre de combustion. Lorsque le nombre de swirl attend la valeur critique Sn=0.8, une zone de recirculation interne (ZRI) se développe à la suite de phénomène de vortex breakdown V.3. Distribution de la température pour le cas (1) La figure 5 présente la distribution de la température pour le cas (1) où Sn = 0.4 et X = 5%, 7% et 10%, Un gradient important de la température entre 600 et K dans la chambre de combustion, ce qui prouve le pouvoir de l’hydrogène à éliminer l’extinction pour tous fractions X>5% dans les conditions où la richesse et très pauvre Ф=0.3 L’augmentation de la fraction d'hydrogène ajouté élève légèrement la température de combustion et elle influe sur la forme de la flamme qui va se stabiliser dans le centre de la chambre de combustion. V.4. Comparaisons entre le cas stable (V) sans hydrogène et le cas (3) optimum obtenus Comparant le cas (V) à droite et le cas (3) à gauche dans les deux figures et pour le même Sn=1.05 on trouve la même forme pour les distributions de la température et de CO avec une manière large dans le cas stable (V) a cause de la richesse Ф=0.5 qui est un peut élevée. Pour une richesse faible Ф=0.3 avec l’ajout d’hydrogène la température maximale se baisse par 200 K et la fraction de CO aussi, ce qui assure une diminution des émission polluants favorable. Figure.6 Comparaison de la distribution de la Température pour le cas (V) et le cas (3) Figure.7 Comparaison des contours du polluant CO pour le cas (V) Et le cas (3) Figure.4 Evolution de l’écoulement pour les 3 nombre de swirl à la présence d’hydrogène Figure.5 Distribution de la température dans la chambre de combustion pour chaque fraction d’hydrogène VI. Conclusion Dans cette étude numérique on a caractériser l’effet de l’ajout de l’hydrogène et l'intensité de l’écoulement swirlé sur la combustion turbulente du pré-mélange pauvre propane-air. Les résultats obtenus sont en accord avec la littérature et prouve le pouvoir de l'hydrogène à éliminer le phénomène d'extinction dans des conditions très pauvre. On constate que le l’ajout d'hydrogène est un moyen utiles pour stabiliser la flamme dans les brûleurs à swirl. Colloque francophone COMbustion et POLlution Atmosphérique, Tanger-Maroc, Octobre 2014