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21.7 Mo

Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

Aurélie WYZGOLIK

Soutenue le 25 septembre 2008

Stabilisation d’une flamme non-prémélangée dans un écoulement de jets coaxiaux. Effets d’un champ acoustique.
Jury

Présidente
D. ESCUDIE, Directrice de recherche au CNRS

Rapporteurs
S. CANDEL, Professeur à l’Ecole Centrale Paris
P. GUIBERT, Professeur à l’Université Pierre et Marie Curie

Examinateurs
M. A. BOUKHALFA, Professeur à l’INSA de Rouen
B. LABEGORRE, Ingénieur de recherche Air Liquide
K. LYONS, Professeur à l’Université d’Etat de Caroline du Nord

Directrice
F. BAILLOT, Professeur à l’Université de Rouen

Invité
M. TRINITE, Directeur de recherche au CNRS

Ce travail s’intéresse aux phénomènes instationnaires en combustion dont la maîtrise est un point clé dans le fonctionnement efficace des foyers et des moteurs. Les limites de stabilité et les mécanismes de stabilisation sont analysés pour des flammes de jets coaxiaux (méthane/air) non-prémélangés, accrochées au brûleur ou suspendues. La transition entre flamme accrochée et suspendue est caractérisée à l’aide d’un critère thermique original pour les deux processus de décrochage identifiés au cours desquels la base de flamme passe d’une extrémité essentiellement propagative à une essentiellement diffusive. Les propriétés de la flamme, suspendue en zone d’hystérésis ou de lift pur, et celles des structures tourbillonnaires du jet, détectées par une technique d’identification automatique, sont quantifiées par des diagnostics d’imagerie et de vélocimétrie. L’organisation de la couche de mélange méthane/air régit la réponse de la flamme qui passe d’une forme laminarisée à base lobée à une forme turbulente lorsque la vitesse de l’air (Uo) croît. La flamme est stabilisée par la dynamique des tourbillons contra-rotatifs issus des instabilités secondaires, initialement influencés par les vortex de Kelvin-Helmholtz. Elle s’adapte aux conditions imposées par Uo dont le rapport avec la vitesse de flamme laminaire (Sl) pilote son comportement laminarisé ou turbulent. Dans les foyers, les instabilités de combustion sont accrues par les ondes acoustiques créant divers modes en interaction avec les modes propres de l’écoulement. L’expérience est donc ajustée pour étudier la flamme soumise à un forçage sinusoïdal du méthane. Ses réponses sont discriminées en fonction des fréquences et amplitudes du forçage ; augmenter Uo déplace les limites des zones identifiées, certaines pouvant même disparaître. Quel que soit Uo, forcé au voisinage : - de sa fréquence naturelle (1200 Hz), le jet présente une organisation accrue ; - de sa première surharmonique (2600 Hz), le jet se caractérise par l’apparition de modes en interaction non linéaire. Pour ces deux hautes fréquences, le forçage conduit à un mélange plus efficace, donc à une réduction de la hauteur de suspension de flamme (Hl) pour les faibles Uo. Mais cet effet est freiné avec Uo croissant, voire inversé à 2600 Hz pour Uo élevé. Aux moyennes fréquences (200 Hz), le comportement est unifié vers une flamme turbulente dont la hauteur pivote autour de celle obtenue pour Uo Sl (Hl croît (diminue) pour Uo faible (élevé)). Pour toute condition (Uo, fréquence, amplitude), les mécanismes d’interaction de modes régissent la réponse de flamme à travers les structures tourbillonnaires.

Mots clés : flamme attachée, suspendue, de diffusion, partiellement prémélangée ; extrémité de flamme ; jets coaxiaux non-prémélangés ; couche cisaillée ; instabilités primaires et secondaires ; acoustique ; diagnostics optiques.

Abstract
This work focuses on unsteady combustion phenomena whose control is a key point in the efficient operation of engines and furnaces. Stability limits and stabilization mechanisms are analyzed for flames of non-premixed coaxial jets (methane/air), anchored or lifted above the burner. The transition from attachment to liftoff is characterized by an original thermal criterion for both identified lifting processes during which the flame base passes from a mainly propagative extremity to a mainly diffusive one. The properties of the flame, lifted either in its hysteresis zone or in the liftoff zone, and those of vortical structures of the jet detected by an automatic identification technique, are quantified by imagery and velocimetry diagnostics. The organization of the methane/air mixing layer governs the flame response from a laminarized aspect with a lobed base to a turbulent one when the air velocity (Uo) is increased. The flame is stabilized by the dynamics of the counter-rotating vortices issued from secondary instabilities, influenced when they are formed by the Kelvin-Helmholtz vortices. The flame adapts to conditions imposed by Uo whose ratio with the laminar flame speed (Sl) pilots its laminarized or turbulent behavior. Inside the chambers, combustion instabilities are increased by acoustic waves creating various modes in interaction with the own modes of the stream. So, our experiment is adjusted to study the flame submitted to a sinewave forcing of the methane. Its responses are discriminated according to the forcing frequencies and amplitudes ; increasing Uo shifts the limits of the identified zones, even some of them can disappear. For all Uo, forced : - near its natural frequency (1200 Hz), the jet is more ordered ; - near its first harmonic frequency (2600 Hz), the jet shows several non linearly interacting modes. For both high frequencies, forcing contributes to a better mixing, and so to a reduction of the liftoff height (Hl) for small Uo. But, this effect is weakened with Uo increase, or even reversed at 2600 Hz for high Uo. For medium frequencies (200 Hz), the behavior tends to a turbulent flame whose liftoff height pivots around a data obtained for Uo Sl (Hl grows (reduces) for small (high) Uo). For any condition (Uo, frequency, amplitude), the mode interaction mechanisms govern the flame response through the vortical structures.

Key words : anchored, lifted, diffusion, partially premixed flame ; flame edge ; non-premixed coaxial jets ; shear layer ; primary and secondary instabilities ; acoustics ; optical diagnoses.

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