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Caractérisation expérimentale détaillée et modélisation numérique de la combust

Caractérisation expérimentale détaillée et modélisation numérique de la combustion diluée du gaz naturel sur une installation de laboratoire de 30kW Delphine Lupant Thèse de doctorat 6 septembre 2011 Faculté Polytechnique Service de Thermique et Combustion MEMBRES DU JURY : Prof. G. Coussement (UMONS) (Président) Prof. D. Roekaerts (TU Delft) Prof. D. Honoré (INSA de Rouen) Prof. B. Merci (UGent) Prof. A. Parente (ULB) Prof. J. Vandooren (UCL) Prof. P. Ngendakumana (ULg) Prof. V. Feldheim (UMONS) Prof. P. Lybaert (UMONS) (Co-promoteur) Prof. B. Pesenti (UMONS) (Promoteur) Remerciements Remerciements Remerciements Remerciements J’adresse tout d’abord mes remerciements aux membres de mon comité d’accompagnement pour leur implication dans le suivi de ce travail, Messieurs les professeurs Grégory Coussement, Bart Merci, Jacques Vandooren, Paul Lybaert, ainsi que Mesdames les professeurs Véronique Feldheim et Barbara Pesenti. J’ai réellement apprécié le regard neuf qu’ils ont apporté et les conseils enrichissants qu’ils m’ont prodigués au cours des états d’avancement. Je souhaiterais également remercier les membres du jury, Messieurs les professeurs Dirk Roekaerts, David Honoré, Philippe Ngendakumana et Alessandro Parente, pour le temps consacré à l’évaluation attentive de ce travail. La Région Wallonne a financé la mise en place de l’installation de combustion sur laquelle le volet expérimental de ce travail de thèse a été réalisé. C’est aussi dans le cadre d’une convention de la Région Wallonne, en partenariat avec l’Agence Internationale de l’Energie, que j’ai pu démarrer mes activités dans le domaine de la combustion. Je tiens donc à remercier les autorités pour leur confiance et leur soutien. Merci au Professeur Paul Lybaert, chef du Service de Thermique et Combustion et co- promoteur de ce travail, qui m’a donné l’opportunité de travailler dans le domaine de la recherche et de démarrer ensuite une thèse de doctorat. Bien que la thèse ne faisait pas partie de mes projets professionnels à la fin de mes études, elle s’est avérée être une aventure scientifique stimulante que j’ai réellement appréciée et que j’espère poursuivre. La qualité de l’encadrement n’y est certainement pas étrangère, et je remercie tout particulièrement Barbara Pesenti, mon promoteur, pour sa disponibilité, son accessibilité et pour la liberté laissée dans le choix des voies que j’avais envie d’explorer. J’ai vraiment apprécié nos nombreuses discussions autour des résultats expérimentaux ou numériques (que ceux-ci soient réjouissants ou qu’ils tiennent de la science-fiction…), au cours desquelles elle m’a transmis son goût du travail soigné et sa rigueur scientifique. Mes remerciements s’adressent également aux membres du Service de Thermique et Combustion pour la bonne ambiance de travail. A Michel, pour la cohabitation depuis maintenant presque huit ans. A Patricia, Véronique et Barbara, avec qui je partage avec plaisir l’encadrement des étudiants, et qui m’ont gentiment déchargé des tâches pédagogiques pour que je puisse me consacrer entièrement à la rédaction de ma thèse. A Marcel et Christophe, pour leur travail sur l’installation de combustion qui m’a permis de mener à bien la partie expérimentale de ma thèse. Enfin, un grand merci à mes proches, à David pour sa patience et son soutien, à mes parents pour le support logistique, et à Rafael et Julia de ne pas trop en vouloir à maman de s’être absentée pour terminer son « gros travail ». Table des matières i Table des matières Table des matières Table des matières Table des matières Table des matières ...................................................................................................................................... i Liste des Figures ......................................................................................................................................... v Liste des Tableaux ...................................................................................................................................... x Chapitre 1 Contexte et objectifs ........................................................................................................... 1 1.1 Contexte et origine de la combustion diluée ..................................................................................... 1 1.2 Voies de formation des oxydes d’azotes............................................................................................ 4 1.3 Principe de la combustion diluée ....................................................................................................... 6 1.4 Modélisation de la combustion diluée ............................................................................................. 11 1.5 Objectifs et plan du travail .............................................................................................................. 14 Chapitre 2 L’installation expérimentale ............................................................................................. 16 2.1 La chambre de combustion ............................................................................................................. 16 2.2 Instrumentation............................................................................................................................... 19 2.2.1 Instrumentation générale ....................................................................................................... 20 2.2.2 Mesure des températures de paroi ........................................................................................ 22 2.2.3 Visualisation de l’émission spontanée des radicaux OH dans l’UV ........................................ 23 2.2.4 Champs de température et de concentration dans le plan des injecteurs ............................ 25 Chapitre 3 Mesures en écoulement réactif ......................................................................................... 28 3.1 Choix des points de fonctionnement ............................................................................................... 28 3.1.1 Analyse des résultats à température de l’air constante ......................................................... 29 3.1.2 Choix des points de fonctionnement...................................................................................... 32 3.2 Protocole d’essai ............................................................................................................................. 33 3.3 Bilans ............................................................................................................................................... 34 3.3.1 Bilan matière .......................................................................................................................... 34 3.3.2 Bilan énergétique ................................................................................................................... 35 Table des matières ii 3.4 Jets de combustible – Champs de concentration en CH4 ................................................................. 37 3.5 Zone réactionnelle – Champs de concentration en CO et visualisation de l’émission de l’OH dans l’UV 40 3.6 Degré d’avancement de la réaction – Champs de concentration en O2 et CO2 ............................... 42 3.7 Champs de température .................................................................................................................. 45 3.8 Champs de concentration en NO ..................................................................................................... 47 3.9 Conclusion ....................................................................................................................................... 48 Chapitre 4 Mesures en écoulement non-réactif ................................................................................. 50 4.1 Choix des points de fonctionnement ............................................................................................... 50 4.2 Protocole d’essai ............................................................................................................................. 52 4.3 Bilans ............................................................................................................................................... 53 4.3.1 Bilan matière .......................................................................................................................... 53 4.3.2 Bilan énergétique ................................................................................................................... 54 4.4 Champs de concentration en CO2 .................................................................................................... 55 4.4.1 Trajectoires et expansion des jets de CO2 .............................................................................. 55 4.4.2 Dilution et entraînement des jets d’air et de CO2 .................................................................. 58 4.5 Conclusion ....................................................................................................................................... 59 Chapitre 5 Simulation numérique de la combustion turbulente ......................................................... 61 5.1 Modélisation RANS et équations de conservation ........................................................................... 61 5.2 Modèles de turbulence .................................................................................................................... 64 5.2.1 Les modèles k-ε ...................................................................................................................... 65 5.2.2 Les modèles k-ω ..................................................................................................................... 68 5.3 Modèles de combustion .................................................................................................................. 70 5.3.1 Le modèle Eddy-Dissipation/Finite Rate (ED/FR) ................................................................... 70 5.3.2 Le modèle Eddy-Dissipation Concept (EDC) ........................................................................... 73 5.3.3 Calcul de la production de NO ................................................................................................ 74 5.4 Modèle de rayonnement ................................................................................................................. 76 Chapitre 6 Modèle numérique de la chambre de 30kW ..................................................................... 78 6.1 Domaine de calcul ........................................................................................................................... 78 6.2 Maillage .......................................................................................................................................... 80 6.3 Conditions aux limites ..................................................................................................................... 82 6.3.1 Entrées .................................................................................................................................... 84 6.3.2 Sortie ...................................................................................................................................... 85 6.3.3 Epingles de refroidissement ................................................................................................... 85 6.3.4 Injecteurs ................................................................................................................................ 85 6.3.5 Parois ...................................................................................................................................... 85 6.4 Propriétés physiques des fluides ...................................................................................................... 86 Table des matières iii 6.5 Algorithme de résolution et procédure de convergence.................................................................. 88 Chapitre 7 Validation des modèles de turbulence .............................................................................. 89 7.1 Modèles testés et conditions aux limites ......................................................................................... 90 7.2 Résultats .......................................................................................................................................... 90 7.2.1 Structure de l’écoulement ...................................................................................................... 93 7.2.2 Validation sur base des concentrations en CO2 ...................................................................... 98 7.2.3 Effet du nombre de Schmidt turbulent sur la distribution de CO2 ....................................... 104 7.2.4 Modification de l’angle d’injection ....................................................................................... 106 7.3 Conclusions .................................................................................................................................... 106 Chapitre 8 Validation des modèles de combustion........................................................................... 110 8.1 Modèles testés et conditions aux limites ....................................................................................... 111 8.2 Résultats des simulations de référence ......................................................................................... 113 8.2.1 Procédure de convergence et temps de calcul .................................................................... 113 8.2.2 Bilans .................................................................................................................................... 113 8.2.3 Structure de l’écoulement .................................................................................................... 115 8.2.4 Champs de température....................................................................................................... 116 8.2.5 Avancement de la réaction ................................................................................................... 119 8.2.6 Zone réactionnelle ................................................................................................................ 120 8.2.7 Emission de NO ..................................................................................................................... 124 8.3 Effet de la température du four sur les caractéristiques de la zone réactionnelle simulée avec le modèle EDC ..................................................................................................................................................... 126 8.4 Influence du modèle de turbulence ............................................................................................... 130 8.5 Influence de l’angle d’injection ...................................................................................................... 133 8.6 Conclusions .................................................................................................................................... 137 Conclusions et perspectives ................................................................................................................... 141 Références ............................................................................................................................................. 146 Annexes ................................................................................................................................................. 153 Annexe A. Erreurs de mesure et calcul des bilans expérimentaux...................................................... A.1 A.1 Calcul d’erreur ........................................................................................................................... A.1 A.2 Etude de sensibilité sur la mesure de température par pyromètre à aspiration ...................... A.1 A.3 Composition du gaz naturel ....................................................................................................... A.7 A.4 Bilans pour les essais en écoulement réactif ............................................................................. A.8 A.5 Bilans pour les essais en écoulement non-réactif .................................................................... A.12 Annexe B. Comparaison des sondes de mesure ................................................................................. B.1 Annexe C. Calcul théorique de la trajectoire et du taux d’entraînement du jet de combustible ........ C.1 C.1 Propriétés du jet libre ................................................................................................................ C.1 C.2 Théorie sur l’interaction Jet Fort/Jet Faible ............................................................................... C.4 C.3 Application de la théorie au jet de combustible dans le cas du mélange réactif ...................... C.6 Table des matières iv C.4 Application de la théorie au jet de CO2 dans le cas du mélange non réactif ............................. C.8 Annexe D. Champs expérimentaux complémentaires ........................................................................ D.1 D.1 Essais en écoulement réactif ..................................................................................................... D.1 D.2 Essais en écoulement non-réactif .............................................................................................. D.6 Annexe E. Détails sur les modèles numériques .................................................................................. E.1 E.1 Modèles de turbulence .............................................................................................................. E.1 E.2 Modèles de combustion ............................................................................................................ E.5 Annexe F. Influence des conditions imposées aux limites du domaine ............................................... F.1 Annexe G. Etude de sensibilité au maillage ........................................................................................ G.1 G.1 Indépendance au maillage ......................................................................................................... G.1 G.2 Sensibilité des résultats au choix du domaine de calcul : ½ chambre ou ¼ chambre................ G.9 Annexe H. Méthode de calcul des bilans des simulations numériques ............................................... H.1 H.1 Bilan énergétique ....................................................................................................................... H.1 H.2 Bilan de matière ......................................................................................................................... H.3 Liste des Figures v Liste des Liste des Liste des Liste des Figures Figures Figures Figures Figure 1-1. Evolution de la concentration en NOx (sec,@8%O2) en fonction de la température de l’air – Comparaison des combustions conventionnelle, étagée et sans flamme (FLOX®) [4]. ........................................... 3 Figure 1-2. Zone de stabilité de la combustion classique (A) et de la combustion sans flamme (C) pour le gaz naturel dans diverses conditions de température et de recirculation uploads/Geographie/ these-delphinelupant-2011.pdf