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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE HADJ-LAKHDAR BATNA FACULTE DES SCIENCES EXACTES DEPARTEMENT DE PHYSIQUE MEMOIRE Diplôme de MAGISTERE Option : PHYSIQUE ENERGETIQUE Etude Numérique de la Combustion des Gaz dans un Four de Cimenterie Présenté par : NOUI Samira Soutenu le : 05 Mars 2006 Devant le jury : Président Dr HECINI Mabrouk M.C Université de Biskra Rapporteur Dr BENMOUSSA Hocine M.C Université de Batna Examinateurs Dr SOUDANI Azeddine M.C Université de Batna Dr BOUGOUL Saâdi M.C Université de Batna Dr MESSAOUDI Laïd C.C Université de Batna Dédicace Je dédie cet humble travail à la mémoire de mon frère Mohamed qui m’est toujours la plus chère, puisse Dieu le miséricordieux ait pitié de son âme. Samira REMERCIEMENTS J’adresse mes sincères remerciements à : Dr. BENMOUSSA Houcine d’avoir accepté de m’encadrer en dépit de son emploi du temps très chargé et de la confiance qu’il m’a témoignée. Dr. HECINI Mabrouk d’avoir accepté de présider le Jury. Dr MESSAOUDI Laïd pour sa disponibilité, son aide précieuse en rapport avec les logiciels utilisés, les problèmes d’installation souvent rencontrés ainsi que ses conseils judicieux. Dr. SOUDANI Azeddine et Dr. BOUGOUL Saâdi d’avoir accepté d’examiner le présent mémoire et m’enrichir de leurs remarques et critiques objectives ainsi que leur soutient moral et leurs encouragements pendant toute la durée de ma post graduation. Mr DEMAGH Yassine pour m’avoir proposé le sujet et pour l’aide qu’il m’a apportée. Melle MEZAACHE Fouzia pour son aide inestimable à tout point de vue et son sourire réconfortant, qu’elle trouve ici l’expression de ma profonde gratitude. Ma soeur Melloula pour son immense aide dans les moments difficiles. Je tiens aussi à témoigner mon profond respect pour toute l’équipe de recherche du laboratoire de Mécanique-Energétique de l’Université de Constantine en particulier à Mr le Professeur NEMOUCHI Zoubir. Mon cher mari pour son aide et sa patience. S. NOUI Sommaire Nomenclature………………………………………………………………………………... Introduction 1. Introduction …………………………………………………………………………..…... 2. Etude bibliographique …….…………………………………………………………….… 3. Objectif du travail…….……………………………………………………………….… 4. Contenu du mémoire..…………………………………………………………..……. Chapitre I : Processus dans les fours de cimenterie I.1. Introduction………………………………………………………………………….….… I.2. Four rotatif de cuisson…………………………………………………..………………. I.2.1.Vitesses des gaz à l’intérieur du four……………………………………….…… I.3. Domaine d’étude et dimensionnement………………………………………………..... I.4. Brûleur.………………………………………………………………………….……. I.4.1. Combustion à l’intérieur du four…………………………………………….…. Chapitre II : Notions sur les flammes II..1. Introduction………………………………………………………………………….…... II.2. processus de combustion……………………………………………………………….. II.3. Combustion laminaire…………………………………………………………..……… II.3.1. Flamme laminaire prémélangée……………………………………………..….. II.3.2. Flamme laminaire non prémélangée………………………………....………… II.4 Combustion Turbulente …………………………………………………...….… II.4.1 Diagrammes de combustion turbulente…………………………………...…. II.4.1.1 Diagramme de combustion turbulente prémélangée….. ……………….…. II.4.1.2. Diagramme de combustion turbulente non- prémélangée…..………….….. II.5. Brève présentation de quelques modèles de combustion turbulente……………….. II.5.1. Modèles de combustion turbulente…………………………………….……. Chapitre III : Formulation numérique III.1. Equations de l’aérothermochimie turbulente………………………………………... III.1.1. Equation de continuité …………………………………………………..…. III.1.2. Equations de conservation de quantité de mouvement………………..……….. 01 02 04 04 05 06 09 09 10 11 14 14 15 15 16 20 20 20 24 27 28 29 29 29 III.1.2.1. Modèle k-ε ……………………………………………………………………. III.1.3.1. Equations de transport de l’énergie cinétique turbulente……………….…… III.1.3.2. Equations de transport du taux de dissipation de l’énergie cinétique turbulente.. III.1.4. Equations de conservation de l’énergie……………………………………………….. III.1.4.1. Equations d’état………………….……………………………………………….. III.1.5. Equations de transfert radiatif ………………………………………………………. III.1.6. Equations de conservation des espèces chimiques ………………………………..… III.2. Modèle de combustion……………………………………………………………… III.3.Traitement prés des parois……………………………………………………………. III.3.1. Fonction de paroi standard……………………………………………….…... III.3.1.1. Quantité de mouvement………………………………………………..…... III.3.1.2. Energie …………………………………………………………………..…. III.3.1.3. Turbulence ………………………………………………………………..…. III.3.1.4. Les espèces chimiques ……………………………………………………..…. III.4. Conditions aux limites ………………………………………………………….... Chapitre VI : méthode numérique de résolution INTRODUCTION IV.1. Méthode des volumes finis ………………………………………………………..….. IV.2. Maillage ……………………………………………………………………………….. IV.3. Discrétisation…………………………………………………………………………... IV.3.1. Linéarisation de l'équation discrétisée ……………………………………….…. IV.3.2. Sous relaxation……………………………………………………………….…. IV.4 Discrétisation de l'équation de la quantité de mouvement …………………………. IV.4.1. Schéma du premier ordre amont ………………………………………………... IV.4.2. Schéma du second ordre amont…………………………………………………. IV.4.3. Schéma Quick ………………………………………………………………….... IV.5. Interpolation de la pression ………………………………………………………….. IV.5.1. Schéma standard……………………………………………………………..…. IV.5.2. Schéma du second ordre……………………………………………………..…. IV.5.3. Schéma PRESTO (option de pression décalée) …………………………….……… IV.6. Discrétisation de l’équation de continuité …………………………………………... IV.7. Couplage Vitesse -Pression…………………………………………………………… IV.7.1. Algorithme SIMPLE (semi-implicit method for pressure linked equations) ..… 30 30 31 31 32 32 33 34 34 36 36 37 38 38 39 40 40 41 42 42 43 44 44 44 45 45 45 46 46 46 46 IV.8. Procédure de résolution………………………………………………………………. IV.9 Algorithme de calcul…………………………………………………………………... Chapitre IV : Résultats et Discussions V.1. Description du problème ……………………………………………………………...... V.2. Condition aux limites et maillage …………………………………………………...…. V.2.1. Condition aux limites ………………………………………………………….… V.2.2. Maillage …………………………………………………………………….…... V.2.2.1. Effet de maillage …………………………………………………………….….. V.3. Discussion des résultats…………………………………………………………………… V.3.1. Champ de température…………………………………………………………… V.3.2. Champ dynamique……………………………………………………………….. V.3.3. Champ turbulent……………………………………………………………………. V.3.4. Contours des fractions massiques des différentes espèces…………………… Conclusion Générale et Perspectives Futures ……………………………………………. Références Bibliographiques Tutorial et Annexes 48 48 50 50 50 51 52 53 53 57 60 63 67 Nomenclature A Surface (m2). A et B Constantes empiriques du modèle Eddy dissipation. A G Vecteur de surface ap, nb a Coefficient de linéarisation,(nb) pour cellules adjacentes b Résidu Cp Chaleur spécifique à pression constante (j /kg K) c0, c 1 Centre des cellules D Diamètre (m) E Energie totale (J) I Intensité de turbulence (%) k Energie cinétique turbulente (m2/s2) M Masse (kg) Mw,i Masse molaire de l'espèce i (g/mole) r Rayon (m) R Constante universelle des gaz (R = 8.314 j mole-1 K-1) Ri Taux net de production par réaction chimique (kg/m3.s). SØ Terme source T Température (K) u, v Vitesses axiale et radiale moyennes (m/s) UL Vitesse de la flamme laminaire (m/s) u' Fluctuation axiale (m/s). ( '2 u'= u ) v' Fluctuation radiale (m/s). ( '2 v'= v ) Yi Fraction massique d'une espèce i. YP Fraction massique d'une espèce P dans les produits. YR Fraction massique d'une espèce R dans les réactifs. Lettres grecques α Facteur de sous relaxation θ Coefficient pour le schéma Quick φ Γ Coefficient de diffusion de φ δ Epaisseur de la zone de réaction ε Taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente (m2/s3) η Micro échelle spatiale de Kolmogorov λ Conductivité thermique. µ Viscosité dynamique (kg/m. s) t µ Viscosité dynamique turbulente (kg/m. s) ν Viscosité cinématique (m2/s) t ν Viscosité cinématique turbulente (m2/s). υ ,׳υ ״Coefficients stœchiométriques pour réactifs et produits ρ Masse volumique (kg/m3). c τ Echelle de temps caractéristique de la réaction chimie (s). t τ Echelle de temps caractéristique de la turbulence (s) ω Taux de réaction (mole/cm3.s). φ Scalaire Nombres sans dimension Da Nombre de Damköhler Pr Nombre de Prandtl Re Nombre de Reynolds Sct Nombre de Schmidt turbulent Ka Nombre de Karlovitz -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1. Introduction La combustion turbulente est l’un des thèmes privilégié de l’énergétique. C’est pourquoi ce travail a pour but la simulation des écoulements réactifs turbulents, en particulier l’étude numérique des flammes de diffusion turbulente (non prémélangées). En effet ces dernières se trouvent dans diverses applications technologiques telles que les brûleurs industriels, les moteurs Diesel, les fours industriels…etc. Ce type de flammes est utilisé principalement pour des raisons écologiques, à cause de l’émission dans l’environnement de gaz très nocifs tels que le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote (NOx) et de soufre (SOx). En ajoutant à cela les accords de Kyoto et l’augmentation inquiétante des problèmes de pollution, leurs études deviennent plus que nécessaires. L’une des raisons aussi, est le fait que l’Algérie, un pays disposant de ressources pétrolières et gazières importantes, doit disposer de ressources humaines et de recherche scientifique conséquente spécialisée dans le domaine de la combustion et ses applications. L’autre raison est que les écoulements des fluides rencontrés dans l’industrie ont le plus souvent un caractère complexe qui est dû à la nature des fluides eux même et à plusieurs facteurs qui peuvent les influencer, par exemple la compressibilité et l’instationnarité. Suite à cela le but recherché est la compréhension et la maîtrise de la stabilité des flammes de diffusion turbulente afin d’améliorer les performances techniques et sécuritaires des différents dispositifs et installations énergétiques. De ce fait il est nécessaire de comprendre les processus physique et chimique prépondérants au sein du système de combustion telles que la stabilité des flammes, l’interaction entre la turbulence et les réactions chimiques et le comportement dynamique. Les mesures expérimentales souvent utilisées pour analyser ces écoulements sont coûteuses alors que la simulation qui est la résolution numérique des équations de la dynamique des fluides et du transfert de chaleur, nous permet de visualiser les résultats d’un écoulement sur un simple écran d’ordinateur, en relevant des variables telles que la vitesse, la pression et la température. L’énorme progrès qu’ont connu les outils de simulation et les derniers modèles de combustion turbulente rend l’association entre l’approche numérique et le travail expérimental de plus en plus indispensable. Concernant les travaux numériques, les codes de simulation deviennent un outil indispensable pour l’étude des phénomènes physiques très complexes dont les écoulements réactifs en font partie et pour la validation des résultats expérimentaux. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Introduction ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 Récemment le code Fluent est devenu l’un des outils les plus utilisés pour la simulation de tous les phénomènes dans le domaine de l’énergétique tant pour l’industrie que pour la recherche. 2. Etude bibliographique Ce n’est que dans les années 40 qu’on a commencé à uploads/Litterature/ cimenterie-fluent.pdf