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UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COM

UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE PAR AMAL BOUAMOUL MODELISATION MATHEMATIQUE D'UNE FLAMME DE DIFFUSION MÉTHANE-AIR AVEC VICIATION ET EN CONFIGURATION CONTRE COURANT JUIN 1999 bibliothèque Paul-Emile-Bouletj UIUQAC Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. Je dédie ce mémoire, à mes chers parents, à mon mari Pascal, à Hicham et à Sana. HI Résumé Le but de notre travail est d'apporter une contribution à l'analyse de la structure des flammes laminaires étirées de diffusion. En effet, ces flammes laminaires étirées jouent un rôle important dans la modélisation des flammes turbulentes utilisant le concept de flammelette. Le modèle de la flamme cohérente considère la combustion turbulente comme l'assemblage de flammelettes laminaires étirées, emportées et déformées par la turbulence. L'étude des flammelettes laminaires permet de valider les mécanismes chimiques, de dégager les réactions prépondérantes de la combustion, de connaître la structure fine du front de flamme et de connaître pour une pression et une température de gaz frais donnée les fractions massiques de toutes les espèces chimiques. Ce travail se divise en deux grandes parties. La première est consacrée à la modélisation et au traitement numérique des flammes laminaires étirées de diffusion. On y trouvera une description des équations de bilan, les expressions des propriétés de transport et des variables thermodynamiques, les notions de réactions chimiques et de mécanismes cinétiques, les équations de bilan des flammes laminaires étirées, la formulation à étirement constant, les conditions aux limites, la méthode Newton et le couplage de cette méthode avec un maillage adaptatif. La seconde partie est consacrée à l'étude numérique de la flamme laminaire étirée de diffusion méthane air. On y trouve deux calculs pour deux schémas cinétiques différents. Le premier mécanisme réactionnel contient 27 espèces et 100 réactions. L'étude porte sur l'influence de l'augmentation de la température des gaz frais sur la structure du front de flamme. Le deuxième schéma réactionnel contient 38 espèces et 162 réactions. La différence entre ce schéma et le premier, c 'est que le deuxième tient compte des oxydes d'azote. On y trouve dans la seconde partie l'étude de l'influence de l'augmentation de la température des gaz frais et de la viciation de l'air par des produits de combustion sur la formation des oxydes d'azote. A la fin de la dernière partie de ce mémoire on trouve les graphes, les figures ainsi que les références. IV Remerciements Je suis très heureuse que le Professeur André CHARETTE ait accepté de diriger mon mémoire. Je lui exprime ma profonde gratitude pour son encadrement et son soutien efficace. Je tiens à remercier Monsieur Mohamed Hacin SENNOUN d'avoir accepté de co- diriger ce travail. Je le remercie pour son appui et ces conseils. Je voudrais remercier le Professeur Rung Tien BUIpour son soutien à ce travail. Je remercie également tous les membres du Groupe de Recherche en Ingénierie des Procédés et Systèmes (GRIPS) pour l'ambiance de travail. Ce travail a été rendu possible par la participation financière de l'Université du Québec à Chicoutimi et le Programme Aide Institutionnelle à la recherche (PAIR). Finalement, je tiens à remercier sincèrement mon mari pour son support dans les moments difficiles et pour son encouragement. TABLE DES MATIERES Résumé iii Remerciements iv Liste des figures et des tableaux vii Liste des graphes ix Nomenclature xiii Introduction 1 1. Équations des mélanges réactifs gazeux 8 1.1 Paramètres d'étude 8 1.1.1 La richesse 10 1.1.2 L'étirement 12 1.2 Équations de bilan 14 1.3 Variables thermodynamiques 17 1.4 Cinétique chimique 21 1.5 Phénomènes de transport 25 1.6 Flux thermique 27 1.7 Propriétés de transport 28 1.8 Conclusion 32 2. Modélisation des flammes laminaires 33 2.1 Approximations pour les flammes laminaires 33 2.2 Approximations du faible nombre de Mach 34 2.3 Equations des flammes isobares 35 VI 2.4 Flammes laminaires étirées de diffusion 39 2.4.1 Formulation à étirement constant 39 2.4.2 Les conditions aux limites 41 2.5 Étude numérique d'une flamme laminaire étirée 42 2.5.1 Discrétisation 43 2.5.2 La méthode de Newton 46 2.5.3 Remaillage du domaine de calcul 47 2.5.4 Aperçu sur le calcul 49 2.6 Conclusion 50 3. Résultats numériques 51 3.1 Mécanismes de référence 51 3.2 Paramètre d'études de la flamme 52 3.3 Résultats numériques 54 3.3.1 Schéma sans oxyde d'azote 54 3.3.1.1 Influence de retirement 57 3.3.1.2 Influence de la température d'injection de l'air 57 3.3.2 Schéma avec oxydes d'azote 61 3.3.2.1 Influence de la température d'injection de l'air 64 3.3.2.2 Influence de la viciation 66 3.4 Conclusion 69 4. Conclusion 71 Annexe 1 74 Annexe 2 79 Annexe 3 83 Références 89 Vil Liste des figures et des tableaux Tableau 3.1 La température maximale de fin de combustion et la position LM pour différentes températures d'injection d'air 59 Tableau 3.2 La vitesse du front de flamme, la vitesse d'expansion des gaz frais et la position LF pour différentes températures d'injection d'air 60 Tableau 3.3 Comparaison entre les fractions massiques maximales de quelques espèces chimiques pour les deux schémas cinétiques 63 Tableau 3.4 L'erreur de calcul sur les fractions massiques maximales 64 Tableau 3.5 La fraction massique de quelques espèces chimiques présentées pour deux températures 65 Tableau 3.6 La température maximale et la vitesse d'expansion pour différents cas de viciation 67 Tableau 3.7 La fraction massique maximale de NO et NO2 pour différents cas de viciation 69 Figure 1 Modèle de la flamme cohérente. Figure 2 Flamme de prémélange (configuration double flamme). Figure 3 Flamme de prémélange (configuration simple flamme). Vlll Figure 4 Flamme de diffusion. Figure 5 Flamme de diffusion (flamme viciée par des produits de combustion). Figure 6 Un dispositif expérimental pour la réalisation d'une flammelette Figure 7 Interaction du modèle de la flammelette et du modèle de combustion global. Figure 8 La configuration étudiée Figure 9 La position de la vitesse d'expansion des gaz frais VE et du front de flamme VF- Figure 10 Zones de recirculation et de viciation par des produits de combustion. IX Liste des graphes Figure (3. la) Le profil de température (Tair= 283.K, Tjuei= 332.K et e =100 s'1). Figure (3.1b) Le profil de vitesse axiale (Tair= 283.K, 7>e/= 332.K et e =100 s'1). Figure (3.1c) Le profil des fractions massiques des espèces majoritaires (Tair= 283.K, Tfilel=332.Ket e =100 s1). Figure (3. ld) Le profil des fractions massiques des espèces majoritaires en échelle logarithmique (Tair= 283.K, Tjuei=332.K et 8 =100 s'}). Figure (3. le) Le profil des fractions massiques des espèces minoritaires (Tair= 283.K, Tjuei=332.Ket 8 =100 s1). Figure (3. If) Le profil des fractions massiques des espèces C2H2, C2H4, C2H6, CH4. Figure (3. lg) La comparaison entre la présente modélisation et celle de Dixon-Lewis pour la température et la vitesse axiale. Figure (3.1 h) La comparaison entre la présente modélisation et celle de Dixon-Lewis pour les espèces majoritaires et minoritaires. Figure (3.1.2a) Le profil de température de fin de combustion pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2b) Le profil de vitesse axiale pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2c) La fraction massique de CO2 pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2d) La fraction massique de H2O pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2e) La fraction massique de CO pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2J) La fraction massique de H2 pour différentes températures d'injection d'air. Figure (3.1.2g) La fraction massique de O2 pour différentes températures d'injection d'air. Les figures du deuxième schéma réactionnel Figure (3.2a) Comparaison des profils de température pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2b) Comparaison des profils de vitesse pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2c) Comparaison des fractions massiques de CO2 pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2d) Comparaison des fractions massiques de H2O pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2e) Comparaison des fractions massiques de O2 pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2f) Comparaison des fractions massiques de CH4 pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2g) Comparaison des fractions massiques de NO pour les deux schémas cinétiques. Figure (3.2h) Comparaison des fractions massiques de NO2 pour les deux uploads/Litterature/ universite-du-quebec 2 .pdf