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Mécanique des Fluides : Fondements et Applications

2011-2012

Effects of Soot Formation on Shape of a Nonpremixed
Laminar Flame Established in a Shear Boundary Layer
in Microgravity

Directeur du master :
Yves BERTHAUD
Auteur :
Thomas HERVIOU

Correspondant :
José FULLANA
Tuteur de stage :
Dr. H.Y WANG

Master de Sciences et Technologies de l’UPMC - Mention Sciences de l’Ingénieur
UFR 919 d’ingénierie
Université Pierre-et-Marie Curie-Paris6

Résumé
Une étude numérique fut mise au point afin de donner une description quantitative de la formation de
suie, d’une flamme en régime laminaire non pré mélangé établi dans une sous-couche limite en microgravité.
En contrôlant les mécanismes du flux en trois dimensions, la combustion, suie et radiation sont couplées. La
fraction volumique de la suie fut prédite par le biais de trois approches, faisant référence au modèle d’injection
d’essence, d’acétylène et du modèle PAH. Il fut montré que le modèle d’injection PAH, qui est basé sur la
formation de deux ou trois espèces aromatiques annelés, reproduit correctement les données expérimentales
de la diffusion d’une flamme d’éthylène en régime laminaire. Le modèle d’injection PAH

Abstract
A numerical study was performed to give a quantitative description of a heavily sooting, nonpremixed
laminar flame established in a shear boundary layer in microgravity. Controlling mechanisms of three dimensional flow, combustion, soot and radiation are coupled. Soot volume fraction were predicted by using three
approaches, referred respectively to as the fuel, acetylene and PAH inception models. It is found that the
PAH inception model, which is based on the formation of two and three-ringed aromatic species, reproduces
correctly the experimental data from a laminar ethylene diffusion flame. The PAH inception model serves
later to better understand flame quenching, flame stand-off distance and soot formation as a function of the
dimensionless volume coefficient, defined as Cq=VF/Vox where VF is the fuel injection velocity, and Vox air
stream velocity. The present experiments showed that a blue unstable flame, negligible radiative feedback,
may change to a yellow stable flame, significant radiative loss with an increase of Cq ; this experimental
trend was numerically reproduced. The flame quenching occurs at the trailing edge due to radiative heat
loss which is significantly amplified by increasing VF or decreasing Vox, favouring soot formation. Along a
semi-infinite fuel zone, the ratio, df/db, where df is the flame standoff distance, and db the boundary layer
thickness, converges towards a constant value of 1.2, while soot resides always within the boundary layer far
away from the flame sheet.

Table des matières
1 Introduction générale

5

2 Modelisation numerique d’un jet dans un écoulement transversal
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Etude bibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Représentation moyenne du JICF . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Trajectoires et structures tourbillonnaire du jet . . . . . . . . .
2.3 Les bases theoriques en mécanique des fluides . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Méthode de résolution du code NS3D . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Approximation de Boussinesq . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Equations de base du code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Algorithme de résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 Boucle de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Méthode de résolution du code FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Equation d’état pour un faible nombre de Mach . . . . . . . .
2.5.2 Equation de quantité de mouvement . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.3 Algorithme de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Parametres de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Modélisation du JICF par le code NS3D . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8 Comparaison avec FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7

3 Flamme de couhe limite en microgravité
3.1 Etude analytique : le modele d’Emmons . . . . . . .
3.2 Applications et limites du modele d’Emmons . . . .
3.3 Les fammes de diffusion sur un bruleur a gaz . . . .
3.4 Les études expérimentales . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Vols paraboliques . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Visualisation de la flamme en micropesenteur
3.4.4 Les mesures effectuées . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 Modélisation sous FDS d’une flamme de diffusion en micropesenteur
4.1 Le choix de l’outils numérique FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Modélisation de la combustion dans FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Les equation de conservation en combustion . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 modele de combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Méthode numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Transfert radiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.3.1 Milieu semi-transparent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Variation de flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Le flux absorbé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Le flux émis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6 Le flux diffusé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.7 Equation du transfert radiatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.8 Puissance radiative dissipé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.9 Modélisation du transfert radiatif sous FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.10 Calcul des coefficients d’absorbtion par FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Determination de la fraction volumique de suie par FDS . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Parametres de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 Domaine de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 Conditions limites et initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 Structure de la flamme d’éthylŔne modélisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1 Champ de température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 Formation d’une paire de vortex contrarotatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.3 Champ des suies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.4 Dissipation de la chaleur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.5 Longueur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.6 Influence du rapport d’injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.7 Hauteur de flamme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.8 Localisation de la couche limite dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.9 Localisation de la flamme par rappot Ĺ la couche limite dynamique . . . . . . .
4.6.10 Localisation de la formation de suies par rappot Ĺ la couche limite dynamique
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 Modelisation numerique de la formation de suies
5.1 Analyse physique et chimique de la formation de suies . . . . . .
5.2 Le comportement des suies en microgravité . . . . . . . . . . . .
5.3 Modele de formation de suies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Equation de transport de la suie . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Modele de formation de suie . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 Puissance radiative dissipé par les suies . . . . . . . . . .
5.4 Champ de temperature et de fraction volumique de suie . . . . .
5.5 Termes sources de formation de suies . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 Analyse des suies mesurees et confrontation avec la modélisation
5.7 Analyse par modélisation d’une section transversale de la flamme
5.7.1 Champ transversal de la température . . . . . . . . . . .
5.7.2 Champ transversal de la fraction volumique des suies . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Choix du nombre de dimension du modele numérique
6.1 Le modŔle bi-dimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Avantages et inconvénients du modŔle . . . . . .
6.1.2 Limites du modŔle . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.3 Lorsque le modŔle bi-dim n’est plus représentatif
6.2 Le modŔle tri-dimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 NS3D et FDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Limites du modŔle . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Table des figures
1.1
1.2

Légende 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Légende 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5
5

2.1

Légende 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3

Liste des tableaux

4

Chapitre 1

Introduction générale
L’étude des flammes de diffusion représentatives d’incendies, du fait qu’elles se dénveloppent sur des
surfaces combustibles, requière la prise en compte simultanée des phénomènes mis en jeu dans la phase
gazeuse et dans la phase condensée. Au niveau de la phase gazeuse c’est la structure de l’écoulement, la
géométrie de la flamme, les réaction chimiques et les mécanismes de transport de masse et de chaleur qui
retiennent l’attention. Cependant, c’est pourtant la phase consensée qui a tendance à contreôler le processus
global. En effet, la vitesse de transformation de la phase condensée est déterminée par le flux de chaleur vers
la surface et par la conétique de pyrolyse.

Figure 1.1 – Légende 1

Figure 1.2 – Légende 2

Au niveau de la phase gazeuse c’est la structure de l’écoulement, la géométrie de la flamme, les réaction
chimiques et les mécanismes de transport de masse et de chaleur qui retiennent l’attention. Cependant,
c’est pourtant la phase consensée qui a tendance à contreôler le processus global. En effet, la vitesse de
transformation de la phase condensée est déterminée par le flux de chaleur vers la surface et par la conétique
de pyrolyse.

5

Chapitre 2

Modelisation numerique d’un jet dans un
écoulement transversal
2.1

Introduction

2.2

Etude bibliographique

2.2.1

Représentation moyenne du JICF

Ballbalblal

Figure 2.1 – Légende 3
balbablalbal balb alb balbalbal bla bla bl

6

2.2.2

Trajectoires et structures tourbillonnaire du jet

2.3

Les bases theoriques en mécanique des fluides

2.4

Méthode de résolution du code NS3D

2.4.1

Approximation de Boussinesq

2.4.2

Equations de base du code

2.4.3

Algorithme de résolution

2.4.4

Boucle de calcul

2.5

Méthode de résolution du code FDS

2.5.1

Equation d’état pour un faible nombre de Mach

2.5.2

Equation de quantité de mouvement

2.5.3

Algorithme de calcul

2.6

Parametres de calcul

2.7

Modélisation du JICF par le code NS3D

2.8

Comparaison avec FDS

Ceci est la conclusion. Personnellement, je n’aime pas que la conclusion soit numéroté, mais je veux
qu’elle apparaisse dans la table des matière, d’où la commande addcontentsline.

7

Chapitre 3

Flamme de couhe limite en microgravité
3.1

Etude analytique : le modele d’Emmons

3.2

Applications et limites du modele d’Emmons

3.3

Les fammes de diffusion sur un bruleur a gaz

3.4

Les études expérimentales

3.4.1

Vols paraboliques

3.4.2

Banc expérimental

3.4.3

Visualisation de la flamme en micropesenteur

3.4.4

Les mesures effectuées

Ceci est la conclusion. Personnellement, je n’aime pas que la conclusion soit numéroté, mais je veux
qu’elle apparaisse dans la table des matière, d’où la commande addcontentsline.

8

9

Chapitre 4

Modélisation sous FDS d’une flamme de
diffusion en micropesenteur
4.1

Le choix de l’outils numérique FDS

4.2

Modélisation de la combustion dans FDS

4.2.1

Les equation de conservation en combustion

4.2.2

modele de combustion

4.2.3

Méthode numérique

4.3

Transfert radiatif

4.3.1

Milieu semi-transparent

4.3.2

Luminance

4.3.3

Variation de flux

4.3.4

Le flux absorbé

4.3.5

Le flux émis

4.3.6

Le flux diffusé

4.3.7

Equation du transfert radiatif

4.3.8

Puissance radiative dissipé

4.3.9

Modélisation du transfert radiatif sous FDS

4.3.10

Calcul des coefficients d’absorbtion par FDS

4.4

Determination de la fraction volumique de suie par FDS

4.5

Parametres de modélisation

4.5.1

Domaine de calcul

4.5.2

Conditions limites et initiales

4.6

10

Structure de la flamme d’éthylŔne modélisé

4.6.1

Champ de température

4.6.2

Formation d’une paire de vortex contrarotatifs

Chapitre 5

Modelisation numerique de la formation
de suies
5.1

Analyse physique et chimique de la formation de suies

5.2

Le comportement des suies en microgravité

5.3

Modele de formation de suies

5.3.1

Equation de transport de la suie

5.3.2

Modele de formation de suie

5.3.3

Puissance radiative dissipé par les suies

5.4

Champ de temperature et de fraction volumique de suie

5.5

Termes sources de formation de suies

5.6

Analyse des suies mesurees et confrontation avec la modélisation

5.7

Analyse par modélisation d’une section transversale de la flamme

5.7.1

Champ transversal de la température

5.7.2

Champ transversal de la fraction volumique des suies

Ceci est la conclusion. Personnellement, je n’aime pas que la conclusion soit numéroté, mais je veux
qu’elle apparaisse dans la table des matière, d’où la commande addcontentsline.

11

Chapitre 6

Choix du nombre de dimension du
modele numérique
6.1

Le modŔle bi-dimensionnel

6.1.1

Avantages et inconvénients du modŔle

6.1.2

Limites du modŔle

6.1.3

Lorsque le modŔle bi-dim n’est plus représentatif du systŔme

6.2

Le modŔle tri-dimensionnel

6.2.1

NS3D et FDS

6.2.2

Limites du modŔle

Ceci est la conclusion. Personnellement, je n’aime pas que la conclusion soit numéroté, mais je veux
qu’elle apparaisse dans la table des matière, d’où la commande addcontentsline.

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