Combustion en prémélange gazeux

1. Équations de l’onde de combustion

2. Propagation d’une flamme laminaire

2.1 Vitesse de flamme laminaire

2.1.1 Rappels sur les phénomènes de transport

2.1.2 Théorie de Mallard et Le Châtelier

2.1.3 Théorie de Zeldovitch, Franck-Kamenetskii et Semenov

2.1.4 Théorie diffusionnelle

2.1.5 Approches récentes

2.2 Détermination expérimentale de la vitesse de flamme laminaire

2.2.1 Méthode du bec Bunsen

2.2.2 Méthode du tube

2.2.3 Méthode de la bulle de savon

2.2.4 Méthode de la bombe sphérique

2.2.5 Méthode du brûleur à flamme plate

2.2.6 Résultats expérimentaux

2.3 Stabilité des flammes laminaires prémélangées

2.3.1 Limites d’inflammabilité (ou de propagabilité)

2.3.2 Distance de trempe (ou de coincement)

2.3.3 Stabilisation d’une flamme de bec Bunsen

3. Propagation d’une onde de détonation

3.1 Vitesse de l’onde de détonation (théorie ZND)

3.2 Transition de la déflagration à la détonation

Références bibliographiques

Parmi les types de flammes le plus fréquemment rencontrés, l’un des plus communs est sans doute la flamme laminaire prémélangée. C’est, en particulier, celle qui existe dans le brûleur d’une cuisinière à gaz et, plus simplement, dans un bec Bunsen. Plus exactement, la flamme rencontrée dans ce cas n’est une flamme de prémélange pur que lorsque le réglage de l’installation est tel que l’on se trouve en présence d’un mélange pauvre.

Pour une combustion d’hydrocarbure gazeux, la flamme (figure 1, p. 2) se présente sous la forme d’une zone sombre A précédant une zone lumineuse de forme conique B où se produisent la réaction chimique et le dégagement de chaleur. La zone lumineuse a, à pression atmosphérique, une épaisseur inférieure au millimètre. C’est la zone où la température est la plus élevée. Elle est suivie de la zone C constituée d’un panache de gaz brûlés qui se mélangent progressivement avec l’air ambiant. Dans le cas d’un mélange pauvre, le cône lumineux est d’un bleu violet profond qui révèle la présence de radicaux CH excités. Le panache de gaz brûlés est, en général, rougeâtre et ce rayonnement, également très intense dans l’infrarouge, est dû principalement à la présence de CO2 et de H2O.

Il est possible de subdiviser la région où se produit la combustion en deux zones principales :

Dans la zone de préchauffage, les phénomènes essentiels sont des transferts de chaleur et de matière. En revanche, les réactions chimiques y dépendent essentiellement du combustible utilisé ; pour une molécule très stable (CH4 par exemple), on ne constate ni décomposition ni pyrolyse. Pour les autres hydrocarbures saturés, les phénomènes de craquage thermique et de pyrolyse sont au contraire importants et produisent des hydrocarbures plus légers. Le résultat essentiel est que, quel que soit le combustible, les corps qui entrent dans la zone de réaction proprement dite sont très voisins. C’est ce qui explique que, pour tous ces corps, on trouve des caractéristiques de combustion très proches dans un bec Bunsen. L’essentiel des réactions chimiques qui ont lieu dans la zone de réaction peut être décrit à l’aide du modèle de la réaction simple. En suivant une ligne de courant l’évolution de la température peut être représentée par la figure 2.

Un phénomène analogue à la combustion dans un bec Bunsen peut être constaté en prenant un tube fermé aux deux extrémités et contenant un mélange combustible.

▪ Si on ouvre, simultanément, les deux extrémités en même temps, en allumant le mélange à un bout du tube, on constate l’apparition d’un front de flamme qui se déplace à environ 0,5 m.s-1. Ce front présente les mêmes caractéristiques générales que fa zone de réaction vive du bec Bunsen et, en première approximation, on peut traiter l’onde de combustion en la considérant comme plane (figure 3).

On constate que les gaz brûlés sont éjectés vers l’origine de la flamme, tandis que l’expansion des gaz chauds crée une faible onde de pression qui met en mouvement les gaz frais avec une vitesse presque nulle.

▪ Si, maintenant, on répète la même expérience en gardant fermée l’extrémité d’allumage, on constate à nouveau la propagation d’une onde de combustion dont la vitesse est, cette fois-ci, égale à quelques kilomètres par seconde.

Dans le premier cas, on se trouve en présence d’une onde de combustion subsonique ou déflagration, dans le second cas d’une onde supersonique ou détonation. On peut essayer de retrouver, à partir des équations de conservation, l’existence des deux solutions subsonique et supersonique de l’onde de combustion.

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