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Auteur(s)
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Denis VEYNANTE : Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique CNRS
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Lire l’articleINTRODUCTION
La combustion est aujourd’hui un des principaux moyens de conversion de l’énergie. Elle est utilisée dans de nombreux systèmes pratiques aussi bien pour produire de l’énergie thermique (chaudières ou fours domestiques et industriels) ou de l’électricité (centrales thermiques), que pour le transport (moteurs automobiles et aéronautiques, moteurs fusée, ...) ou encore la destruction de déchets (incinérateurs). La combustion peut être caractérisée comme une (ou des) réaction(s) irréversible(s) fortement exothermique(s) entre un combustible (ou réducteur) et un comburant (ou oxydant) selon le schéma global :
Cette réaction induit un fort dégagement de chaleur qui a lieu dans une zone très mince (les flammes les plus courantes ont des épaisseurs δL typiques de l’ordre de 0,1 à 1 mm) conduisant à des gradients thermiques très élevés (le rapport des températures absolues entre gaz brûlés et gaz frais, Tb / Tu , est de l’ordre de 5 à 7) et à de larges variations de la masse volumique ρ.
Les combustibles les plus divers, qu’ils soient gazeux, liquides ou solides peuvent être utilisés. Parmi les plus courants, citons le bois, le charbon, les hydrocarbures (méthane CH4 , propane C3H8 , essence, gasoil, kérozène, fioul, ...), l’hydrogène (H2)... Le comburant est le plus souvent l’oxygène de l’air, plus exceptionnellement de l’oxygène pur (moteurs-fusée, certains fours industriels) qui permet d’atteindre des températures plus élevées et éviter le stockage d’azote inerte mais pose des problèmes de sécurité. Plus rarement, d’autres comburants sont utilisés (moteurs fusée pyrotechniques).
Dans de nombreux systèmes pratiques, combustible et comburant sont injectés séparément dans la zone de réaction, sans prémélange initial. La combustion est alors contrôlée non seulement par la réaction chimique mais aussi par le transport diffusif des réactifs l’un vers l’autre, d’où le nom de flamme de diffusion.
Si les flammes de diffusion laminaires semblent n’intervenir que dans quelques applications plutôt anecdotiques (bougie, flamme de briquet, ...), nous allons montrer que la compréhension de la structure de ces flammes est fondamentale pour la description et la modélisation de nombreuses situations industrielles.
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Calcul simplifié d’une flamme de diffusion laminaire1. Généralités
1.1 Situations génériques
Deux situations génériques idéales ont été identifiées, selon la procédure utilisée pour introduire les réactifs dans la zone de flamme :
-
flammes prémélangées : les réactifs sont mélangés avant la zone de réaction ;
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flammes non prémélangées ou flammes de diffusion où les réactifs sont introduits séparément dans la zone de réaction, de part et d’autre de la flamme. Ils sont alors essentiellement localement entraînés dans la zone de réaction par diffusion moléculaire.
Ces deux situations sont schématisées sur la figure 1.
La combustion prémélangée est, a priori, la situation la plus efficace en terme de dégagement d’énergie puisque les réactifs sont déjà en contact avant la zone de flamme. En revanche, une telle flamme est susceptible de se propager dans le mélange combustible/oxydant donc de remonter l’écoulement en amont de la chambre de combustion, jusqu’à l’endroit où s’effectue le mélange, ce qui pose des problèmes de sécurité. En revanche, si la flamme de diffusion est, a priori, moins performante qu’une flamme prémélangée puisqu’il faut, en plus, apporter, par diffusion moléculaire, les réactifs à la zone de réaction, celle-ci ne peut en aucun cas remonter l’écoulement et est donc plus sûre. En outre, la réalisation pratique d’une flamme de diffusion est sensiblement plus simple puisqu’elle ne nécessite pas un mélange des réactifs aussi parfait que possible dans des proportions bien définies (c’est-à-dire dans les limites d’inflammabilité). Un brûleur non prémélangé peut être simplement constitué, par exemple, d’un injecteur de combustible dans de l’air ambiant (bec Bunsen dont la virole est fermée, veilleuse de chauffe-eau, fours industriels,...) ou d’un ou plusieurs groupes d’injecteurs de combustible et de comburant (moteurs-fusée, fours à oxygène,...).
En pratique, les réactions de combustion interviennent, le plus souvent en milieu gazeux. Cette constatation conduit immédiatement à une seconde distinction entre les régimes de combustion, selon que les écoulements sont laminaires ou turbulents. Quatre régimes limites idéaux sont donc identifiables,...
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Généralités
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - * - Les références présentées ici se limitent volontairement à quelques livres de base et articles de revue
-
(2) - BORGHI (R.), DESTRIAU (M.) - La combustion et les flammes. - Technip 1995.
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(3) - KUO (K.K.) - Principles of Combustion. - Wiley-Interscience 1986.
-
(4) - TURNS (S.R.) - An introduction to combustion, concepts and applications. - Series in Mechanical Engineering Mc Graw-Hill 1996.
-
(5) - VERVISCH (L.), POINSOT (T.) - Direct numerical simulation of non-premixed turbulent flames. - Annual Rev. Fluid Mech. 30 p. 655-691 1998.
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(6) - WILLIAMS (F.A.) - Combustion Theory. - Benjamin-Cummings 1985.
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