Étude numérique des instabilités de flammes prémélangées en régime laminaire

Résumé

Les flammes laminaires prémélangées hydrogène/air sont susceptibles de développer des instabilities dues à des effets hydrodynamiques (connues sous le nom d’instabilités de Darrieus-Landau) et dues à des effets thermodiffusifs. Le premier est dû au changement de masse volumique du fluide tandis que l’autre est dû aux proprieties thermodiffusives des espèces. L’instabilité de la flamme se traduit par l’apparition de zones de combustion localisées que l’on appelle cellules qui se caractérisent par leur comportement auto-accélérant. Cette étude a été réalisée afin d’étudier l’influence de plusieurs paramètres sur le phénomène de cellularité : la cinétique chimique, la loi de mélange, la pression et enfin la condition initiale de perturbation. Pour ce faire, un modèle numérique a été mis en place : les équations de Navier-Stokes sont résolues en régime compressible, laminaire et instationnaire via le logiciel STAR-CCM+. Le domaine de simulation utilisé est un carré 2D de 160 000 cellules, le schema de discrétisation temporelle utilisé est un schéma implicite de second ordre alors que le schema de discrétisation spatiale est un schéma explicite de second ordre. Dans un premier temps, quatre cinétiques chimiques furent testées. Malgré un comportement global du front de flamme similaire pour chaque cinétique, des différences au niveau du nombre de cellules et de leur taille demeurent, probablement dues aux mécanismes de réaction associés à chaque cinétique. L’impact de la loi de mélange sur la cellularité fut étudié au travers de deux lois de mélange : une loi de mélange basée sur la fraction massique et la loi de mélange Mathur-Saxena, basée sur la fraction molaire. Une forte influence de ce paramètre fut observée, du fait que la conductivité thermique du mélange était modifiée et donc le nombre de Lewis également. L’impact de l’augmentation de pression se traduisit par une croissance du nombre total de cellules avec l’augmentation de pression, ainsi qu’un front de flamme de plus en plus chaotique et dentelé. Les paramètres de la perturbation initiale furent étudiés dans un dernier temps (amplitudes de perturbation et fréquence d’oscillation) et indiquèrent un fort impact de ces paramètres sur la cellularité, avec notamment une modification importante du front de flamme et de la taille des cellules. Cette étude a permis d’étudier l’influence de plusieurs paramètres sur le phénomène de cellularité, en utilisant un modèle simple d’ordre 2.

Date	11 sept. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice))