L’analyse des mécanismes chimiques en jeu au cours de la combustion passe, entre autre, par l’analyse de la structure de flamme.

Le film réalisé par Renaud Jalain en 2021, alors assistant ingénieur et réalisant une thèse au sein du laboratoire, en propose une illustration (~6 min):
https://youtu.be/caA61vTcp70

Nous nous intéressons aux flammes de prémélange, lorsque le combustible et le comburant sont mélangés avant que la réaction n’ait lieu. Le schéma typique de structure d’une flamme prémélangée est présenté sur la figure 1. La chaleur et les radicaux produits dans la zone de réaction diffusent vers la couche de gaz située en amont. L’augmentation de la température et la présence des radicaux entraînent l’inflammation de cette couche qui devient alors une source de chaleur et de radicaux capable d’initier une réaction dans la couche suivante, et ainsi de suite. En laboratoire, l'étude de la structure de flamme est effectuée en stabilisant des flammes sur brûleur à flamme plate (figure 2 a) ) ou au moyen de brûleurs à contre-courants (figure 2 b) ). L’avantage majeur de ce type de flammes est que la composition sur l’axe central du brûleur ne varie, en théorie, que selon une seule direction qui est perpendiculaire sa surface. Le travail d'analyse consiste alors à étudier l’évolution des concentrations des espèces chimiques et de la température en fonction de la distance normale au brûleur.

(a) Brûleur à flamme plate

(b) Brûleur à contre-courant                    propriété ICARE, CNRS Orléans

FIGURE 2: Dispositifs de stabilisation de flammes de prémélange

 

Présentation du dispositif expérimental

Brûleur

Le brûleur installé au laboratoire est un brûleur de type McKenna®;. Ce brûleur est conçu par la société Holthuis & Associates et sa configuration fait référence au sein de la communauté scientifique en combustion. Des expériences effectuées au sein de différents laboratoire peuvent être ainsi comparées en partant de cette base commune. Ces brûleurs sont conçus de sorte à ce que le mélange en sortie de brûleur soit réparti de façon uniforme sur toute la surface et que l’écoulement soit laminaire, stable et unidimensionnel. Le brûleur est présenté sur la figure 2 a). L’obtention d’un débit de gaz laminaire et uniforme sur toute la surface du brûleur est assurée par un épais « fritté » en laiton placé en sortie du brûleur. En présence de la flamme, le brûleur agit comme un puits de chaleur, ce qui diminue la vitesse de propagation de la flamme et par conséquent limite le mouvement de la flamme. Pour éviter de surchauffer la surface du brûleur, un circuit de refroidissement est intégré au fritté. Cependant, du fait des échanges de chaleur, la flamme n’est plus adiabatique. La cinétique d’une réaction chimique étant très sensible à la température, il est alors nécessaire de prendre en compte les pertes de chaleur au brûleur. La solution la plus couramment employée consiste à mesurer le profil de température le long de la flamme et à l’intégrer au calcul lors de simulation des profils d’espèces.

Dispositif de prélèvement

Dans le cas de notre configuration, la mesure de concentration des espèces chimiques présentes dans la flamme est effectuée faire au moyen de prélèvements d’échantillons gazeux dans la flamme. Cette méthode, dite intrusive, consiste à employer une sonde quartz, afin d’extraire un volume de gaz du milieu réactif et de le diriger vers un appareil d’analyse. L’avantage majeur de ce système de prélèvement est qu’il permet d’analyser un grand nombre d’espèces simultanément. Il est néanmoins reconnu que la sonde peut perturber le milieu sondé (perturbation de l’écoulement, refroidissement local de la flamme). Ces perturbations sont fonction du type de sonde et la géométrie a donc été définie en conséquence. La sonde emplyée lors de nos mesure présente un angle d’ouverture de 20˚environ et une ouverture de 60 μm. Ces caractéristiques permettent de limiter aux maximum les perturbations.

Dispositif d’analyse

Les échantillons gazeux sont ensuite analysés au moyen d’un appareil de chromatographie en phase gazeuse (Varian 4000®;). Le principe de ce type d’appareil est de séparer les différentes espèces chimiques présentes dans l’échantillon au passage d’une colonne de chromatographie (Rt-Alumina BOND MAPD 50m×0.53mm×10.0∕mum, dans notre cas), pour les mesurer, tour à tour, au moyen d’un ou de plusieurs détecteurs complémentaires (Détecteur à Ionisation de Flamme (ou FID), dans notre cas).

Exemples de résultats

Les étapes menant à l’analyse de la structure de flamme sont résumées par l’animation suivante:

Les résultats présentés ici illustrent, à titre d’exemple un jeu de mesures réalisées avec une flamme CH₄/air à pression atmosphérique de richesse Φ = 1,67. Ces mesures sont comparées avec les résultats d’une simulation effectuées au moyen du code open-source Cantera avec le mécanisme cinétique élaboré par Gong et al..

Publications associées

R. Jalain, J. Bonnety, G. Legros and A. Matynia. Doping rich ethylene premixed flames: Influence of C3-C5 alcohols on the structure of the steady one-dimensional laminar flame. Fuel, 307:121793, 2022.

R. Jalain, J. Bonnety, G. Legros, P. Jacobs and A. Matynia. Study of a gasoline surrogate blended with pentanol isomers: sooting propensity and flame structure analysis. Proceedings of the European Combustion Meeting, 7p., 2019.

L. Pillier, M. Idir, J. Molet, A. Matynia, and S. de Persis. Experimental study and modelling of NOx formation in high pressure counter-flow premixed CH4/air flames. Fuel, 150:394–407, 2015.

A. Matynia, J. Molet, C. Roche, M. Idir, S. de Persis, and L. Pillier. Measurement of OH concentration profiles by laser diagnostics and modeling in high-pressure counterflow premixed methane/air and biogas/air flames. Combustion and Flame, 159(11):3300–3311, 2012.

A. Matynia, M. Idir, J. Molet, C. Roche, S. de Persis, and L. Pillier. Absolute OH concentration profiles measurements in high pressure counterflow flames by coupling LIF, PLIF, and absorption techniques. Applied Physics B, 108(2):393–405, August 2012.

A. Matynia, J.-L. Delfau, L. Pillier, and C. Vovelle. Comparative study of the influence of CO2 and H2o on the chemical structure of lean and rich methane-air flames at atmospheric pressure. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 45(6):635–645, 2009.