Experimental characterization of a laminar flame propagation in a two-phase medium (aerosol) in microgravity conditions
Caractérisation de la propagation d'une flamme dans un milieu diphasique (brouillards) en microgravité
Résumé
La combustion des sprays compte pour 25% de la consommation mondiale d’énergie. Les carburants liquides sont exploités sous forme d’aérosol (spray) afin de bénéficier de leur propriété fortement exothermique, offerte par la combustion de leur phase gazeuse. La combustion des aérosols touchent de nombreuses applications industrielles, incluant les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz et la production d’électricité. Or, la combustion diphasique telle qu’elle existe en pratique résulte d’un couplage complexe faisant intervenir de nombreux processus comme : l’atomisation, la vaporisation, des écoulements turbulents, la cinétique chimique. Une description complète est possible uniquement par le biais de simulations numériques, mais les investigations expérimentales sont essentielles pour fournir des données quantitatives dans des configurations contrôlées afin d’alimenter les modèles. Une configuration expérimentale simplifiée a été reproduite avec un brouillard monodisperse en taille de gouttes et la propagation d’une flamme laminaire pour mettre en lumière les phénomènes clés de l’interaction spray/combustion.
Initié dans le cadre du groupement de recherche Micropesanteur Fondamentale et Appliquée (MFA) du CNRS et du CNES en 2008, ce projet expérimental s’inscrit dans la continuité des études de vaporisation et de combustion de carburant liquide menées à l’ICARE depuis plusieurs années. Les expériences ont bénéficié de conditions de gravité réduite à 10-2 g obtenues lors de vols paraboliques à bord de l’avion ZERO-G du CNES. Ces conditions uniques de travail offrent un environnement propice à une étude paramétrique avec un brouillard statique et une répartition spatiale homogène (annulation de la sédimentation des gouttes).
À l’issue des trois ans, une base de données importante a été constituée pour valider ou bâtir des modèles de combustion diphasique, aussi bien en mélange non réactif (création des gouttes, granulométrie et vaporisation) qu’en mélange réactif (vitesse de flamme, domaine de stabilité, présence d’imbrûlés).
Spray combustion accounts for 25% of the world’s energy use. Liquid fuels are used through aerosol (spray) in order to benefit to their high exothermicity, released by the combustion of the gaseous phase. Two-phase combustion is of practical importance in a wide range of technological applications that include automotive engines, gas turbines and power generation. However, realistic spray combustion lies in complex interactions with: atomization, vaporization, turbulent flows, chemical kinetic. An entire description of spray combustion is only possible by a numerical way with a theoretical approach. In another hand, experimental investigations are necessary to provide quantitative data with idealized spray configuration. A simplified spray was reproduced with a monodisperse aerosol and a laminar flame in order to highlight the predominant phenomena in spray/combustion interaction.
Experiments were conducted under reduced gravity conditions to 10-2 g obtained by parabolic flights with the Airbus ZEROG from the CNES. Microgravity offers a good parametric study with a quiescent aerosol and homogeneously distributed (without settling effect on droplets).
A strong and exhaustive database has been built to validate or establish a comprehensive two-phase model of combustion, on the spray itself (droplet formation, size and droplet concentration, vaporization rate) and on the reactive mixture (flame velocity, stability regime, presence of liquid droplets in the burned gases).
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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