Influences of turbulence and combustion regimes on explosions of gas-dust hydrid mixtures

par Nicolas Cuervo Rodriguez

Thèse de doctorat en Génie des procédés et des produits

Sous la direction de Laurent Perrin et de Olivier Dufaud.

Le président du jury était Philippe Daniel Gillard.

Le jury était composé de Alexis Vignes.

Les rapporteurs étaient Almerinda Di Benedetto, Michel Molière.

  • Titre traduit

    Influences de la turbulence et des régimes de combustion sur les explosions de mélanges hybrides gaz/poussière


  • Résumé

    Prédire la propagation de la flamme lors d'une explosion de mélanges hybrides poudre/gaz dans des géométries complexes est un défi qui mobilise de multiples ressources. Une approche consiste à déterminer expérimentalement les caractéristiques inhérentes des mélanges poussière-air, comme la vitesse de flamme laminaire, et de les utiliser comme entrées dans les logiciels de Mécanique des Fluides Numérique (CFD). Néanmoins, la caractérisation expérimentale de la vitesse de combustion de suspensions turbulentes de poussières dans l’air est délicate de par notamment la variabilité des propriétés des poudres (taille des particules, humidité...), l'impossibilité de générer un nuage de poussière sans turbulence et l'impact de la poudre sur le rayonnement de la flamme. L’objectif de ce travail était de développer une approche permettant d’évaluer les propriétés fondamentales de propagation des flammes, à partir d'expériences en système fermé et des courbes d'évolution pression-temps, mais surtout grâce à l'analyse de la vitesse de flamme en fonction de son étirement et des instabilités hydrodynamiques. Dans une première étape, la turbulence du nuage de poussière avant inflammation a été étudiée. L'impact de la phase de pyrolyse sur l'explosion de poudres organiques a été aussi souligné expérimentalement et à l’aide d’un modèle de pyrolyse flash. Ensuite, le comportement de mélanges hybrides composés de gaz de pyrolyse et poudres organiques a été analysé, démontrant leurs particularités. Enfin, les interactions turbulence/combustion lors la propagation de la flamme ont été étudiés afin d'en extraire une vitesse de flamme ‘pseudo’ laminaire de la poussière ou des mélanges hybrides


  • Résumé

    Predicting the flame propagation during a dust/gas hybrid mixture explosion in complex geometries is a challenge that mobilizes numerous resources. One approach consists on experimentally determining the inherent characteristics of dust-air mixtures, like the laminar flame speed, and using them as input for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation programs. Nevertheless, the experimental characterization of the burning rates of turbulent dust clouds in air still delicate due to the variability of the properties of powders (particle size distribution, moisture…), the physical impossibility to generate a quiescent dust cloud and the impact of powder on the flame radiation among others. The ultimate goal of this work was to develop an approach to assess fundamental flame propagation properties, from closed vessel experiments and pressure-time evolution curves, but specially from the analysis of flame velocity as a function of its stretching and of the hydrodynamic instabilities. In a first step, the turbulence of the initial dust cloud has been studied. The impact of the pyrolysis phase on organic dusts explosion has also been highlighted both experimentally and by means of model for flash pyrolysis. Furthermore, the explosive behaviour of gas-dusts hybrid mixtures composed of pyrolysis gases and organic dusts has been analysed. Finally, the turbulence/combustion interactions during flame propagation have been studied in order to extract the “pseudo” laminar flame velocity of dusts clouds or hybrid mixtures


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