Etude expérimentale des flammes : oxygène, combustible liquide

Experimental study of liquid fuel : oxygen flames

• Auteur / Autrice : Bertrand Leroux
• Direction : François Lacas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Atomisation

Écoulement diphasique

Flamme

Résumé

Cette thèse étudie expérimentalement les propriétés d'une flamme d'oxy-combustion diphasique afin d'optimiser le fonctionnement des brûleurs industriels d'AIR LIQUIDE. Elle s'est déroulée en trois étapes : choix d'une géométrie simple (coaxiale) ; études des propriétés du spray et de la flamme pour cette configuration d'injection ; validation des résultats sur un brûleur industriel. L'étude de la zone dense du spray montre tout d'abord l'importance du rapport des flux de quantité de mouvement et de turbulence du gaz d'atomisation. En particulier, le jet liquide est stabilisé grâce au gradient de vitesse de l'écoulement gazeux. La taille des gouttes dépend elle du mode d'atomisation et les relations obtenues sont proches de celles prédites par certains modèles analytiques (caractère bidimensionnel des instabilités). Les propriétés d'une flamme oxygène-éthanolsont ensuite caractérisées pour un brûleur de faible puissance par émission spontanée du radical CH et le spray est visualisé par tomographie laser. L'influence de la flamme sur l'atomisation primaire est démontrée : la flamme étant stabilisée sur le tube séparant les deux écoulements, c'est un mélange d'éthanol évaporé et de gaz brûlés qui déstabilise le jet liquide. De même les propriétés d'atomisation influent sur la géométrie des flammes. Enfin deux critères permettent de définir le domaine de fonctionnement : le rapport des longueurs de mélange et de vaporisation pour la transition brush/vaporisation ; la comparaison des temps de mélange et de réaction pour la stabilité. Ces corrélations sont d'ailleurs également valables pour le mélange oxygène-air comme oxydant : en ajoutant l'azote, on améliore la qualité d'atomisation et la flamme devient plus instable. Dans ce cs, l'étude des concentrations d'espèces dans les gaz brûlés montre l'influence du mode de combustion et la prépondérence du NO thermique.

This experemental work dealing with the properties of two-phase oxy-flames is aimed at optimizing the operation of AIR LIQUIDE industrial burners. This study has been divided into three main steps : choice of a simple geometry which is widely used in industrial atomizers (coaxial) ; study of spray and flame properties for such a configuration ; validation of the results for an industrial burner. First the shadowgraphy experiments carried out in the spray dense zone have put into evidence the key role played by momentum flux ratio and gas flow turbulence. In particular the liquid jet is stabilized by the velocity gradient in the gas flow. Droplets size also depends on atomization mode and the obtained correlations are like those predicted by analytical models which assume the bi-dimensional aspect of instabilities. The characteristics of an ethanol - oxygen flame are then measured in a low power burner by CH radical spontaneous emission while the spray is visualized by laser tomography. The influence of teh flame on primary atomization is first emphasized : due to flame stabilizationon the tube separating the two flow, that is a vaporized ethanol - burned gase mixture wich destabilizes the liquid jet. Vice versa atomization properties have to be taken into account in the flame geometry. Furthermore two various criteria have been defined for the operating mode of a two-phase oxy-flame : the main parameters are the ratio of mixture and vaporization lengths for brush / vaporisation modes transition and the comparison of mixture and vaporization lengths for brush / vaporisation modes transition and the comparison of mixture and chemical times for flame stability. These relationships may also be appliedto an oxygen - air mixture chosen as oxidant : when adding some nitrogen, atomization quality is improved and flame becomes more unstable. In this case studyof species concentrations in flue gases shows the influence of two-phase combustion mode on pollutant emissions and the preponderance of thermal NO.