Modélisation de la combustion au moyen de bilans d'aire interfaciale et de surface de flamme : application à la combustion cryotechnique

par Stéphane Jay

Thèse de doctorat en Énergétique

Sous la direction de François Lacas.

Soutenue en 2003

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne) (laboratoire) .

mots clés

• Densité de surface
• Aire interfaciale
• Flamme
• Combustion -- Modèles mathématiques
• Écoulement diphasique
• Cryotechnique

Résumé

Le concept de densité de surface est utilisé pour modéliser les processus couplés d'atomisation, d'évaporation et de combustion pour les flammes turbulentes formées par injection d'ergols cryotechniques. Ce concept est développé dans un contexte Eulerien avec comme application l'écoulement diphasique issu d'un injecteur coaxial oxygène liquide/hydrogène gazeux. Une équation de transport pour la densité d'interface représente l'évolution de la surface du liquide au cours de l'atomisation et de l'évaporation du jet. On propose une fermeture basée sur l'analyse de la rupture primaire du jet. La densité d'aire interfaciale, couplée à une description des taux d'évaporation donne une source volumique d'oxygène vapeur. Une équation de transport pour la densité de surface de flamme est alors utilisée pour évaluer le taux de réaction volumique moyen. Celui-ci dépend d'un étirement efficace et est proportionnel à la racine carrée de la pression. Les résultats de calculs sont comparés aux données issues d'expériences récentes de combustion cryotechnique corrrespondant à différents rapports de flux de quantité de mouvement. Les concepts de densité de surface sont étendus aux cas des pressions supercritiques en réinterprétant l'équation de transport de cette quantité. Les taux de transfert de masse de l'oxygène dense vers l'oxygène à faible densité sont dans ce cas déterminés par les taux d'étirement locaux. Les différentes flammes calculées sont décrites par la répartition de la fraction de phase liquide, le taux de réaction moyen et la distribution des espèces. On retrouve la structure générale des flammes cryotechniques aussi bien à basse pression qu'à haute pression. La zone de réaction calculée est en bon accord avec la visualisation de l'émission du radical OH. Les taux de réaction sont en accord avec les valeurs estimées expérimentalement et on montre comment l'évolution de la phase liquide peut modifier la structure de flamme.

Titre traduit

Two-phase combustion modeling using interfacial and flame surface density concepts : application to cryogenic combustion

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