Etude expérimentale de l'interaction flamme-paroi instationnaire dans des conditions initiales non isothermes

par Laëtitia Muller

Thèse de doctorat en Energétique, thermique, combustion

Sous la direction de Marc Bellenoue et de Julien Sotton.

Soutenue en 2012

à Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique .

mots clés

• Ombroscopie
• Automobiles -- Moteurs
• Combustion
• Transfert de chaleur
• Méthane
• Chimiluminescence
• Vélocimétrie par images de particules

Résumé

Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.

Titre traduit

Experimental study of unsteady flame-wall interaction on non-isothermal initial conditions

Résumé

During combustion in spark ignition engine, the flame is modified by the wall when only 20% of charge is burned. So it is necessary to study the flame-wall mechanisms in order to develop and improve spark ignition engines. Through this work, unsteady flame-wall interaction is studied experimentally considering both laminar and turbulent regimes in non-isothermal initial conditions. Wall temperature Tw varies between 300 and 500 K but unburned gases are at ambient temperature. The issue of this study is to understand the phenomena involved and to provide reference data for flame-wall simulation. In laminar regime, maximal density of wall heat flux qwmax increases with Tw for both head-on and side-wall quenching. Quenching distance decreases when Tw increases for head-on quenching but is constant for side-wall quenching. For this type of quenching, stretch is not insignificant. Considering turbulent regime, at stoichiometry, qwmax decreases because of turbulence in comparison with laminar regime. When fuel-air ratio is equal to 0,7, it is the opposite. So the flow produces a shear to the flame front at stoichiometry and a convection phenomenon on the flame propagation when fuel-air ration is equal to 0,7. At stoichiometry, the effect of stretch is higher than wall temperature effect on turbulent flame-wall interaction.