Effet du rayonnement thermique sur des flammes diluées et décarbonées
Julie Ben Zenou, Ronan Vicquelin
: julie.benzenou@centralesupelec.fr
Laboratoire EM2C, CNRS, CentraleSupélec, Université Paris Saclay
Mots clés : Combustion, rayonnement thermique, flammes diluées
Résumé :
La combustion décarbonée est considérée à moyen terme pour neutraliser les émissions de carbone de plusieurs processus industriels et moyens de transport. La combustion de l’hydrogène est l’une des options envisagées aujourd’hui. Une autre alternative possible est l’oxycombustion, i.e. une combustion avec de l’oxygène pur au lieu de l’air. Ce processus n’élimine pas directement les émissions de , mais sans l’azote de l’air, la condensation de la vapeur d’eau permet de capturer le avant qu’il ne soit libéré dans l’environnement.
Ces deux types de combustion soulèvent de nombreux défis scientifiques et techniques. Ils sont très réactifs et ont des températures de flamme plus élevées que celle des mélanges hydrocarbures-air classiques. Ceci entraîne des problèmes tels que la stabilisation de la flamme ou le retour de flamme. De plus, pour l’hydrogène, cela augmente considérablement les émissions de polluants comme les oxydes d’azote (NOx). Ces NOx sont dangereux pour la santé humaine et contribuent au réchauffement climatique et aux pluies acides. Leur émission est donc très contrôlée.
Pour réduire la réactivité de ces mélanges et les problèmes associées, il est possible de diluer les gaz frais avec des gaz brûlés refroidis : de la vapeur de pour les oxyflammes de méthane et de la vapeur d’eau pour les flammes d’hydrogène.
En général, les simulations de flammes libres ne prennent pas en compte le rayonnement thermique. Cependant, dans ces flammes diluées, sa prise en compte dans les simulations numériques peut s’avérer essentielle. En effet, la présence de vapeur d’eau ou de vapeur de dans les gaz frais et leur capacité à absorber une partie du rayonnement émis par les gaz brûlés conduit à un préchauffage du mélange en amont du front de flamme et à une augmentation de la vitesse de flamme laminaire non étirée. Cette vitesse est une caractéristique essentielle d’une flamme. Elle caractérise sa réactivité et sa stabilité et est souvent utilisée pour comparer différentes conditions ainsi que comme brique de modélisation dans de nombreux modèles. Elle doit donc être correctement simulée. Dans le cas des flammes diluées, la détermination numérique précise de cette vitesse nécessite un modèle de rayonnement thermique correct en plus d’une description détaillée du transport et de la chimie.
Dans ce cadre, cette étude se concentre sur le couplage entre le rayonnement thermique et la combustion. Tout d’abord, un modèle simpliste de gaz gris est utilisé pour comprendre les différents phénomènes mis en jeu dans ce couplage. Ensuite, avec des propriétés de gaz détaillées, plusieurs flammes 1D H2-Air- sont simulées. L’impact de différents paramètres (richesse, température initiale, pression, niveau de dilution) sur le préchauffage des gaz frais, les profils d’espèces et de température, ainsi que la vitesse de flamme est étudié. Enfin, une flamme d’oxycombustion -O2- est simulée et l’effet du rayonnement est comparé à celui observé sur les flammes d’hydrogène diluées.
doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-085
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