Mesures détaillées des modulations de richesse dans des
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Mesures détaillées des modulations de richesse dans des
Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 Mesures détaillées des modulations de richesse dans des flammes de prémélange par diffusion Rayleigh et spectroscopie d’absorption Laurent Zimmer, Heiner Schwarz, Daniel Durox et Sébastien Candel Laboratoire EM2C - UPR288 - CNRS et École Centrale Paris Grande voie des vignes, 92295 Chatenay-Malabry, France [email protected] Résumé Des non-uniformités de richesse peuvent être à l’origine des instabilités observées dans les systèmes basés sur la combustion de prémélange pauvre. Ce travail a comme objectif d’analyser l’influence de perturbations de rapport de mélange sur la dynamique de flamme de prémélange. Un brûleur équipé d’un système d’injection secondaire est utilisé pour générer des fluctuations, qui sont ensuite convectées par l’écoulement et interagissent avec une flamme conique. Deux diagnostics laser, l’un basé sur la diffusion Rayleigh et l’autre sur l’absorption infra-rouge, permettent de comprendre les évolutions spatio-temporelles du champ de mélange. Les images de diffusion Rayleigh permettent aussi la détermination de la dynamique du front de flamme et donnent une indication sur la réponse de flamme faiblement turbulente aux effets de composition variable. L’absorption infra-rouge permet de quantifier précisément les fluctuations de richesse qui sont de l’ordre de ∼0,1 autour d’une richesse moyenne de φ = 0,96. 1 Introduction Parmi les différentes thématiques de recherche liées à la combustion, la réduction des émissions polluantes (dont le NOx ) conserve une part importante. Il est couramment admis que l’utilisation de flammes prémélangées pauvres permet de réduire fortement les émissions. Cependant, l’utilisation pratique de tels systèmes se heurte à l’apparition d’instabilités [1]. Le couplage positif entre les fluctuations de pression et le taux de dégagement de chaleur [2] est responsable des fortes oscillations parfois rencontrées. Ce couplage induit soit des fluctuations de vitesse, soit des fluctuations de richesse. Les effets des fluctuations de vitesse ont jusqu’à présent reçu une plus grande attention et il existe une bonne connaissance des réponses de la flamme à des pulsations acoustiques (voir par exemple [3]). Cependant, pour le deuxième mécanisme, bien qu’observé dans des situations réelles [4], il n’existe pas beaucoup d’études fondamentales dans lesquelles les fluctuations de richesse sont parfaitement contrôlés et correspondent à une onde plane de richesse, plus facile à modéliser [5] ou à simuler [6]. Des résultats expérimentaux ont récemment été présentés [7] mais pour une très faible pression ambiante (69 mbar). Des études concernant des flammes turbulentes ont été décrites dans [8] mais avec une géomtrie assez complexe et des résultats difficiles à interpréter. L’objectif de cette présente étude est de développer un sytème d’injection permettant l’étude fondamentale d’une onde de richesse sur le comportement d’une flamme laminaire et de caractériser précisemment les fluctuations de richesse et leurs variations spatio-temporelles ainsi créées. 2 Diagnostics 2.1 Diffusion Rayleigh La diffusion Rayleigh désigne la diffusion élastique de rayonnements électromagnétiques par les molécules ayant une taille inférieure à la longueur d’onde du rayonnement incident. La puissance dispersée (par angle solide Ω) IΩ = dP/dΩ est essentiellement donnée par IΩ = Iinc n σeff , (1) Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 spherical energy meter cylindrical lens lens YAG laser ICCD camera polarization rotator injection flow phi_2 chopper beam dump He-Ne laser reference detector quartz tube detector injection flow phi_2 beamsplitter burner nozzle burner nozzle primary flow phi_1 primary flow phi_1 loudspeaker loudspeaker (a) Diffusion Rayleigh (b) Absorption infra-rouge F IG . 1 – Schéma représentant le dispositif de mesure de la diffusion Rayleigh (gauche) et de l’absorption infra-rouge (droite). où Iinc est l’intensité incidente, n la densité totale et σeff la section efficace Rayleigh. Dans un mélange de gaz, caractérisé par fractions molaires Xi , la section efficace σeff est donnée par la fraction molaire moyenne pondérée des différentes sections σi , σeff = ∑ σi Xi . (2) i Dans des conditions isothermes, comme dans un écoulement non-réactif, la diffusion Rayleigh peut fournir des informations sur la composition des gaz. Pour un mélange gazeux binaire comprenant un hydrocarbure X et de l’air Xair = XN2 + XO2 selon l’équation (2) la section efficace est donnée par σfuel − 1) + 1 . (3) σeff = σair Xfuel ( σair La diffusion Rayleigh dans un plan est utilisée pour déterminer la répartition spatiale du carburant dans un plan horizontal et vertical en conditions non-réactives. Le même dispositif expérimental est utilisé pour caractériser la position du front de flamme dans un plan vertical en utilisant le fort changement de densité entre gaz frais et gaz brûlés. Le champ de vue est d’environ 25×25 mm2 et se situe 2 mm au dessus du brûleur pour éviter les réflexions. Un schéma du dispositif expérimental est présenté sur la Fig. 1(a). Un laser Nd :YAG (Continuum, Surelite SLII-10) est utilisé à 532 nm avec une énergie d’environ 300 mJ par impulsion. Afin d’obtenir des informations quantitatives, l’énergie de chaque impulsion est mesurée via une lame séparatrice par une tête spéciale (Ophir, Laserstar). Lors des mesures transverses, la polarisation du laser est changée pour assurer la détection du signal normalement au plan de polarisation. Une tranche laser est générée via une paire de lentille cylindrique et sphérique ( fcyl = −50 mm et fsph = 250 mm). Le signal est acquis par une caméra intensifiée (Princeton Instruments, PI-MAX THM512x512, GenII intensifier) avec un objectif de 60 mm (Nikon, AF Micro Nikkor, 60 mm, 1 :2,8) couplé à un doubleur de focale (Tamron-F, 7MC Tele-Converter). La synchronisation est effectuée par un générateur de délai (BNC, Model 555). Les images sont acquises à 2 Hz. L’exposition de la caméra est limitée à 25 ns, ce qui est suffisant pour avoir un bon rapport signal/bruit. Dans le cas des pulsations imposées, cet ensemble est déclenché par le signal externe provenant du générateur de fonction pilotant le haut-parleur. Les sections efficaces à 532 nm sont tirées de [9], avec σCH4 = 13, 4 × 10−28 cm2 /sr pour le méthane, σC3 H8 = 79, 0 × 10−28 cm2 /sr pour le propane et σair = 5, 9 × 10−28 cm2 /sr pour l’air. Cela implique que le signal va augmenter linéairement avec la richesse. Dans la suite, les images en conditions non-réactives sont obtenues avec du propane et les images de flamme avec du méthane. Une estimation du nombre de Froude montre que les effets de flottabilité sont négligeables et que cette approche est justifiée. Une calibration linéaire a été obtenue et est utilisée pour associer à chaque pixel une richesse. L’incertitude est estimée à environ 5% en se basant sur la courbe de calibration obtenue. Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 2.2 Absorption infra-rouge La loi de Beer-Lambert I(x) = I0 exp(−n σabs x) (4) relie l’intensité de la lumière monochromatique transmise I(x) aux propriétés d’absorption du gaz traversé, avec I0 = I(x = 0), x la longueur du chemin et σabs la section efficace d’absorption. La section efficace d’un mélange est la somme des sections efficaces individuelles. À 3,39 µm l’absorption par le méthane étant largement supérieure aux autres constituant σCH4 ≫ σi ∀ i 6= CH4 , l’équation (4) se résume à I(x) = I0 exp(−n XCH4 σCH4 x). Elle peut se résoudre facilement pour trouver la fraction molaire du méthane XCH4 I kT XCH4 = − ln . I0 σCH4 p x (5) (6) La valeur de σCH4 vaut 21,1 ± 3% m2 /mol à 3,39 µm, pour une température T = 298 K et à pression atmosphérique [10]. Le dispositif expérimental est présenté dans la Fig. 1(b). La transmission d’un laser infra-rouge continu Helium-Neon (He-Ne) laser at 3,39 µm (Thorlabs, H339P2-1, 2,0 mW) est mesurée par deux détecteurs InSb (InfraRed Associates, Inc., InSb) refroidis à l’azote liquide. Le faisceau laser est modulé par un hacheur (Thorlabs, MC1000A) opérant à 6000 Hz. Les signaux des deux détecteurs sont analysés par des détecteurs asynchrones (Stanford Research Systems, SR510). Le faisceau, passant à travers le tube de quartz tube, n’est pas influencé par la présence de la flamme. Une calibration linéaire a été obtenue et est utilisée pour associer le rapport entre les deux signaux et la richesse moyenne. L’incertitude est estimée à environ 4% en se basant sur la courbe de calibration obtenue. 3 Caractéristiques du brûleur Le brûleur développé permet de stabiliser des flammes coniques d’une puissance de ∼2 kW. Afin d’obtenir des gradients de richesse, il comporte un système d’injection, présenté dans la Fig. 2. L’écoulement principal est composé d’un mélange parfait à une richesse φ1 , l’écoulement secondaire (richesse φ2 ) est injecté par des jets transverses à travers 32 trous de 1 mm répartis uniformément. 22 mm 13 mm V̇2 φ2 V̇1 φ1 F IG . 2 – Vue en coupe du système d’injection. La partie externe est en quartz pour les mesures d’absorption infra-rouge. La position de la tranche laser dans le cas des mesures transverses est aussi représentée. L’écoulement principal peut être modulé acoustiquement par un haut-parleur placé sous le système (Fig. 1(b)). Les modulations de richesses sont obtenues en modifiant la vitesse de l’écoulement principal tout en conservant le débit de l’injection secondaire : V̇1 = V̇1 + V̇1′ et V̇2 = const. (7) Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 avec V̇1 et V̇2 désignant le débit volumique du système primaire et secondaire respectivement. Il est intéressant d’estimer l’amplitude des fluctuations de la richesse. En supposant la perturbation de vitesse sinusoidale V̇1 = V̇1 + V̇1′ cos(ωt), un débit d’injection V̇2 ≪ V̇1 et un mélange parfait entre les deux écoulements, l’ordre de grandeur au premier ordre est φ = φ + φ′ qui vaut : φ′ ≈ V̇2 V̇1′ 1 + rst φ1 (φ2 − φ1 ) , 1 + rst φ2 V̇1 V̇1 (8) avec rst le rapport de mélange stœchiométrique. Il est important de découpler au maximum les fluctuations de vitesse et de richesse en imposant de petites perturbations de vitesse V̇ ′ /V̇ . Lorsque l’écoulement principal est modulé, les oscillations de richesse φ′ sont proportionnelles à V̇1′ /V̇1 . Un paramètre très important pour la pénétration des jets secondaires est le rapport d’énergie cinétique BR. La distance de pénétration vaut d’après [11] : 1/2 ρ2 v22 BR = . (9) ρ1 v21 L’importance de ce paramètre est confirmée par les mesures de diffusion Rayleigh faites avec différences valeurs de BR (Fig. 3). Ces images montrent les distributions mesurées avec une tranche laser à environ 3 mm au dessus du brûleur et 16 mm des trous d’injection (cf. Fig. 2) pour une richesse principale de (φ1 = 0, 55) et secondaire de (φ2 = 3, 40). Les différences locales peuvent s’expliquer par la présence des lignes d’arrivée du mélange. La diffusion semble clairement moins importante que les effets de convection du mélange secondaire, ce qui est souhaitable dans la présente étude. distance from center [mm] BR 2.0 BR 3.0 BR 4.0 BR 5.0 −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 −11 0 11 distance from center [mm] 0 0.5 1 equivalence ratio 0 0.5 1 equivalence ratio 0 0.5 1 equivalence ratio 0 0.5 1 equivalence ratio F IG . 3 – Mesures horizontales de la distribution spatiale de l’injection secondaire pour différentes valeur de (BR). Les richesses de l’écoulement principal et secondaire valent respectivement φ1 = 0,55 et φ2 = 3,40. Dans les cas non modulés, la distance de pénétration est proportionnelle à BR. En assumant une fluctuations de vitesse évoluant de manière quasi-périodique, on en déduit que des modifications de v1 vont entraîner des pénétrations différentes. Les modulations de l’écoulement principal peuvent ainsi entraîner des stratifications spatiales par changement de la profondeur de pénétration des jets secondaires. 4 Résultats Les résultats présentés ci-dessous sont issus d’une étude systématique des effets de non-uniformité de richesse sur la dynamique de flamme faiblement turbulente. Le domaine de l’étude est précisé dans la première section. Les résultats de la diffusion Rayleigh en absence et présence de flamme sont présentés dans la seconde section. Enfin, les résultats obtenus par absorption laser sont décrits dans la troisième section. Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 4.1 Domaine d’étude 27.5 22.5 17.5 12.5 7.5 2.5 −11 0 11 distance from center [mm] cold reactants hot products −11 0 11 distance from center [mm] cold reactants axial distance from burner outlet [mm] axial distance from burner outlet [mm] L’objectif de l’étude est d’obtenir une stratification uniforme dans chaque plan de l’écoulement. Pour ce faire, il faut que le rapport BR soit relativement important pour que la distance de pénétration des jets secondaires soit importante. Cela entraîne que l’écoulement ne peut rester laminaire. En absence d’injection secondaire, le nombre de Reynolds est de l’ordre de 2500 et l’écoulement principal est bien laminaire. Lorsque l’injection secondaire est activée, la flamme deviendra turbulente. Cela est confirmé par les résultats de la diffusion Rayleigh en absence puis en présence d’injection secondaire. La richesse de l’écoulement secondaire est égale à celle de l’écoulement principal (φ = 0, 96), les débits identiques et le rapport BR vaut 3. Ces images décrivent la position moyenne du front de flamme (Fig. 4(a)), tandis que les images instantanées ( Fig. 4(b)) représentent clairement le cas des flammes plissées. 27.5 22.5 17.5 12.5 7.5 2.5 −11 0 11 distance from center [mm] hot products cold reactants (a) Diffusion Rayleigh moyenne −11 0 11 distance from center [mm] hot products cold reactants hot products (b) Diffusion Rayleigh instantanée F IG . 4 – Images moyennes et instantanées de la diffusion Rayleigh sans et avec injection secondaire. Richesse moyenne φ = 0,96 et rapport BR = 3. Dans la suite, les conditions seront une richesse totale de φ̄ = 0, 96, une vitesse débitante moyenne de vb = 1, 96 m/s et un rapport BR de 3. Les fluctuations de vitesse v′ induites par l’injection secondaire sont de l’ordre de 0,10 m/s. 4.2 Caractérisation par diffusion Rayleigh axial distance from burner outlet [mm] Afin de caractériser la distribution spatiale des fluctuations de richesse, une approche de moyenne de phase est utilisée pour décrire la dynamique (Fig. 5) pour une fréquence de f = 200 Hz. φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 9 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 2 7 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 1 8 0 ◦ 27.5 22.5 17.5 12.5 7.5 2.5 −11 0 11 distance from center [mm] 0 0.5 1 equivalence ratio −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] 0 0 0 0.5 1 equivalence ratio 0.5 1 equivalence ratio 0.5 1 equivalence ratio F IG . 5 – Distribution spatiale de richesse pour quatre phases ϕ, une excitation de f = 200 Hz, des richesses primaire et secondaire de φ1 = 3, 40 and φ2 = 0, 55 et un rapport BR = 3. Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 axial distance from burner outlet [mm] On constate que l’injection secondaire est bien convectée par l’écoulement. Deux couches différentes sont visibles et en présence de flamme vont impacter le front de flamme. La longueur d’onde nominale des couches riches λ = v/ f est légèrement inférieure à la longueur réelle de part des effets de contraction engendrés par l’injection secondaire sur l’écoulement principal, entraînant une accélération. Les contours de flamme pour les quatre phases sont représentés dans la Fig. 6. Des comparaisons avec un cas de richesse homogène montre que les effets dominants sont ceux liés aux perturbations de vitesse et que les effets chimiques n’interviennent qu’au deuxième ordre. Même en absence d’injection secondaire, il existe une composante radiale de la vitesse lorsque l’écoulement principal est modulé par le haut-parleur. L’utilisation des jets transverses augmente cette composante radiale. Ces deux effets expliquent grandement le plissement de la flamme. φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 9 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 1 8 0 ◦ φ1= 0 . 5 5 , φ2= 3 . 4 0 f = 2 0 0 Hz , ϕ= 2 7 0 ◦ 27.5 22.5 17.5 12.5 7.5 2.5 −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] F IG . 6 – Contour moyen des fronts de flamme pour une modulation à 200 Hz et une richesse moyenne de φ = 0, 96. axial distance from burner outlet [mm] Afin de voir l’interaction entre les couches de mélange et le plissement de la flamme, il est possible de superposer les résultats en non-réactif et en présence de flamme (Fig. 7). Il est important de noter que le motif présenté doit être interprété comme décrivant la position des couches et non comme indiquant une richesse réelle. Les couches rouges représentent des couches riches avec φ2 = 7, 84. Ces différentes couches vont entraîner différents dégagements de chaleur, qui couplés à des perturbations de pression peuvent entraîner de fortes oscillations. 27.5 22.5 17.5 12.5 7.5 2.5 −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] −11 0 11 distance from center [mm] F IG . 7 – Superposition du front de flamme moyen et de la distribution de fuel pour une modulation à 200 Hz. 4.3 Évolution temporelle des fluctuations de richesse Les variations temporelles de la richesse sont mesurées par la technique d’absorption laser. Le signal en moyenne de phase est présenté dans la Figure 8. L’écoulement principal est modulé à une fréquence f = 200 Hz et quatre cas distincts sont présentés, représentant les conditions extrêmes de fonctionnement du brûleur. Dans le cas homogène φ1 = φ2 = 0, 96, aucune fluctuation n’est observée. Dans les autres cas, de fortes amplitudes sont observées. La dérive de la richesse moyenne peut s’expliquer par le fait que la richesse Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 moyenne est fortement influencée par la non-uniformité générée par les jets transverses et par l’intégration le long du volume de mesure. Cependant, les fluctuations mesurées montrent une forte augmentation avec une augmentation de la différence entre φ1 et φ2 . 1.05 1 equivalence ratio [−] 0.95 0.9 0.85 0.8 φ =1.17, φ =0.00 1 2 φ =0.96, φ =0.96 1 0.75 2 φ1=0.55, φ2=3.40 φ1=0.10, φ2=7.84 0.7 0 5 10 15 time [ms] F IG . 8 – Valeurs moyennes et fluctuations de richesse mesurées par absorption infra-rouge pour une richesse globale φ mais avec différentes richesses primaire φ1 et secondaire φ2 Une analyse de l’ordre de grandeur attendue peut être obtenue, en supposant que le rapport de débit volumique ne soit pas changé (V̇2 /V̇1 = 0,23) et une version non linéaire de l’équation (8). La comparaison entre les mesures et les fluctuations théoriques est présentée dans le tableau 1. On constate une très bonne concordance entre ces deux approches. φ1 1,17 0,96 0,55 0,10 φ2 0,00 0,96 3,40 7,84 φ′theo 0,04 ± 0,01 0,00 0,07 ± 0,01 0,14 ± 0,02 φ′exp 0,04 ± 0,01 0,00 ± 0,01 0,06 ± 0,01 0,13 ± 0,01 TAB . 1 – Comparaisons entre fluctuations calculées φ′theo et mesurées φ′exp par spectroscopie d’absorption infra-rouge. Une approche phénoménologique basée sur une modélisation de type G-equation de l’influence relative des fluctuations de richesse et des fluctuations de vitesse montre que les effets acoustiques ont une plus grande influence que les effets chimiques dans ce genre de configuration. Cependant, cette expérience a permis de confronter deux techniques laser pour la quantification de richesse variable dans un écoulement. 5 Conclusion et perspective Cette étude a permis d’analyser l’influence de fluctuations de richesse pour des flammes prémélangées. Deux diagnostics laser complémentaires ont été utilisés, l’un basé sur la diffusion Rayleigh, l’autre sur l’absorption infra-rouge. Ils ont permis de quantifier les fluctuations originaires d’un brûleur spécialement développé. Ce dernier permet l’étude de l’influence de composition variable sur des flammes faiblement Congrès Francophone de Techniques Laser, CFTL 2010, Vandoeuvre-lès-Nancy, 14 – 17 septembre 2010 turbulente. Les données obtenues ont permis de confirmer qu’il est possible de convecter des couches de richesse variable jusqu’au front de flamme lorsque l’écoulement principal est modulé acoustiquement. Un ajustement précis des richesses primaire et secondaire a permis d’obtenir des fluctuations de richesse φ′ de l’ordre de ∼0.1 autour d’une richesse moyenne de φ = 0.96. De part l’énergie cinétique des jets secondaires, les flammes obtenues se situent dans le régime de flamme plissée. L’interaction de cette flamme avec différentes fluctuations de richesse a pu être quantifiée. Une analyse du front de flamme moyen montre que les fluctuations du front de flamme sont essentiellement dues aux fluctuations de vitesse et que les fluctuations de richesse n’interviennent qu’au deuxième ordre. Néanmoins, la complémentarité de diagnostics de diffusion Rayleigh et d’absorption peut permettre une compréhension fine de la stratification de flamme en condition d’instabilités auto-entretenues. Références [1] S. Candel. Combustion dynamics and control : Progress and challenges. Proceedings of the Combustion Institute, 29(1) :1 – 28, 2002. [2] J. W. S. Rayleigh. The explanation of certain acoustical phenomena. Nature, 18 :319 – 321, 1878. [3] D. Durox, T. Schuller, N. Noiray, and S. Candel. Experimental analysis of nonlinear flame transfer functions for different flame geometries. Proceedings of the Combustion Institute, 32(1) :1391–1398, 2009. [4] R. Mongia, R. W. Dibble, and J. 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