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Étude numérique des instabilités de flammes prémélangées en régime laminaire

Le Corvec, Lucas (2017). Étude numérique des instabilités de flammes prémélangées en régime laminaire. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les flammes laminaires prémélangées hydrogène/air sont susceptibles de développer des instabilities dues à des effets hydrodynamiques (connues sous le nom d’instabilités de Darrieus-Landau) et dues à des effets thermodiffusifs. Le premier est dû au changement de masse volumique du fluide tandis que l’autre est dû aux proprieties thermodiffusives des espèces. L’instabilité de la flamme se traduit par l’apparition de zones de combustion localisées que l’on appelle cellules qui se caractérisent par leur comportement auto-accélérant.

Cette étude a été réalisée afin d’étudier l’influence de plusieurs paramètres sur le phénomène de cellularité : la cinétique chimique, la loi de mélange, la pression et enfin la condition initiale de perturbation. Pour ce faire, un modèle numérique a été mis en place : les équations de Navier-Stokes sont résolues en régime compressible, laminaire et instationnaire via le logiciel STAR-CCM+. Le domaine de simulation utilisé est un carré 2D de 160 000 cellules, le schema de discrétisation temporelle utilisé est un schéma implicite de second ordre alors que le schema de discrétisation spatiale est un schéma explicite de second ordre.

Dans un premier temps, quatre cinétiques chimiques furent testées. Malgré un comportement global du front de flamme similaire pour chaque cinétique, des différences au niveau du nombre de cellules et de leur taille demeurent, probablement dues aux mécanismes de réaction associés à chaque cinétique. L’impact de la loi de mélange sur la cellularité fut étudié au travers de deux lois de mélange : une loi de mélange basée sur la fraction massique et la loi de mélange Mathur-Saxena, basée sur la fraction molaire. Une forte influence de ce paramètre fut observée, du fait que la conductivité thermique du mélange était modifiée et donc le nombre de Lewis également. L’impact de l’augmentation de pression se traduisit par une croissance du nombre total de cellules avec l’augmentation de pression, ainsi qu’un front de flamme de plus en plus chaotique et dentelé. Les paramètres de la perturbation initiale furent étudiés dans un dernier temps (amplitudes de perturbation et fréquence d’oscillation) et indiquèrent un fort impact de ces paramètres sur la cellularité, avec notamment une modification importante du front de flamme et de la taille des cellules.

Cette étude a permis d’étudier l’influence de plusieurs paramètres sur le phénomène de cellularité, en utilisant un modèle simple d’ordre 2.

Titre traduit

Numerical study of premixed laminar flames instabilities

Résumé traduit

Hydrogen-air premixed laminar flames are likely to develop instabilities due to hydrodynamic effects (known as Darrieus-Landau instability) or thermodiffusive effects. The former is due to the change in fluid density through the flame while the latter is associated to the thermodiffusive properties of the species. The flame instability is recognized by the appearance of local combustion areas known as cells, characterized by their self-accelerating behavior.

The purpose of this Masters’ thesis was to study the influence of several parameters on the phenomenon of cellularity : the kinetic mechanism, the mixing law, the pressure and finally the initial condition of perturbation. In order to realize this study, a numerical model was set up : compressible, laminar and unsteady Navier-Stokes equations are solved on a 2D square computational domain having 160 000 cells using STAR-CCM+ and using a 2nd-order explicit spatiale discretization scheme and a 2nd-order temporal implicit discretization scheme.

Firstly, four kinetic mechanisms were tested. Although the global behaviour of the flame front of each kinetic mechanism was similar, there were still differences on the total number of cells but also on their sizes, probably due to the kinetic mechanims associated with each kinetic. The influence of the mixing law was also studied by using two different mixing laws : a mixing law based on mass fraction and the mixing law of Mathur-Saxena, based on molar fraction. It resulted in a substantial impact of this parameter on the cellularity because of the modification of the mixture thermal conductivity and so the modification of the Lewis number. The influence of pressure increasing resulted in more cells but also in a significant modification of the flame front as it became more chaotic and serrated. At last, the parameters of the initial perturbation were studied (amplitudes of perturbation and oscillation frequency) and the results indicated that it impacts both the flame front and the cells (size and number).

This study enabled to quantify the influence of several parameters on the cellularity phenomenon, by using a two-order simple model.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie aérospatial." Bibliographie : pages 113-116.
Mots-clés libres: Flammes d'hydrogène Stabilité Modèles mathématiques. Écoulement laminaire. Cinétique chimique. Pression. cellularité, cellule, instabilité, loi, mélange, prémélange flamme prémélangée, H2/air
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Sears, Patrice
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 22 nov. 2017 19:29
Dernière modification: 22 nov. 2017 19:29
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1966

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