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Université de Poitiers (27/03/2006), Michel Champion (Dir.)
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Étude expérimentale d'une flamme de prémélange stabilisée dans un écoulement turbulent à point d'arrêt
Xavier Coron1

La flamme à point d'arrêt est une configuration académique d'écoulement réactif offrant la possibilité de comparer les résultats de l'analyse théorique avec les données expérimentales. La disposition géométrique retenue pource travail est celle d'un écoulement axisymétrique turbulent heurtant sous indice normale une paroi solide : dans ces conditions, une flamme de prémélange peut être stabilisée entre le plan d'injection et la paroi solide. Les conditions de faible turbulence et l'hypothèse d'un régime de flammelette permettent de mener une analyse asymptotique de cet écoulement réactif et en particulier d'exprimer les termes de transport turbulent de masse sous la forme d'une expression algébrique. Sur le plan de l'application, la combustion dans des écoulements étirés et éventuellement non-isenthalpiques du fait des pertes thermiques pariétales est une problématique récurrente rencontrée dans la conception des foyers industriels : l'étude des propriétés dynamiques et structurales d'une flamme stabilisée au voisinage d'une paroi adiabatique ou non permet d'étudier les influences respectives de l'étirement et de la température de paroi. Sur le plan fondamental, l'ambition est le développement de modèles de combustion à fonction densité de probabilité multi-dimensionnelles, prenant en compte une variable d'avancement de la combustion, l'enthalpie, voire la fraction de mélange. Dans un premier temps, l'objectif est limité à la mesure simultanée des champs de vitesse et de variable d'avancement de la combustion en condition de paroi adiabatique. Le banc Vestales, conçu pour atteindre cet objectif, est composé d'un injecteur de prémélange réactif (propane-air), équipé d'une grille de turbulence et d'une paroi solide disposée en vis-à-vis. Les mesures de vitesse sont effectuées par Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.) et Vélocimétrie par Images de Particules (V.I.P.). Afin de déterminer simultanément la variable d'avancement à partir des images V.I.P., un traitement d'image original a été développé pour l'extraction du contour des fronts de flammes locales (flammelettes). Le couplage des contours actifs aux approches frontières et régions s'avère une méthode robuste et précise permettant une analyse topologique du contour. L'étude est limitée à deux valeurs de l'étirement (100 et 120 s−1) et de richesse (0,89 et 0,99). L'écoulement a été caractérisé par A.D.L. et V.I.P. dans différents plans. Une analyse statistique et fréquentielle de la turbulence est proposée. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence sont exprimées en terme de moyenne de Reynolds et de Favre, en particulier le flux turbulent de la variable d'avancement, ce qui autorise la comparaison avec des résultats issus de la théorie asymptotique d'une part et de la simulation numérique bidimensionnelle d'autre part.
1:  LCD - Laboratoire de combustion et de détonique
Vélocimétrie – Traitements d'images – Corrélation – Développements asymptotiques – Modèle de flammelette – Transport turbulent – Interaction flamme-paroi

Experimental study of a stagnating turbulent premixed flame
Flames in stagnating turbulence are well identified academic situations of turbulent reacting flows that allow a close coordination of experimental, theoritical and computational aspects of combustion research. In the present work, the local and mean characteristics of a stagnating turbulent premixed flame, obtained by impinging a flow against a solid flat surface, are investigated. The experimental situation is characterized by a weak turbulence as well as a flamelet regime, two features that allow the development of an asymptotic analysis of this reactive flow. The presence of the solid wall results in the existence of a mean rate of strain that influences the structure of the flame and may eventually lead to extinction. Morover, heat transfer through the solid wall may also interact with this rate of strain to facilitate this extinction mechanism. This latter situation corresponding to a non-isenthalpic reactive flow is an ongoing research subject. The present work is intented to measure simultaneously velocity and scalar fields, the scalar characterizing the progress of chemical reaction throughout the flow. To this purpose, the Vestales experimental rig was developped: it consists of a nozzle burner providing a stream of reactive mixture (propane-air), fitted out with a perforated grid, facing a flat solid plate. The premixed turbulent flame is then stabilized in the diverging flow between the exit plane and the solid plate. Laser Doppler Anemometry (L.D.A.) and Particle Image Velocimetry (P.I.V.) system are used for velocity measurements. In order to determine simultaneously velocity and progress variable, P.I.V. recordings are analysed as tomographic recordings. A great deal of attention has been paid to implement processing tools: we have shown that the proposed method based on region and edge segmentation combined with deformable models is well suited to extract a continuous front flame contour and to topological analysis purpose. The study concentrates on two mean strain rates (100 and 120 s−1) and two values of the equivalence ratio of the unburned mixture (0.89 and 0.99). Spectral and spatial analysis of flowfield turbulence statistics is proposed. Reynolds and Favre mean quantities of velocity and progress variable are obtained, including scalar turbulent flux, which allows comparison with results obtained through the theoritical asymptotic analysis as well as numerical simulation.
Velocimetry – Image processing – Correlation – Asymptotic analysis – Flamelet model – Turbulent transport – Flame-Wall interaction

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