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15.3 Mo

Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

David DEMARE

Soutenue le 20 octobre 2003

Stabilisation d’une flamme suspendue non-prémélangée.
Influence d’un champ acoustique.
Jury

Président :
- M. TRINITE, Directeur de recherche au CNRS

Rapporteurs :
- S. CANDEL, Professeur à l’Ecole Centrale de Paris
- D. ESCUDIE, Directeur de recherche au CNRS

Examinateurs :
- G. MUNGAL, Professeur à l’Université de Stanford
- B. LABEGORRE, Ingénieur de recherche Air Liquide

Directeur :
- F. BAILLOT, Professeur à l’Université de Rouen

Résumé
Les effets d’une perturbation acoustique sur une flamme suspendue non-prémélangée sont analysés à l’aide de dispositifs d’imagerie et de vélocimétrie. Une étude préalable sans acoustique est réalisée avec une flamme de jet libre organisé naturellement, dans la zone d’hystérésis. Dans ce cas, la flamme se stabilise toujours au niveau des éjections latérales de structures tourbillonnaires contrarotatives longitudinales issues d’instabilités secondaires. Les réponses de la flamme à une large gamme de fréquences et d’amplitudes acoustiques sont reportées sous la forme d’une cartographie. Celle-ci présente différentes zones : - Des zones hautes fréquences (de l’ordre du kilohertz) où lorsque, le forçage s’effectue proche des fréquences de résonance, la stabilisation de la flamme est améliorée grâce à une meilleure organisation du jet ; ailleurs, les plus faibles modulations influent sur le développement des instabilités, pouvant entraîner le raccrochage définitif de la flamme. - Des zones moyennes fréquences (de l’ordre de l’hectohertz) où, il est possible à la fois d’empêcher la flamme de se raccrocher, et de changer le régime de combustion : la flamme devient alors plus courte, le panache, rayonnant à cause des suies, disparaît par un accroissement de la turbulence qui améliore le mélange. - Des zones basses fréquences (de l’ordre du décahertz) où les perturbations entraînent des fluctuations de la hauteur de suspension qui conduisent, selon l’amplitude, soit au raccrochage définitif de la flamme, soit à des successions d’accrochages et de décrochages. Ces différentes réponses sont observées pour différents diamètres et vitesses de sortie tout en conservant des nombres de Reynolds modérés (3000-6000) et un jet naturellement organisé.

Abstract
The effects of an acoustic perturbation on a non-premixed lifted flame are analyzed with imagery and velocimetry techniques. First, a study without acoustics is performed with a free jet flame, naturally organized. In that case, the flame always stabilizes on lateral ejections of matter formed by counter-rotating steamwise structures due to secondary instabilities. Secondly, the responses of the flame to a large range of frequencies and amplitudes are reported in a chart. This latter one shows different zones : - In high frequency zones (kilohertz), when the forcing is applied around the resonance frequencies, the flame stability is improved because of a better jet organization ; in other cases, the weakest modulations act on the development of instabilities, leading to a definitive flame reattachment. - In middle frequency zones (hectohertz), it is possible to avoid the anchoring of the lifted flame and change the combustion regime, the flame is shorter, its yellow plume due to soots vanishes because of an increase of the turbulence leading to the improvement of the mixing. - In low frequency zones (decahertz), depending on the amplitude value, perturbations lead to liftoff height fluctuations which provide, either a definitive reattachment, or successive anchoring and lifting. All these responses are observed for different diameters and exit velocities while keeping moderate Reynold numbers (3000-6000) and a naturally organized jet.

Mots Clés
flamme suspendue - flamme partiellement prémélangée - combustion turbulente - jet libre non-prémélangé - acoustique - instabilités hydrodynamiques - diagnostics optiques

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