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Combustion : la limite est-elle le mélange ou la chimie ?

Dans la plupart des brûleurs industriels, la vitesse de combustion est fixée par le mélange turbulent, non par la chimie. Cette distinction dit directement quel modèle convient.

La première décision en modélisation de la combustion porte sur ce qui limite la réaction.

Limitée par le mélange. Combustible et comburant entrent séparément et brûlent dès qu'ils se rencontrent. La vitesse est fixée par la rapidité avec laquelle ils se mélangent à l'échelle moléculaire. La plupart des flammes de diffusion industrielles relèvent de cette classe. L'approche eddy dissipation de Magnussen et Hjertager la représente en reliant la vitesse de réaction à l'énergie cinétique turbulente et à son taux de dissipation [1].

Limitée par la chimie. Le mélange est prêt mais la réaction est lente : basse température, mélange dilué, limites d'allumage et d'extinction. Ici l'échelle de temps chimique domine et les modèles fondés sur le mélange donnent la mauvaise réponse.

La distinction se fait par un rapport sans dimension d'échelles de temps (le nombre de Damköhler) : si le temps de mélange est bien plus long que le temps chimique, le procédé est limité par le mélange.

Conséquences pratiques

Faire tourner un mécanisme chimique détaillé sur un problème limité par le mélange augmente le coût de plusieurs ordres de grandeur et n'apporte rien à la précision — puisque ce n'est pas la chimie qui limite.

Inversement, si la question porte sur le délai d'allumage, l'extinction ou le combustible imbrûlé (CO, UHC), un modèle fondé sur le mélange est insuffisant ; ces grandeurs dépendent directement de l'échelle de temps chimique.

L'entrée critique : la distribution d'air

Ce à quoi un calcul de combustion est le plus sensible n'est généralement pas le modèle mais où l'air entre et en quelle quantité. La répartition des trous d'air secondaire, l'ouverture du registre, l'air parasite : ce sont eux qui fixent la forme de flamme et le champ de température, davantage que le modèle. Voir la note sur les conditions aux limites.

Le rayonnement ne peut pas être négligé

Aux températures de flamme, la part dominante de la chaleur qui va à la paroi est rayonnée, et les produits de combustion forment un milieu participant. Un calcul de combustion sans rayonnement se trompe à la fois sur le flux thermique à la paroi et sur la température de flamme. Voir la note sur le rayonnement.

Références

  1. Magnussen, B. F. & Hjertager, B. H. (1977). On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion. Symposium (International) on Combustion, 16(1), 719–729. DOI: 10.1016/S0082-0784(77)80366-4
  2. Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.

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