Si le champ de température d'un calcul de combustion se trompe de 5 %, c'est généralement acceptable. La même erreur produit des écarts d'un facteur sur une prévision de NOx.
La raison : la dépendance exponentielle
La formation des NOx thermiques dépend exponentiellement de la température ; aux températures de flamme usuelles, quelques centaines de degrés changent la vitesse de formation d'un facteur important. Une prévision de NOx dépend donc de la précision du pic de température, non de la moyenne.
Dans une flamme turbulente, la température fluctue. Les NOx calculés à partir de la température moyenne ressortent nettement sous la valeur vraie, parce que la moyenne d'une fonction exponentielle dépasse la fonction de la moyenne. Les calculs sérieux de NOx prennent donc en compte la fluctuation de température de façon statistique.
L'approche en post-traitement
Les concentrations de NOx sont très faibles et n'agissent ni sur l'écoulement principal, ni sur le champ de température, ni sur la masse volumique. Il en découle une commodité pratique : les NOx peuvent être calculés dans une étape séparée sur la solution de combustion déjà convergée. On peut essayer différents mécanismes et coefficients sans refaire la solution principale.
Trois voies de formation, traitées séparément
- NOx thermiques. À partir de l'azote de l'air à haute température. La voie la plus sensible au pic de température.
- NOx précoces (prompt). Au front de flamme, via les radicaux hydrocarbonés. Proportionnellement importants en mélange riche et à basse température.
- NOx du combustible. À partir de l'azote lié dans le combustible. Dominants pour le charbon et les fiouls lourds, absents pour le gaz naturel.
Une étude de réduction menée sans savoir quelle voie domine intervient au mauvais endroit : changer de combustible ne sert à rien si les NOx thermiques dominent — c'est la température de pic qui doit baisser.
Comment utiliser le résultat
La précision absolue des prévisions de NOx est limitée. Ce qui est fiable, c'est l'usage comparatif : laquelle de deux dispositions de brûleurs, calculées avec la même méthode, produit le moins de NOx. Voir la note sur les chiffres significatifs.
Références
- 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
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.