Experimental and Numerical Studies of the Fundamental Flame Speeds of Methane/Air and Syngas (H2/CO)/Air Mixtures
Étude des Vitesses Fondamentales des Flammes Laminaires Prémélangées: Application aux Mélanges Méthane/Air et Syngas (H2/CO)/Air
Résumé
In the context of CO2 emission reduction, the present study is devoted to the development of a laminar flame speed measurement methodology, using the Digital Particle Image Velocimetry (DPIV) diagnostic. The latter is applied to stagnation flow flames, seen to have considerable assets for such studies. Indeed, flames stabilized in these diverging flows are planar, steady and in near-adiabatic conditions, while subtraction of strain effects on flame is intrinsically allowed. The methodology developed herein has been applied to the well-characterized methane/air mixtures for validation. An extensive comparison with the literature datasets has been provided. Both 1D (PREMIX, OPPDIF) as well as 2D (Fluent©) numerical tools have been used to confirm the reliability and accuracy of the developed approach. A particular attention has been given to the characterization of the seeding particle motion within the diverging flow, with consideration of the often-neglected thermophoretic force. Fundamental flame velocities of various syngas (H2+CO) mixtures have been investigated using multiple experimental approaches including the aforementioned counterflow methodology as well as spherical and conical flame configurations. Performed measurements from the different approaches have been confronted and flame sensitivities to stretch have been characterized for a wide range of equivalence ratios (E.R.=0.4 to 5.0) and mixture compositions (5/95 to 50/50 % H2/CO).
Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitesses fondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant la stabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d'étirements subits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L'approche ici développée a tout d'abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive des résultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX, OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l'approche proposée. Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencées dans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force de thermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses de flammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges a été conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contre-courant, les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultats obtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l'étirement des flammes de syngas a été caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges (5/95 to 50/50 % H2/CO).