L’évolution des normes anti-pollution et l’optimisation des performances des chambres de combustion nécessitent le développement de nouveaux types de brûleurs et l’amélioration des techniques de combustion. L’utilisation de l’oxy-combustion dans des brûleurs à jets séparés offre des perspectives intéressantes dans la réduction des NOx et dans la modularité des propriétés des flammes (accrochage, topologie du front de flamme, longueur de flammes). La géométrie complexe de ces brûleurs pose certains problèmes comme le caractère tridimensionnel de l’écoulement, qui peut perturber la stabilité de la combustion car les flammes sont suspendues au-dessus du brûleur.

Visualisations directes d’oxy-flammes issues de brûleurs à jets séparés. Effet de l’inclinaison des injecteurs.

Images de la base de flamme par émission OH

Le but de ces travaux expérimentaux, d’un grand intérêt pour les industriels, est d’étudier, sur des versions simplifiées de ce type de brûleur comportant un jet central de gaz naturel entouré de deux injecteurs d’oxygène, les effets géométriques et dynamiques du brûleur (diamètres, espacement, vitesses) sur :

 les caractéristiques du mélange scalaire et dynamique des jets non-réactifs ;
 la mécanismes de stabilisation des oxy-flammes ;
 l’efficacité de la combustion ;
 la production des espèces polluantes et la localisation les zones de production d’oxyde d’azote ;
 le contrôle des transferts thermiques aux parois des chambres de combustion.

En pratique, un oxy-brûleur constitué de trois jets coplanaires (un jet central de gaz naturel et de chaque coté un jet d’oxygène pur, 25 kW) a été conçu et réalisé. Les paramètres de ces études sont :

• Les diamètres des jets,
• L’espacement entre les jets,
• L’inclinaison des jets d’oxygène.

Les oxy-flammes générées se développent dans une chambre de combustion de parois tièdes modélisant le four..

Schéma du brûleur à jets séparés

L’étude du mélange non-réactif par tomographie laser en ensemencement conditionnel ou simultané des trois canaux permet de comparer les taux d’expansion des jets, d’estimer le point de mélange mais également d’estimer quantitativement le champ de fraction de mélange qui s’avère être un résultat important dans la validation des codes de calculs.

Les propriétés dynamiques sont abordées par Vélocimétrie Doppler Laser (ADL) et Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) en portant un effort sur la détermination des conditions initiales, du champ des vitesses moyennes et fluctuantes dans les différents plans de l’étude.

L’analyse du comportement des oxy-flammes (émission spontanée du radical OH, analyse des espèces chimiques produites CO, CO2, NOx, suies) en fonction des différents paramètres permet de décrire la zone d’accrochage des flammes, l’expansion du front de flamme et ses fluctuations, la structure chimique des oxy-flammes et enfin la structure de fin de flamme (longueur de flamme).

La synthèse de ces bases de données expérimentales permet :

• de mieux comprendre l’évolution et la structure de ce type d’écoulements à vocation industrielle ;
• d’appréhender l’influence des différents paramètres sur le développement de ces oxy-flammes haute température en milieu confiné ;
• de proposer des lois de comportement et mettre au point des outils d’aide à la conception de brûleurs.