These modelisation de la flamme

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
DOCTORAT PRÉSENTÉ À
DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES
COMME EXIGENCE PARTIELLE
DU DOCTORAT EN INGÉNIERIE
OFFERT EN EXTENSION
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MODELISATION DES FLAMMES ET DE LA
FORMATION DES POLLUANTS EN MICRO ET
NANO COMBUSTION
PAR
Olivier Thierry SOSSO MAYI
14 NOVEMBRE 2014

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES
DOCTORAT EN GÉNIE INDUSTRIEL (PH.D.)
en extension avec
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MODELISATION DES FLAMMES ET DE LA
FORMATION DES POLLUANTS EN MICRO ET
NANO COMBUSTION
PAR
Olivier Thierry SOSSO MAYI
James Tonyi Agbébavi Prof au Département de Génie Chimique
Prof, directeur de recherche Université du Québec à Trois-Rivières
Derdouri Adessalem Prof au Département de Génie Mécanique
Dr, président du jury École Polytechnique de Montréal
Marcel Brice Obounou Enseignant au Département de Physique et Énergie
Dr, codirecteur de recherche Université de Yaoundé I, Yaoundé Cameroun
Wamkeue René Prof au Département des Sciences Appliquées
Prof, évaluateur externe Université du Québec à Albitibi- Témiscamingue
Dubé, Yves Prof au Département de Génie Mécanique
Prof, évaluateur interne Université du Québec à Trois-Rivières
Koffi, Demagna Prof au Département de Génie Mécanique
Prof, évaluateur interne Université du Québec à Trois-Rivières
Thèse soutenue le 14 Novembre 2014

iii
Résumé
L’objectif de cette thèse est de modéliser les polluants formés dans une micro flamme
et de vérifier la possibilité de la formation d’une nano flamme. L’atteinte de cet objectif a
induit un objectif préalable, qui consiste à la simulation d’une micro flamme. Simuler une
micro flamme exige de faire le choix d’une cinétique chimique appropriée, ce qui constitue
une contrainte importante à lever.
Les effets d'une cinétique chimique simplifiée à une seule équation globale sur une
micro flamme ont été étudiés avec différents mécanismes de cinétique chimique, à savoir
les modèles de Mantel, de Duterque et celui dit d’Arrhenius proposé par Fernandez-
Tarrazo. Une étude numérique d'une micro flamme pré mélangée méthane/air dans des
conditions pauvres (ratio équivalent ф= 0,9) dans un micro réacteur tubulaire rectangulaire
a été effectuée. Plus précisément, leur influence sur la structure de la flamme, la
température du mélange réactionnel le long du déplacement axial du micro réacteur et les
températures des parois ont été analysées. Les résultats montrent que le mécanisme de
cinétique chimique à une équation globale affecte à la fois la forme de la flamme et la
température de combustion dont la grandeur est globalement surestimée. Parmi les trois
modèles simulés, le modèle de Mantel permet de produire une flamme stable ancrée à
l’entrée du réacteur avec une forme convexe, tandis que le modèle de Duterque a donné une
flamme allongée stable avec un retard à l'allumage considérable. Une zone morte est
observée avec une accumulation de liquide à cette température et pression initiales à
l'entrée du réacteur ce qui peut expliquer le taux de réaction élevé ainsi que la température
de combustion obtenue. Le modèle dit d’Arrhenius a résulté en une flamme sous la forme

iv
d'un point très chaud luminescent. Ce modèle a produit une flamme sujette à une extinction
rapide et ne semble pas être approprié pour les simulations numériques de la micro
combustion. En outre, l’utilisation d’une cinétique chimique à une équation globale semble
déterminer la température initiale applicable à la fois à la zone d'écoulement de fluide et
aux parois du micro réacteur, ce qui favorise l’ignition de la combustion du pré mélange.
Une question clé de recherche en combustion est la réduction des émissions nocives,
cette question est posée ici dans le cas de la micro combustion. Une micro flamme pré
mélangée méthane/air a été simulée avec une cinétique chimique simplifiée à quatre
équations de Jones et Lindstedt. De plus, le mécanisme de cinétique chimique à trois
équations permettant de décrire la formation du NO thermique a été intégré au code
Comsol 4.2a décrivant le processus de production et de disparition des espèces chimiques
majoritaires. Les simulations effectuées dans les conditions stœchiométriques et de
mélange pauvre avec des ratios équivalents égaux à 0.9 et 0.7, montrent que le modèle de
cinétique chimique de Jones et Lindstedt permet d’obtenir une flamme stable avec des
températures de l’ordre de 2000K, comparables à celles obtenues avec une cinétique
chimique détaillée rapportées dans la littérature. On note aussi que la richesse du mélange
influence la position de la micro flamme. Elle se forme à l’entrée du micro réacteur pour
ф=1 et ф=0.9, mais est déviée au centre du micro réacteur avec ф=0.7. La production du
dioxyde de carbone (CO2) varie avec la richesse du mélange. Elle est maximale pour ф=1
et de l’ordre de 250 ppm, inférieure à celle du seuil exigée pour un air respirable. Quant au
monoxyde de carbone (CO), il ne se retrouve pas dans les produits de combustion du fait
des températures élevées des produits de combustion dans les trois cas de figure. Le
monoxyde d’azote (NO) se retrouve en quantité minime dans les produits de combustion et
a une concentration inférieure à 1ppm. Cependant, on remarque que sa production est

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maximale pour un mélange pauvre avec un ratio équivalent de 0.7, l’indice d’émission du
NO (EINO) dans ce cas est constant par rapport aux températures régnant dans le micro
réacteur. On peut donc s’inquiéter d’une production de NO plus importante pour un
mélange pauvre avec ф<0.7.
L’optimisation des dimensions d’entrée des réactifs (gap) d’un micro réacteur
rectangulaire a été faite en établissant un modèle mathématique de l’épaisseur de la zone de
réaction en fonction de la hauteur du réacteur (canal ou gap). Ce modèle établi à partir
d’une analogie électrique des échanges de chaleur dans un réacteur rectangulaire a permis
d’établir une équation de degré quatre permettant d’obtenir les dimensions minimales et
maximales pour lesquelles l’épaisseur de la flamme existe toujours. On retiendra qu’avec
un écart (gap) de 100 µm, il est possible d’avoir une flamme d’épaisseur de 0,014 mm.
Bien que cette épaisseur soit faible, ce résultat prouve qu’il est possible de produire une
nano flamme. Cependant, par rapport aux simulations effectuées, la dimension minimale
pour laquelle une flamme présentant des extinctions répétitives a été obtenue est de 400
µm.
Le travail effectué permettra l’utilisation d’autres modèles simplifiés de cinétique
chimique à une équation globale et même à 4 équations globales pour les travaux de
simulation en micro combustion. Il ouvre la voie à des études expérimentales permettant
l’évaluation des polluants produits par des dispositifs microscopiques. En outre, il a été
démontré que le plus petit dispositif de micro réacteur rectangulaire devrait avoir une
dimension d’entrée des réactifs de l’ordre de 100µm, il faudra le faire expérimentalement.