Dynamique des Explosions Accélération de Flamme en Présence d’Obstacles Répétés N. Djebaïli-Chaumeix, N. Lamoureux, C. E. Paillard Contexte Lorsqu’une flamme de prémélange se propage au sein du milieu gazeux, elle peut suivre deux modes de propagation : un mode lent, appelé déflagration, où la vitesse des gaz frais est subsonique par rapport au front de flamme et un mode rapide, appelé détonation, où cette vitesse devient supersonique. Dans certaines conditions la vitesse de déflagration peut s’accroître considérablement sans atteindre le couplage entre la zone réactionnelle et l’onde choc, c’est à dire sans qu’il y ait transition à la détonation. Ces déflagrations fortement accélérées peuvent exercer des effets très destructeurs sur le confinement. Leur existence peut être liée à la géométrie du confinement ou à l’existence d’un gradient de concentration d’un réactif dans le mélange initial. Objectifs L’objet de cette étude est d’analyser la propagation de mélanges à base d’hydrogène dans une enceinte encombrée d’obstacles afin de valider ou de préciser les critères d’accélération proposés. Cette étude s’insère dans le cadre de recherches sur la sécurité industrielle et, plus précisément, dans le cadre des risques d’explosion dans les centrales nucléaires. Méthodologie Enceinte d’accélération de Flammes en présence d’obstacles. L’accélération d’une flamme est particulièrement sensible à la turbulence générée par la présence d’obstacles. Leur forme et leur fréquence vont elles-même jouer un rôle sur leur degré d’accélération. Nous avons conçu et réalisé un dispositif original permettant l’étude de la propagation de flamme de mélanges à base d’hydrogène, dans une enceinte capable de résister aux effets d’accélération de flamme et équipée d’obstacles modulables. Cette enceinte verticale de 5 m de haut, est constituée d’un tube de 154 mm de diamètre relié à un dôme d’un diamètre de 750 mm dans la partie supérieure. Les deux parties peuvent être séparée ou non par un diaphragme. L’enceinte est équipée d’un ensemble de capteurs de pression et de photomultiplicateurs, de vannes d’introduction et de prélèvement, de séries de hublots pour visualiser la flamme par ombroscopie laser et caractériser la turbulence en avant du front de flamme. Une des questions fondamentales à laquelle il est nécessaire de répondre afin de prédire, a priori, une accélération de flamme, concerne le couplage entre les propriétés du mélange considéré et l’échelle. Afin de vérifier, et éventuellement de compléter les critères d’accélération de flamme, il est nécessaire de prendre en compte un grand nombre de paramètres parmi lesquels : le facteur d’expansion, σ, caractérisant les propriétés thermodynamiques, le nombre de combustion rapportée à la célérité du son dans les gaz frais, SL /c, etc. mimique carbone. Principaux résultats Perspectives Dans un premier temps nous nous sommes attachés à déterminer la configuration d’obstacles idéale pour obtenir une accélération de flamme importante dans le cas d’un mélange constitué de 13 % d’hydrogène dans l’air. Cette configuration devant permettre aussi l’accélération d’un mélange constitué de 10 % d’hydrogène dans l’air. Cette série d’expérience permet de vérifier qu’un mélange avec un facteur d’expansion, σ, plus grand que la valeur critique de 3,75 pourra être très fortement accéléré. Ce thème sera poursuivi par l’étude systématique de l’impact de la géométrie des obstacles sur le niveau d’accélération des flammes. Le niveau de turbulence généra par le front de flamme, dans les gaz frais en amont de celui-ci, sera caractérisé en collaboration avec l’équipe Combustion Turbulente du LCSR. Dôme tube d'accélération 13%H2+87%Air 11%H2+89%Air vitesse (m/s) Tube d'accélération Position / pt d'infl. (m) Ces études ont été réalisées avec les partenaires suivants : ü contrat IPSN (Fontenay aux Roses). ü Russian Research Center (RRC)Institut Kurchatov de Russie. ü Forschungszentrum Karlsruhe 1 400 200 0 Dôme 9 obstacles, BR = 0.63 13%H2+87%Air 11%H2+89Air 600 Obstacles de 800 9 Obstacles, BR=0,63 3 2 dioxyde Collaboration Afin de simuler la présence de vapeur d’eau, nous avons choisi un mélange constitué d’hélium et de dioxyde de carbone. Les proportions ont été choisies de 4 hélium – Obstacles 0 0 0.1 0.2 Temps (s) 0.3 0 1 2 3 4 Position / pt d'infl. (m) (b) (a) (a) Evolution de la position, par rapport au point d’inflammation, de la flamme en fonction du temps. (b) Variation de la vitesse de la flamme au cours de sa propagation dans l’enceinte. Les mélanges sont initialement à 100 kPa et température ambiante. Zeldovich, β, évaluant la réactivité, le nombre de Lewis, Le, caractérisant le transport moléculaire, l’échelle intégrale de turbulence normalisée, LT/δ, où δ représente l’épaisseur du front de flamme, la vitesse normale de manière à reproduire les propriétés thermodynamiques et de transport de la vapeur d’eau. La vérification de l’applicabilité du critère σ est en cours dans le cas où les mélanges hydrogène – air sont dilués par le mélange (FZK), Allemagne. 5