Accélération de Flamme en Présence d`Obstacles Répétés

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
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
Enceinte d’accélération de Flammes en présence d’obstacles.

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
Zeldovich, β, évaluant la
réactivité, le nombre de Lewis, Le,
caractérisant le transport
moléculaire, l’échelle intégrale de
turbulence normalisée, L
T/δ, où
δ représente l’épaisseur du front
de flamme, la vitesse normale de
combustion rapportée à la célérité
du son dans les gaz frais, SL/c, etc.
Principaux résultats
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.
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
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
mimique hélium – dioxyde de
carbone.
Perspectives
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.
Collaboration
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
(FZK), Allemagne.
(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.
0 0.1 0.2 0.3
Temps (s)
0
1
2
3
4
Position / pt d'infl. (m)
9 Obstacles, BR=0,63
13%H2+87%Air
11%H2+89%Air
DômeTube d'accélération
Obstacles
(a)
0 1 2 3 4 5
Position / pt d'infl. (m)
0
200
400
600
800
vitesse (m/s)
9 obstacles, BR = 0.63
13%H
2
+87%Air
11%H
2
+89Air
tube d'accélération Dôme
Obstacles
(b)