A Contribution to Turbulent Combustion: Premixed Flames and Material Surfaces Une contribution à la combustion turbulente : flammes prémélangées et surfaces des matériaux

Abstract

The behavior of premixed flames has been examined by many authors. In fact the problem of combustion which develops in a turbulent medium depends on two scalings. One makes reference to the scales of the flame the other one is related to the turbulent field. Comparisons between these two scalings allow us to identified what sort of regime is expected. In this paper we first study the development of a material surface which may be identify with a flame front under rather severe conditions. An analytical approach is first used. Hereafter a numerical simulation will be introduced. The role of a fine grained turbulence is more active on the extension of the surface than large structures. To a large extent big eddies convey the surface without distorting it. The risks of extinction are generally predicted by making comparisons between the scales of the flame and the scales of the turbulent field starting from a direct simulation. Poinçot et al show that the smallest structures are not responsible for the extinction : intermediate structures are more efficient than the smallest ones. In a previous paper the role of these structures was examined : the distorting mechanism are acting in a cumulative way. The life time of the smallest structures is too short to have them playing a decive role in the extinction process. Intermediate sized structures are less active but they strain the flame during a longer period. This idea requires a detailed description of the turbulent field. That is made possible by using the ß model which accounts for the location of turbulent structures whose ranks in the whole sequence is termed n . The cumulative role of the velocity gradients is given as a function of n . The influence of the intermediate structure on the extinction process is thereby emphasized. Finally the ß model is also used to describe the domain of distributed combustion zones. Flames propagate in limited regions of space. These regions are disconnected from each other. The turbulent diffusion process is very active to create new burning zones. This diffusion process is closely related to both the intensity and the length scale of the turbulent field. That explains the dominant role of turbulence and the adaptation of the burning rate to the rotation speed in combustion engines. Additional information useful for the reader is reported in Appendices I and II. Le comportement des flammes de prémélange a été examiné par de nombreux auteurs. En fait, le problème de la combustion en milieu turbulent repose pour beaucoup sur des comparaisons d'échelles. Dans le présent article, une première étude porte sur l'évolution d'une surface matérielle (qui peut être assimilée sous certaines conditions à une surface de flamme). On utilise successivement une démarche analytique et une démarche numérique. On constate alors la rapidité d'extension de la surface et le rôle prépondérant des petites échelles ce que confirme l'étude analytique. Les risques d'extinction sont prédits en général par comparaison d'échelles. D'une simulation directe conduite sur un cas spécifique, Poinsot confirme l'idée que ce ne sont pas les structures ayant les échelles caractéristiques de la flamme qui sont les plus redoutables, mais des structures de taille quelque peu plus grande. Dans un précédent article, le rôle cumulé des gradients locaux avait été signalé. Nous donnons à ce concept une forme quantitative en utilisant le ß modèle lequel définit un taux d'occupation de l'espace en fonction du rang (et donc de la dimension) de structures. Un calcul de gradient cumulé redonne la prédiction de Poinsot. Enfin, le même ß modèle est utilisé pour définir une nouvelle zone dans la région de combustion distribuée. Des balles fluides brûlent isolément tandis qu'un processus de diffusion lié très étroitement au champ turbulent et à son intensité crée d'autres points d'allumage. Le mécanisme explique l'adaptation de la combustion au régime moteur. Les informations nécessaires à la lecture du texte sont données en annexe.