MODÉLISATION DE LA COMBUSTION

DANS UN FOYER BOIS À BÛCHES

Tudor FLOREA

Tudor.Florea@ensm-douai.fr

École des Mines de Douai

Département Énergétique Industrielle

7 décembre 2006

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Introduction

• Chauffage domestique à partir du bois» Émissions de CO» Imbrûlés» Poussières

• Modélisation numérique• Première étape : étude numérique de la

combustion en phase gazeuse dans un foyer bois bûches» Modèles de cinétique chimique» Modèles de turbulence

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Chaudière de petite puissance

• Chartreuse 22

• Caractéristiques » Pnom = 18 kW» Ts,eau = 80 °C» Veau = 40 l» Tfumées = 350 °C

• Dimensions 1165 x 785 x 682 mm

• Principe de fonctionnement

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Hypothèses

• Régime permanent• Disposition aléatoire de bûches• Combustible : matières volatiles réactions

homogènes• Mécanisme réactionnel semi-global • Bûches en phase de séchage et sources des

volatiles• Débit des volatiles est le débit bois enregistré

pendant les essais expérimentaux • Débit d’air calculé à partir de réactions chimiques• Distribution d’air entre les entrées n’est pas

connue suppositions • Surfaces des obstacles intérieures sont

adiabatiques

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Cinétique chimique

• Combustion homogène en phase gazeuse

• Modèle de “Eddy Dissipation Concept”

4 2 2

2 2

2 2

2 2 2

2 2 2 2 2

2 4 2 2 2

CH 1.5 O CO 2 H O (R1)

CO 0.5 O CO (R2)

CO CO 0.5 O (R3)

H 0.5 O H O (R4)

C H 2.5 O 2 CO H O (R5)

C H 3 O 2 CO 2 H O (R6)

4

2

2

2 2

2 4

Élément Pourcentage

CH 14

CO 45

CO 7

H 28

C H 2

C H 4

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Turbulence

• k-ε Standard» Relation de Prandtl-Kolmogorov

» Équations de transport

» Constantes du modèle : C1ε ; C2ε ; Cμ ; σk ; σε ; Prt

22/32/1 ;

kC

L

kCLkC tt

bk

jk

t

ji

i GGx

k

xx

uk~

21

~CGC

kxxx

uk

j

t

ji

i

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Turbulence

• k-ε RNG

» Technique du groupe de renormalisation

» Mêmes équations de transport

» Constante C2ε

» Constantes du modèle : C1ε ; C*2ε ; Cμ ; σk ; σε ; β ; λ0

jiijSSkC

CC 2 1

)/1(3

03

22

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Turbulence

• k-ε “bas-Reynolds”

» Mêmes équations de transport

» C1ε ; C2ε et Cμ du modèle k-ε Standard sont modifiées à l’aide de trois fonctions

222111 fCCfCCfCC BRBRBR

22

3

1

2

Reexp1 05,0

1

Re

5,201Re0165,0exp1

t

ty

ff

f

f

yk

k

y

t

Re

Re2

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Résultats

• Vecteurs vitesse (m/s)

k-ε Standard k-ε RNG k-ε “bas-Re”

• Température (K)

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Résultats

• Taux de réaction R2 (en kgmol/m3·s)

k-ε Standard k-ε RNG k-ε “bas-Re”

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Résultats

Valeurs Modèles T (K) CO CO2

Prédites

k-ε Standar

d759 0,0019 0,055

k-ε RNG 766 0,002 0,058

k-ε “bas-

Reynolds”

653 0,0045 0,063

Mesurées 714 0,00630 0,0788

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Conclusions et perspectives

• k-ε “bas-Re” prédit mieux les structures tourbillonnaires

• Rôle du modèle de transfert de chaleur par rayonnement

• Régime instationnaire• Mesures expérimentales supplémentaires

» Températures et concentrations des espèces» Champ de vitesses des particules (PIV)» Visualisation de zones de réaction par fluorescence

du radical OH

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DANS UN FOYER BOIS À BÛCHES

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Tudor.Florea@ensm-douai.fr