Characterization of lean premixed hydrogen-enriched methane-air flames in steady and acoustically forced laminar flows

La combustion de mélanges de carburants enrichis en hydrogène constitue l’une des voies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, tout en évitant les risques accrus d’inflammabilité et de sécurité associés à la combustion d’hydrogène pur. Cependant, les systèmes fonctionnant en régime de combustion pauvre avec des prémélanges à base d’hydrogène posent plusieurs défis. La diffusion différentielle et préférentielle déplace la position de la zone de réaction, tandis que l’absence de carbone modifie les chemins cinétiques responsables des émissions de lumière de ces flammes. Ces phénomènes sont difficiles à reproduire avec les modèles de simulation numérique actuels, mais leur compréhension est essentielle pour l’optimisation des futurs systèmes utilisant des carburants à forte teneur en hydrogène. Dans le cadre du projet ANR TOHREAU, des expériences dans des configurations canoniques sont menées sur des flammes laminaires prémélangées méthane-hydrogène-air et hydrogène-air pur, stabilisées sur un brûleur axisymétrique, afin de valider les simulations numériques réalisées au CERFACS et à POLIBA. Des diagnostics optiques et laser avancés, tels que l’imagerie par chimiluminescence, la Fluorescence Planaire Induite par Laser (OH-PLIF), la vélocimétrie par images de particules (PIV) et la tomographie de gouttelettes d’huile, sont mis en place pour caractériser les structures et dynamiques de ces flammes et de ces écoulements. Les mesures sont d’abord effectuées pour des conditions stationnaires, puis dans des écoulements instationnaires, grâce à de l’imagerie en moyenne de phase. Des flammes méthane-hydrogène-air en forme de M sont caractérisées en détail. Les résultats des diagnostics optiques et laser mettent en évidence le déplacement de la zone de réaction et des émissions de chimiluminescence lors du remplacement du méthane par l’hydrogène, entraînant une ouverture au sommet de la flamme à travers laquelle peuvent s’échapper des gaz imbrûlés. Des flammes hydrogène-air pure ont ensuite été étudiées plus en profondeur, en combinaison avec des simulations numériques, révélant l’importance de l’effet Soret et des réactions d’extinction dans la prédiction de l’émission de radical OH* près du front de flamme. Les effets du préchauffage des gaz frais ont également été explorés sur des flammes prémélangées hydrogène-air en formes de V et de M, pour des températures d’injection allant jusqu’à 500 K. Les résultats des images de chimiluminescence montrent une relation non-linéaire entre la température des gaz imbrûlés Tu et l’intensité globale d’OH*. Toutefois, la distribution locale du signal diffère du cas où les gaz sont injectés à Tu ≈ 300 K, l’intensité lumineuse étant renforcée proche du pied de flamme. Enfin, la dynamique des flammes méthane-hydrogène-air soumises à une modulation harmonique de l’écoulement a été étudiée afin d’évaluer les variations de l’intensité d’OH* en fonction de la surface de flamme. Cette analyse révèle des comportements locaux distincts qui s’atténuent lorsque le signal est intégré sur l’ensemble de la flamme. La formation de poches de gaz imbrûlés dans les flammes de méthane-hydrogène-air modulées acoustiquement, ainsi que les signaux de pression associés, ont également été examinés. L’ensemble de ces études permettent d’établir des bases de données expérimentales solides pour valider les outils de simulation de ces écoulements.