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2006-03-10 - Travail avec promoteur/Doctorat - Français - 241 page(s)

Pesenti Barbara , "Caractérisation numérique et expérimentale d'un brûleur à gaz à swirl variable: longueur de flamme, transferts thermiques et production de NOx", Lybaert Paul (p) , soutenue le 2006-03-10

  • Edition : Faculté Polytechnique de Mons
  • Codes CREF : Combustion (DI2212)
  • Jury : Baudoin B., Ngendakumana P., Vandooren J., Coussement Grégory
  • Unités de recherche UMONS : Thermique et Combustion (F704)
  • Instituts UMONS : Institut de Recherche en Energétique (Energie)
Texte intégral :

Abstract(s) :

(Français) Dans la chaîne de fabrication des produits plats sidérurgiques, les brames sont des produits semi-finis sortant de la coulée continue, se présentant sous la forme de parallélépipèdes d'acier de 150 à 320 mm d'épaisseur qui devront passer dans le laminoir à chaud afin de réduire leur épaisseur à quelques millimètres pour être enfin enroulées en bobines de tôle. Pour permettre les importantes déformations du laminage, les brames doivent entrer dans le laminoir à une température comprise entre 800 et 1200°C; elles sont amenées à cette température en traversant un four de réchauffage où leurs faces supérieure et inférieure sont chauffées par des brûleurs de différents types, parmi lesquels figurent des brûleurs à longueur de flamme réglable, qui doivent permettre une variation, en cours de fonctionnement, de la longueur de la flamme générée par le brûleur afin d'adapter le profil de transfert de chaleur aux caractéristiques géométriques du produit à réchauffer. Ce travail a permis de caractériser le fonctionnement et les performances d'un tel brûleur, en particulier de déterminer la réglabilité effective de la longueur de flamme en fonction des conditions opératoires, ainsi que d'établir l'utilité de la modulation de flamme pour le procédé de chauffage en mesurant les effets de cette variation sur le profil de flux de chaleur transmis à la charge. Les conséquences de ces modifications sur la stabilité de la combustion et sur les quantités de polluants émis, en l'occurrence sur les émissions d'oxydes d'azote (NOx), ont également été examinées. Les performances du brûleur à longueur de flamme variable ont été étudiées par le biais de mesures réalisées sur une unité pilote à échelle réduite, conçue et réalisée au cours de ce travail. La détermination de la longueur de flamme a été réalisée par la mesure de l'émission de chimiluminescence du radical $OH$ tandis que la mesure du profil de flux radiatif incident sur la charge a mis en évidence que les transferts de chaleur au sein du four n'étaient que faiblement modifiés par les variations de longueur de la flamme. Les résultats expérimentaux ont également montré que la forme de la flamme n'influençait pas de manière significative le niveau d'émissions de NOx à la sortie du four. Cette approche a été complétée par une démarche de simulation numérique détaillée de l'équipement à l'aide d'un code commercial de CFD (pour Computational Fluid Dynamics) permettant de résoudre les équations différentielles de l'aéro-thermochimie (écoulement, turbulence, combustion et transfert de chaleur) dans le four. La comparaison des données numériques et expérimentales a permis de valider les résultats de simulation et d'établir leur sensibilité aux hypothèses des modèles utilisés. Elle a montré que la prédiction de la forme de la flamme était principalement conditionnée par les paramètres cinétiques du modèle de combustion plutôt que par le choix des modèles de turbulence et de rayonnement; elle a en outre établi que les niveaux d'émissions d'oxydes d'azote de l'ensemble des flammes modélisées ne pouvaient être calculés correctement par des modèles simples de combustion et de production de NOx. Ce travail s'inscrit dans le contexte de recherches réalisées en collaboration avec l'Agence Internationale de l'Energie, portant sur l'étude des phénomènes liés à la combustion du gaz naturel dans des brûleurs alimentés en air préchauffé; il a bénéficié du soutien financier de la Région Wallonne pour l'acquisition des outils expérimentaux et numériques utilisés au cours de cette étude.