A gauche une boule de feu en forme de donut. A droite une boule de feu en forme de fer à cheval. Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Les boules de flammes sont des flammes sphériques douces et fragiles qui, jusqu'à récemment, ne pouvaient exister que dans des conditions de gravité proche de zéro. Les chercheurs de TU/e ont réussi à observer des boules de flammes dans des conditions normales liées à la terre, Et ainsi, découvert de nouvelles connaissances sur le fonctionnement des mélanges de carburants pauvres. Les mélanges d'hydrogène pauvre sont considérés comme le carburant du futur car ils n'émettent pas de CO
Il n'est pas nécessaire d'être un spécialiste de la combustion pour comprendre que, lorsqu'un mélange air-carburant s'enflamme, les flammes commencent à se propager. L'oxygène réagit avec le carburant dans la flamme, la chaleur est libérée et enflamme le mélange à côté de la flamme, et ce processus continue. Cela se passe dans la cuisinière à gaz de votre cuisine, dans un cylindre du moteur de votre voiture, ou dans une turbine à gaz dans une centrale électrique.
Mais même les scientifiques de la combustion sont perplexes lorsqu'ils voient une boule enflammée pour la première fois. "Une boule de flamme est une petite flamme sphérique lumineuse, qui conserve la même taille et la même forme pour un temps pratiquement illimité, " explique Philippe de Goey, chef du groupe Combustion Technology chez TU/e. "Cela ressemble à quelque chose d'impossible. Il ne s'étend pas, alors qu'il y a beaucoup de mélange frais autour, et il ne s'éteint pas, même s'il n'y a pas de carburant à l'intérieur."
Le secret de la boule de flamme est qu'il s'agit d'une flamme dite de diffusion. Sa combustion est soutenue par une alimentation continue d'oxygène et de combustible qui diffuse vers cette flamme sphérique à partir du mélange environnant. La chaleur dégagée est également transmise au mélange environnant par diffusion, et une fraction est emportée par les radiations. En raison de cette perte de chaleur, la boule de flamme est incapable d'enflammer le mélange voisin et de se dilater. Cela le rend stable.
Doux et fragile
Prédit par Drozdov et Zeldovich en 1943, les boules de flammes ont longtemps été considérées comme une curiosité théorique car personne ne les a jamais observées pendant près d'un demi-siècle après cette prédiction. La raison en est que la plupart des laboratoires de combustion sont construits sur Terre, et, Donc, comme tout sur Terre, sont soumis à la gravité.
En théorie, un mélange combustible doit être immobile pour qu'une boule de flamme existe. Cependant, les flammes à gravité terrestre ont tendance à générer des flux de convection ascendants en raison des forces de flottabilité agissant sur le produit de combustion chaud, comme par exemple dans les bougies. Bien que cette convection naturelle aide les bougies à brûler, une boule de flamme est trop douce et trop fragile pour y survivre.
Ce n'est qu'en 1990, lorsque les boules de flammes ont été découvertes expérimentalement par Paul Ronney, lorsque les expériences de combustion sans gravité sont devenues possibles. De telles expériences ont été réalisées à l'intérieur de chambres à chute libre, tombé des hautes tours, ou à bord d'avions volant en trajectoires paraboliques - sorte de montagnes russes volantes, où l'on peut aussi se sentir en apesanteur, bien que pour un temps plus court.
Lors de l'expérimentation de mélanges dits à limite maigre, qui contiennent de très faibles quantités de carburant et peuvent à peine entretenir la combustion, Paul Ronny a observé que plusieurs boules de flammes de 5 à 10 mm se formaient et brûlaient dans un mélange d'hydrogène et d'air.
Pourquoi les boules de feu sont importantes
Peu de temps après la découverte, les chercheurs ont reconnu l'importance potentielle de l'étude des boules de feu. D'abord, ces flammes ont des températures beaucoup plus basses que celles trouvées dans d'autres flammes. Ils sont également extrêmement sensibles aux petits changements dans les conditions dans lesquelles ils brûlent. Cela fait d'une boule de flamme un excellent objet pour valider des modèles théoriques de combustion. Une telle validation devient particulièrement importante à mesure que les technologies de combustion modernes évoluent vers des mélanges à faibles concentrations de carburant. Ces mélanges dits pauvres ont tendance à générer des flammes plus froides qui produisent moins d'oxydes d'azote (NO
Seconde, des boules de flammes peuvent exister dans les mélanges les plus pauvres qui peuvent encore brûler - si moins de carburant est présent dans l'air, aucune combustion n'est possible. Les limites ultimes auxquelles les flammes peuvent exister sont importantes pour l'élaboration de normes de sécurité et pour la conception des dispositifs de combustion.
Finalement, l'étude des phénomènes de boule de flamme peut nous aider à mieux comprendre les mécanismes de combustion des mélanges d'hydrogène pauvre. L'hydrogène est l'un des principaux prétendants à devenir un carburant « vert » du futur, et la combustion pauvre est considérée comme l'avenir des technologies de combustion.
Ramener les boules de flammes sur Terre
Il n'est donc pas étonnant que la découverte des boules de flammes ait déclenché d'autres recherches théoriques et expérimentales intensives. Des expériences ont même été menées à la Station spatiale internationale, où les conditions de « micro-gravité » sont optimales et permanentes. Des mesures étendues dans de telles conditions, cependant, ne sont pas possibles en raison du coût très élevé et des possibilités limitées de diagnostics expérimentaux.
Cela a changé, cependant, lorsque des boules de flammes ont été amenées au sol par le chercheur de TU/e Yuriy Shoshin, travaillant au sein du groupe Combustion Technology de Philip de Goey. Comme cela s'est produit dans le cas des boules de flammes en microgravité, Shoshin a découvert des boules de feu à gravité « normale » par accident.
"Lorsque nous avons rempli un tube de verre vertical avec un mélange contenant de l'hydrogène et enflammé par le bas, nous avons observé des boules lumineuses presque parfaites qui s'élevaient lentement jusqu'à l'extrémité supérieure du tube, " dit Shoshin. Il s'est avéré que les forces de flottabilité induites par la flamme créent un petit vortex dans lequel réside la boule de flamme. Ainsi, au lieu de détruire la boule de flamme, comme c'était le cas dans les expériences précédentes, la convection induite par la gravité dans des conditions appropriées aide à la préserver.
La gauche, section transversale d'une boule de flamme dans un mélange d'hydrogène, méthane et air à pression élevée; à droite :Simulation d'une boule de flamme résidant à l'intérieur d'un vortex. Crédit :Université de technologie d'Eindhoven
Cellules vivantes
D'autres études expérimentales et numériques intensives ont conduit à de nombreuses nouvelles connaissances sur le fonctionnement des flammes à hydrogène pauvre, dit Shoshin "Entre autres choses, nous avons constaté que lorsqu'un mélange de carburant s'écoule vers le bas à travers une plaque poreuse à l'intérieur d'un tube large, plusieurs boules de flammes se forment qui se comportent étonnamment comme des cellules vivantes, dramatiquement « se battre pour la vie ». »
"Les balles se disputent le carburant comme la nourriture, changeant constamment de direction chaque fois qu'un nouveau carburant devient disponible. Si une boule de feu a de la chance de trouver un endroit avec beaucoup de combustible, il se divise en deux, comme une cellule vivante. Les cellules entourées de concurrents plus performants ont moins de chance, et pourriture. Ils ne peuvent plus résister au flux de gaz descendant par flottabilité auto-induite. Ces boules malheureuses sont retirées de la source de carburant par le flux de gaz et finissent par « mourir » de faim. »
Donuts et fers à cheval
Le fait que des boules de flammes existent dans un vortex a donné lieu à l'idée que des flammes avec des mécanismes de combustion similaires pourraient éventuellement se former dans d'autres conditions, où les tourbillons sont présents. "Et, En effet, dans d'autres expériences, nous avons trouvé d'autres types de flammes qui brûlent de la même manière, en forme de beignets et de fers à cheval."
De telles flammes se forment autour de filaments dits vortex, lignes autour desquelles le gaz tourne. Dans les appareils pratiques, la combustion se produit presque toujours dans des mélanges turbulents, et on sait que de tels filaments sont présents dans le gaz turbulent. "Cela nous donne l'espoir que l'étude de telles flammes peut aider à comprendre les flammes turbulentes à hydrogène pauvre, " dit Shoshin.
Les mécanismes de combustion des boules de flamme peuvent également être pertinents pour la stabilisation de la flamme. « Les flammes doivent être stables pour être utilisables dans les chaudières domestiques ou les centrales électriques à gaz, et le moyen le plus courant de stabiliser les flammes est de créer un vortex derrière un obstacle placé dans un écoulement de mélange combustible."
Au-delà de la théorie
De Goey souligne l'importance de la recherche de boules de flammes dans des conditions de non-microgravité. "Alors que les boules de flammes à gravité zéro restent l'exemple le plus fondamental et le plus simple d'une boule de flammes, les boules de flammes et leurs proches étudiées dans notre groupe peuvent exister dans différentes conditions. Cela rend leur physique beaucoup plus intéressante, et aussi beaucoup plus pertinent pour d'autres domaines de la science de la combustion."
"De façon intéressante, même si nos études ont été largement inspirées des expériences de micro-gravité de Paul Ronney, pour certains des membres de la « famille des boules de feu » découverts dans nos laboratoires, les effets de la gravité se sont avérés sans importance du tout. »
La prochaine étape des recherches de De Goey et de son équipe consiste à incorporer le phénomène de la boule de flamme dans les théories antérieures sur les flammes normales. Cependant, leur intérêt pour l'énigmatique boule de feu va bien au-delà de la simple curiosité scientifique. "À la fin, une compréhension complète de leur fonctionnement nous aidera à développer des carburants maigres qui ouvriront la voie à un avenir énergétique durable, " il dit. 
