Flamme (combustion) - Définition
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Introduction
Une flamme est une réaction de combustion vive se produisant dans une zone d'épaisseur faible : elle produit de la chaleur et émet en général de la lumière.
Phénomène visuel
Dans une flamme, la lumière a deux sources :
- la combustion est une réaction d'oxydo-réduction, il y a donc des échanges d'électrons entre les atomes ; lorsque les électrons excités de ces molécules ou atomes descendent à un niveau d'énergie inférieur, la différence d'énergie étant émise sous la forme d'un photon (chimiluminescence, c'est la partie bleue de la flamme ;
- l'émission du corps noir : la combustion émet souvent des suies, des particules riches en carbone, qui sont chauffées, et émettent donc de la lumière (le phénomène est similaire au « fer rouge ») c'est la partie blanche de la flamme, avec des nuances allant du jaune au rouge.
Trois types de flammes
On distingue trois types de flamme :
- la flamme de diffusion : dans ce cas-là, les réactants — combustible et comburant — sont séparés ;
- la flamme de prémélange : dans ce cas-là, les réactants forment une phase homogène.
- la flamme de décomposition
Flamme de diffusion
La flamme de diffusion est appelée ainsi car, les réactants étant séparés, ils doivent venir au contact l'un de l'autre, par le phénomène de diffusion. Les cas typiques sont :
- la combustion des solides (bois, bougie, papier, …)
- la combustion des liquides (essence, gazole, pétrole, …), sous forme « massive » (flaque, réservoir) ou de brouillard (moteur Diesel).
- le moteur-fusée utilise des flammes de diffusion, typiquement hydrogène/oxygène ou kérosène/oxygène.
- la combustion des gaz non mélangés à l'air, par exemple un gaz sortant directement d'une bouteille ne contenant pas d'air, une fuite sur une canalisation qui s'enflamme tout de suite.
Dans le cas d'un feu de solides ou de liquides, la combustion produit de la chaleur ; cette chaleur provoque un phénomène de distillation, de pyrolyse ou simplement de fusion puis de vaporisation qui produit un gaz inflammable, qui vient alimenter la flamme. Que ce soit donc un feu de solide, de liquide ou de gaz, on a :
- au centre de la flamme : un gaz combustible ;
- la flamme elle-même est une mince couche de gaz au sein de laquelle se déroule la réaction de combustion ;
- à l'extérieur de la flamme : le gaz comburant, en général le dioxygène de l'air, et les produits de réaction (gaz et particules).
Ce phénomène peut être très complexe ; par exemple, la combustion du kérosène dans les moteurs d'avion peut être décrite par 3 500 réactions faisant intervenir 225 espèces chimiques (Boyer, p. 57).
Cette réaction est en général incomplète, puisque sur le lieu de la réaction, la mince couche de la flamme, le rapport entre combustible et comburant n'est pas idéal (non-stœchiométrique). On a donc des gaz très divers — dioxyde de carbone (CO2) et vapeur d'eau (H2O), souvent monoxyde de carbone (CO), autres gaz de réaction et gaz imbrûlés — ainsi que des particules de suie qui brûlent à leur tour. De plus, la haute température atteinte grâce à la combustion provoque la formation d'oxydes d'azote.
Anatomie
La flamme de diffusion se compose de deux parties :
- une partie bleue : c'est là que se déroule principalement la combustion, on a le combustible d'un côté, le comburant et les produits de réaction de l'autre ; la température est d'environ 1 200 °C ;
- une partie allant du blanc au jaune ou à l'orange : les produits de combustion de la zone bleue chassent l'air, la zone est donc plus pauvre en dioxygène, on atteint une température de 1 500 °C et il y a production de suie.
À 1 500 °C, les particules de suie émettent une lumière blanche (rayonnement du corps noir). Puis, en s'élevant, leur température s'abaisse, et elles émettent une lumière jaune.
La forme de cette flamme est en grande partie due à la gravité et au phénomène de convection qui en découle : les gaz chauds montent du fait de la poussée d'Archimède. L'alimentation en comburant ne peut donc se faire que par les côtés.
Flamme en microgravité
En situation de microgravité (impesanteur), les différences de densité entre air chaud et air froid n'interviennent plus : la convection n'emporte pas les produits de la combustion (CO2 par exemple) loin de la flamme. En conséquence, la flamme de diffusion adopte une forme sphérique et les produits de la combustion bloquent l'accès du dioxygène à la flamme. En l'absence de mouvements d'air provoqués (souffle par exemple), celle-ci tend à s'éteindre d'elle-même dans un délai assez bref.
Forme et cinétique
La forme et la cinétique de la flamme sont étudiés dans l'article Front de flamme.
Flamme de prémélange
Dans le cas de la flamme de prémélange, le combustible est toujours un gaz, qui est parfaitement mélangé au comburant. On parle aussi de flamme aérée.
Les exemples les plus courant sont :
- le bec Bunsen et le brûleur de la cuisinière : ces dispositifs présentent une entrée d'air permettant aux gaz de se mélanger avant de sortir ;
- le chalumeau : il est alimenté en gaz combustible et en dioxygène pur, le mélange se faisant avant la buse ;
- le moteur à allumage commandé (moteur essence), l'allumage des gaz prémélangés étant réalisé par une bougie ;
- les explosions de gaz, et dans les incendies, les phénomènes de propagation rapide du feu (explosion de fumées, embrasement généralisé éclair, coup de grisou).
Même si le mélange n'est pas idéal, le mélange intime des réactants fait que la combustion est plus efficace ; la flamme est donc plus chaude et ne produit pas de particules imbrûlées, elle est donc bleue.
Anatomie
La flamme est là aussi une mince couche de gaz, qui est la frontière entre deux milieux :
- les « gaz frais » (mélange combustible-comburant) d'un côté ;
- les gaz brûlés (produits de réaction) de l'autre.
Le schéma ci-contre montre une flamme de bec Bunsen ; dans ce cas-là, les gaz frais arrivent avec une certaine vitesse, le front de flamme progresse en sens inverse, ce qui fait que globalement, la flamme est immobile.
Dans de nombreux cas, les gaz frais sont au repos par rapport au référentiel ; dans ce cas-là, le front de flamme se déplace. Selon sa vitesse de propagation, on parle de détonation (dans le cas supersonique) ou de déflagration (pour des vitesses de flamme subsoniques).
Propagation de la flamme
Les trois paramètres principaux de propagation de la flamme sont :
- les proportions du mélange : plus on est proche de la stœchiométrie, plus la flamme se propage vite ;
- la température des gaz frais : plus la température est élevée (proche de la température provoquant l'inflammation spontanée), plus la propagation est élevée ;
- l'écoulement des gaz : les obstacles et turbulences modifient la progression de la flamme.
Le refroidissement du gaz frais permet ainsi de ralentir la progression de la flamme de prémélange, voire de l'arrêter :
- dans un feu d'intérieur (local clos ou semi-clos), les sapeur-pompiers refroidissent la fumée en pulvérisant de l'eau (voir l'article Lutte contre l'incendie > Feu en lieu clos) ;
- une grille peut bloquer la flamme : la grille, du fait de sa grande surface spécifique, absorbe la chaleur de la flamme et l'empêche de se propager de l'autre côté ; cette propriété a été utilisée par Humphry Davy pour la conception des lampes de sûreté dans les mines, mais aussi pour protéger les machines fonctionnant dans un milieu potentiellement explosif.
Forme et cinétique
La forme et la cinétique de la flamme sont étudiés dans l'article Front de flamme.
Bibliographie
- Louis Boyer, Feu et flammes, éd. Belin, coll. Pour la science, 2006, ISBN 2-7011-3973-2
