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La caractéristique principale des flammes est l'émission de lumière ; c'est la partie visible des réactions d'oxydation vive en phase gazeuse. C'est cette propriété qui est principalement utilisée dans l'étude des flammes. Suivant la nature des gaz de combustion, la lumière diffère en quantité et en qualité. Certaines flammes, telles celles émises par la combustion de l'hydrogène dans de l'air pur peuvent n'être pratiquement pas lumineuses.

Une autre caractéristique essentielle des flammes est l'élévation rapide de température qu'elles génèrent : souvent au-delà de 1 000 °C, elles atteignent 2 500 °C pour un mélange hydrogène-oxygène. Là encore, la température diffère suivant la nature des gaz inflammables. Certains hydrocarbures donnent, dans certaines conditions de température et de pression, des « flammes froides ». Pour des mélanges proches de la limite inférieure d'inflammabilité, la température la plus élevée se situe vers le bas et dans l'axe de la flamme ; pour des mélanges proches de la limite supérieure, les températures les plus élevées sont atteintes au pourtour de la flamme, là où le mélange se combine avec l'air.

LA PROPAGATION DE LA FLAMME

Le mécanisme de la propagation de la flamme résulte à la fois de l'échange thermique entre la zone de réaction et les gaz frais et de la diffusion d'une partie des radicaux libres présents dans le front de flamme vers le mélange de gaz frais. La propagation de la flamme constitue, à la manière d'une onde, l'entrée en réaction chimique successive des couches de gaz frais.

Pour que la flamme puisse se propager de façon autonome, il faut que la vitesse d'accroissement de volume du front de flamme reste inférieure à celle de l'accroissement de volume des produits de combustion.

La vitesse d'une flamme dépend notamment de la richesse du mélange, du degré de dilution, de la pression et de la température initiale des gaz frais. La vitesse « fondamentale » d'une flamme est maximale aux environs de la stœchiométrie ; elle décroît vers les compositions riches et pauvres du mélange. La température initiale du mélange a une influence considérable sur la vitesse normale de propagation de la flamme. Dans le cas, par exemple, d'un mélange air-méthane, elle passe de 30 cm par seconde à température ambiante à environ 340 cm/s si le mélange est chauffé à 1 000 °C. La présence de gaz inertes en dilution dans le mélange diminue la vitesse de la flamme.

Les vitesses normales de déflagration sont de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de centimètres par seconde. Si la flamme est fixe, il est possible de mesurer sa surface et le débit du mélange gazeux. La vitesse est donnée par l'équation : vitesse = débit / surface.

Dans le cas d'un front de flamme parfaitement perpendiculaire au sens de la propagation, la vitesse de propagation de la flamme sera égale à la vitesse « fondamentale » (ou « normale ») de la flamme.

Dans le cas de turbulences existant au sein du mélange, la vitesse de propagation de la flamme sera généralement augmentée. C'est le phénomène rencontré au cours des incendies. Si l'on considère les cas extrêmes, un accroissement important du débit du mélange peut conduire à l'extinction (soufflage de la flamme). Une réduction de la vitesse d'écoulement ramène la flamme au point d'entrée de l'air et provoque un retour de flamme.

LES DIFFÉRENTS TYPES DE FLAMMES

On distingue deux sortes de flammes : la flamme de pré-mélange et la flamme de diffusion.

La flamme de prémélange

Le gaz arrive mélangé de comburant dans des proportions plus ou moins voisines de la concentration stœchiométrique. La flamme obtenue est sensiblement neutre. Sa dimension se stabilise de telle sorte que la vitesse d'écoulement du gaz est égale à la propagation du front de flamme. La flamme semble quasiment immobile. C'est la flamme du bec Bunsen ou des appareils de cuisson à gaz. La flamme obtenue a une forme conique et donne une lumière bleutée.

La flamme de diffusion

Le combustible et le comburant n'étant pas mélangés au préalable, la propagation des flammes est gouvernée essentiellement par des phénomènes d'inter-diffusion de chaleur et de radicaux libres. La combustion se poursuit au fur et à mesure du mélange du gaz combustible avec l'air dont la richesse passe d'une valeur très élevée au niveau du front de flamme à une valeur très faible. Le combustible est souvent décomposé par la chaleur avant de se mélanger à l'oxygène et ils se trouvent séparés par des produits de combustion intermédiaires au sommet de la flamme. L'oxygène et le gaz auront tendance à augmenter leurs concentrations au-delà de la valeur stœchiométrique, puis, instantanément à les ramener à l'équilibre. La vitesse de la réaction étant nettement supérieure à celle du phénomène de diffusion, l'équilibre sera maintenu sur le front de flamme.

La zone de réaction d'une flamme de diffusion est plus épaisse que celle d'une flamme de prémélange et sa température est rapidement très proche du maximum. La flamme de diffusion a une forme moins bien définie que la flamme produite au moyen d'un combustible et d'un comburant mélangés préalablement. L'exemple le plus courant d'une flamme de diffusion est celle produite par une bougie.

En pratique, dans les incendies, les flammes sont essentiellement des flammes de diffusion, mais on distingue souvent, à la base, des flammes bleutées de prémélange. Ceci est d'autant plus vrai que la flamme est en régime turbulent.

Suivant la taille des particules, la combustion d'aérosols peut donner des flammes de prémélange ou de diffusion.

LE RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Les flammes émettent des radiations, visibles et invisibles, provenant d'un double processus : l'énergie calorifique, d'une part, et la chimiluminescence, d'autre part, les deux phénomènes étant le plus souvent mêlés.

Tout corps chauffé émet des radiations dont la puissance et la longueur d'onde sont fonction de la température. Si la production de lumière visible (incandescence) n'apparaît qu'à une certaine température (à partir de 500 °C, donnant une lumière rouge, la lumière blanche apparaissant aux alentours de 1 300 °C), des radiations infra-rouges (caractéristiques des feux de braises) sont émises dès les basses températures (en-dessous de 400 °C) et des rayonnements ultra-violets à partir de 2 000 °C.

D'autre part, la lumière émise par une flamme est plus vive et a des longueurs d'onde plus courtes que si son origine est seulement thermique. Cet écart s'explique par la réaction chimique qui donne lieu à la formation de particules dans un état d'excitation électronique produisant des radiations. L'exemple qui illustre le mieux ce phénomène est celui des « flammes froides » où la température se situe entre 200 et 400 °C. Dans ce processus, la zone réactionnelle de combustion est le siège d'une forte émission de « bandes » caractéristiques des radicaux excités, mis en évidence, comme pour les radiations thermiques, au spectroscope.

Seulement 2 à 4 % de la totalité des rayonnements émis par un foyer sont du domaine du visible. Les rayonnements visibles et ultra-violets émanent du seul front de flamme. Les principaux produits générés lors d'une combustion émettent surtout des rayonnements infra-rouges. Ce type de rayonnement est le seul persistant dans les gaz brûlés.

Lorsque la combustion est incomplète, il se forme des particules qui affectent sensiblement les radiations, ajoutant leur rayonnement à celui des gaz ; ce sont les suies.

LES SUIES

L'émission lumineuse de flammes jaunes est due à un spectre continu provenant de fines particules de suie contenues dans les gaz brûlés. Les premières particules de suie émises sont à l'état radicalaire, puis elles se regroupent pour former, par polymérisation ou condensation, des particules de carbone-suie dont le poids moléculaire varie en fonction du temps. Quelle que soit la nature du combustible, la suie est essentiellement composée de carbone (elle contient aussi de un à quelques pour cent d'hydrogène en poids - ce qui est loin d'être négligeable - et une infime quantité d'autres éléments tels que soufre, azote...). La quantité de suie produite est d'autant plus importante que le mélange est riche en combustible, et que ce dernier est riche en carbone.

Pour des petites flammes, la zone bleue est à l'extérieur de la zone carbonée et atteint le sommet de la flamme. Pour des flammes plus grandes, cette zone bleue n'apparaît que dans la moitié inférieure, laissant la zone carbonée exposée à l'air. Pour des très grandes flammes, le centre de la flamme peut refroidir jusqu'à une température à laquelle l'oxydation des particules de carbone diminue, ces particules formant la fumée.

D'autres phénomènes engendrés par les flammes tels la chimionisation (réaction chimique donnant naissance à des espèces électriquement chargées) ou l'émission de sons ne sont pas actuellement utilisés pour la détection d'incendies, mais existent dans certaines conditions.

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