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Méthodes de raffinement de maillage automatique pour la simulation aux grandes échelles d’explosions de gaz

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La demande d'énergie ne cesse d'augmenter et est en grande partie obtenue grâce à la combustion, avec des carburants d'origine fossile ou renouvelable. Ces carburants, souvent stockés dans des environnements clos, présentent un danger en cas de fuite. En effet, l’inflammation d’un nuage de gaz pré-mélangé peut entraîner une explosion, provoquant une propagation rapide d’un front de flamme et générant des surpressions dangereuses pour les personnes et les infrastructures. Pour comprendre et prévenir ces explosions, diverses expérimentations sont menées, allant des tests en laboratoire aux simulations à l’échelle industrielle. Toutefois, les conditions extrêmes de température et de pression rendent les diagnostics précis difficiles à obtenir expérimentalement. 

La simulation numérique, notamment la simulation aux grandes échelles (LES) permet de compléter ces expérimentations en offrant une meilleure compréhension des phénomènes de combustion et de turbulence. La simulation LES a déjà prouvé son efficacité pour reproduire la dynamique des déflagrations et les surpressions associées dans des domaines de petite taille. Elle permet également des diagnostics précis à chaque point du domaine de calcul. Cependant, les grandes dimensions des installations industrielles posent des défis pour la résolution numérique complète des phénomènes physiques en jeu. La discrétisation homogène de tout le domaine de calcul serait trop coûteuse en termes de temps et de ressources. Ainsi, l’adaptation de maillage, particulièrement l’adaptation dynamique, est utilisée pour affiner la discrétisation dans les zones d’intérêt qui évoluent au fil du calcul. Cette technique permet de réduire la taille des maillages et les coûts de calcul en suivant les phénomènes d’intérêt prédéfinis durant leur propagation.

Les travaux de cette thèse se concentrent sur le développement et la validation d’une méthode de raffinement adaptatif de maillage (AMR) pour les simulations LES des déflagrations, basée sur des critères physiques instantanés jouant un rôle important dans les explosions. La méthode proposée, nommée « Turbulent Flame Propagation-AMR » (TFP-AMR), reproduit la dynamique transitoire des flammes turbulentes et des structures tourbillonnaires dans l’écoulement et utilise la bibliothèque AMR non structurée kalpaTARU. Elle repose sur des critères dérivés des caractéristiques physiques des déflagrations, limitant la dépendance aux paramètres utilisateur. Un critère de sélection des vortex, issu de la théorie d’interaction flamme/vortex, et un critère spécifique d’adaptation de maillage sont développés pour garantir que les zones d’intérêt demeurent toujours dans une région de maillage raffiné tout au long du processus transitoire. La méthodologie est validée sur des cas élémentaires représentant des composantes fondamentales du problème, tels que la propagation de flamme, la propagation de vortex et l’interaction flamme-vortex.

Enfin, la méthode est appliquée à des configurations de déflagrations, d'abord dans une chambre obstruée semi-confinée, puis dans un canal obstrué entièrement confiné, avec diverses variations paramétriques concernant la géométrie de la chambre et les propriétés du mélange initial. Dans ces configurations, la déflagration peut atteindre des régimes rapides, avec des formations d’ondes de choc en amont du front de flamme. Les comparaisons entre expériences et simulations démontrent que la méthode TFP-AMR obtient des résultats précis à un coût de calcul inférieur par rapport aux simulations de référence maillages statiques, en nécessitant que peu d'ajustement de paramètres, validant ainsi la robustesse et l’efficacité de la méthode pour ce type d'application.

Jury

M. Christian TENAUD	EM2C, CentraleSupélec	Rapporteur
M. Laurent BRICTEUX	Université de Mons	Rapporteur
M. Marc BELLENOUE	ISAE-ENSMA	Examinateur
Mme. Laura GASTALDO	IRSN	Examinatrice
M. Cédric MEHL	IFP Énergies nouvelles	Examinateur
M. Vincent BLANCHETIERE	GRTGaz	Invité
M. Laurent GICQUEL	CERFACS	Directeur de thèse
M. Thomas JARAVEL	CERFACS	Invité – Co-encadrant de thèse