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Dynamique et instabilités de combustion des flammes Hydrogène/Air

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés) – [Sous réserve de l’autorisation de la défense]

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Les instabilités de combustion sont présentes dans de nombreux brûleurs industriels, pouvant les endommager et compromettre la sécurité. Comprendre et maîtriser les instabilités de flammes hydrogène-air est donc essentiel pour accompagner la transition énergétique. L'objectif de ce manuscrit est d'étudier les instabilités de combustion des flammes hydrogène-air et de développer des méthodes numériques robustes pour les analyser, en particulier les instabilités thermoacoustiques longitudinales.

La première partie de ce travail porte sur le traitement acoustique des conditions limites. Elles conduisent souvent à une convergence lente ou à de fortes réflexions acoustiques, déstabilisant les simulations. Pour surmonter ces limitations, une nouvelle méthode Non-Drifting Non-Reflecting (NDNR) est proposée. Elle permet à la fois une convergence rapide et une amélioration du traitement acoustique.

Cette méthode est ensuite appliquée pour étudier un brûleur hydrogène-air bi-swirlé (HYLON). L’étude de sa réponse acoustique nécessite au préalable une analyse de la stabilisation de flamme. Cette étude met en évidence la présence d’une instabilité hydrodynamique en aval du swirler hydrogène, étant un Precessing Vortex Core (PVC). Parallèlement, un ancrage intermittent de la flamme à haute fréquence est observé, et le rôle du PVC dans ce mécanisme de déstabilisation est analysé. Cette étude souligne l’importance de prendre en compte la dynamique des flammes dans le régime de stabilisation, souvent simplifié en régime décroché ou ancré.

Suivant l’étude de stabilisation de flamme, les méthodes expérimentales et leur hypothèses pour caractériser la réponse acoustique de cette flamme nécessitent une validation grâce aux simulations numérique. Pour cela, la méthode LES est validée en régime forcé de la ligne hydrogène, puis utilisée pour évaluer deux hypothèses expérimentales: le modèle acoustique employé pour estimer la vitesse de référence de la fonction de transfert de flamme (FTF), et l’utilisation de OH* comme marqueur du taux de dégagement de chaleur dans les études thermoacoustiques. Les résultats numériques confirment ces hypothèses, apportant ainsi une confiance dans la FTF expérimentale du brûleur HYLON.

Enfin, une instabilité longitudinale est étudiée dans un brûleur laminaire. Des modes thermoacoustiques intrinsèques (ITA) sont identifiés pour des flammes méthane-air et hydrogène-air, à identique vitesses de flamme laminaire. Une fréquence ITA significativement plus élevée pour l’hydrogène est observée et attribuée aux effets de diffusion préférentielle qui augmentent la consommation locale d’hydrogène. Un modèle analytique est développé pour décrire les ITA et est utilisé pour proposer deux nouvelles stratégies de mitigation. L’unique stratégie rapportée dans la littérature s’avère inefficace pour les flammes pures d’hydrogène. Cependant, la combinaison d’un préchauffage avec une réduction de la richesse, ainsi que l’augmentation de la largeur de la chambre de combustion, se révèlent efficaces pour atténuer les modes ITA hydrogène-air et semble prometteurs pour les flammes méthane-air.

Jury

M. Wolfgang Polifke	TU Munich	Rapporteur
M. Sébastien Ducruix	EM2C	Rapporteur
Mme. Annafederica Urbano	ISAE-SUPAERO	Examinatrice
M. Guillaume Legros	Sorbonne Université / CNES	Examinateur
M. Thierry Schuller	IMFT	Examinateur
M. Thierry Poinsot	IMFT	Directeur de thèse
M. Quentin Douasbin	Cerfacs	Invité / Co-encadrant