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Étude numérique des déflagrations hydrogène/air dans des mélanges stratifiés

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés) – [Subject to defense authorization]

https://youtube.com/live/EoeZJHtwBfw?feature=share

L'hydrogène constitue un vecteur énergétique prometteur pour la transition vers une énergie décarbonée. Néanmoins, ses propriétés physico-chimiques, large plage d'inflammabilité, très faible énergie d'allumage et forte diffusivité, posent des défis majeurs en matière de sécurité. En milieu confiné, une fuite peut conduire à la formation de mélanges H2/air inflammables dont l’allumage peut évoluer d'une déflagration lente jusqu'à une détonation. Un phénomène central dans cette transition est l'accélération de flamme (FA), dont la compréhension et la prédiction sont essentielles. Un aspect souvent négligé qui complexifie d’avantage l'étude des explosions est l'inhomogénéité du mélange. À la suite d'une fuite d'H2, la faible densité du gaz favorise l'accumulation de zones riches près du plafond, créant des zones dangereuses à forte réactivité locale. Dans ce contexte, la mécanique des fluides numérique est un outil puissant d'évaluation des risques, offrant une alternative sûre aux expériences et un accès détaillé aux champs de grandeurs physiques dans tout le domaine de calcul. Cette thèse vise à développer et valider une stratégie de simulation aux grandes échelles pour les déflagrations H2/air stratifiées en milieu confiné, afin d'améliorer la capacité prédictive des outils numériques et de mieux comprendre les mécanismes d'accélération de flamme. Une première méthodologie, fondée sur l'état de l'art, repose sur une cinétique chimique détaillée capable de capturer les variations locales des propriétés de flamme induites par la stratification. Appliquée au canal d'explosion GraVent, elle montre un bon accord avec les données expérimentales, mais révèle une surestimation systématique de la FA dans les mélanges pauvres. Les mélanges pauvres d'H_2/air sont caractérisés par leur nombre de Lewis subunitaire, qui engendre une forte sensibilité à l'étirement. Dans le cadre de cette étude, il est démontré que l’utilisation du modèle de Flamme Épaissie sur des flammes à nombre de Lewis non-unitaire entraîne une amplification artificielle des effets d’étirement, résultant sur une propagation erronée des déflagrations H2/air pauvres. Pour surmonter cette limite, le modèle Stretched–Thickened Flame (S–TF) est implémenté. Ce modèle, calibré a priori à partir d’une chimie détaillée et validé sur des flammes laminaires canoniques, restitue adéquatement et de façon pratique la réponse de la flamme à l'étirement sur une large gamme de richesses. Appliquée à la configuration GraVent, la stratégie S–TF offre un excellent accord avec les mesures expérimentales tout en réduisant drastiquement le coût de calcul. L'analyse physique des simulations a permis d'étudier les mécanismes de FA en régime stratifié. Contre-intuitivement, la stratification n'amplifie pas toujours la FA. Son effet dépend fortement de la géométrie. Les gradients de réactivité le long du front de flamme induisent une élongation de la surface de flamme, favorisant la FA et menant à deux modes distincts : (i) un mode à petite surface, situé dans les régions riches, contribuant fortement à la FA, et (ii) un mode à grande surface, plus lent mais qui se développe dans les zones pauvres.

Jury

Pr. Agnes JÖCHER	Technical University of Munich	Rapporteure
Dr. Pierre BOIVIN	CNRS/M2P2	Rapporteur
Pr. Thierry SCHULLER	Université Toulouse 3	Examinateur
Dr. Nabiha CHAUMEIX	CNRS ICARE	Examinatrice
Pr. Ashwin CHINNAYYA	CNRS-Université de Poitiers-ISAE ENSMA	Examinateur
Mr. Etienne STUDER	CEA	Invité
Dr. Lucien GALLEN	AIRBUS	Invité
Dr. Omar DOUNIA	CERFACS	Directeur de thèse
Dr. Quentin DOUASBIN	CERFACS	Co-Directeur de thèse