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Modélisation et simulation de flammes d'aluminium

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Afin de limiter l’utilisation d’hydrocarbures, il est nécessaire de trouver un moyen propre de stocker et transporter l’énergie sur de grandes distances. Les combustibles métalliques constituent d’excellents candidats en tant que combustibles alternatifs, renouvelables et sans émissions de carbone. En effet, ils présentent une haute densité énergétique, sont disponibles à bas coût et sont faciles à stocker et transporter sous forme de poudre. De plus, les produits de combustion sont des oxydes métalliques solides qui pourraient être collectés et recyclés (J.M. Bergthorson et al., Applied Energy, 2015). L’aluminium est utilisé depuis de nombreuses années comme combustible, notamment en tant que carburant pour la propulsion spatiale et militaire. Cependant, la compréhension détaillée de la combustion des particules d’aluminium reste un enjeu majeur nécessitant de combiner résultats expérimentaux et simulations numériques avancés. La modélisation de ce type de combustion implique de prendre en compte tous les phénomènes impliqués. Ces phénomènes complexes sont nombreux, de la fusion et l’évaporation des particules d’aluminium à l’oxydation gazeuse et de surface, jusqu’à la condensation et la solidification en particules d’oxyde métallique des produits de combustion. Durant cette thèse, un modèle complet pour la combustion des particules d’aluminium a été implémenté dans le code massivement parallèle AVBP afin de stabiliser numériquement des flammes d’aluminium. Le modèle prend en compte la présence du lobe d’alumine sur les particules d’aluminium, les réactions hétérogènes de surface et la condensation détaillée des produits de combustion en utilisant le modèle proposé par Finke et al. (J. Finke., Combustion and Flame, 2023). Ce modèle permet de suivre les produits de combustion liquides de façon Lagrangienne contrairement aux travaux présents dans la littérature qui utilisent une formulation Eulérienne. Ce dernier point permet d’étudier l’évolution de la morphologie des particules d’alumine, ce qui constitue un enjeu clef dans le but de les collecter et de les recycler. Ce modèle a été utilisé pour simuler la combustion de particules d’aluminium isolées, des flammes 1D ainsi que des flammes 2D pouvant être comparées aux résultats expérimentaux présents dans la littérature.

Jury

M. Fabien HALTER	Université Orléans – ICARE/CNRS	Rapporteur
M. Aymeric VIÉ	EM2C	Rapporteur
Mme Bénédicte CUENOT	SAFRAN	Examinatrice
M. Christian HASSE	TU Darmstadt	Examinateur
M. Xiao Cheng MI	Eindhoven University of Technology	Examinateur
M. Jean-Christophe JOUHAUD	CERFACS	Directeur de thèse
Mme Eleonore Riber	CERFACS	Membres invitée