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Modélisation de la combustion turbulente à flux multiples pour l'intégration de la capture du CO₂ sur les turbines à gaz

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés)

https://youtube.com/live/Eol9H5kc4YE?feature=share

Cette thèse étudie la modélisation de la combustion turbulente dans des brûleurs multi-flux intégrant une recirculation des gaz d’échappement (EGR). Ce travail s’inscrit dans le cadre du programme européen Transition, visant à comprendre comment les EGR affectent la stabilité de flamme dans les brûleurs de turbines à gaz. L’objectif est de concevoir des brûleurs capables de maximiser les taux d’EGR et de permettre une intégration efficace des systèmes de capture du CO₂ sur des turbines à gaz. Les gaz d’échappement sont simulés par du CO₂ pur qui, en abaissant la température et l’intensité de la flamme, modifie la plage d’opérabilité du brûleur. La simulation de ces effets combinés représente un défi numérique auquel cette thèse tend à contribuer. 

Une version améliorée du modèle de flamme épaissie (TF) pour la Simulation aux Grandes Échelles (LES) est proposée. Elle repose sur une formulation de senseur de flamme ne nécessitant pas de données de référence sur lesquelles s’appuyer. Ces travaux se basent sur le senseur de flamme générique proposé par Rochette et al. (2020), en étendant sa robustesse et ses capacités afin d’alimenter le modèle de combustion turbulente. Cette révision, appelée senseur de crête (ridge sensor), exploite les caractéristiques de termes sources spécifiques présents au sein d’une flamme via une analyse topographique des champs scalaires et des particules virtuelles pour recueillir des données dans le voisinage du front de flamme. En conséquence, le besoin de pré-tabulation est supprimé, évitant les problématiques associées à la construction et à l’interrogation de ces tables. 

Une attention particulière est portée à l’implémentation du modèle pour que le surcoût de la gestion des millions de particules lagrangiennes ne soit pas prohibitif : selon la configuration étudiée, le modèle R-TF (Ridge – Thickened Flame) présente des surcoûts compris entre 4 et 15% par rapport à l’approche standard. L’implémentation du modèle est systématiquement validée à l’aide de configurations canoniques, et finalement comparée au modèle le plus récent en matière de combustion stratifiée multi-combustibles (MF-TF). La configuration de Cardiff (injecteur swirlé ammoniac/hydrogène/air soumis à des effets de diffusion préférentielle) montre que le modèle R-TF performe au moins aussi bien que MF-TF. Enfin, le modèle R-TF est utilisé pour simuler un brûleur semi-industriel (SIB) étudié expérimentalement à l’Université de Florence (UNIFI). Trois points de fonctionnement à pression atmosphérique sont investigués : un cas non-réactif, un cas réactif sans dilution, et un cas dilué au CO₂ pour étudier le comportement du modèle R-TF et l’impact de la dilution sur la flamme.

Jury

Ronan VICQUELIN	CentraleSupelec / EM2C	Rapporteur
Olivier COLIN	IFPEN	Rapporteur
Bruno RENOU	INSA / CORIA	Examinateur
Antonio ANDREINI	University of Florence	Invité
Eleonore RIBER	Cerfacs	Directrice de thèse
Thomas JARAVEL	Cerfacs	Co-encadrant