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Modélisation et Simulation des flammes turbulentes enrichies à l'hydrogène

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés)

https://youtube.com/live/hhPMN1eu6vI?feature=share

La transition énergétique impose une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre, notamment dans les secteurs du transport et de la production d'énergie.  
L'hydrogène, utilisé comme vecteur énergétique ou carburant, apparaît aujourd'hui comme une solution prometteuse pour décarboner la combustion.  
Cependant, ses propriétés physiques particulières — forte diffusivité, faible masse moléculaire et réactivité élevée — modifient profondément les mécanismes de mélange, de transfert et de combustion.  
Ces caractéristiques rendent les phénomènes de diffusion différentielle et de transport moléculaire particulièrement déterminants pour la description numérique des flammes, qu'elles soient laminaires ou turbulentes.  

Dans ces travaux, un modèle de transport détaillé de type mixture-averaged est intégré au code de simulation LES compressible AVBP, validé et évalué par rapport au modèle historique fondé sur des nombres de Schmidt et de Prandtl constants.  
La validation a d'abord été menée sur des flammes 1D de prémélange, où les résultats d'AVBP ont montré un excellent accord avec les prédictions du code Cantera pour les profils thermochimiques et les vitesses de flamme.  

L'étude a ensuite été étendue à trois configurations 3D.  
Les flammes laminaires LAMIRADAS ont permis une première validation 3D du modèle, sur des cas méthane–air et méthane–hydrogène–air.  
Les résultats ont montré que, dans ces régimes, les différences entre le modèle complet et le modèle simplifié restent marginales : position, structure et dynamique de flamme sont quasi identiques, même en présence d’un enrichissement en hydrogène.  

Le modèle a ensuite été appliqué à une flamme turbulente de diffusion hydrogène–air (HYLON).  
Dans cette configuration, les écarts entre modèles se concentrent dans la zone de recirculation, où la diffusion moléculaire et les transferts thermiques dominent.  
Le modèle historique y surestime la conductivité thermique, la viscosité et surtout la diffusivité des radicaux, entraînant des températures plus élevées et une surproduction de NO par rapport au modèle détaillé.
Ces résultats, publiés, ont souligné l'importance d'une modélisation détaillée du transport pour prédire correctement la formation des polluants dans les flammes de diffusion turbulentes H2-air.  

Enfin, la configuration MIRADAS, flamme turbulente partiellement prémélangée méthane–hydrogène–air, a permis de confirmer la pertinence de ce modèle dans un régime plus complexe, mêlant combustion prémélangée et diffusion.  
Les différences entre modèles y demeurent faibles globalement, mais deviennent notables dans les zones riches en hydrogène, où la diffusion différentielle influence la stabilisation du front et la dynamique locale.  

En conclusion, cette thèse dote AVBP d'un modèle de transport moléculaire complet, précis et optimisé.  
La formulation mixture-averaged, constitue un outil robuste pour la simulation LES d'écoulements réactifs et ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour l’étude des cas hydrogène-air et hydrogène-hydrocarbure-air.

Jury

Aymeric VIÉ	Professeur Centrale Supelec – EM2C	Rapporteur
Pascale DOMINGO	Directrice de recherche CNRS – CORIA	Rapporteure
Thierry SCHULLER	Professeur – Université de Toulouse	Examinateur
Cédric MEHL	Ingénieur de recherche – IFPEN	Examinateur
Jean-Christophe JOUHAUD	Chercheur – CERFACS	Directeur de thèse
Eleonore RIBER	Chercheur – CERFACS	Invitée
Bénédicte CUENOT	Ingénieur Expert Combustion – Safran AE	Invitée