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Étude de la structure et de la stabilisation de flammes jets d’hydrogène par simulation aux grandes échelles

ED MEGEP- [Subject to defense authorization]

https://youtube.com/live/YF3256fsO9o?feature=share

Assurer la sécurité est un élément clé pour élargir l'utilisation de l'hydrogène au-delà de ses applications industrielles actuelles. Les fuites ou le dégazage d’hydrogène impliquent généralement des rejets à partir de milieux à haute pression, produisant des jets turbulents à haute vitesse s’enflammant facilement et pouvant causer des dommages importants sur leur environnement. Les flammes jets stabilisées résultant d’un rejet d’hydrogène pressurisé jouent un rôle central dans divers scénarios de sécurité et font l’objet de recherches croissantes. Cependant, une meilleure connaissance de leur structure et de leur stabilisation est nécessaire afin d’améliorer leur prédiction et leur prévention, ce qui constitue l’objectif de cette thèse. Deux configurations de flammes jets d’hydrogène sont étudiées par simulation aux grandes échelles (LES) : une flamme subsonique attachée et une flamme supersonique sous-détendue détachée. Les résultats LES sont amplement validés par comparaison à des données expérimentales, et la structure et la stabilisation des flammes sont analysées. La flamme subsonique est doublement stable, soit attachée, soit légèrement liftée au-dessus de l’injecteur. Dans le régime attaché, l'analyse de la structure de flamme montre une très bonne cohérence avec la structure de flamelets laminaires, ainsi qu’un faible degré d’effets instationnaires et d’événements d'extinction. Dans le cas lifté, la flamme est stabilisée par une flamme triple fortement étirée, conformément aux mécanismes de stabilisation connus des flammes liftées. La flamme jet supersonique se stabilise dans une région partiellement prémélangée, formant un front prémélangé stratifié à sa base. L'analyse de la base de la flamme révèle que la stabilisation est contrôlée par la combustion prémélangée pauvre sur les bords extérieurs du jet. Ce résultat souligne l’importance de modéliser avec précision la propagation des flammes d’hydrogène prémélangées pauvres, soumises aux effets thermo-diffusifs. Une amélioration des modèles dans cette direction pourrait affiner la prédiction de la hauteur de lift-off. Les simulations mettent également en évidence le coût de calcul important associé aux simulations haute-fidélité de flammes jets d’hydrogène qui sont de l’ordre du mètre, soulignant la nécessité d’approfondir les recherches sur les approches multi-échelles et les modèles bas ordre.

Jury

Mme Pascale DOMINGO	CNRS – CORIA	Rapporteure
M. Pierre BOIVIN	CNRS – M2P2	Rapporteur
M. Andrea GRUBER	SINTEF	Examinateur
M. Vladimir MOLKOV	Ulster University	Examinateur
M. Thierry POINSOT	CERFACS, CNRS – IMFT	Directeur de thèse
M. Lucien GALLEN	AIRBUS	Membre invité
M. Thomas JARAVEL	CERFACS	Co-encadrant – Membre invité