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Simulations aux Grandes Échelles d'explosions de gaz hydrogène/air dans des géométries complexes et de grande taille

ED MEGEP – [Subject to defense authorization]

La prévention des explosions de gaz est un défi majeur de sécurité industrielle. Chaque année, les explosions de gaz sont à l’origine de pertes humaines ainsi que matérielles. L’hydrogène est un combustible très énergétique qui présente de larges limites d’inflammabilité, ainsi qu’une faible énergie d’allumage. Il présente donc des risques d’explosion particulièrement élevés. De plus, sa petite taille moléculaire et ses conditions de stockage à haute pression et basse température augmentent la probabilité de fuites accidentelles. Aujourd’hui, dans le contexte de la transition énergétique, la décarbonation est à l’origine d’une croissance rapide de la demande et production d’hydrogène. Au cours des prochaines années, on s’attend à ce que l’hydrogène soit incorporé, pour la première fois, dans de nombreux secteurs industriels. Cela multiplie les risques d’explosion. Il est donc capital de disposer d’outils fiables pour évaluer les risques d’explosion, en particulier pour l’hydrogène, dans des configurations proches des applications de sécurité industrielle. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) représente un bon compromis entre précision et coût. Elle permet de comprendre et de reproduire les mécanismes physiques complexes à l’origine de la génération de surpression, responsable des effets destructeurs. Même si la SGE a déjà prouvé sa capacité à reproduire les explosions de gaz, certains défis subsistent : i) la nature multi-échelle des explosions peut rendre le coût des simulations de systèmes de grande taille prohibitif ; ii) les flammes d’hydrogène pauvre sont sujettes à des effets thermodiffusifs (TD), qui entraînent des vitesses de combustion turbulente beaucoup plus élevées que celles prédites avec les approches classiques de modélisation de la combustion turbulente ; iii) la SGE et ses modèles reposent sur la validation par rapport à des mesures expérimentales, qui ne sont, souvent, pas suffisamment détaillées, en raison de la difficulté associée aux expériences d’explosions. Cette thèse vise à relever ces défis, en développant une méthodologie de SGE pour les explosions turbulentes de gaz, dans des configurations complexes et de grande taille, en particulier pour les mélanges hydrogène/air. Tout d’abord, pour réduire le coût de calcul des simulations, tout en préservant la précision des résultats, une méthode de Raffinement Adaptatif du Maillage est développée et validée. La méthode utilise des senseurs et des critères spécifiques pour détecter les phénomènes physiques d’intérêt : le front de flamme turbulent et les structures tourbillonnaires dans l’écoulement. Elle garantit une résolution adéquate en adaptant dynamiquement le maillage à la volée. Ensuite, des configurations expérimentales d’explosions de gaz de la littérature sont sélectionnées, en fonction de critères d’échelle, de diagnostics disponibles, de répétabilité et de contrôle des conditions aux limites et initiales. Les configurations sélectionnées sont ensuite simulées pour éprouver la méthodologie de SGE, développer et valider de nouveaux modèles, et comprendre les mécanismes physiques d’accélération de flamme dans des cas complexes et d’intérêt industriel (des canaux obstrués et des chambres ventilées). Enfin, pour pouvoir effectuer des simulations de mélanges hydrogène/air très pauvres, la vitesse turbulente et les propriétés fractales de flammes avec effets TD sont étudiées par simulation numérique directe. Un nouveau modèle de vitesse de flamme turbulente de sous-maille pour la SGE est proposé, prenant en compte les effets TD et leur interaction synergique avec la turbulence. Le modèle est enfin validé, à la fois dans des tests a priori et a posteriori de SGE d’explosions turbulentes de mélanges très pauvres. De bons résultats sont obtenus tout au long de la thèse, en accord avec les observations expérimentales. La méthodologie s’avère robuste et précise, quelle que soit la configuration de l’explosion ou les conditions de fonctionnement étudiées.

Jury

M. A. Aspden	Newcastle University	Rapporteur
Mme. N. Chaumeix	ICARE, CNRS	Rapporteuse
M. T. Schuller	Université Toulouse 3 – IMFT, CNRS	Examinateur
M. S. Kudriakov	CEA	Examinateur
M. O. Colin	IFPEN	Examinateur
M. T. Poinsot	IMFT, CNRS	Directeur
M. B. Labegorre	Air Liquide	Invité, co-encadrant
M. T. Jaravel	CERFACS	Invité, co-encadrant