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Stratégie de modélisation pour la Simulation aux Grandes Echelles d’explosions de mélanges hydrogène-air pauvres

La crise climatique à laquelle le monde est confronté aujourd’hui exige des actions immédiates pour réduire les émissions de carbone. En particulier, une transition énergétique rapide vers des sources plus propres est nécessaire. Parmi de nombreux candidats, l’hydrogène se distingue en tant que vecteur d’énergie décarboné. Cependant, son stockage et son transport en grandes quantités posent des problèmes de sécurité. Dans le cas d’une fuite accidentelle d’hydrogène, un mélange hautement inflammable peut se former. En cas d’allumage, différents scénarios et régimes de combustion sont possibles, en fonction de différents facteurs tels que la géométrie (dimensions, confinement, présence d’obstacles), la composition du mélange, la température, la pression ou le niveau de turbulence. Ces régimes vont de la déflagration lente à la transition vers la détonation dans le pire des cas. Pour prédire les dommages consécutifs à une explosion, la Mécanique des Fluides Numérique présente l’avantage d’être plus sûre que les expériences et de donner accès à des quantités difficiles ou impossibles à mesurer empiriquement. Cette thèse traite de la prédiction des explosions de mélanges d’hydrogène-air pauvres en utilisant l’approche de Simulation aux Grandes Échelles (SGE ou LES en anglais). Les mélanges pauvres d’H2-air sont caractérisés par leur nombre de Lewis subunitaire, qui traduit un déséquilibre entre les processus de diffusion moléculaire et thermique avec des conséquences majeures : (1) les flammes H2-air pauvres sont très sensibles à l’étirement ; (2) elles sont enclines à développer des cellules sur le front de flamme dues à l’instabilité thermo-diffusive. Les deux constituent des mécanismes d’accélération qui impactent la surpression générée lors de l’explosion. Dans ce travail, nous montrons que l’utilisation du modèle de Flamme Épaissie (TF en anglais) pour simuler les flammes à nombre de Lewis subunitaire : (1) induit une amplification de l’effet d’étirement sur la flamme ; (2) combinée à la faible résolution de maillage en LES, filtre les instabilités de front de flamme. Le couplage de ces mécanismes indésirables peut générer une propagation erronée de la flamme qui remet en question la capacité de prédiction de la LES pour les explosions de mélanges H2-air pauvres. Dans le cadre de cette thèse, une stratégie de modélisation est proposée afin de prédire de manière fiable et précise les explosions d’hydrogène-air pauvre. Un nouveau paradigme est envisagé pour corriger séparément l’amplification des effets d’étirement et modéliser les phénomènes de sous-maille dus à l’instabilité thermo-diffusive. Ces deux corrections sont d’abord développées sur des configurations canoniques, puis étendues et validées sur des configurations d’explosion plus réalistes.

Jury 

• Pr. Ronan Vicquelin (rapporteur) : CentraleSupélec – Laboratoire EM2C (CNRS) – Université Paris-Saclay
• Pr. Ashwin Chinnayya (rapporteur) : ISAE ENSMA – Institut Pprime (CNRS) – Université de Poitiers
• Pr. Nabiha Chaumeix (membre) : ICARE (CNRS)
• Dr. Olivier Colin (membre) : IFPEN
• Dr. Olivier Vermorel (directeur de thèse) : CERFACS
• Dr. Omar Dounia (co-encadrant) : CERFACS
• Antoine Dutertre (invité) : TotalEnergies