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Étude numérique de déflagrations d’hydrogène en milieux confinés: interactions avec les parois et mécanismes d’accélération de flamme

MEGEP (Mécanique, Energétique, Génie civil & Procédés) – [Subject to defense authorization]

La demande énergétique mondiale ne cesse d'augmenter et demeure principalement satisfaite par la combustion d'hydrocarbures. Cette transformation entraîne l'émission de gaz à effet de serre dans l’atmosphere, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Par conséquent, l'évolution actuelle du climat oblige une transition énergétique rapide et ambitieuse. Dans ce contexte, l'hydrogène se place en vecteur énergétique alternatif permettant de 1) créer un cycle vertueux pour les futurs réseaux électriques neutres en carbone en servant de tampon face à l'intermittence des sources renouvelables non pilotables, et 2) décarboner divers secteurs industriels utilisant des systèmes thermiques, tels que l'aviation. Néanmoins, le déploiement de l'hydrogène dans de nouvelles applications soulève des questions de sécurité en raison de ses propriétés spécifiques, incluant de larges limites d'inflammabilité, une énergie minimale d'inflammation très faible, une forte diffusivité, une vitesse de combustion élevée, ainsi qu'une tendance à la détonation. Les fuites accidentelles d'hydrogène nécessitent donc une analyse approfondie afin de prévenir les risques associées. La mécanique des fluides numérique s'impose comme un outil puissant pour l'évaluation de ces risques, en offrant une alternative plus sûre que les manipulations expérimentales tout en fournissant des données spatiales et temporelles détaillées sur n'importe quelle grandeur physique au sein du domaine de calcul. Cette thèse s’articule autour de l’étude numérique de scénarios d'explosion d’hydrogène autour de deux axes majeurs: le traitement des parois dans les simulations de déflagrations —combustion prémélangée subsonique— en mettant l'accent sur les réactions de surface et les transferts thermiques aux parois; et l'étude des mécanismes d'accélération de flamme susceptibles de conduire à une détonation —combustion supersonique, beaucoup plus destructrice. Une attention particulière est prêtée à la validation de la méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour de tels scénarios. La première partie de ce travail montre que l'hypothèse de parois inertes est inadéquate et conduit une génération de chaleur excessive aux parois, là où l'on s'attend à une extinction complète. Des modèles simplifiés de chimie aux parois doivent donc être utilisés, comme celui proposé dans ce manuscrit. En outre, l'influence des pertes de chaleur sur l'accélération de flamme est examinée. Les résultats indiquent que l'effet principal des pertes de chaleur sur l'accélération provient du côté des gaz brûlés, tandis que l'extinction locale de la flamme joue un rôle secondaire. Étant donné les faibles échelles de temps caractéristiques des déflagrations (de l'ordre de la milliseconde), les conditions aux limites thermiques isothermes froides constituent le traitement le plus réaliste pour les scénarios de ce type. La seconde partie de la thèse se concentre sur des cas d'application, en étudiant des déflagrations dans des géométries confinées comportant soit des jets transverses, soit des obstacles solides disposés en quinconce. L’approche LES confirme sa capacité de reproduction de la dynamique de flamme observée dans les expériences à échelle de laboratoire, ouvrant ainsi au développement de méthodologies d'évaluation des risques basées sur la LES dans un contexte industriel.

Jury

Mme Valeria Di Sarli	Università di Bologna	Rapporteure
M. Andrea Gruber	NTNU Trondheim/SINTEF	Rapporteur
Mme Carmen Jiménez	CIEMAT Madrid	Examinatrice
M. Peter Lindstedt	Imperial College of London	Examinateur
M. Thierry Poinsot	IMFT/CERFACS	Directeur de thèse
M. Quentin Douasbin	CERFACS	Co-encadrant
M. Lucien Gallen	AIRBUS Protect	Membre invité