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  Stage |  Mécanique des fluides numérique |  Calcul haute performance, Combustion, Electromagnetisme, Simulations informatiques de dynamique des fluides

Niveau requis : Master
Date de début : 1 février 2024
Durée de la mission : 6 mois
Date limite des candidatures : 1 janvier 2024
Gratification : 650€/mois

Contexte:
Aujourd’hui, il est essentiel pour notre société d’avoir accès à une source d’énergie fiable ayant un faible impact sur l’environnement et le climat. Dans ce contexte, des projets sont actuellement en cours pour utiliser des carburants décarbonés tels que l’ammoniac (NH3) comme vecteur d’énergie. Ces carburants peuvent être produits en utilisant des sources d’énergie intermittentes (éolienne, solaire, etc.), servant de forme de stockage et pouvant être utilisés de manière contrôlée. Cependant, l’utilisation de l’ammoniac dans les chambres de combustion actuelles n’est pas immédiatement possible et nécessite une phase d’adaptation pour respecter les normes de sécurité et d’émissions de polluants, tels que les NOx. Pour y parvenir, il est naturel de se tourner vers des régimes de combustion pauvres, malheureusement sujets à des instabilités et plus difficiles à allumer. Une solution émergente à ces problèmes est d’utiliser des décharges nanosecondes pulsées (Nanosecond Repetitively Pulsed Discharges – NRPD). Ce type de décharge est connu pour être capable de atténuer les instabilités rencontrées dans les chambres de combustion et est également efficace pour l’allumage, avec une faible puissance électrique par rapport à celle de la flamme (≤1 %).

Les émissions de NOx résultant de la combustion de l’ammoniac représentent une préoccupation environnementale significative, étant donné leurs effets néfastes sur la qualité de l’air et le climat global. Malgré le fait qu’il soit considéré comme une alternative de carburant à zéro carbone, l’ammoniac génère toujours des émissions de NOx lors de son oxydation, contribuant à la formation de smog et présentant des risques pour la santé humaine. En réponse à ce défi, l’utilisation de Plasma Hors-Équilibre (Non-Equilibrium Plasma – NEP) émerge comme une solution prometteuse. Des travaux récents impliquant des décharges NEP ont montré un potentiel substantiel pour réduire les niveaux de NOx lors de la combustion de l’ammoniac [1]. Cette approche innovante modifie la cinétique de combustion, perturbe la formation des oxydes d’azote et offre un contrôle précis sur le processus de combustion, résultant en une combustion plus propre et plus efficace. Ainsi, la technologie de décharge hors-équilibre offre une voie prometteuse pour atténuer les émissions de NOx lors de la combustion de l’ammoniac.

Mission:

L’objectif principal de ce stage est d’acquérir une compréhension globale de la physique des décharges de plasma hors équilibre et de leur interaction avec les processus de combustion. Les fondements de la combustion assistée par plasma reposent sur la chimie, qui dicte les effets cinétiques et thermiques. Pour étudier cela, le candidat utilisera le logiciel Cantera et son extension plasma [2] pour réaliser des simulations de l’allumage d’un mélange NH3-air en utilisant un mécanisme cinétique détaillé. Alors que des recherches récentes ont examiné en détail l’allumage de mélanges air-méthane dans des conditions similaires, l’accent principal sera mis sur l’adaptation de ces méthodologies aux mélanges contenant de l’ammoniac. La littérature existante propose des mécanismes cinétiques complets pour la combustion assistée par plasma de l’ammoniac (PAAC) [3], qui serviront de base à cette recherche. Une attention particulière sera portée à une analyse approfondie des chemins cinétiques clés dans la combustion assistée par plasma de l’ammoniac, en utilisant les outils d’analyse disponibles dans la l’outil ARCANE [4]. Enfin, un modèle simplifié [5] sera utilisé pour étudier l’allumage assisté par plasma de l’ammoniac en utilisant le solveur de Navier-Stokes compressible réactif AVBP (https://www.cerfacs.fr/avbp7x/) basé sur des travaux antérieurs réalisés sur le méthane [6] (voir Fig. 1). À cette fin, une configuration de canal simplifiée sera utilisée, représentative de celle utilisée dans [7].

Programme de travail :

1. Assimilation de la physique des décharges de plasma, y compris la chimie hors équilibre.
2. Analyse cinétique de l’allumage assisté par plasma de l’ammoniac en utilisant Cantera et Arcane pour adapter un modèle à ordre réduit.
3. Simulation de l’allumage assisté par plasma de l’ammoniac en utilisant AVBP.

Programme technique :

1. Développer et améliorer des scripts de prétraitement ou de post-traitement en Python.
2. Effectuer des développements dans le langage Fortran au sein du code AVBP.

Une thèse (ANR JETHPAC) est financée pour septembre 2024, offrant une opportunité aux candidats très motivés de poursuivre leur travail dans le domaine de la combustion assistée par plasma.

Contacts: N. Barléon (barleon@cerfacs.fr), B. Cuenot (cuenot@cerfacs.fr), O. Vermorel (vermorel@cerfacs.fr)

[1] J. Choe, W. Sun, T. Ombrello, C. Carter, Plasma assisted ammonia combustion: Simultaneous NOx reduction and flame enhancement, Combustion and Flame 228 (2021) 430–432.
[2] L. Cheng, N. Barleon, B. Cuenot, O. Vermorel, A. Bourdon, Plasma assisted combustion of methane air mixtures: Validation and reduction, Combustion and Flame 240 (2022) 111990.
[3] M. Shahsavari, A. A. Konnov, A. Valera-Medina, M. Jangi, On nanosecond plasma-assisted ammonia combustion: Effects of pulse and mixture properties, Combustion and Flame 245 (2022) 112368.
[4] Q. Cazères, P. Pepiot, E. Riber, B. Cuenot, A fully automatic procedure for the analytical reduction of chemical kinetics mechanisms for computational fluid dynamics applications, Fuel 303 (2021) 121247.
[5] N. Barleon, L. Cheng, B. Cuenot, O. Vermorel, A phenomenological model for plasma-assisted combustion with NRP discharges in methane-air mixtures: PACMIND, Combustion and Flame 253 (2023) 112794.
[6] N. Barleon, B. Cuenot, O. Vermorel, Large-eddy simulation of swirled flame stabilisation using NRP discharges at atmospheric pressure, Applications in Energy and Combustion Science 15 (2023) 100163.
[7] J. K. Lefkowitz, S. D. Hammack, C. D. Carter, T. M. Ombrello, Elevated OH production from NPHFD and its effect on ignition, Proceedings of the Combustion Institute 38 (4) (2021) 6671–6678.