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Reconstruction de l’émission d’OH* pour la comparaison directe expérimentale/numérique des flammes H2/air

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Niveau requis : Master ou Ecole d'ingénieurs
Date de début : 1 février 2023
Durée de la mission : 6 montths
Date limite des candidatures : 31 décembre 2022
Rémunération : 650 euros/mois

Contexte

L’hydrogène est considéré comme un combustible prometteur pour décarboner les procédés industriels et plus particulièrement les procédés de combustion. Cependant, la combustion de l’hydrogène soulève plusieurs défis technologiques et scientifiques en raison des caractéristiques spécifiques de la molécule d’hydrogène par rapport aux combustibles hydrocarbonés standards. En effet, les flammes H2/air sont à peine visibles à l’œil comparé aux flammes d’hydrocarbures, mais leur forte émission naturelle de OH* dans la bande UV autour de 310 nm est facilement détectable par de nombreux dispositifs optiques (caméras et photomultiplicateurs adaptés aux UVs) déjà disponibles dans l’industrie. Cela fait d’OH* un candidat idéal pour comprendre les structures de flammes H2/air dans une chambre de combustion. Cependant, la relation exacte entre l’intensité de l’émission d’OH* et les autres quantités de la flamme n’est pas établie. Cette relation est encore plus difficile à interpréter dans des écoulements laminaires lorsque les réactifs ne sont pas entièrement prémélangés et/ou pour des systèmes réels fonctionnant à des niveaux de turbulence élevés ou à des pressions élevées. De plus, OH* – étant un état excité de OH – n’est généralement pas calculé dans les simulations numériques, ce qui empêche toute comparaison directe avec les mesures.

Le projet TOHREAU (Simulation de l’émission lumineuse d’OH* de flammes H2/air dans des brûleurs réels) soutenu par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR, 2022-2026) réunit 3 laboratoires experts en chimie, diagnostics et simulations (IMFT, ICARE et CERFACS) pour étudier expérimentalement et numériquement le signal OH* afin de mieux comprendre les structures de flammes laminaires et turbulentes H2/Air dans des configurations académiques. Ce stage s’inscrit dans le cadre du projet TOHREAU, et un poste de doctorant sera ouvert sur ce sujet pour débuter à l’automne 2023.

Programme du stage

L’objectif de ce stage sera donc de proposer une méthodologie pour simuler numériquement le signal OH* dans des brûleurs hydrogène/air  mesurés expérimentalement par IMFT et ICARE dans le cadre du projet TOHREAU. Tout d’abord, des simulations canoniques de flammes H2/air (prémélange complet et diffusion) seront effectuées en utilisant le logiciel de cinétique chimique CANTERA et des cinétiques chimiques H2/air détaillées de la littérature, en incluant le sous-mécanisme OH*, afin d’étudier le lien entre le taux de dégagement de chaleur et l’espèce OH*. Puis, le code de réduction ARCANE, co-développé avec l’Université de Cornell, sera utilisé pour produire une chimie H2/air réduite incluant OH* compatible avec la CFD. Enfin, des simulations numériques directes (DNS) de flammes laminaires H2/air M- et V- mesurées à IMFT seront réalisées en utilisant AVBP, le code de combustion développé au CERFACS, pour analyser les interactions flamme/turbulence.

Le programme du stage est détaillé ci-dessous :

  • Etude bibliographique et formation sur la combustion numérique, CANTERA et AVBP.
  • Simulations 1D dans CANTERA de flammes H2/Air en prémélange et en diffusion en utilisant des mécanismes chimiques détaillés et en incluant le sous-mécanisme OH*. Validation avec des mesures trouvées dans la littérature. Etude du lien entre OH* et le taux de dégagement de chaleur.
  • Dérivation avec RCANE (https://chemistry.cerfacs.fr/en/arcane/) et validation d’un mécanisme chimique réduit à utiliser dans les simulations DNS
  • DNS avec AVBP (https://www.cerfacs.fr/avbp7x/) de flammes laminaires H2/air M- et V.

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