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Simulation HPC de l’énergie à base d’hydrogène

L'objectif d'une Europe à zéro émission de CO2 d’ici  2050 passe par la décarbonisation des systèmes de combustion pour la propulsion aéronautique, la production d'énergie, les fours industriels et de nombreux autres systèmes. Un moyen direct d’atteindre cet objectif consiste à accroître l’utilisation des combustibles à bas empreinte carbone, c’est-à-dire les «e-fuels »,  produits en utilisant les sources d'énergie renouvelables comme le dihydrogène (H2), l’ammoniac (NH3) ou méthane (provenant de la CO2 et de l'H2).

Simulations de transfert de chaleur conjuguée (AVBP / AVTP) d’une chambre de combustion de turbine à gaz fonctionnant à l’hydrogène

L'utilisation de ces combustibles peut avoir des conséquences catastrophiques sur la stabilité et les performances du système de combustion, conduisant à des phénomènes indésirables tels que les instabilités thermoacoustiques, le soufflage ou le retour de flamme. De plus, la maîtrise des émissions polluantes et la garantie de la sécurité restent critiques, notamment avec l’utilisation de quantités importantes de l'H2.

L’équipe CFD du CERFACS simule tous ces systèmes et garantit un haut niveau d’expérience dans toutes les physiques impliquées dans ces problèmes (turbulence, combustion, acoustique, atomisation et changement de phase, transfert de chaleur). Le CERFACS est le leader mondial pour le calcul haute performance des systèmes industriels complexes dans des conditions réalistes.

Ceci est rendu possible par un ensemble de logiciels développés au sein de l’équipe CFD :

  • ARCANE permet d’analyser et de réduire des schémas chimiques pour les carburants fossiles comme pour H2, combustibles complexes et polluants (NOx, CO et suies) utilisables en LES. ARCANE est développé en collaboration avec l’Université Cornell (Pr. Pepiot).
  • Le solveur LES 3D AVBP dispose de méthodes numériques stables à faible dispersion et à faible dissipation, avec des développements spécifiques pour l’intégration de chimies complexes et une efficacité parallèle élevée, permettant notamment une stratégie de pas de temps local basée sur des sous-domaines couplés.
  • Des stratégies de couplage avancées du code AVBP avec des solveurs thermiques AVTP (conduction) et PRISSMA (rayonnement) sont disponibles pour traiter le transfert de chaleur par conduction / convection et le  rayonnement dans les simulations de transfert de chaleur conjuguées.

DNS d’une flamme de diffusion H2-O2 a haute pression

La combustion decarbonée à l'hydrogène est une préoccupation majeure pour de nombreux actionnaires du CERFACS: Airbus, Safran et l’ONERA pour la propulsion aéronautique; EDF pour la production d’électricité; Total pour la pétrochimie et la conversion aux énergies renouvelables. C’est également une préoccupation majeure dans de nombreux secteurs, en particulier les turbines à gaz pour la production d'énergie (Ansaldo), et tous les secteurs utilisant les fours comme source de chaleur pour la production de verre (Saint-Gobain), de ciments, de produits chimiques, etc.

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