Mécanisme d’accélération d’une flamme de prémélange hydrogène/air et effets sur les structures

Flame propagation mechanisms of premixed hydrogen/air mixtures and effects of combustion generated loads on structures

• Auteur / Autrice : Roberta Scarpa
• Direction : Nabiha Chaumeix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergetique
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Catoire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nabiha Chaumeix, Laurent Catoire, Mikhaïl Kuznetsov, Christophe Proust, Etienne Studer, Ratiba Zitoun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mikhaïl Kuznetsov, Christophe Proust

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Dynamique

Réfractométrie

Test Driven Development

Technique de la combustion

Flamme

Centrales nucléaires

Combustion

Mots clés libres

Risque hydrogène

Flamme de prémélange hydrogène/air

Accélération de flamme

TDD

Efforts dynamiques sur les structures

Absorption IR

Hydrogen safety

Premixed hydrogen/air flames

Flame acceleration

DDT

Combustion generated loads

IR absorption measurements

Résumé

Le risque d’explosion des mélanges H2/air revêt toujours une importance cruciale pour la gestion des accidents graves dans les centrales nucléaires. Des critères expérimentaux ont été proposés dans les années 2000 par Dorofeev et al. afin de déterminer les conditions nécessaires à l’accélération de flamme et à la TDD. Ce travail de thèse a l’objectif de mieux comprendre les mécanismes d’accélération des flammes de prémélange H2/air et de fournir une solide base de données expérimentales pour la validation des codes utilisés pour les études de sûreté. Les expériences ont été menées dans un tube muni d’obstacles (taux de blocage entre 0.3 et 0.6) avec un diamètre interne de 12 cm et une longueur d’environ 5 m. Les effets de la pression initiale et de la dilution en azote sur des mélanges pauvres en H2 ont été étudiés. Les résultats montrent que la pression favorise l’accélération seulement pour les mélanges les plus réactifs et que la surpression induite par la combustion est directement proportionnelle à la pression initiale. Les interactions flamme-choc ainsi que les instabilités thermo-diffusives jouent un rôle important sur la propagation de flamme. Une nouvelle technique a été développée dans le but d’obtenir une représentation plus fine du profil de vitesse de flamme. Des mesures d’absorption IR résolues dans le temps ont été effectuées en dopant le mélange avec un alcane. Le profil de vitesse a été obtenu en mesurant la variation d’extension du gaz frais pendant l’avancement de la flamme. Enfin, des analyses préliminaires ont été menées pour la conception d’un nouveau dispositif expérimental pour l’étude des effets de la combustion sur des structures en acier inox.

Flame acceleration and explosion of hydrogen/air mixtures remain key issues for severe accident management in nuclear power plants. Empirical criteria were developed in the early 2000s by Dorofeev and colleagues providing effective tools to discern possible FA or DDT scenarios. The objectives of the present work are to better understand the mechanisms of acceleration for premixed H2/air flames and to provide a solid base of experimental data for the validation of the codes used for safety analyses. The experiments were performed in an obstacles-laden tube (blockage ratio between 0.3 and 0.6) with 120 mm internal diameter and about 5 m length. The effects of the initial pressure and the nitrogen dilution on lean H2 mixtures have been studied. The results show that pressure promote flame acceleration only for highly reactive mixtures. Moreover, the overpressure induced by the combustion is directly proportional to the initial pressure. Besides, flame-shock interactions and thermo-diffusive instabilities play an important role in flame acceleration. A new technique to track the flame position along the tube has been developed in order to obtain a finer representation of the flame velocity profile. The method consists in performing time-resolved IR absorption measurements by doping the mixture with an alkane. The velocity profile is then derivedby measuring the variation of the extension in depth of the unburnt gas along the tube axis. Finally, analyses on the effects of combustion generated loads on stainless steel structures were performed in order to provide preliminary results for the design of a new experimental device.