Simulation numérique de reformeur autothermique de diesel

Numerical simulation of diesel autothermal reformer

• Auteur / Autrice : Thomas Epalle
• Direction : Olivier Gicquel, Nasser Darabiha
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Combustion
• Date : Soutenance le 23/04/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Dayma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gicquel, Nasser Darabiha, Guillaume Dayma, Alessandro Parente, Guillaume Ribert, Stéphane Jay, Julien Cances
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Parente, Guillaume Ribert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs diesel marins

Synthèse (chimie)

Hydrogène

Algorithmes évolutionnaires

Carburants diesel

Mots clés libres

Reformage autothermique

Diesel

Mécanismes globaux

Algorithmes évolutionnaires

Autothermal reforming

Diesel

Global schemes

Evolutionary algorithms

Résumé

Le reformage autothermique, dans lequel une oxydation air carburant permet d’initier les réactions de formation d’hydrogène à partir de carburant et d’eau, semble une voie prometteuse pour la synthèse d’hydrogène à bord de navires. Son application au diesel, carburant majoritairement utilisé dans le secteur maritime, bien que moins bien connue académiquement que celle du méthane, permet une opérabilité du vaisseau sur l’ensemble du globe. Cependant les réacteurs associés sont particulièrement sujets au dépôt de carbone, néfaste pour leur durabilité, et requièrent alors une attention toute particulière au niveau des zones de mélange lors de leur conception. Dans les cas d’écoulements fortement tridimensionnels, une approche RANS couplée à un schéma cinétique décrivant les espèces gazeuses, est le plus souvent utilisée. Ce schéma consiste alors soit en un nombre succint de réactions empiriques, au risque de se montrer peu précis sur les niveaux de polluants, ou au contraire en des schémas d’une cinquantaine d’espèces issus de la réduction automatique de schémas complets, qui restent cependant trop lourds à utiliser lors d’une phase de conception. L’objectif de la thèse est alors de proposer une méthodologie pour décrire l’impact d’une géométrie sur les niveaux de polluants compatibles avec les outils habituellement utilisés dans le milieu industriel. Ainsi, la description du couplage chimie-écoulement est réalisée par le biais des logiciels Fluent R et de la suite Chemkin R de ANSYS R . Après une analyse de la chimie du reformage autothermique du diesel, une méthode de génération de schémas globaux d’une di-zaine d’espèces à partir d’un schéma détaillé est proposée. Elle est, par la suite appliquée avec succès à l’oxydation partielle du n-dodécane. Le schéma estalors utilisé dans la première simulation réactive de reformeur auto-thermique avec injection de diesel liquide réalisée à ce jour. Malgré les difficultés de validation dûes au manque de données experimentales et aux limitations des logiciels imposés, les résultats obtenus sont encourageants.

Autothermal reformers use fuel-air oxidation to ensure production of hydrogen from fuel and water on-board. The use of diesel instead of better-known methan, permits the ships to be refuelled all around the world. These systems show strong sensitivity to carbon deposit which reduces their lifetime. Good knowledge of the fuel air mixing is thus required. Academic description of such tridimensional systems usually relies on the application of a RANS simulation coupled with gaseous chemical kinetics mechanism. These mechanisms can then consist on a few empirical reactions, or at the opposite, on quite large schemes, with more than 50 species derived automatically from big detailled schemes. The resulting description is then not enough precise, or at the opposite too computationally expensive to be used during design process. This thesis thus aims to develop an industrial compatible methodology to describe the impact of design geometry on pollutant formation. ANSYS software such as Fluent and Chemkin are then used to perform the simulation. An original method of limited size mechanism derivation from larger chemical scheme is proposed. It is succesfully applied to the generation of a partial oxidation mechanism of n-dodecane, from the results of diesel reforming chemical analysis. The resulting scheme is then applied on theliquid injection diesel autoreformer reactive simulation. Even if validation difficulties result from the lack of experimental data and limitations of the softwares, it remains the first simulation of this kind in the litterature, to our knowledge. Promising results are obtained.