Stratégies de modélisation de la combustion stationnaire en milieu poreux inerte

Modelling challenges of stationary combustion in inert porous media

• Auteur / Autrice : Pierre-Alexandre Masset
• Direction : Laurent Selle, Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et Transferts
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique des fluides de Toulouse (1930-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Domingo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Selle, Thierry Poinsot, Carmen Jimenez, Ronan Vicquelin, Christophe Bernard Alphonse Almarcha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carmen Jimenez, Ronan Vicquelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse géométrique asymptotique

Hydrogène (combustible)

Simulation numérique directe

Mots clés libres

Combustion en milieux poreux

Modélisation macroscopique

Remontée d’échelle

Analyse asymptotique

Simulations numériques directes

Combustion hydrogène

Porous media combustion

Macroscopic modelling

Upscaling

Asymptotic analysis

Direct numerical simulations

Hydrogen combustion

Résumé

La combustion en milieu poreux consiste à immerger une flamme dans une matrice solide tortueuse. Le solide, réchauffé, maintient la flamme dans un environnement plus chaud que l’air libre, ce qui accélère la cinétique de réaction. On parle alors de recirculation de chaleur - qui permet de brûler des mélanges très pauvres et moins polluants. Cette thèse s’intéresse à la quantification macroscopique et microscopique de ce phénomène. A l’échelle macroscopique, un travail théorique est mené sur les équations filtrées en volume, révélant notamment des formules théoriques explicites pour la vitesse de flamme immergée. A l’échelle microscopique, des simulations numériques détaillées révèlent la nature convoluée du front de flamme interne. L’impact du filtrage en volume est évalué qualitativement et quantitativement, et l’on montre que lorsque l’épaisseur de flamme est plus petite que la taille des pores, les modèles actuels échouent à prédire le comportement de la combustion poreuse.

Porous media combustion consists in submerging a flame inside a tortuous solid matrix. The solid, once heated up, holds the flame in an environment hotter than free air, which accelerates reaction kinetics. This effect is referred to as heat recirculation, and allows to burn mixtures of very low fuel content with minimal pollutant emissions. This work focuses on the macroscopic and microscopic quantification of this phenomenon. At the macroscopic scale, a theoretical work is performed on the volume-averaged equations, unveiling the first fully-explicit formulae for submerged flame speed. At the microscopic scale, detailed numerical simulations reveal the convoluted, intertwined nature of the internal flame front. The influence of volume-averaging is then described and quantified, and it is shown that current models are not adapted to cases where the pore size is larger than the flame thickness – although typical of most industrial burners.