Évaluation expérimentale et numérique du potentiel de combustion du H2 : événements extrêmes dans des brûleurs prémélangés laminaires et stabilité de flamme dans des injecteurs swirlé non-prémélangé

Experimental and numerical assessment of H2 combustion potential : extreme events in laminar premixed burners and flame stability in non-premixed swirled injectors

• Auteur / Autrice : Andrea Aniello,
• Direction : Thierry Poinsot, Thierry Schuller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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 : Luc Vervisch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Thierry Schuller
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benedetta Giulia Franzelli, Heinz Pitsch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Flamme

Combustion

Hydrogène (combustible)

Mots clés libres

Stabilité de combustion

Hydrogène

Combustion

Hydrogen

Combustion stability

Combustion

Résumé

Ces dernières années, le changement climatique a fait l'objet d'un cri d'alarme et on a prédit un manque potentiel d'approvisionnement en énergie pour l'avenir. À cet égard, la communauté de la combustion est à la recherche de solutions abordables et durables pour résoudre ces problèmes. L'hydrogène vert est une alternative prometteuse pour décarboniser le mix énergétique actuel, puisqu'il peut être produit à partir d'électricité renouvelable. Néanmoins, son exploitation reste limitée en raison de ses caractéristiques de combustion uniques et la plupart des applications sont généralement limitées à 20%vol de H2 dans le mélange de carburant. Ce n'est que très récemment que nous avons assisté à la diffusion de nouvelles technologies qui permettent de maintenir une plus grande teneur en hydrogène. Dans cette optique, ce travail se concentre sur les aspects fondamentaux de la combustion de l'hydrogène en tant que partie de mélanges CH4/H2 ou pour des mélanges hydrogène-air purs, soit dans des flammes laminaires prémélangées, soit dans des conditions turbulentes non prémélangées. L'analyse de ces configurations est réalisée à l'aide d'outils expérimentaux et numériques afin de mettre en lumière les mécanismes fondamentaux liés à la combustion de l'hydrogène. Des expériences sont menées sur deux brûleurs pré-mélangés multi-perforés, conçus à l'origine pour des mélanges méthane-air, afin d'évaluer les limites de la substitution de H2 et d'étudier les risques potentiels qui y sont associés. Les résultats sont présentés au moyen de cartes de stabilité et l'impact de l'ajout d'hydrogène sur les limites de blow-off et de retour de flamme est ensuite analysé. Les mesures révèlent différents régimes de retour de flamme et plusieurs mécanismes de déclenchement en fonction de la teneur en H2. Deuxièmement, une LES haute fidélité est utilisée pour étudier l'impact d'une injection centrale d'hydrogène sur la fonction de transfert de flamme d'une flamme tourbillonnaire prémélangée méthane-air. Cette étude, validée sur des résultats expérimentaux, montre que la zone de recirculation centrale (CRZ) répond à des fréquences d'oscillation spécifiques, subissant un mouvement axial prononcé qui module la pénétration du jet central d'hydrogène. Cette interaction avec la structure de la flamme et la position de la racine de la flamme interfère avec la perturbation générée par les tourbillons hydrodynamiques versés au bord de l'injecteur, expliquant la tendance du FTF. Enfin, des LES haute-fidélité sont présentées pour des flammes H2-air non-prémélangées stabilisées sur un nouvel injecteur pour turbine à gaz nommé HYLON. Deux archétypes de flammes sont étudiés: l'un attaché à la lèvre de l'injecteur et le second stabilisé de manière aérodynamique. Une approche de modélisation pour les flammes non prémélangées est proposée et validée par rapport aux résultats expérimentaux. La structure de la flamme et les mécanismes de stabilisation de la flamme conduisant aux deux types de flammes sont examinés. La transition entre les flammes soulevées et les flammes attachées est étudiée.

Recent years have witnessed a raising alarm for climate change and predicted a potential lack of energy supply for the next future. In this respect, the combustion community is looking for affordable and sustainable solutions to solve these issues. Green-hydrogen is a promising alternative to decarbonize the current energy mix, since it could be potentially produced from renewable electricity. Nevertheless, its exploitation remains limited due to its unique combustion characteristics and most applications are generally limited to 20%vol of H2 in the fuel blend. Only very recently we assisted to the spread of new technologies that allow to sustain greater hydrogen content. In view of that, this work focuses on fundamental aspects of hydrogen combustion as part of CH4/H2 blends or for pure hydrogen-air mixtures either in laminar premixed flames or in turbulent non-premixed conditions. The analysis of these configurations is performed via both experimental and numerical tools to shed light on fundamental mechanisms related to H2 combustion. Experiments are conducted on two multi-perforated premixed burners, originally designed for methane-air mixtures, to assess the limits of H2 substitution and investigate potential risks associated to it. Results are presented by means of stability maps and the impact of hydrogen addition on blow-out and flashback limits is then analyzed. Measurements unveil different flashback regimes and several triggering mechanisms are put in evidence as function of the H2 content. Second, high fidelity LES is used to investigate the impact of a central pilot hydrogen injection on the Flame Transfer Function of a swirled premixed methane-air flame. This study, validated on experimental results, show that the Central Recirculation Zone (CRZ) responds to specific oscillation frequencies, undergoing a pronounced axial movement that modulates the penetration of the hydrogen central jet. This interaction with the flame structure and the position of the flame root interfering with the perturbation generated by the hydrodynamic eddies shed at the injector rim, explaining the trend of the FTF. Finally, high-fidelity LES are presented for non-premixed H2-air flames stabilized on a novel injector for gas turbine applications named HYLON. Two flame archetypes are investigated: one attached to the injector lip and the second one aerodynamically stabilized. A modeling approach for non-premixed flames is proposed and validated against experimental results. The flame structure and the flame stabilization mechanisms leading to the two flame types are scrutinized. The transition between the lifted and the attached flames is investigated.