Développement et mise en œuvre de méthodes d’optimisation sur des chambres de combustion aéronautiques fonctionnant à l’hydrogène

Development and application of optimization methods for aeronautical combustors using hydrogen

• Auteur / Autrice : Philippe Farjon
• Direction : Jérôme Morio, Nicolas Bertier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Poinsot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Morio, Nicolas Bertier, Vincent Moureau, Régis Duvigneau, Delphine Sinoquet, François Jouve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Moureau, Régis Duvigneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Modélisation CFD

Combustion

Simulation par ordinateur

Hydrogène (combustible)

Mots clés libres

Optimisation

Combustion

Simulation numérique

Métamodèle

Hydrogène

Optimization

Combustion

Cfd

Metamodel

Hydrogen

Résumé

La nécessité de diminuer l'impact climatique de l'aviation pousse les avionneurs à réfléchir à de nouvelles technologies pour ''décarboner'' l'aviation. En ce qui concerne la propulsion, l'une des alternatives envisagées est de remplacer le kérosène par de l'hydrogène. Ce changement de carburant permettrait de ne pas produire de CO2 mais implique des modifications profondes au niveau des injecteurs de la chambre de combustion. Historiquement, les différentes technologies d'injections ont été développées par essais-erreurs. Ce processus de conception a permis des avancées majeures mais manque de généricité et ne garantit pas l'obtention d'un injecteur optimal. Aujourd'hui, profitant de l'augmentation des moyens numériques, il est possible d'envisager l'utilisation massive de la CFD couplée avec des techniques d'optimisation pour concevoir et développer les nouvelles générations de chambre de combustion fonctionnant à l'hydrogène. Dans ce travail de thèse, une nouvelle méthode de conception est proposée afin de concevoir des injecteurs H2-air. Dans un premier temps, il est nécessaire de commencer par trois étapes préliminaires. À partir d'une version de base de l'injecteur MICADO qu'on cherche à améliorer, différentes méthodologies CFD sont comparées à des simulations de référence pour trouver le meilleur compromis précision-temps de restitution. Cette comparaison nous mène à retenir une approche haute fidélité utilisant des simulations LES et une approche basse fidélité basée sur des simulations RANS. En parallèle, une chaîne de calcul automatique est conçue pour faciliter la mise en pratique de la méthode de conception. Ensuite, la dernière étape préliminaire consiste à vérifier l'applicabilité d'une stratégie multi-fidélité, stratégie ayant le potentiel de réduire le coût total de l'optimisation. À la suite de ces étapes préliminaires, plusieurs études d'optimisation à deux et quatre paramètres sont menées afin de déterminer l'algorithme d'optimisation le plus performant à iso-budget entre différentes méthodes d'optimisation bayésienne. Cette comparaison entre les différentes études montre les capacités et limites des algorithmes sélectionnés à identifier des injecteurs prometteurs.

The need to decrease the climate impact of aviation motivates aircraft manufacturers to find new technologies to decarbonize aviation. One of the possible solution concerning aircraft propulsion is to replace the use of kerosene by hydrogen. The combustion of hydrogen does not emit CO2 but it involves in-depth modifications of the injectors of the combustion chamber. Historically, injector design are based on a trial and error method. This approach was successful for legacy kerosene injectors but is fundamentally limited because it is both costly and tedious to explore all the given parameter space by hand. Nowadays, with the advances in computing science, CFD simulations can be considered massively in the combustor design process combined with the use of optimization techniques. In this thesis, we propose a new design method for the design of H2-air injectors. Firstly, it is necessary to begin with three preliminary steps. Starting from a baseline version of the MICADO injector that we want to improve, several CFD methodologies are compared to reference simulations in order to find the best trade-off accuracy/restitution time. This comparison leads us to retain a high fidelity approach based on LES simulations and a low fidelity approach based on RANS simulations. An automatic CFD workflow is developped simultaneously to ease the optimization studies. Then, the last preliminary step is to check the applicability of a multi-fidelity strategy, knowing that such a strategy can reduce the total cost of the optimization study. After these preliminary steps, several optimization studies of two and four dimensions are performed in order to determine the most efficient algorithm at a fixed budget between different Bayesian optimization methods. This comparison between the different studies shows the capabilities and the limits of the selected algorithms to identify promising injectors.