Stratégie de modélisation pour la simulation aux grandes échelles d'explosions de mélanges hydrogène-air pauvres

Modelling strategy for the Large-Eddy Simulation of lean hydrogen-air explosions

• Auteur / Autrice : Jean-Jacques Hok
• Direction : Olivier Vermorel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 19/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Nabiha Chaumeix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Vermorel, Nabiha Chaumeix, Olivier Colin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ashwin Chinnayya, Ronan Vicquelin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Énergie

Mots clés libres

Combustion

Hydrogène

Explosions

Simulation aux Grandes Echelles

Instabilités de front de flamme

Combustion

Hydrogen

Explosions

Large-Eddy Simulation

Flamme front instabilities

Résumé

La crise climatique à laquelle le monde est confronté aujourd'hui exige des actions immédiates pour réduire les émissions de carbone. En particulier, une transition énergétique rapide vers des sources plus propres est nécessaire. Parmi de nombreux candidats, l'hydrogène se distingue en tant que vecteur d'énergie décarboné. Cependant, son stockage et son transport en grandes quantités posent des problèmes de sécurité. Dans le cas d'une fuite accidentelle d'hydrogène, un mélange hautement inflammable peut se former. En cas d'allumage, différents scénarios et régimes de combustion sont possibles, en fonction de différents facteurs tels que la géométrie (dimensions, confinement, présence d'obstacles), la composition du mélange, la température, la pression ou le niveau de turbulence. Ces régimes vont de la déflagration lente à la transition vers la détonation dans le pire des cas. Pour prédire les dommages consécutifs à une explosion, la Mécanique des Fluides Numérique présente l'avantage d'être plus sûre que les expériences et de donner accès à des quantités difficiles ou impossibles à mesurer empiriquement. Cette thèse traite de la prédiction des explosions de mélanges d'hydrogène-air pauvres en utilisant l'approche de Simulation aux Grandes Échelles (SGE ou LES en anglais). Les mélanges pauvres d'H2-air sont caractérisés par leur nombre de Lewis subunitaire, qui traduit un déséquilibre entre les processus de diffusion moléculaire et thermique avec des conséquences majeures : (1) les flammes H2-air pauvres sont très sensibles à l'étirement ; (2) elles sont enclines à développer des cellules sur le front de flamme dues à l'instabilité thermo-diffusive. Les deux constituent des mécanismes d'accélération qui impactent la surpression générée lors de l'explosion. Dans ce travail, nous montrons que l'utilisation du modèle de Flamme Épaissie (TF en anglais) pour simuler les flammes à nombre de Lewis subunitaire : (1) induit une amplification de l'effet d'étirement sur la flamme ; (2) combinée à la faible résolution de maillage en LES, filtre les instabilités de front de flamme. Le couplage de ces mécanismes indésirables peut générer une propagation erronée de la flamme qui remet en question la capacité de prédiction de la LES pour les explosions de mélanges H2-air pauvres. Dans le cadre de cette thèse, une stratégie de modélisation est proposée afin de prédire de manière fiable et précise les explosions d'hydrogène-air pauvre. Un nouveau paradigme est envisagé pour corriger séparément l'amplification des effets d'étirement et modéliser les phénomènes de sous-maille dus à l'instabilité thermo-diffusive. Ces deux corrections sont d'abord développées sur des configurations canoniques, puis étendues et validées sur des configurations d'explosion plus réalistes.

The climate crisis the world faces today calls for immediate actions to curb down carbon emissions. In particular, a rapid energy transition towards cleaner sources is necessary. Among many candidates, hydrogen stands out as a carbon-free energy vector. However, its storage and transport in big quantities raise safety concerns. Following a leakage, mixed with the surrounding air, this hydrogen can form a highly flammable mixture. In case of accidental ignition of this mixture, different combustion scenarios and regimes are possible, depending on factors such as geometry (dimensions, confinement, presence of obstacles), mixture composition, temperature, pressure or turbulence level. These regimes range from slow deflagration to the transition to detonation in the worst case. To predict the damage induced by an explosion, Computational Fluid Dynamics has the advantage of being safer than experiments and gives access to quantities hard or impossible to measure empirically. This thesis deals with the prediction of lean hydrogen-air explosions using Large-Eddy Simulation (LES). Lean H2-air mixtures are known for their distinctive sub-unity Lewis number, which characterises an unbalance between molecular and heat diffusion processes with major consequences: (1) lean H2-air flames are strongly sensitive to stretch; (2) they are prone to develop flame front cells due to the thermo-diffusive instability. Both constitute accelerating mechanisms which impact the overpressure generated during the explosion. In this work, we show that the Thickened Flame (TF) approach to simulate sub-unity Lewis number flames: (1) induces an amplification of stretch on the flame; (2) combined with the low grid resolution in LES, filters out flame front instabilities. The coupling of these undesired mechanisms can generate an erroneous flame propagation which questions the predictability of LES for lean H2-air explosions. In this thesis, a modelling strategy is proposed to reliably and accurately predict lean hydrogen-air explosions. A new paradigm is considered to separately correct the amplification of stretch effects and model subgrid phenomena due to the thermo-diffusive instability. These two corrections are first developed on canonical configurations and then extended and validated on more realistic explosion configurations.