Modelisation et simulation de la combustion H2-air dans les foyers aeronautiques : stabilité de flamme et formation des oxydes d'azote

Modelling and simulation of H2-air combustion in aircraft combustion chambers: Flame stability and formation of nitrogen oxides

• Auteur / Autrice : Samuel Dillon
• Direction : Benoît Fiorina
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Combustion turbulente

Hydrogène

Modélisation

Calcul haute performance

Turbulent combustion

Hydrogen

Modelling

High performance calculation

Résumé

L'urgence environnementale actuelle ainsi que le contexte difficile de l'industrie aéronautique pendant la crise COVID19 ont contribué à accélérer les efforts de Safran pour la décarbonation de l'aviation commerciale. Une piste de travail est l'utilisation de l'hydrogène comme carburant pur ou additionnel dans les futurs moteurs aéronautiques. En pratique, les vitesses de consommation des flammes H2-Air sont plus importantes menant à des flammes plus compactes, plus chaudes, et potentiellement plus proches des parois du foyer. Les épaisseurs de flammes sont quant à elles plus fines et ainsi plus difficiles à résoudre numériquement dans des configurations de foyers industriels. Les capacités de calculs LES étant actuellement très loin de pouvoir résoudre la structure de flamme dans des foyers industriels, le rôle des modèles de combustion turbulente sera crucial pour l'efficience des outils de conceptions de ces foyers en rupture. Or les modèles de combustion actuels ne sont pas capables de prédire avec une précision satisfaisante l'influence de la turbulence sur stabilisation de la flamme et sur la formation des oxydes d'azote. L'objectif de cette thèse est donc de développer un modèle de combustion turbulente pour la LES capable de s'adosser à différentes modélisations chimiques de la combustion H2-Air (Chimie transportée, chimie tabulée) et permettant de capturer la stabilisation de flamme ainsi que les émissions de NOx . La stratégie de modélisation retenue présentera un coût de calcul raisonnable.

The current environmental emergency and the difficult context of the aviation industry during the COVID19 crisis have helped accelerate Safran's efforts to decarbonize commercial aviation. One promising path is the use of hydrogen as a pure or additional fuel in future aircraft engines. In practice, the consumption rates of H2-Air flames are higher, leading to more compact, hotter flames that are potentially closer to the walls of the combustion chamber. Flame thicknesses are thinner and therefore more difficult to solve numerically in industrial combustion configurations. As LES computational capabilities are currently far from being able to solve the flame structure in industrial combustors, the role of turbulent combustion models will be crucial for the efficiency of the design tools of these breakthrough combustors. Current combustion models are not able to predict with a satisfactory accuracy the influence of turbulence on flame stabilization and on the formation of nitrogen oxides. The objective of this thesis is therefore to develop a turbulent combustion model for LES capable of supporting different chemical models of H2-Air combustion (Transported Chemistry, Tabulated Chemistry) and allowing to capture the flame stabilization as well as the NOx emissions. The chosen modelling strategy will have a reasonable computational cost.