Modélisation de la combustion turbulente assistée par plasma pour la prédiction de la stabilisation des flammes et des émissions polluantes : Des modèles d'ordre réduit aux simulations haute fidélité

Modeling of plasma-assisted turbulent combustion for predicting flame stabilization and pollutant emissions: from reduced-order models to high-fidelity simulations

• Auteur / Autrice : Stéphane Wang
• Direction : Benoît Fiorina, Christophe Laux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• 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
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Combustion assistée par plasma

Décharges nanosecondes répétitives pulsées

Flamme turbulente prémelangée

Simulations aux grandes échelles

Modélisation bas-ordre

Plasma-assisted combustion

Nanosecond repetitively pulsed discharges

Turbulent premixed flame

Large-eddy simulations

Reduced-order modeling

Résumé

La combustion d'hydrocarbures, qui intervient dans plus de 80 % de la consommation mondiale d'énergie primaire, produit la plupart des émissions anthropiques de CO2. Pour relever le défi du changement climatique, il faut donc décarboniser les systèmes de combustion. Une solution pour une combustion sans CO2 consiste à brûler des e-carburants produits à partir de sources d'énergie renouvelables, par exemple par électrolyse de l'eau. Si les flammes des e-carburants n'émettent pas de CO2, elles se caractérisent par des zones à haute température, qui favorisent la formation d'oxydes d'azote (NOx). Une solution pour limiter la température de la chambre de combustion est de diminuer le rapport d'équivalence du mélange. La production de NOx est bien diminuée, mais la faible température de la flamme induit des taux de réaction chimique plus lents, ce qui entraîne souvent une combustion incomplète. Une solution émergente pour permettre la stabilisation de la flamme dans des régimes plus pauvres, adaptée à une large gamme d'applications de combustion, consiste à générer des décharges électriques à la base de la flamme. Les décharges électriques à haute tension génèrent localement un plasma, qui interagit avec la combustion. Les décharges répétitives à la nanoseconde (NRP) sont particulièrement efficaces ; elles permettent la stabilisation de flammes prémélangées pauvres sur plusieurs flammes hydrocarbure-air à l'échelle du laboratoire et même dans un banc d'essai représentatif de l'environnement d'une turbine à gaz avec des puissances de plasma typiquement inférieures à 1% de la puissance libérée par la flamme. Les objectifs de cette thèse sont d'effectuer des calculs haute performance de la combustion d'hydrogène assistée par plasma en incluant les effets chimiques complexes dans la simulation d'écoulement réactif turbulent hautement résolu. L'impact du plasma sur la combustion sera traité en améliorant le modèle semi-empirique de décharge NRP développé par Castela et al. (2016). Une fois amélioré et développé, le modèle de combustion turbulente d'hydrogène assistée par plasma sera implémenté dans un solveur LES et utilisé pour calculer deux configurations : 1) le brûleur MiniPAC, qui est une flamme de type corps non-profilé stabilisée par des décharges NRP, et 2) la chambre de combustion BIMER, qui est une chambre de combustion swirlée confinée hautement turbulente représentative d'un dispositif de combustion aéronautique. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ERC-H2020 GREENBLUE (Greenhouse Gas and Pollutant Emission Reductions using Plasma-Assisted Combustion for a Blue Planet).

Hydrocarbon combustion, involved in more than 80% of the worldwide primary energy consumption, produces most anthropogenic CO2 emissions. Answering the climate change challenge, therefore, requires the decarbonization of combustion systems. A solution for CO2-free combustion is to burn e-fuel produced from renewable energy sources through, for instance, the electrolysis of water. While e-fuel flames do not emit CO2, they are characterized by high-temperature regions, which promote the formation of nitrogen oxides (NOx). A solution to limit the combustion chamber temperature is to decrease the mixture equivalence ratio. NOx production is well decreased, but the low flame temperature induces slower chemical reaction rates, often resulting in incomplete combustion. An emerging solution to enable flame stabilization in leaner regimes, suitable to a wide range of combustion applications, is to generate electrical discharges at the flame basis. High-voltage electric discharges locally generate a plasma, which interacts with the combustion. The Nanosecond Repetitively Pulsed (NRP) discharges are particularly efficient; they allow the stabilization of lean premixed flames on several laboratory-scale hydrocarbon-air flames and even in a test rig representative of a gas turbine environment with plasma powers typically less than 1% of the power released by the flame. The objectives of this thesis are to perform High-Performance Computations of plasma-assisted hydrogen combustion by including complex chemistry effects into highly resolved turbulent reactive flow simulation. The impact of plasma on the combustion will be handled by improving the semi-empirical NRP discharge model developed by Castela et al. (2016). Once improved and developed, the plasma-assisted hydrogen turbulent combustion model of hydrogen flames will be implemented in an LES solver and used to compute two configurations: 1) the MiniPAC burner, which is a bluff-body flame stabilized by NRP discharges, and 2) the BIMER combustor, which is a confined highly turbulent swirled combustor representative of an aeronautical combustion device. The thesis is part of the ERC-H2020 project GREENBLUE (Greenhouse Gas and Pollutant Emission Reductions using Plasma-Assisted Combustion for a Blue Planet).