Développement d'une approche de densité de probabilité de flammelettes pour la déflagration et comparaison avec la simulation des grandes échelles

Development of a flamelet probability density function approach for deflagration and comparison with Large Eddy Simulation

• Auteur / Autrice : Dorian Trabichet
• Direction : Denis Veynante
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 17/10/2022
• 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 : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Explosion

Méthode hybride LES/RANS

Modèle de flamme épaissie

Explosion

LES/RANS hybrid method

Thickened flame model

Résumé

Dans une installation industrielle classique ou nucléaire, la sous-oxygénation provoquée par le développement d'un feu peut induire des phénomènes de ré-inflammations de gaz imbrûlés sous forme de déflagration. L'atmosphère, composée en partie de gaz imbrûlés et de suies, peut se ré-inflammer à la suite d'un apport extérieur d'oxygène (le “backdraft” est un exemple de ce type de phénomène). On se retrouve ainsi dans des configurations partant d'une phénoménologie propre à l'incendie (flamme de diffusion) pour arriver à des situations où les phénomènes d'incendie et d'explosion (flamme de pré-mélange) peuvent coexister. Le besoin d'un outil de calcul prédictif traitant à la fois les flammes turbulentes de diffusion et de prémélange émerge donc pour les programmes futurs de l'IRSN. En effet, pour la suite des programmes OCDE PRISME, les problématiques de ré-inflammations des imbrûlés sous forme de déflagration apparaissent de plus en plus importantes. Ces scénarios ont d'ailleurs déjà été observés lors d'expérimentations à grande échelle dans le dispositif de l'IRSN, DIVA, pour des feux de nappe d'hydrocarbure et des feux de chemins de câbles. De la même manière, les risques d'explosion consécutive à un incendie de feu de bitume sont à envisager et à évaluer. La thèse proposée s'inscrit dans ce cadre et constituera un premier pas en direction du modèle de combustion traitant à la fois incendie et déflagration désiré. Dans le cas des flammes turbulentes de diffusion et de prémélange, le phénomène présente un caractère multi-échelles : la combustion se produit le long d'un front de flamme qui apparaît comme un enchevêtrement complexe de flammes laminaires (de diffusion pour l'incendie et de pré-mélange pour la déflagration) de tailles caractéristiques inférieures, dites flammelettes. Une formulation du taux de réaction par une approche de densité de probabilité (PDF) de flammelettes, exploitant une structure pré-calculée de ces dernières, est en cours de développement pour l'incendie. Le premier objectif de la thèse sera d'adapter ce modèle à la déflagration. Compte-tenu des contraintes (en taille et nombre de Reynolds) des applications industrielles, la modélisation de la turbulence se fait le plus souvent par des modèles statistiques en un point (RANS). La simulation des grandes échelles (SGE), plus prédictive mais plus coûteuse en temps de calcul, vient le plus souvent en soutien, à des fins de compréhension des phénomènes physiques et d'interprétation d'expériences. Une troisième catégorie de modèles dits “ hybrides ”, intégrant dans un même système d'équations de bilan les approches RANS et SGE, émerge depuis quelques années pour les écoulements non-réactifs ; les travaux de ce type restent toutefois peu nombreux pour les flammes de pré-mélange. Le deuxième objectif de la thèse sera de développer une approche hybride pour la déflagration en s'appuyant dans un premier temps sur le modèle de combustion développé précédemment au laboratoire, puis sur le modèle de densité de probabilité de flammelettes.

In a classical or nuclear industrial facility, an under-oxygenation caused by a fire can induce re-ignition of unburnt gas in the form of deflagration. Theis atmosphere, made of unburnt gas and soots, can re-inflame after an extern oxygen intake (backdraft is such a phenomenon). A configuration starting from a fire phenomenology (diffusion flame) can then reach a point where fire and explosion (premixed flame) coexist. A predictive numerical tool, which is able to treat turbulent diffusion and premixed flames, is thus needed in IRSN future programs. Unburnt gas deflagration issues take indeed an increasingly important place in the OCDE PRISM programs. Moreover, these phenomenons have already been observed during large scale experiments of oil spills fire, in the DIVA set-up of IRSN. Similarly, explosion risks folowing bitumen fire are to be considered and assessed. This thesis will be a first step towards a combustion model which can treat both fire and deflagration at the same time. Turbulent diffusion or premixed flame have multi-scale phenomenons : combustion occurs along a flame which can be seen as a complex laminar flames tangle, called flamelet. A precalculated probability density function (PDF) description of the reaction rate is currently under development for fire. The first objective of the thesis will be to adapt this model to deflagration. Considering size and Reynolds number constrains of industrial flows, first order Reynolds Avereraged Navier-Stokes (RANS) approach is mostly use for turbulence modelling. Large Eddy Simulation (LES), which is more precise but time consuming, is used as a support for physical understanding and experiment interpretation. A third category of model called ''hybrid'', using both RANS and LES approach in conservation laws, has emerged for non reactive flows in the past few years. The second goal of the thesis will be to develop an hybrid approach for deflagration, firstly using the previously developped combustion model, then using the flamelet probability density model.