Modélisation de la combustion de l'hydrogène dans les moteurs aéronautiques

Modeling Hydrogen combustion in aero engines

• Auteur / Autrice : Etienne Espada
• Direction : Benoît Fiorina
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Inscription en doctorat le 31/08/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Combustion turbulente

Simulation numérique

Hydrogen

Turbulent combustion

Simulation numérique

Résumé

Conformément à l'objectif du 'Green Deal' européen d'atteindre la neutralité carbone dans l'industrie aéronautique d'ici 2050, de nombreuses technologies incrémentales et de rupture font l'objet de recherches concernant la conception de nouveaux avions et les systèmes de propulsion. En ce qui concerne les futurs systèmes de propulsion, l'une des pistes envisagées est l'utilisation de l'hydrogène comme source de carburant. Cependant, elle nécessitera une révision complète de la conception des avions, des infrastructures de ravitaillement, des processus de certification ou des réglementations aéronautiques. Comme l'a évalué l'étude 'Hydrogen-powered aviation' commandée par CleanSky2 en mai 2020, la propulsion à l'hydrogène pourrait entraîner un potentiel de réduction de l'impact climatique compris entre 50 et 75 % en termes d'équivalent CO2 par rapport à l'impact climatique total de l'aviation alimentée au kérosène. Même si la combustion de l'hydrogène dans les turbines électriques bicarburant au sol existe déjà sur le plan commercial, la compréhension des phénomènes cruciaux de la combustion de l'hydrogène dans les moteurs d'avion n'est toujours pas maîtrisée dans le secteur européen de l'aviation. Plusieurs projets nationaux et européens abordent aujourd'hui les exigences et les implications de l'utilisation de l'hydrogène à bord des avions d'un point de vue global, mais ils doivent encore traiter la combustion spécifique H2/air. Ce travail de thèse fait partie du projet européen HESTIA (HydrogEn combuSTion In Aero engines) qui vise à étudier la combustion de l'hydrogène dans les avions. La conception des futures chambres de combustion à hydrogène nécessite des outils numériques de haute fidélité pour le calcul des écoulements réactifs turbulents. La chimie de l'hydrogène est très rapide, et des problèmes numériques se posent du fait de la raideur des taux de réaction chimique. Les simulations CFD doivent gérer des situations où le front de flamme est plus fin que le maillage de calcul. Les objectifs finaux de ce travail de thèse sont de développer un modèle de combustion turbulente pour les flammes hydrogène-air, capable de prédire la formation des oxydes d'azote. Les études doctorales seront menées dans le cadre du projet collaboratif HESTIA. L'objectif final est de : - Développer un schéma chimique réduit basé sur la méthode de chimie virtuelle qui sera capable de reproduire les voies de NO rapides et thermiques dans un environnement non-adiabatique. À cette fin, les constantes de vitesse cinétique des réactions élémentaires virtuelles seront optimisées par des algorithmes d'apprentissage machine. - Optimiser les propriétés de transport des espèces virtuelles pour gérer les phénomènes de diffusion différentielle. - Formuler un modèle de combustion turbulente LES pour prédire la stabilisation de la flamme de H2 et la formation de NOx, qui tient compte de la stratification du combustible, du transfert de chaleur et de la diffusion différentielle. Le modèle LES de combustion turbulente pour les flammes stratifiées non-adiabatiques compatible avec le formalisme de la chimie virtuelle sera développé et implémenté dans un code CFD de combustion interne à Safran. Ces développements numériques seront validés par le calcul de configurations cibles de flammes turbulentes H2/air expérimentées dans le cadre du projet HESTIA.

In line with the European Green Deal target of reaching carbon neutrality within the aviation industry by 2050, multiple incremental and breakthrough technologies are being researched related to novel aircraft design and propulsion systems. Regarding future propulsion systems, one avenue that is being considered for regional, short, and medium-range aircraft types is the use of hydrogen as a fuel source. However, it will require a complete overhaul of aircraft design, refueling infrastructures, certification processes, or aeronautical regulations. As evaluated in the “Hydrogen-powered aviation” commissioned by CleanSky2 in May 2020, H2 propulsion could lead to a climate impact reduction potential between 50 and 75 % in terms of CO2 equivalent compared to the full climate impact of kerosene-powered aviation. Even if hydrogen burning in ground-based electric dual-fuel turbines already exists commercially, the understanding of the crucial phenomena of burning hydrogen in aircraft engines remains unmastered today within the European aviation sector. Several national and European projects today address the requirements and implications of using hydrogen aboard aircraft from a holistic perspective, but they still need to address the specific H2/air combustion and its related influencing parameters. This work is part of the European HESTIA (HydrogEn combuSTion In Aero engines) project which aims to study hydrogen combustion in aircraft. The design of future H2 combustors requires high-fidelity numerical tools for computing turbulent reactive flows. Hydrogen chemistry is very fast, and numerical problems arise because of the stiffness of chemical reaction rates, which causes a high gradient of species. Practical CFD simulations must handle situations where the flame front is thinner than the LES grid. The final objectives of this thesis are to develop a turbulent combustion model for hydrogen-air flames, capable of predicting the formation of nitrogen oxides. The Phd studies will be carried out in the HESTIA collaborative project framework. The final objective are to: - Develop an accurate highly reduced chemical scheme based on the virtual chemistry method which will be able to reproduce both prompt and thermal NO pathways in a non-adiabatic environment. For that purpose, kinetics rates constants of virtual elementary reactions will be optimised through machine-learning algorithms. - Optimise transport properties of virtual species to handle differential diffusion phenomena. - Formulate a LES turbulent combustion model for predicting H2 flame stabilisation and NOx formation, which accounts for fuel stratification, heat transfer and differential diffusion. The LES turbulent combustion model for non-adiabatic stratified flames compatible with the virtual chemistry formalism will be developed and implemented in a Safran in-house combustion CFD code. These numerical developments will be validated by computing target configurations of turbulent H2/air flame experimented within the HESTIA project.