Simulation aux grandes échelles d'un essai de tenue au feu aéronautique : carburants alternatifs et phénomènes liés au dégazage

Large Eddy simulation of an aeronautical fire resistance test: alternatives fuels and outgassing

• Auteur / Autrice : Lucas De tapia
• Direction : Florent Duchaine
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Inscription en doctorat le 16/03/2026
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CERFACS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique des fluides numérique
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)

Mots clés

Mots clés libres

Les

Combustion

Saf

Couplage

Les

Combustion

Saf

Coupling

Résumé

Dans le contexte actuel de décarbonation de l'énergie, les motoristes aéronautiques étudient le remplacement du kérosène par des combustibles non fossiles et moins polluants (SAF: Sustainable Aviation Fuels). Les normes aéronautiques requièrent la certification des matériaux métalliques et composites par des tests expérimentaux de résistance au feu, dont le résultat peut dépendre fortement du type de combustible utilisé. L'évaluation de la tenue au feu est aujourd'hui basée sur des essais employant une flamme torche standardisée orientée en direction du matériau à éprouver. Ces essais s'avèrent longs et coûteux pour les avionneurs, et impliquent une physique complexe qui couple la flamme, le rayonnement, le comportement thermique du matériau et sa dégradation (phénomène d'outgassing). Dans ce cadre, la mise en place d'un banc numérique reproduisant ces essais permettrait une meilleure compréhension des phénomènes physiques en jeu, et de réduire les temps de développement pour la réussite des essais au feu avec des carburants conventionnels et des SAF. La difficulté de la reproduction d'un essai feu est liée à la diversité et la disparité d'échelles des phénomènes impliqués. Du point de vue de la combustion, les propriétés particulières des carburants alternatifs (SAFs) peuvent avoir un impact significatif sur la structure de flamme. Au-delà de la modélisation de l'écoulement réactif, l'essai feu numérique nécessite la prise en compte de couplages multiphysiques pour décrire les autres physiques telles que la conduction dans les solides et d'autres phénomènes dont l'importance est à déterminer tels que le rayonnement et la formation des suies. La dégradation du matériau composite conduit à un phénomène d'outgassing, qui peut conduire à une inflammation ou auto-inflammation des espèces relâchées en phase gazeuse. Le scénario final envisagé dans le cadre de ce travail est la reproduction d'un essai de certification feu dans lequel un échantillon à éprouver est soumis à une flamme impactante issue d'un brûleur de certification. Comme évoqué précédemment, la simulation complète d'un tel essai nécessite la mise en œuvre d'une chaîne multiphysique, qui doit permettre de décrire finement la dynamique la flamme spray du brûleur, le transfert de chaleur avec l'échantillon au niveau de la zone d'impact et la prise en compte potentielle des différents phénomènes de transfert thermique. La mise en œuvre d'une telle chaîne constitue un challenge scientifique mais aussi technique, en termes de stratégie de couplage en raison de la disparité d'échelles des phénomènes (<1 ms pour la combustion, ~10 ms pour le fluide et de l'ordre de plusieurs minutes pour le transitoire dans le solide). Partant de ces constats, différents axes de travail ont été identifiés : 1) Modélisation de la flamme diphasique SAF dans un brûleur de certification La mise en place d'un essai feu numérique nécessite la bonne reproduction des propriétés essentielles de la flamme du brûleur de certification : longueur de flamme, niveau de température en sortie de la torche et dynamique de flamme. 2) Méthodologie de couplage multi-physique transitoire Pour la prédiction de transitoire thermique de la paroi sur des temps représentatifs d'un essai, les temps caractéristiques thermiques sont très grands devant les temps caractéristiques de l'écoulement réactif, ce qui nécessite le développement d'une stratégie de couplage adaptée. 3) Modélisation du phénomène d'outgassing Un autre axe de travail est d'étendre la stratégie de couplage à des configurations de parois débitantes avec des composés réactifs. Il faut comprendre la physique du phénomène et en évaluer l'impact sur les chargements thermiques en paroi, l'outgassing pouvant conduire à des phénomènes d'inflammation ou d'auto-inflammation qu'il faudra également de modéliser.

In the current context of energy decarbonization, aeronautical engine manufacturers are studying the replacement of kerosene by non-fossil and less polluting fuels (SAF: Sustainable Aviation Fuels). Aeronautical standards require the certification of metal and composite materials by experimental fire resistance tests, the result of which may depend heavily on the type of fuel used. The evaluation of fire resistance is now based on tests using a standardized torch flame oriented towards the material to be tested. These tests prove to be long and expensive for aircraft manufacturers, and involve a complex physics that couples the flame, the radiation, the thermal behavior of the material and its degradation (outgassing phenomenon). In this context, the establishment of a digital bench reproducing these tests would allow a better understanding of the physical phenomena involved, and to reduce development times for the success of fire tests with conventional fuels and SAFs. The difficulty of reproducing a fire test is related to the diversity and disparity of scales of the phenomena involved. From the point of view of combustion, the special properties of alternative fuels (SAFs) can have a significant impact on the flame structure. Beyond the modeling of the reactive flow, the numerical fire test requires the consideration of multiphysical couplings to describe other physics such as conduction in solids and other phenomena whose importance is to be determined such as radiation and soot formation. The degradation of the composite material leads to outgassing, which can lead to inflammation or self-inflammation of species released in the gas phase. The final scenario envisaged in the context of this work is the reproduction of a fire certification test in which a sample to be tested is subjected to an impact flame from a certification burner. As mentioned earlier, the complete simulation of such a test requires the implementation of a multiphysics chain, which must make it possible to finely describe the dynamic of the burner's spray flame, the heat transfer with the sample at the level of the impact zone and the potential consideration of the various heat transfer phenomena. The implementation of such a chain is a scientific but also a technical challenge, in terms of coupling strategy due to the disparity of phenomena scales (<1 ms for combustion, ~10 ms for the fluid and the order of several minutes for the transient in the solid). Based on these observations, different areas of work have been identified: 1) Modeling of the SAF diphasic flame in a certification burner The implementation of a digital fire test requires the correct reproduction of the essential properties of the certification burner flame: flame length, temperature level at the output of the torch and flame dynamics. 2) Transitional multi-physics coupling methodology For the prediction of thermal transient of the wall on representative times of a test, the characteristic thermal times are very large compared to the characteristic times of the reactive flow, which requires the development of an adapted coupling strategy. 3) Modeling of the phenomenon of outgassing Another area of work is to extend the coupling strategy to break-through wall configurations with reactive compounds. It is necessary to understand the physics of the phenomenon and evaluate its impact on thermal loads in the wall, outgassing can lead to inflammation or self-inflammation phenomena that will also have to be modeled.