Large-Eddy Simulation of flame stabilization and NO emissions in a dual-swirl hydrogen burner

L’hydrogène est un combustible prometteur pour la décarbonation de certains secteurs industriels. Il fait l’objet de nombreuses recherches dans les domaines de l’aéronautique et de la production d’énergie, et permet de stocker sur le long terme l’énergie issue de sources renouvelables intermittentes, tout en assurant une consommation sans émission de CO2. Cependant, ses caractéristiques de combustion particulières soulèvent plusieurs défis, notamment en matière de sécurité et d’émissions polluantes (NOx). Dans le cas des turbines à gaz, les brûleurs existants ne peuvent pas fonctionner directement avec 100% d’hydrogène, et de nouveaux concepts d’injection sont développés pour atteindre cet objectif. Les simulations aux grandes échelles (LES) jouent un rôle majeur dans ces développements, en permettant d’analyser en détail les écoulements internes et d’accéder à des zones difficilement mesurables expérimentalement. Néanmoins, le développement de modèles et de codes de calcul fiables capables de prédire la stabilisation des flammes hydrogène et les émissions polluantes dans des configurations complexes et réalistes reste essentiel. Afin de limiter les risques de flashback, de nombreux concepts d’injection reposent sur une injection séparée d’air et d’hydrogène, favorisant la stabilisation de flammes non prémélangées, caractérisées par des températures élevées. Le risque de formation de NO par la voie thermique doit donc être étudié avec attention.
Cestravaux portent sur la prédiction de la stabilisation des flammes hydrogène et des émissions de NO dans le brûleur HYdrogen LOw NOx (HYLON), qui présente des fronts de flamme partiellement prémélangés et non prémélangés. Des simulations LES ont été réalisées sur deux configurations du brûleur HYLON afin d’étudier deux modes de stabilisation typiques : l’un attaché aux lèvres de l’injecteur, l’autre stabilisé aérodynamiquement.
Les capacités des LES à prédire les propriétés internes des flammes (concentrations d’espèces, température et NO) sont évaluées en limitant au maximum la dépendance aux données expérimentales en entrée. Le transfert de chaleur conjugué est pris en compte pour estimer la température des parois. Les résultats numériques sont comparés à une base de données expérimentales, dont les mesures ont été faites aux laboratoires IMFT et KAUST. Ces données incluent des champs de vitesse, des profils de concentration des espèces majeures et de température dans la zone de flamme, ainsi que des mesures de température de paroi. Les simulations LES reproduisent correctement les différents régimes de stabilisation et les zones de mélange. En revanche, la température de flamme est plus difficile à prédire avec précision, ce qui impacte directement les niveaux d’émission de NO.
Enfin, ces comparaisons permettent d’analyser avec plus de confiance les mécanismes de formation du NO. Les différentes voies de formation sont étudiées dans les divers fronts de flamme, la voie thermique apparaissant comme largement dominante. L’étirement (strain), qui détermine
la température de flamme, est identifié comme le paramètre clé contrôlant les émissions de NO dans les fronts de flamme non prémélangés attachés aux lèvres de l’injecteur. La principale zone de production de NO correspond au front central faiblement étiré. L’étirement de ce front, commun à tous les modes de stabilisation, augmente avec la puissance thermique, ce qui réduit les NO.

 

Hydrogen is a promising fuel for decarbonizing industrial sectors and is being actively studied for propulsion and power generation applications. It enables long-term energy storage from intermittent renewable sources and allows zero direct CO2 emissions. However, its unique combustion characteristics raise several challenges, particularly concerning safety and pollutant emissions (NOx). In gas turbine applications, existing burners cannot directly operate with 100% hydrogen, and new injection concepts are being developed to achieve this goal. Large Eddy Simulation (LES) plays a major role in these developments, enabling the detailed investigation of physical mechanisms and flow variables that may be difficult to probe experimentally. Therefore, reliable numerical tools and models capable of predicting hydrogen flame stabilization and pollutant emissions in complex, realistic geometries are essential. To mitigate flashback risks, many injection concepts rely on the separate supply of air and hydrogen, promoting the stabilization of non-premixed flames characterized by high local temperatures. Consequently, the risk of significant NO formation through the thermal pathway must be carefully assessed.
This work focuses on the prediction of hydrogen flame stabilization and NO emissions in the HYdrogen LOw NOx (HYLON) class of burners, which feature partially premixed and non-premixed flame fronts. LES are performed on two configurations of the HYLON burner to investigate two archetypal stabilization modes: one attached to the injector lips, and another aerodynamically stabilized.
The ability of LES to predict internal flame properties (species concentrations, temperature, and NO) is assessed. Conjugate heat transfer is included to account for wall temperature effects. Numerical results are compared with extensive experimental measurements conducted at IMFT and KAUST, including velocity fields, major species concentrations, and temperature profiles in the flame region, as well as wall temperature data. LES results successfully reproduce the distinct stabilization regimes and mixing behavior. However, flame temperature remains more difficult to predict accurately, which directly affects NO emission levels.
Finally, these comparisons enable a more confident analysis of NO formation mechanisms. The dominant NO formation pathways are examined across the different flame fronts, with thermal NO found to be strongly prevalent. Strain rate is identified as the key parameter controlling NO emissions in non-premixed flame fronts attached to the injector lips, as it governs the local flame temperature. Comparison of operating conditions at different thermal powers further reveals that the main NO production region corresponds to the low-strain central flame front. Strain of this front, a feature common to all stabilization modes, increases when increasing thermal power, thus reducing NO production.