Simulation of flame propagation following liquid-hydrogen leak

L’hydrogène est un vecteur énergétique décarboné dont l’utilisation pourrait contribuer à réduire les émissions de nombreux secteurs tels que les transports ou l’industrie lourde. Au-delà des questions sur sa production (qui sont actuellement très émettrices), l’usage de l’hydrogène n’émet que de la vapeur d’eau, que ce soit par combustion ou dans une pile à combustible. Cependant, l’hydrogène possède des caractéristiques très différentes des carburants actuellement employés.

Celui-ci est très réactif, avec une très faible énergie d’allumage, une très large zone d’inflammabilité et une vitesse de flamme laminaire supérieure d’environ un ordre de grandeur. De plus, un des principaux obstacles à son déploiement massif est sa faible densité énergétique volumique. Certes, sa densité énergétique massique est très attrayante (3 fois celle du kérosène par exemple), mais du fait de sa faible masse volumique, le gain de masse est complètement perdu niveau volume. Ainsi, les solutions envisagées pour contrer ce problème sont, soit un stockage sous forme gazeuse haute pression (200 − 700 bar), soit sous forme liquide (𝑇 ~ 20 K).

Toutes ces caractéristiques qui sortent de l’ordinaire, couplées à une utilisation plus répandue, vont créer de nouvelles questions de sécurité. Certes, l’usage final de l’hydrogène sera sous forme gazeuse, mais pour la manipulation et le transport, la liquéfaction est une option avantageuse pour la manipulation et le transport, et une attention particulière est requise. En phase liquide, une fuite accidentelle (rupture de réservoirs ou de pipelines) est l’incident le plus probable. Dans ce contexte, l’hydrogène liquide va former une flaque, s’évaporant très rapidement et formant un nuage inflammable. Ce nuage est composé d’hydrogène gazeux, mélangé à l’air ambiant et un brouillard résultant de l’humidité ambiante. De plus, la taille caractéristique de ce nuage peut facilement atteindre la dizaine de mètres.

Ainsi, des questions sont soulevées : que se passe-t-il lors d’un allumage non désiré ? Quels sont les dégâts potentiels ? Comment définir les mesures de sécurité ?

Ce travail se porte sur l’impact d’un allumage non désiré d’un nuage inflammable issu d’une fuite de LH2. L’étude utilise l’approche numérique, plutôt avec des simulations à haute résolution et le développement de méthodes pour ce genre d’événements de tailles importantes. La première partie s’oriente sur le comportement des modèles avec un environnement cryogénique, en montrant que ceux-ci sont robustes en particulier à basse température. La deuxième partie est une analyse conjointe numérique et théorique des mécanismes d’accélération de la flamme dans un nuage inflammable et montre que l’accélération dans des milieux stratifiés est pilotée par le produit de la vitesse de flamme laminaire avec la dilation thermique. Pour finir, la troisième partie change d’échelle, avec des simulations, d’abord en 2D, d’une dispersion d’hydrogène liquide et allumage du nuage inflammable, avec l’utilisation de la méthode d’adaptation de maillage dynamique et en discutant de manière critique ses forces et ses faiblesses. Puis, pour finir, les simulations gagnent une dimension supplémentaire, passant dans un domaine 3D, où les développements et les observations des simulations 2D permettent de calculer des cas proches de l’échelle réelle.