On The Effect of H2-Enrichment On the Ignition Dynamics of Lean Premixed Flames

Résumé :  

Face aux défis climatique et énergétique, l’hydrogène vert, produit à partir d’électricité renouvelable, constitue une alternative prometteuse pour une transition énergétique durable. Néanmoins, son intégration efficace dans les systèmes de combustion pose des défis majeurs, notamment en termes de sécurité et de faisabilité, surtout lorsqu’’il s’agit d’assurer un allumage stable et sécurisé dans une large gamme de conditions de fonctionnement, tout en minimisant les risques de surpression. Cette thèse explore la dynamique de l’allumage des flammes prémélanges enrichies en hydrogène en combinant des approches expérimentales incluant des diagnostics laser avances, des simulations numériques haute-fidélité et la modélisation physique de ces phénomènes. La combinaison de ces trois approches permet d’améliorer la compréhension du processus d’allumage et de sa modélisation, de l’initiation du noyau de flamme jusqu’à la stabilisation finale de la flamme sur un injecteur. Ces travaux révèlent l’impact de la Substitution de l’hydrogène sur la dynamique transitoire de la flamme et permettent d’élaborer des séquences d’allumage capables d’atténuer les Transitoires violents dans les mélanges contenant de fortes concentrations d’hydrogène. La première partie du manuscrit est consacrée aux expériences mettant en exergue les mécanismes de flashback déclenches par un allumage dans une chambre de combustion alimentées par un injecteur pour divers mélanges méthane/air avec un enrichissement croissant en hydrogène. Les analyses menées exploitent des mesures OH-PLIF/PIV haute cadence pour examiner la dynamique du front de réaction en expansion après l’allumage. Les résultats présentes dans trois publications élucident les mécanismes fondamentaux contribuant à la dynamique transitoire violente de l’allumage, pouvant entrainer un retour de flamme dans l’injecteur. Dans la deuxième partie, des simulations de l’écoulement compressible réactif par une approche aux grandes échelles sont réalisées sur l’ensemble de la séquence d’allumage du bruleur pour des melangesCH4/air et H2/air. Ces simulations mettent en lumière la dynamique tridimensionnelle du front réactif et montrent l’impact des effets de diffusion préférentielle sur la dynamique d’allumage des flammes d’hydrogène pré-mélanges pauvres, complétant ainsi les observations expérimentales. Les analyses de ces simulations permettent d’examiner les rôles respectifs de l’expansion thermique, de l’étirement de la flamme et des inhomogénéités locales de mélange dues à la diffusion préférentielle. Dans la dernière partie, des modèles analytiques incluant la réponse du plenum, de l’injecteur et de la flamme sont développes pour prédire les pics de pression a l’allumage dans le foyer, notamment lorsque celui-ci est équipe d’une restriction de la section de passage des produits de combustion. L’approche repose sur des bilans macroscopiques de masse et de quantité de mouvement, ou le front de flamme est assimile a une interface se déplaçant a une vitesse absolue et poussant les gaz frais vers la sortie de la chambre. La propagation et l’advection de cette interface sont exprimées en considérant l’évolution temporelle du volume des gaz brules et l’impact de l’écoulement entrant dans le foyer. Le modèle fournit une estimation de l’historique temporel de la vitesse d’écoulement des gaz d’échappement, aidant ensuite à prédire les allumages violents. Ces expériences, simulations et modèles peuvent être utilises pour guider la conception de nouveaux injecteurs alimentes par de l’hydrogène lors de la phase de conception.