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Thèse Année : 2022

Hydrogen flame acceleration in non-uniform mixtures

Accélération de flamme hydrogène en mélange non-uniforme

Résumé

This thesis, carried out with the support of the CEA, presents the development of numerical methods dedicated to the simulation of the acceleration process of a hydrogen flame. The acceleration and transition from deflagration to detonation of hydrogen/air flames are critical issues for nuclear safety. They are also of growing interest in energy and industrial fields involving hydrogen. The knowledge of these phenomena must allow protection against the consequences of hydrogen ignition during a leak or its accidental production in a nuclear reactor containment, as observed during the accidents of Three Mile Island in 1979 or Fukushima-Daiichi in 2011. Experiments have been designed to study the mechanisms of hydrogen flame acceleration, but their ability to identify and isolate the phenomena impacting this process is limited. On the other hand, numerical simulations remain complex to perform due to the multi-scale phenomena involved and the presence of numerical discontinuities induced by shock waves and detonation fronts. This work aims to propose high-resolution numerical methods capable of addressing these issues. A high-order numerical solver has been developed based on splitting methods, using numerical schemes adapted to each operator. In particular, the resolution of the compressible Euler equations is performed with a high-resolution Lax-Wendroff scheme (seventh-order) built from the Roe approximate Riemann solver, with a shock-capturing method satisfying monotonicity preservation constraints. This scheme applies to reactive multicomponent flows using convex equations of state. In the case of hydrogen combustion simulations, perfect gases with temperature-dependent heat capacities are considered. To take into account the wide range of spatial scales involved, multiresolution tools are applied to locally adapt the mesh. Immersed boundary methods have also been integrated to allow the use of non-trivial geometric configurations while maintaining a structured mesh. The ability of the software to reproduce the fundamental phenomena in combustion and detonation has been studied through a selection of standard test cases. These allow evaluating the performance of our numerical methods and the models used as well as the selected chemical mechanism (H2 Mevel). Experimental devices are also simulated with the transmission of a detonation front through a porous medium and the reproduction of the flame acceleration tube at the Technische University of Munich. The results illustrate the ability of our numerical methods to accurately capture the different stages of the flame acceleration and the transition to detonation and to reproduce the experimental observations.
Cette thèse, effectuée en partenariat avec le CEA, présente le développement de méthodes numériques dédiées à la simulation du processus d’accélération d’une flamme hydrogène. L’accélération et la transition de la déflagration à la détonation des flammes d’hydrogène/air sont des problématiques clés pour la sûreté nucléaire. Elles présentent également un intérêt croissant pour les domaines énergétiques et industriels impliquant de l’hydrogène. La connaissance de ces phénomènes doit permettre de se prémunir contre les conséquences d’une inflammation de l’hydrogène lors d’une fuite ou lors de sa production accidentelle dans une cuve de réacteur nucléaire comme observé lors des accidents de Three Mile Island en 1979 ou de Fukushima-Daiichi en 2011. Des expériences ont été conçues pour étudier les mécanismes d’accélération de la flamme d’hydrogène, mais leur capacité à identifier et à isoler les différents phénomènes impactant ce processus est limitée. De leur côté, les simulations numériques restent complexes à réaliser en raison des nombreux phénomènes multi-échelles impliqués et de la présence de discontinuités numériques induites par les ondes de choc et les fronts de détonation. L’objectif de ce travail est de proposer des méthodes numériques de haute résolution capables de répondre à ces problématiques. Un solveur numérique d’ordre élevé a été développé, il se base sur des méthodes de splitting permettant d’utiliser des schémas numériques adaptés à chaque opérateur. En particulier, la résolution des équations d’Euler compressibles s’effectue avec un schéma de Lax-Wendroff de haute résolution (ordre 7) développé sur une base de schéma de Roe, associé une technique de capture de choc satisfaisant des contraintes de préservation de la monotonie. Ce schéma s’applique aux écoulements multi-composants réactifs utilisant des équations d’état convexes. Dans le cas des simulations de combustion hydrogène, des gaz parfaits avec des capacités thermiques dépendantes de la température sont considérés. Pour tenir compte de la variabilité des échelles spatiales, des outils de multi-résolution sont appliqués pour adapter localement le maillage. Des méthodes de paroi immergées ont également été intégrées pour permettre d’utiliser des configurations géométriques non-triviales tout en conservant un maillage structuré. La capacité du logiciel à reproduire les phénomènes fondamentaux en combustion et en détonation a été étudiée à travers une sélection de cas tests standards. Ceux-ci permettent d’évaluer les performances de nos méthodes numériques et des modèles utilisés ainsi que du mécanisme chimique sélectionné (H2 Mével). Des dispositifs expérimentaux sont également simulés avec la transmission d’un front de détonation à travers un milieu poreux et la reproduction du tube d’accélération de flamme de l’université de Munich. Les résultats obtenus illustrent la capacité de nos méthodes numériques à capturer avec précision les différentes étapes de l’accélération de flamme et la transition vers la détonation et à reproduire les observations expérimentales.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-04439496 , version 1 (05-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04439496 , version 1

Citer

Luc Lecointre. Hydrogen flame acceleration in non-uniform mixtures. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, FRA., 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST092⟩. ⟨tel-04439496⟩
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