Étude des mécanismes instationnaires de transition vers la détonation d’une onde réactive à bas Mach fortement plissée.

Étude des mécanismes instationnaires de transition vers la détonation d’une onde réactive initialement à faible nombre de Mach et fortement plissée.

 

Le contexte est celui de l’amélioration de la sécurité de futures installations industrielles basées sur une utilisation accrue d’hydrogène et l’amélioration des rendements thermiques par l’augmentation de la pression initiale dans les moteurs à combustion interne (super-knock). Dans le cadre de ces deux contextes, la compréhension des mécanismes de la propagation et de l’accélération brutale des flammes est essentielle. La transition vers la détonation d’une flamme initialement laminaire est souvent expliquée par l’augmentation de la surface de flamme provoquée par la turbulence qui va consommer plus rapidement les gaz frais, voire par le couplage entre les effets de dynamique des gaz et d’accélération de flamme, suite à sa sensibilité aux conditions amont.

Néanmoins, aucune analyse détaillée des instants précédant cette transition n’a encore été proposée. Des études récentes effectuées à l’Institut Pprime révèlent l’importance du plissement initial des fronts réactifs qui vont alors générer des points chauds favorisant la transition (voir figure 1).

      

Figure 1 : Champ de masse volumique résultant de la propagation à bas Mach d’un front initialement plissé (gauche) et révélant l’apparition de points chauds (centre) quelques instants avant la transition vers la détonation (droite).

La mission du stagiaire sera de réaliser des études paramétriques par voie de simulation numérique directe (2‑D, 3-D) de ces phénomènes de transition avec le code de Pprime Resident pour mettre en évidence les mécanismes essentiels pouvant favoriser la transition.

Contacts

Ashwin Chinnayya: ashwin.chinnayya@ensma.fr

Vincent Robin : vincent.robin@ensma.fr

Analyse jointe simulation/expérience des transferts et réactions chimiques aux interfaces dans un réacteur catalytique de transformation du méthane et du dioxyde de carbone par plasma hors-équilibre

Le pacte vert européen, lancé en décembre 2019 a pour ambition de faire de l’Europe le premier continent neutre pour le climat dans le contexte actuel du changement climatique et de la dégradation de l’environnement. Le défi repose, en outre, sur l’utilisation efficace des ressources en passant à une économie propre. C’est pourquoi, l’accent est mis sur le développement de nouvelles technologies respectueuses de l’environnement pour permettre d’atteindre l’objectif fixé qui est de stopper les émissions nettes de gaz à effet de serre d’ici à 2050.

Dans ce contexte, la technologie plasma pour la valorisation simultanée du CH4 et du CO2, deux composés à effet de serre, présente les caractéristiques requises même si des avancées significatives sont nécessaires afin de permettre le passage de l’échelle laboratoire à l’échelle industrielle ou encore d’un concept à une innovation1.

Ainsi, le projet proposé dans le cadre de cette thèse vise à améliorer la compréhension des interactions plasma/catalyse nécessaire aux développements de nouveaux procédés de stockage chimique de l’énergie par valorisation du méthane et du dioxyde de carbone. L’étude sera réalisée en associant des résultats expérimentaux obtenus sur un réacteur catalytique disponible à l’IC2MP2 à des simulations numériques. En effet, la difficulté à mettre en œuvre des diagnostics expérimentaux sur ce genre de configuration limite les analyses physiques et donc les possibilités d’optimisation du procédé. La simulation numérique apparaît alors comme un outil indispensable pour approfondir l’analyse des transferts d’espèces et réactions chimiques aux interfaces gaz/catalyseur. Néanmoins, la complexité des interactions entre l’écoulement plasma, les réactions chimiques et le transfert d’espèces et d’électrons sur les surfaces solides nécessite de coupler différents outils numériques et différentes approches de modélisation. L’outil de simulation numérique qui doit être développé dans le cadre de ce projet consiste à coupler un solveur de Boltzmann (librairie Bolos3) à un solveur de cinétique (librairie Cantera4) pour décrire la cinétique des réactions chimiques à l’interface du catalyseur et du plasma hors-équilibre. Sur la base de cet outil simple (0D,1D), des tables de données thermochimiques seront construites par apprentissage automatique d’un réseau de neurones pour alimenter les modèles nécessaires aux simulations numériques 2D et 3D du réacteur (librairie Open-Foam).

  1. Bogaerts, A.; Centi, G. Plasma Technology for CO2 Conversion: A Personal Perspective on Prospects and Gaps. Front. Energy Res. 2020, 8, 111.
  2. Bouchoul, N.; Fourré, E.; Tatibouët, J.-M.; Duarte, A.; Tanchoux, N.; Batiot-Dupeyrat, C. Structural Modifications of Calcium Based Catalysts by Non-Thermal Plasma in the CO2 Reforming of CH4 and the Influence of Water. CO2 Util. 2020, 35, 79–89. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2019.09.006
  3. Hagelaar G. J. M.; Pitchford L. C., Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models, Plasma Sources Sci. Technol., 2005, 14, 722–733.
  4. Goodwin D. G.; Speth R. L.; Moffat H. K.; Weber B. W., Cantera: An Object-oriented Software Toolkit for Chemical Kinetics, Thermodynamics, and Transport Processes. 2009, https://doi:10.5281/zenodo.1174508

Étude des mécanismes de propagation et d’accélération de flammes dans des milieux turbulents hétérogènes.

Que ce soit pour la sécurité des futures installations industrielles basées sur l’utilisation de l’hydrogène ou pour les futurs modes de propulsion, la compréhension des mécanismes de propagation et d’accélération de flammes est essentielle. Dans les modes de combustion avancés pour la propulsion aéronautique (CVC, RDE) ou spatiale, les flammes se propagent toujours dans des milieux turbulents pouvant avoir plusieurs phases et présentant des variations importantes de température et de composition. La plupart de ces modes de combustion ont été étudiés ces vingt dernières années afin d’améliorer la poussée et pour réduire la consommation et la production de polluants de ces systèmes de propulsions. Comprendre quel sera leur comportement avec de l’hydrogène est un des grands défis industriels des années à venir.

Un des verrous scientifiques qui nécessite encore des études approfondies concerne les interactions entre la propagation des flammes et l’auto-allumage. Ces interactions sont responsables des accélérations de flammes et des éventuelles transitions vers des régimes d’ondes d’auto-allumage ou de détonation. Malgré une littérature scientifique abondante sur ce sujet, l’identification et l’analyse des mécanismes physiques variées impliqués dans ces écoulements nécessitent encore des études académiques, expérimentales et numériques.

Les ressources informatiques actuelles ainsi que les récents développements des outils de calcul numériques permettront d’envisager des simulations numériques réalistes de dispositifs pratiques de combustion. Cependant, ces outils doivent être associés à des stratégies de modélisation dédiées à la combustion des écoulements turbulents et en particulier pouvant simuler les transitions de régimes : déflagration/auto-allumage/détonation.

L’équipe CT propose, dans un premier temps, un stage de 6 mois pour développer ce type de stratégie. Dans ce cadre, le stagiaire utilisera la simulation numérique directe (DNS) d’écoulements canoniques pour analyser les mécanismes physiques essentiels et proposer une stratégie de modélisation pertinente de la transition déflagration/auto-allumage.

La suite de ce travail sera effectuée dans le cadre d’une thèse dans laquelle il est envisagé d’approfondir l’étude du comportement du modèle développé et d’apporter d’éventuelles améliorations, en s’appuyant sur des DNS d’écoulements plus réalistes, représentatifs de parties réduites des installations expérimentales du laboratoire. Ces simulations contribueront également à la définition des conditions d’essais expérimentaux.  Enfin, la capitalisation de ce travail de thèse passera par l’implémentation du modèle développé dans le code OpenFoam et l’évaluation de ces capacités à simuler, par l’approche LES (Simulation des grandes échelles), le dispositif expérimental RCM (Rapid Compression Machine) de l’Institut Pprime.

Contacts

Zakaria Bouali : zakaria.bouali@isae-ensma.fr

Vincent Robin : vincent.robin@isae-ensma.fr

Étude des mécanismes de propagation et d’accélération de flammes dans des milieux turbulents hétérogènes.

Que ce soit pour la sécurité des futures installations industrielles basées sur l’utilisation de l’hydrogène ou pour les futurs modes de propulsion, la compréhension des mécanismes de propagation et d’accélération de flammes est essentielle. Dans les modes de combustion avancés pour la propulsion aéronautique (CVC, RDE) ou spatiale, les flammes se propagent toujours dans des milieux turbulents pouvant avoir plusieurs phases et présentant des variations importantes de température et de composition. La plupart de ces modes de combustion ont été étudiés ces vingt dernières années afin d’améliorer la poussée et pour réduire la consommation et la production de polluants de ces systèmes de propulsions. Comprendre quel sera leur comportement avec de l’hydrogène est un des grands défis industriels des années à venir.

Un des verrous scientifiques qui nécessite encore des études approfondies concerne les interactions entre la propagation des flammes et l’auto-allumage. Ces interactions sont responsables des accélérations de flammes et des éventuelles transitions vers des régimes d’ondes d’auto-allumage ou de détonation. Malgré une littérature scientifique abondante sur ce sujet, l’identification et l’analyse des mécanismes physiques variées impliqués dans ces écoulements nécessitent encore des études académiques, expérimentales et numériques.

Les ressources informatiques actuelles ainsi que les récents développements des outils de calcul numériques permettront d’envisager des simulations numériques réalistes de dispositifs pratiques de combustion. Cependant, ces outils doivent être associés à des stratégies de modélisation dédiées à la combustion des écoulements turbulents et en particulier pouvant simuler les transitions de régimes : déflagration/auto-allumage/détonation.

L’équipe CT souhaite recruter un doctorant (36 mois) pour développer ce type de stratégie. Dans ce cadre, le doctorant devra réaliser des simulations numériques directes (DNS) d’écoulements canoniques pour analyser les mécanismes physiques essentiels et proposer une stratégie de modélisation pertinente de la transition déflagration/auto-allumage. L’étude du comportement du modèle développé s’appuiera sur des DNS d’écoulements plus réalistes, représentatifs de parties réduites des installations expérimentales du laboratoire. Ces simulations contribueront également à la définition des conditions d’essais expérimentaux.  Enfin, la capitalisation de ce travail de thèse passera par l’implémentation du modèle développé dans le code OpenFoam et l’évaluation de ces capacités à simuler, par l’approche LES (Simulation des grandes échelles), le dispositif expérimental RCM (Rapid Compression Machine) de l’Institut Pprime.

Contacts

Zakaria Bouali : zakaria.bouali@isae-ensma.fr

Vincent Robin : vincent.robin@isae-ensma.fr