Quantification d’incertitudes dans les simulations aux grandes échelles de flammes d’hydrogène stabilisées par auto-allumage

Quantifying uncertainties in Large Eddy Simulations of auto-ignition-stabilized H2 flames

• Auteur / Autrice : Guilhem Lavabre
• Direction : Ronan Vicquelin, Olivier Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Mura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandro Parente, Laurent Selle, Nathalie Lamoureux, Pascale Domingo, Didier Lucor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alessandro Parente, Laurent Selle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Incertitude (théorie de l'information)

Simulation par ordinateur

Simulation des grandes échelles

Hydrogène

Mots clés libres

Quantification d'incertitudes

Combustion turbulente

Hydrogène

Jumeau numérique

Simulation numérique

Uncertainty Quantification

Turbulent Combustion

Hydrogen

Digital Twin

Computational science

Résumé

Nous propageons les incertitudes provenant du mécanisme de cinétique chimique, de mesures expérimentales et du modèle de turbu- lence à travers la simulation aux grandes échelles (LES) d'une flamme turbulente. Nous choisissons de travailler sur la flamme de Cabra H2 car son mécan- isme de stabilisation principal est l'auto-allumage, ce qui la rend extrêmement sensible aux paramètres qui affectent les taux de réaction. Nous simulons la flamme de Cabra en utilisant une approche basée sur la tabulation de flammelettes instationnaires et sur des PDF présumées. La propagation d'incertitudes repose sur la réduction a priori de la dimension incertaine en utilisant une configuration simplifiée : un réacteur homogène isobare qui s'auto-allume. Une étude Monte-Carlo sur ce réacteur dévoile un comportement très non-linéaire dans la plage d'incertitudes considérée. Ce comportement a été identifié à la transition entre les auto-allumages"faible" et "fort". Cette étude a aussi permis de de réduire les incertitudes venant du mécanisme chimique et de la température du co-flow à un espace de dimension 2.Dans cet espace réduit, une approche basée sur une surface de réponse est réaliste en utilisant seule- ment un faible nombre d'échantillons LES. Nous étudions également l'influence du coefficient de dissipation de la variance de fraction de mélange. Dans un premier temps, seule l'incertitude de la hauteur de stabilisation de la flamme est quantifiée. Dans un second temps, nous quantifions les incertitudes de toutes les quantités mesurées expérimentalement à toutes les positions dans le domaine de calcul. Cela est rendu possible par une analyse en composantes principales (PCA) et trois surfaces de réponses pour prédire les coefficients des plus importants modes de la PCA.

We propagate kinetic, experimental, and model uncertainties in a Large Eddy Simulation of a turbulent flame. We chose to work with the H2 Cabra flame because its main stabilization mech- anism is auto-ignition, which makes it extremely sensitive to parameters that impact reaction rates. We simulate the Cabra flame using an unsteady flamelet and presumed PDF approach. The uncer- tainty propagation relies on an a priori uncertain dimension reduction using a simplified configuration: an auto-igniting homogeneous reactor at constant pressure. An a priori Monte-Carlo study allows highlighting an extremely non-linear phenomenon in the uncertainty range: the transition between weak and strong auto-ignition. It also allows reducing the uncertainty coming from the co-flow temperatureand kinetic mechanism to a mere two dimensions.In this reduced space, a surrogate-model-based approach is viable using a limited number of LES observations. We later investigate the sensitivity of the simulation to the dissipation coefficient of mixture fraction variance. We first quantify the uncertainty of the Cabra flame lift-off height. Then, we turn our gaze towards the quantification of uncer- tainties of every experimentally measured quantity at every location in the computational domain. This is done using a Principal Component Analysis on the training samples and three surrogate models to predict the coefficients of the most contributing modes brought forth by the PCA.