Étude numérique de déflagrations d'hydrogène en milieux confinés : interactions avec les parois et mécanismes d'accélération de flamme

Numerical study of hydrogen deflagrations in confined spaces : interactions with walls and flame acceleration mechanisms

• Auteur / Autrice : Loïc De Nardi
• Direction : Thierry Poinsot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 24/09/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Européen de Recherche et Formation Avancées en Calcul Scientifique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Peter Lindstedt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Poinsot, Andrea Gruber, Valeria Di Sarli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrea Gruber, Valeria Di Sarli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz

Combustion

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Mécanique des fluides numérique

Hydrogène

Interaction flamme-Paroi

Accélération de flamme

Computational Fluid Dynamics

Hydrogen

Flame-Wall interaction

Flame acceleration mechanims

Résumé

La demande énergétique mondiale ne cesse d’augmenter et demeure principalement satisfaite par la combustion d’hydrocarbures. Cette transformation entraîne l’émission de gaz à effet de serre dans l'atmosphere, contribuant ainsi au réchauffement climatique. Par conséquent, l’évolution actuelle du climat oblige une transition énergétique rapide et ambitieuse. Dans ce contexte, l’hydrogène se place en vecteur énergétique alternatif permettant de 1) créer un cycle vertueux pour les futurs réseaux électriques neutres en carbone en servant de tampon face à l’intermittence des sources renouvelables non pilotables, et 2) décarboner divers secteurs industriels utilisant des systèmes thermiques, tels que l’aviation. Néanmoins, le déploiement de l’hydrogène dans de nouvelles applications soulève des questions de sécurité en raison de ses propriétés spécifiques, incluant de larges limites d’inflammabilité, une énergie minimale d’inflammation très faible, une forte diffusivité, une vitesse de combustion élevée, ainsi qu’une tendance à la détonation. Les fuites accidentelles d’hydrogène nécessitent donc une analyse approfondie afin de prévenir les risques associées. La mécanique des fluides numérique s’impose comme un outil puissant pour l’évaluation de ces risques, en offrant une alternative plus sûre que les manipulations expérimentales tout en fournissant des données spatiales et temporelles détaillées sur n’importe quelle grandeur physique au sein du domaine de calcul. Cette thèse s'articule autour de l'étude numérique de scénarios d’explosion d'hydrogène autour de deux axes majeurs: le traitement des parois dans les simulations de déflagrations —combustion prémélangée subsonique— en mettant l’accent sur les réactions de surface et les transferts thermiques aux parois; et l’étude des mécanismes d’accélération de flamme susceptibles de conduire à une détonation —combustion supersonique, beaucoup plus destructrice. Une attention particulière est prêtée à la validation de la méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour de tels scénarios. La première partie de ce travail montre que l’hypothèse de parois inertes est inadéquate et conduit une génération de chaleur excessive aux parois, là où l’on s’attend à une extinction complète. Des modèles simplifiés de chimie aux parois doivent donc être utilisés, comme celui proposé dans ce manuscrit. En outre, l’influence des pertes de chaleur sur l’accélération de flamme est examinée. Les résultats indiquent que l’effet principal des pertes de chaleur sur l’accélération provient du côté des gaz brûlés, tandis que l’extinction locale de la flamme joue un rôle secondaire. Étant donné les faibles échelles de temps caractéristiques des déflagrations (de l’ordre de la milliseconde), les conditions aux limites thermiques isothermes froides constituent le traitement le plus réaliste pour les scénarios de ce type. La seconde partie de la thèse se concentre sur des cas d’application, en étudiant des déflagrations dans des géométries confinées comportant soit des jets transverses, soit des obstacles solides disposés en quinconce. L'approche LES confirme sa capacité de reproduction de la dynamique de flamme observée dans les expériences à échelle de laboratoire, ouvrant ainsi au développement de méthodologies d’évaluation des risques basées sur la LES dans un contexte industriel.

The global energy demand is continuously increasing, primarily met through the combustion of fossil fuels. This process releases greenhouse gases that contribute to global warming. Consequently, the current trend of climate change inquires for a rapid and ambitious energy transition. In this context, hydrogen is gaining momentum as an alternative energy carrier capable of replacing fossil fuels. It has the potential to 1) create a virtuous cycle for future carbon-neutral electricity grids by acting as a buffer for the intermittency of non-dispatchable renewable generation, and 2) decarbonize various sectors that rely on power generation, such as aviation. Nonetheless, the deployment of hydrogen in novel applications raises a significant set of safety concerns due to its specific properties, including wide flammability limits, low minimum ignition energy, high diffusivity, enhanced burning velocity, and strong propensity to detonate. Unintended releases of hydrogen through loss-of-containment scenarios therefore warrant thorough investigation. Computational Fluid Dynamics (CFD) places as a powerful tool for the risk assessment of hydrogen-related hazards, offering a safer alternative to experimental testing and providing detailed spatial and temporal data for any physical quantity within the computational domain. This thesis undertakes a numerical investigation of hydrogen explosion scenarios using CFD and structures around two main research axes: the treatment of wall boundaries in hydrogen-air deflagrations —a subsonic mode of combustion, propagating at several meters per second— with a focus on both chemical reactivity and heat transfer at the walls; and the investigation of Flame Acceleration (FA) mechanisms that can potentially trigger detonation —a supersonic mode of combustion that is much more destructive— through the deflagration-to-detonation transition phenomenon. Particular attention is paid to validating the Large Eddy Simulation (LES) framework for such scenarios. In the first part of this work, it is demonstrated that the commonly used inert wall assumption in flame-wall interaction studies involving detailed chemistry is inappropriate, as it leads to non-physical heat generation at walls where flame quenching is expected. Simplified wall-chemistry models should therefore be employed, such as the one proposed herein. Furthermore, the influence of heat losses on FA is examined. Results indicate that the dominant effect of heat loss on FA originates from the burnt gas side, while local flame quenching plays a secondary role. Given the short characteristic timescales of deflagration scenarios (on the order of milliseconds), cold isothermal wall boundary conditions represent the most physically realistic thermal treatment for safety-related simulations. The second part of the thesis focuses on application cases, examining deflagrations in confined geometries featuring either transverse jets or staggered solid obstacles. The LES framework is shown to accurately reproduce the flame dynamics observed in corresponding laboratory-scale experiments, thereby paving the way for the future deployment of LES-based risk assessment methodologies in industrial contexts.