Soutenance de thèse de CHEN Ziyin
Titre de thèse
Étude des instabilités de combustion au moyen des méthodes Lattice-Boltzmann
Study of combustion instabilities using Lattice-Boltzmann Methods
Résumé de la thèse
Sous la pression du réchauffement climatique et de la transition énergétique, l'hydrogène apparaît comme une alternative majeure aux combustibles fossiles, offrant une combustion efficace et sans émissions de carbone. Cependant, les flammes hydrogène-air présentent d'importantes instabilités, accentuées dans les environnements confinés où parois et pertes de chaleur jouent un rôle clé. Comprendre ces phénomènes est essentiel pour concevoir des micro-dispositifs sûrs.
Cette thèse étudie la stabilité des flammes prémélangées hydrogène-air dans un brûleur de Hele-Shaw. La méthode de Lattice-Boltzmann (LBM) analyse la morphologie et les instabilités de la flamme, notamment Darrieus-Landau, Saffman-Taylor et thermodiffusives.
Nous examinons d'abord des configurations 2D où la flamme se propage entre deux parois adiabatiques. Les simulations reproduisent les fronts symétriques et asymétriques pour diverses largeurs de canal et rapports d'équivalence. La stabilité de la symétrie dépend de l'instabilité intrinsèque et de la largeur du canal. L'effet du Lewis sur l'incrément de vitesse est indépendant de la forme du front et lié au nombre de Lewis effectif. La géométrie du front est décrite par des polynômes d'ordre 4, permettant de prédire l'incrément de surface et la vitesse de flamme.
Nous intégrons ensuite les pertes de chaleur aux parois. Une stratégie de recombinaison des radicaux H est proposée pour traiter la chimie détaillée. Avec l'augmentation de la largeur du canal, nous examinons la limite d'extinction, la limite de propagation, la validité de l'approximation volumique et l'évolution de la vitesse et de la symétrie. Les pertes de chaleur sont cruciales pour les flammes proches de l'extinction, mais leur influence diminue lorsque le canal s'élargit et devient négligeable pour les mélanges très pauvres.
Enfin, des configurations 3D sont développées pour analyser la stabilité normale et transversale. L'augmentation du canal réduit l'effet de confinement et l'instabilité de Saffman-Taylor, menant à des cuspides plus petites. Le modèle de Joulin-Sivashinsky est étendu en un modèle “ 2D+ ”, prédisant correctement les tailles de cuspide lorsque la flamme reste symétrique. L'impact du champ d'écoulement induit par la rupture de symétrie est discuté. L'effet de Lewis sur la courbure locale des flammes pauvres ne dépend pas de la symétrie ni de la taille transversale. Une analyse statistique confirme la cohérence de l'incrément de surface et de l'effet de Lewis sur toute la largeur. Enfin, un modèle de prédiction de la vitesse de flamme est proposé et validé pour des parois adiabatiques et isothermes.
Thesis resume
Under the pressure of global warming and the energy transition, hydrogen is emerging as a major alternative to fossil fuels, offering efficient combustion with no carbon emissions. However, hydrogen-air flames exhibit significant instabilities, intensified in confined environments where wall effects and heat losses play a key role. Understanding and predicting these phenomena is essential for designing safe and efficient micro-scale devices.
This thesis investigates the stability of premixed hydrogen-air flames in a Hele-Shaw burner. The Lattice-Boltzmann Method (LBM) is used to analyze flame morphology and instabilities, including Darrieus-Landau, Saffman-Taylor, and thermodiffusive instabilities.
We first examine 2D configurations in which the flame propagates between two adiabatic walls. The simulations reproduce the symmetric and asymmetric flame fronts observed experimentally for various channel widths and equivalence ratios. The stability of the symmetry is analyzed and shown to depend on both the intrinsic instability of the flame and the channel width. The Lewis effect on the flame speed increment is found to be independent of the front shape and governed solely by the effective Lewis number. The flame front geometry is accurately represented using fourth-order polynomials, enabling
prediction of the surface increment and the resulting flame speed between the walls.
We then account for heat losses at the walls. A strategy for H-radical recombination is introduced to handle detailed chemistry. As the channel width increases, we examine the extinction limit, the propagation limit in terms of equivalence ratio, the validity of the volumetric heat loss approximation, and the evolution of flame speed and symmetry. Heat losses are shown to be critical for flames near extinction, but their influence diminishes as the channel widens and becomes negligible for very lean mixtures.
Finally, 3D configurations are developed to study flame stability in the normal and transverse directions. Increasing the channel width reduces confinement effects and the Saffman-Taylor instability, leading to smaller cusp structures. The Joulin-Sivashinsky model is extended into a “2D+” model, which successfully predicts cusp sizes when the flame remains symmetric between walls. The influence of the flow field induced by symmetry breaking is then discussed. The Lewis effect on the local curvature of lean flames is found to be irrelevant to flame symmetry and domain transverse size. A statistical analysis shows that the flame surface increment and the Lewis effect between walls remain consistent across the transverse dimension. Finally, a flame-speed prediction model is proposed and validated for both adiabatic and isothermal walls.