Soutenance de thèse de ANDRES LOPEZ JOSE LUIS
Titre de thèse
Simulations de la combustion CH4–H2 dans des brûleurs industriels en utilisant la méthode de Boltzmann sur réseau avec transfert radiatif de chaleur
Simulations of CH4–H2 Combustion in Industrial Burners using the Lattice Boltzmann Method with Radiative Heat Transfer
Résumé de la thèse
Ce travail de thèse porte sur la modélisation de la combustion turbulente dans des brûleurs industriels à grande échelle à l'aide d'une méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) hybride, avec une attention particulière portée à l'intégration du transfert radiatif. Les outils classiques de CFD utilisés en industrie reposent généralement sur des solveurs de type RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) qui, bien qu'efficaces, présentent certaines limitations pour capturer les phénomènes instationnaires et localisés de la combustion turbulente. Cette thèse propose une approche LES (Large Eddy Simulation) basée sur la LBM, offrant des résultats cohérents avec les observations expérimentales avec un coût numérique maîtrisé.
La contribution principale de ce travail est le développement et la validation d'un modèle de transfert radiatif adapté aux écoulements réactifs à grande échelle dans un code LBM. Un modèle P1, couplé à une approche spectrale WSGG (Weighted Sum of Gray Gases) adaptée aux mélanges hydrogène-méthane, a été implémenté via un solveur itératif original de type Jacobi. Cette méthode permet de résoudre efficacement l'équation du transfert radiatif dans des géométries complexes. Validé sur plusieurs cas tests (1D, 2D, 3D), le modèle a ensuite été utilisé pour étudier une configuration semi-industrielle.
Le solveur LES-LBM hybride a été appliqué à la simulation d'un brûleur industriel réel fonctionnant avec des mélanges méthane-hydrogène. Les résultats, comparés à des mesures expérimentales et à des simulations RANS (Fluent), montrent que l'approche LBM permet de capturer avec précision les transferts radiatifs et la formation des polluants. Malgré l'utilisation d'un mécanisme chimique réduit, des phénomènes comme le raccourcissement de la flamme avec l'enrichissement en hydrogène et la formation des ce{NOx} sont correctement reproduits. L'étude met en lumière le potentiel de LBM comme alternative prometteuse aux solveurs traditionnels pour simuler des systèmes de combustion complexes avec effets radiatifs.
Ce travail ouvre ainsi la voie à l'utilisation d'une méthode LBM hybride dans des configurations industrielles réelles, notamment pour la combustion de l'hydrogène. Il offre également un cadre propice à de futurs développements sur la modélisation chimique, le couplage radiatif, ainsi que l'étude de phénomènes instationnaires comme le flashback ou les instabilités thermoacoustiques.
Thesis resume
This PhD work focuses on the modeling of turbulent combustion in large-scale industrial burners using a hybrid Lattice Boltzmann Method (LBM), with particular emphasis on radiative heat transfer. Traditional CFD tools, mostly based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models, are widely used in industry but often fail to capture unsteady and localized combustion phenomena. This thesis explores an alternative LES (Large Eddy Simulation) approach based on LBM, yielding results consistent with experimental observations at a reasonable computational cost.
The main contribution of this work is the development and validation of a radiative heat transfer model integrated into an LBM solver and tailored for reactive large-scale flows. A P1 model, coupled with a WSGG (Weighted Sum of Gray Gases) spectral formulation adapted to hydrogen-methane mixtures, was implemented using an original Jacobi-based iterative solver. This method enables efficient resolution of the Radiative Transfer Equation in complex geometries. After successful validation on canonical 1D, 2D, and 3D cases, the model was subsequently applied to a semi-industrial configuration.
The hybrid LES-LBM solver has been used for the simulation of a real industrial burner operating with hydrogen-enriched methane-air mixtures. Comparisons with experimental data and RANS simulations (Fluent) showed that LBM can reliably reproduce pollutant formation and radiative transfer. Despite the use of a reduced chemistry model, the solver correctly captured flame shortening with increasing hydrogen and NOx formation trends. These results underline the potential of LBM as an efficient alternative to conventional solvers for complex reactive flows with strong radiative effects.
This thesis opens the way for the use of hybrid LBM methods in real industrial settings, particularly in hydrogen combustion. It also opens up perspectives for future improvements in chemical modeling, radiative coupling, and the simulation of unsteady phenomena such as flashbacks and thermoacoustic instabilities.