Soutenance de thèse de LE BOURSICAUD Marc
Titre de thèse
Allumage de carburants à base d'hydrogène – application à la sécurité
Ignition of hydrogen-based fuel - application to safety
Résumé de la thèse
La sécurité hydrogène a toujours été une préoccupation majeure des secteurs aérospatial et nucléaire. L'intérêt croissant qu'il suscite en tant que carburant alternatif pour le transport soulève de nouveaux défis de sûreté. Les solutions de stockage pour ces applications impliquent des réservoirs d'hydrogène gazeux allant jusqu'à 700 bars. Ces conditions diffèrent considérablement de celles traditionnellement étudiées, nécessitant le développement de nouveaux outils prédictifs pour évaluer les risques d'allumage.
Cette thèse a débuté par le développement d'un modèle de scalaire passif conçu pour prédire l'allumage d'hydrogène avec des codes de dynamique des fluides numériques. Ce modèle réduit significativement la difficulté d'intégration numérique en réduisant, par conséquent, les coûts de calcul, comparé à l'utilisation d'un mécanisme cinétique détaillé ou réduit. En parallèle, il capture avec précision les phénomènes physiques responsables de l'allumage, avec une attention particulière portée aux hautes pressions.
Le cœur de la thèse se concentre sur l'allumage dans le cas de fuites d'hydrogène à haute pression. Ces scénarios présentent de nombreux défis, notamment la forte séparation des échelles entre la couche de diffusion hydrogène/air et l'écoulement, rendant les simulations numériques directes (DNS) peu pertinentes. Pour relever ces défis, un nouveau solveur pseudo-1D a été développé, combinant des représentations 1D et 3D à l'aide de coordonnées planes et sphériques dans une formulation unifiée. Ce solveur a reproduit avec succès l'écoulement pour diverses géométries et pressions, et a été validé pour d'autres gaz sous pression. De plus, le modèle de scalaire passif a été utilisé pour prédire l'allumage au sein de la couche de diffusion. La méthodologie ainsi obtenue est particulièrement efficace pour évaluer le risque d'allumage des fuites d'hydrogène à haute pression et a permis d'étudier l'influence de la géométrie.
Cette approche a été étendue pour prendre en compte un obstacle placé en face de la fuite (comme dans un compartiment moteur). La présence d'un obstacle mène à la réflexion de l'onde de choc et à son interaction avec la couche de diffusion. La méthodologie a été améliorée pour intégrer ces phénomènes, permettant d'évaluer l'influence de cet obstacle. Les résultats ont révélé que le confinement a un effet significatif pour certaines géométries et qu'il ne devrait pas être négligé dans les analyses de sûreté.
Enfin, dans une optique d'élargissement des travaux de thèse, l'allumage de mélanges hydrogène-ammoniac a été étudié puisqu'ils suscitent un intérêt croissant en tant qu'alternatives à l'hydrogène pur. Des expressions analytiques ont été dérivées pour des cas canoniques, et une version adaptée du modèle de scalaire passif a été développée pour modéliser efficacement l'allumage de ces mélanges.
Thesis resume
Hydrogen safety has long been a critical concern in the aerospace and nuclear sectors. However, the growing interest in hydrogen as an alternative fuel for transportation has introduced new safety challenges. Storage solutions for such applications typically involve high-pressure gaseous hydrogen tanks operating at pressures of up to 700 bar. These conditions differ significantly from those traditionally studied, necessitating the development of predictive tools to assess ignition risks under these extreme conditions.
This thesis began with the development of a passive scalar approach to predict hydrogen ignition using computational fluid dynamics (CFD) tools. This model significantly reduces the numerical stiffness of the governing equations and, consequently, computational costs compared to conventional detailed or reduced mechanisms, while accurately capturing the physical phenomena responsible for ignition, particularly for high-pressure applications.
The core of this research focused on shock-induced ignition in cases of high-pressure hydrogen leakage from tanks or pipes. These scenarios pose numerous challenges, including complex flow dynamics and strong scale separation between the hydrogen/air diffusion layer and the flow. Such conditions render direct numerical simulations (DNS) impractical. To address these challenges, a novel pseudo-1D flow solver was developed, combining 1D and 3D representations using planar and spherical coordinates within a unified formulation. This solver successfully reproduced flow dynamics across various geometries and pressure ranges and demonstrated applicability to other pressurized gases. Additionally, the scalar model was applied to predict ignition within the diffusion layer. The resulting methodology is particularly efficient in assessing the ignition risk of high-pressure hydrogen leaks and enables investigations into geometric effects, including leaks from 2D and 3D tanks or pipes.
This approach was further extended to evaluate the impact of obstacles placed near the leakage (such as those representative of engine compartments). The presence of such obstacles induces reflection of the leading shock wave and its interaction with the diffusion layer. The methodology was enhanced to account for these phenomena, revealing that confinement significantly affects ignition risk for certain geometries and should not be overlooked in safety analyses.
Finally, the study explored ignition of hydrogen-ammonia blends, which have garnered interest as alternatives to pure hydrogen. Analytical expressions were derived to predict ignition times for canonical cases, and a tailored version of the passive scalar approach was developed to model these blends effectively.