La transition Déflagration-Détonation revisitée dans le contexte de la production d'énergie dé-carbonée – ReDDT

Le projet ReDDT est un effort conjoint réunissant deux équipes de chercheurs des laboratoires CORIA et IRPHE.
Le laboratoire CORIA dispose d’une expérience solide et consolidée dans le développement de méthodes numériques d’ordre élevé avec des applications pour les écoulements compressibles, turbulents et réactifs.
Le laboratoire IRPHE représente une référence internationale dans l’établissement d’analyses théoriques inédites pour aborder les questions ouvertes dans le domaine des phénomènes réactifs hors équilibres et des détonations.
Les deux laboratoires, qui ont déjà interagi dans le passé sur des études théoriques et numériques autour de la dynamique des chocs, mettront au point des techniques théoriques et numériques novatrices pour accroître la compréhension et la connaissance de la transition de la déflagration vers la détonation (DDT) et les phénomènes associés. Les principaux résultats seront sous la forme de lignes directrices pour établir des pratiques fiables pour la modélisation de la détonation en CFD (computational fluid dynamics), avec des implications directes dans le contexte de la sécurité industrielle.

La dynamique des détonations gazeuses sphériques est contrôlée par de petites modifications de sa structure interne qui reste mince devant le rayon de la sphère. Le processus d’initiation directe est un exemple typique d’une telle sensibilité. Pour une grande énergie d’activation, un rayon critique a été identifié, illustrant un mécanisme quasi-stationnaire de quenching des détonations sphériques induit par la courbure. Les simulations numériques confirment ce rayon critique, mais montrent aussi que la structure interne de la détonation est fortement instable. La dynamique critique du déclenchement direct de la détonation est étudiée par des méthodes asymptotiques. Dans la limite de faible dégagement de chaleur, il est montré que le problème peut être réduit à une seule équation hyperbolique avec des termes de courbure. Ces résultats théoriques sont confirmés par des simulations numériques et une meilleure compréhension est obtenue pour les détonations stables et instables.
De même, la stabilité des détonations unidimensionnelles est revue à l’aide d’analyses asymptotiques et de simulations numériques de haute précision. La double limite de faible dégagement de chaleur et d’un rapport de chaleurs spécifique proche de l’unité est étudiée. L’attention est portée sur les détonations de Chapman-Jouguet faiblement instables. Il est démontré que la vitesse du choc peut être obtenue comme solution d’une seule équation hyperbolique. On peut ainsi obtenir l’énergie d’activation du seuil pour la transition vers l’instabilité et la fréquence d’oscillation. Ces résultats ont été validés sur un ensemble de simulations numériques de détonations unidimensionnelles dans la même limite, réalisées à l’aide du schéma de différence spectrale d’ordre élevé à faible dissipation numérique. Les valeurs des paramètres de détonation au seuil d’instabilité obtenues par simulations numériques ont été comparées aux résultats théoriques, confirmant la validité de la théorie asymptotique proposée

Les résultats ouvriront la voie à de nombreuses applications pratiques, y compris des critères génériques pour le déclenchement de détonations et aussi l’apparition aléatoire du phénomène de “super-knock” dans les futurs moteurs alimentés par la combustion d’hydrogène. Les résultats obtenus présenteront des caractères suffisamment fondamentaux et génériques pour être utiles dans le cadre plus général des questions de sécurité, où les détonations sont à l’ordre du jour.

[1] H. Tofaili, G. Lodato, L. Vervisch and P. Clavin. One-dimensional dynamics of gaseous detonations revisited. Submitted to Combustion and Flame.
[2] P. Clavin, R. Hernandez-Sanchez, B. Denet, Asymptotic analysis of the critical dynamics of spherical gaseous detonations. Submitted to Journal of Fluid Mechanics.
[3] H. Tofaili, G. Lodato, L. Vervisch and P. Clavin. One-dimensional dynamics of gaseous detonations revisited. European Combustion Meeting 2021.
[4] H. Tofaili, G. Lodato, L. Vervisch and P. Clavin. Detonation stability: New paradigms for the control of rotating detonation engines. 5ème Colloque INCA, 7-8 Avril 2020, SAFRAN.

Ce projet présente une approche en rupture pour l’analyse théorique de la dynamique des détonations d’hydrogène, dans le cadre d’une démarche compatible avec la simulation numérique de systèmes réels.
L’utilisation, le stockage et le transport de vecteurs énergétiques dé-carbonés, comme l’hydrogène, nécessitent la prise en compte de phénomènes de combustion aléatoires très violents, telles que les ondes de détonations destructives parfois observées dans les installations industrielles. Il est techniquement inenvisageable de conduire des campagnes expérimentales réalistes pour de tels évènements, aussi l’optimisation et la conception repose aujourd’hui essentiellement sur des corrélations globales et des outils de simulation numérique. Pour être représentatives, ces simulations doivent capturer des phénomènes transitoires fortement instationnaires, caractéristiques de l’initiation et de la propagation des ondes de détonation. Malheureusement, la grande plage d’échelles de temps et d’espace en jeu, à la fois au niveau de la chimie et du transport par l’écoulement, interdit de simuler pour des géométries réelles les couplages non-linéaires entre les instationnarités de la structure interne de l’onde et sa propagation aux plus grandes échelles. Quoiqu’il en soit, la structure interne de l’onde reste le siège des phénomènes qui contrôlent l’initiation et la dynamique des détonations observées aux grandes échelles, les capacités de prédiction des simulations numériques sont en conséquence aujourd’hui relativement limitées.
L’objectif de ce projet est l’établissement de modèles théoriques, faisant appel à l’analyse asymptotique, pour calibrer avec précision la dynamique des détonations des mélanges hydrogène-air. Contrairement aux analyses existantes, des phénomènes physiques relatifs à la structure interne des ondes seront introduits dans l’analyse. La formulation mathématique servira de guide à l’analyse physique et à la détermination des paramètres clés contribuant au contrôle et à la sécurité des systèmes de combustion dé-carbonés. Apportant la solution de problèmes canoniques, les modélisations seront validées à travers des simulations numériques directes (DNS) mettant en œuvre des méthodes d’ordre de précision élevés parmi les plus avancées. La transition de la déflagration vers la détonation, l’initiation directe des détonations et les instabilités dans les détonations cellulaires seront étudiés.
Il est donc proposé de revitaliser la combinaison d’outils théoriques et analytiques avec des méthodes numériques modernes pour analyser les détonations. Les équipes de ce projet adopteront une stratégie récemment éprouvée lors du développement et la validation de modèles réduits pour la dynamique multi-dimensionnelle des ondes de choc dans un milieu non-réactif. Les résultats ouvriront de nombreuses perspectives pratiques, comme la mise en place d’un critère générique pour l’initiation des détonations ou l’apparition aléatoire du cliquetis dans les moteurs à hydrogène. Les résultats attendus présenteront des caractères fondamentaux et génériques suffisants pour être aussi utiles dans le contexte de la sécurité industrielle où les détonations sont une préoccupation majeure.