Étude de la stabilisation et de la dynamique de flammes hydrogène-air à injection directe en configurations linéaire et annulaire – FlyHy

L’aviation est actuellement responsable de 2% des émissions de CO2 mondiales mais son impact est croissant. A l’heure actuelle, et pour quelques années encore, la densité énergétique du stockage d’énergie par batterie demeure trop faible pour les applications aéronautiques commerciales; il faudra donc continuer à avoir recours à la combustion dans des turbomoteurs ou turboréacteurs qui ont l’avantage de présenter un excellent rapport poids-puissance. En conséquence, le combustible utilisé devra être décarboné. Parmi les différents candidats, le dihydrogène H2 présente des propriétés intéressantes : il peut être produit par électrolyse de l’eau sans émissions de CO2, possède un pouvoir calorifique massique élevé et ne contient pas de carbone, ce qui empêche la pollution de polluants tels que le monoxyde de carbone ou les particules de suie. Toutefois, la combustion de l’hydrogène dans une chambre de type aéronautique présente des challenges à relever. D’une part, sa haute vitesse de flamme rend l’utilisation d’un prémélange air-hydrogène sensible au phénomène de remontée de flamme qui peut poser des problèmes de sécurité. D’autre part, sa température de combustion relativement élevée peut favoriser la production d’oxydes d’azote (NOx), une espèce polluante toxique. En outre, les flammes peuvent être sujettes au phénomène d’instabilité thermo-acoustique durant lequel le dégagement de chaleur se couple avec l’acoustique de la chambre de combustion, créant un phénomène de résonance pouvant mener à l’extinction ou à la destruction du moteur.
Le projet FlyHy se propose d’apporter des briques pour lever ces verrous en étudiant la stabilisation de flammes hydrogène-air dans des configurations d’injection et des géométries adaptées à l’aéronautique. Pour cela, il repose sur une plateforme expérimentale, nommée X-ICCA, déjà présente au laboratoire EM2C. Cette plateforme est constituée de trois bancs expérimentaux de complexité croissante permettant de faire fonctionner le même système d’injection à différentes échelles. Le premier, SICCA, est basé sur un injecteur unique et permet d’étudier le comportement d’une flamme isolée. TICCA est constitué de trois injecteurs alignés pour fournir à la flamme centrale un environnement plus réaliste et étudier les interactions entre flammes. Enfin, MICCA reprend la forme annulaire des chambres de combustion aéronautiques et seize injecteurs sont mis en jeu. Ces trois bancs et ont été mis à profit pour des études sur des flammes propane-air prémélangées ainsi que sur des flammes issues de sprays de combustibles liquides proches du kérosène.
Le projet FlyHy est constitué de 4 tâches scientifiques. La première d’entre elles consiste à concevoir un injecteur basé sur le principe d’injection directe d’hydrogène et à le caractériser dans SICCA. La résistance aux remontées de flammes, la production de NOx et le comportement par rapport à des sollicitations acoustiques (à travers le concept de fonction descriptive de flamme, FDF) seront analysés. La seconde tâche a pour but d’étudier les éventuelles différences de stabilisation et de FDF dues à la présence de flammes environnantes. Elle se basera pour cela sur le banc TICCA en y plaçant le modèle d’injecteur développé en tâche 1. Les tâches 3 et 4 se basent sur le banc MICCA et pourront potentiellement être menées en parallèle. La troisième tâche concerne l’étude des instabilités thermo-acoustiques azimutales associées à la circonférence de la chambre de combustion. Celles-ci sont connues pour être particulièrement problématiques car leurs relativement basses fréquences font que les flammes y sont très sensibles. Les FDF mesurées en tâches 1 et 2 seront mises à profit pour concevoir des modèles bas-ordre susceptibles de prédire le déclenchement de telles instabilités. Enfin, la tâche 4 a pour but d’étudier le phénomène d’allumage circulaire qui permet à la flamme de se propager d’injecteur en injecteur lors de l’allumage d’une chambre de combustion.