Etude expérimentale et numérique de la combustion H2 assistée par plasma – JETHPAC

Un défi majeur pour notre société est d'assurer l'accès à une énergie fiable ayant un faible impact sur le climat et l'environnement. À cette fin, l'hydrogène (H2) produit de manière durable est une alternative aux combustibles fossiles utilisés aujourd'hui, qui émettent du dioxyde de carbone. Cependant, l'utilisation de l'H2 comme carburant nécessite l'adaptation des chambres de combustion actuelles afin de maximiser le rendement, limiter les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et garantir la sécurité. Les réglementations en matière d'émissions de NOx exigent l'utilisation d'une combustion prémélangée pauvre ou ultra-pauvre pour l'H2, ce qui pose des problèmes d'allumage et de stabilité de la flamme. L'objectif de ce projet est de développer l'utilisation de décharges plasma dans les mélanges H2, qui est un excellent moyen pour i) garantir un allumage rapide après l'injection de H2 dans la chambre de combustion, et ii) contrôler
les instabilités de la combustion.
Au cours des vingt dernières années, les décharges de plasma hors équilibre (NEP), y compris les décharges à impulsions répétitives nanosecondes (NRPD), ont été étudiées par la communauté scientifique pour contrôler la combustion dans les mélanges d'hydrocarbures et d'air. De nombreux travaux démontrent aujourd'hui leur capacité à maintenir une combustion pauvre et à atténuer les instabilités de combustion. Les NRPD peuvent également être utilisées pour allumer efficacement un mélange sans ajout important de chaleur, grâce à des espèces radicalaires très réactives qui initient l'oxydation du carburant à basse température. Cela permet d'assurer un allumage progressif et fiable des mélanges combustibles, sans augmentation trop importante de la pression et sans risque de détonation.
Bien que l'efficacité des NRPD ait été démontrée pour les mélanges d'hydrocarbures, leur utilisation dans des systèmes complexes entièrement ou partiellement alimentés en H2 reste à étudier. Sur la base d'expériences menées à l'ETH Zürich et de simulations numériques réalisées au CERFACS, des questions à la fois fondamentales et pratiques seront étudiées dans ce projet. Tout d'abord, les effets des décharges NRPD dans les mélanges contenant du H2 seront établis dans une configuration canonique d'écoulement en canal. Sur la base de ces connaissances, les paramètres des décharges seront déterminés afin d'optimiser l'allumage par création de radicaux à partir du plasma. Nous étudierons ensuite expérimentalement et numériquement les effets des décharges NRPD dans une configuration complexe réaliste, proche d'un système industriel. Nous étudierons à la fois l'allumage et le contrôle des instabilités de combustion. Les calculs tridimensionnels des configurations fourniront des informations essentielles pour la compréhension de la physique associée. De nouveaux modèles phénoménologiques pour la physique des plasmas seront dérivés afin de rendre possible le calcul de configurations complexes, ce qui permettra de surmonter le coût énorme de la simulation couplée plasma-combustion.
Ce projet de recherche fournira des connaissances pour la conception de systèmes NRPD, en tirant parti de la combustion de l'hydrogène en régime pauvre pour permettre l'utilisation de ce carburant sans carbone dans les systèmes de combustion. Pour cette raison, le projet pourra avoir un impact très important sur la production d'énergie et les transports.