Méthodes avancées Lattice-Boltzmann pour les turbomachines et l'hydrogène. – Liberty

Le projet développe un noyau LBM compressible hybride combinant un solveur cinétique pour les équations de Navier-Stokes compressibles et des schémas volumes finis pour l’énergie, les espèces chimiques et les autres scalaires transportés.

Plusieurs innovations méthodologiques sont développées : nouvelles conditions aux limites conservatives garantissant la conservation de la masse et de l’énergie, méthodes overset pour les systèmes tournants, nouvelles méthodes de frontières immergées adaptées aux écoulements compressibles avec chocs, modèles avancés de combustion turbulente, transport radiatif et développement de modèles multiphasiques compatibles avec de forts rapports de densité.

L’ensemble des développements est intégré au logiciel ProLB afin de faciliter leur transfert vers les partenaires industriels.

À mi-parcours, la chaire est pleinement opérationnelle avec l’ensemble des recrutements réalisés et une gouvernance active. Les quatre work packages ont produit leurs premiers résultats scientifiques.

Les principales avancées concernent le développement de nouvelles conditions aux limites conservatives, la mise au point de méthodes overset et immersed-boundary pour les solides mobiles, l’intégration de modèles de combustion turbulente et de transfert radiatif, ainsi que le développement de nouveaux modèles multiphasiques à pression consistante.

Ces travaux ont déjà conduit à plusieurs publications scientifiques, communications internationales et collaborations renforcées avec les partenaires industriels. La chaire a également organisé le colloque INCA 2024 et une école internationale LBM ayant réuni plus d’une centaine de participants issus d’une vingtaine de pays.

La seconde moitié de la chaire sera consacrée à la consolidation des développements méthodologiques, à leur validation sur des configurations industrielles représentatives et à leur intégration dans une plateforme de calcul unifiée.

Les travaux porteront notamment sur les lois de paroi conservatives, les simulations de systèmes tournants industriels, les brûleurs hydrogène bas carbone, les instabilités thermoacoustiques, les écoulements multiphasiques compressibles et les changements de phase. L’objectif final est de fournir aux partenaires industriels une plateforme de simulation capable d’accélérer le développement des futures technologies hydrogène.

Depuis le démarrage de la chaire, plusieurs publications scientifiques ont été produites ou soumises dans les domaines des méthodes Lattice Boltzmann compressibles, des conditions aux limites conservatives, des méthodes immersed-boundary, des écoulements multiphasiques et de la combustion hydrogène. Les résultats ont été présentés dans plusieurs conférences internationales et contribuent directement au développement du logiciel industriel ProLB.

La chaire a également permis la création de nouvelles collaborations nationales et internationales, l’organisation du colloque INCA 2024 ainsi que d’une école internationale consacrée aux méthodes Lattice Boltzmann. Les développements réalisés ont vocation à être transférés vers les partenaires industriels Airbus, Safran et Fives afin d’améliorer les outils de conception numérique des technologies bas carbone.

Liberty est un effort collaboratif dans le domaine de la mécanique des fluides numérique appliquée à la transition hydrogène. L’objectif est de développer des méthodes de Lattice-Boltzmann (LBM) efficaces pour la simulation de haute fidélité des écoulements réalistes multi-espèces et multi-physiques (e.g. aérodynamique, aéroacoustique, aérothermique et écoulements réactifs).

Le consortium se compose de quatre partenaires : le laboratoire M2P2 (AMU/CNRS/Centrale Marseille), deux fabricants aéronautiques (Airbus et Safran) et un fabricant de brûleurs (Fives-Pillard). Le candidat à la chaire est le Dr. Pierre Boivin (chercheur CNRS, CR-HDR), spécialiste de la combustion et sécurité H2 au M2P2.

Ces dernières années, les méthodes de Lattice-Boltzmann (LBM) sont devenues très incontournables pour les simulations industrielles à grande échelle d’écoulements isothermes, à faible Mach et non réactifs ; leur efficacité de calcul exceptionnelle et leur précision en géométrie complexe ne laissant plus de doute. Leur récente extension aux écoulements compressibles, thermiques et multi-espèces ouvre vers de nombreuses nouvelles applications, à explorer. Ces extensions sont cruciales dans le contexte de la transition vers l’hydrogène dans le domaine de l’énergie et du transport, au coeur des objectifs France 2030.

Le programme de recherche s’articule autour de quatre lots de travail (WP), chacun axé sur une difficulté scientifique majeure du développement de nouvelles technologies à base d’hydrogène :

WP1 traite de la modélisation physique et numérique des parois solides et des couches limites turbulentes, visant à résoudre les problèmes de conservation de masse et d’énergie, caractéristiques des approches cut-cell.

WP2 vise à modéliser les corps mobiles et déformables et à poser les bases de la simulation de la rupture des réservoirs d’hydrogène ou de la déflexion des grandes hélices.

WP3 aborde les problèmes de combustion et de sécurité pour les futures chambres de combustion à bas NOx d’hydrogène, avec une attention particulière sur le flashback et les instabilités de combustion.

WP4 explore la possibilité d’utiliser la LBM pour des écoulements multiphasiques à haut Reynolds et rapports de densité élevés (en dessous et au-dessus des conditions critiques), tels que ceux typiquement rencontrés dans le stockage cryogénique et haute pression de l’hydrogène