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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS0201 -

Entraînement et Mélange de fluides hétérogènes dans un Réacteur COnfiné à COntre-courant – EMCO2Re

EMCO2Re

Entraînement et Mélange de fluides hétérogènes dans un Réacteur COnfiné à COntre-courant

ENJEUX ET PROBLEMATIQUE, ETAT DE L’ART

La production d'énergie électrique est l'une des questions majeures dans le contexte des développements économiques éco-responsable. Selon le ministère américain de l'énergie, d'ici 2040, le gaz naturel (pour les turbines à gaz) et les énergies renouvelables seraient les deux premiers types de combustible pour la production d'électricité. Le gaz naturel et les énergies renouvelables verraient leur contribution à la production d'électricité augmenter de 15 et 30 %, respectivement. Les autres ressources actuelles (nucléaire, charbon, liquides) verraient leur contribution diminuer. Par conséquent, pour répondre à la demande d'énergie électrique, surtout lorsqu'il s'agit de faire face aux fluctuations de l'approvisionnement énergétique inhérentes aux sources d'énergie renouvelables, les turbines à gaz constituent une solution fiable. Cependant, une grande variabilité dans leurs conditions de fonctionnement entraîne un niveau élevé d'émissions polluantes et des risques élevés de dommages. <br /> <br />La combustion en régime dilué (par exemple MILD - Moderate or Intense Low oxygen Dilution) semble être un procédé propice aux turbines à gaz pour garantir de faibles niveaux d'émissions dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Dans ce régime, le combustible est mélangé à un air fortement dilué et chauffé pour créer une zone de réaction spatialement répartie avec une température de pointe réduite. Les réacteurs COnfined COunterflow (CO²Res) ont été conçus dans le but de fournir les caractéristiques d'écoulement les plus favorables à la combustion MILD. Par conséquent, ils peuvent être considérés comme la référence idéale pour les études de recherche visant à apporter la percée technologique nécessaire pour : i) améliorer l'efficacité et ; ii) réduire les émissions de polluants dans les applications de combustion MILD. <br /> <br />Pour optimiser la combustion MILD, le mélange rapide et efficace des réactifs avec les gaz d'échappement est obligatoire. Ce dernier n'est pas seulement un problème technique, mais le manque de connaissances théoriques sur le mélange turbulent dans de telles configurations d'écoulement de fluides complexes est clairement souligné (Kruse et al. 2015). Ce régime de combustion est a priori caractérisé par une compétition entre les échelles de temps de mélange et de chimie avec une forte influence des effets de diffusion différentielle (Christo et Dally, 2005, Cavaliere et de Joannon 2004). Elle diffère donc radicalement des flammes de jet conventionnelles pour lesquelles les modèles mathématiques prennent généralement en compte une chimie rapide et des effets de diffusion différentielle négligeables.

Le problème du mélange turbulent de jets hétérogènes –viscosité, densité, diffusivité différentielle- doit être abordé sous l'angle de la recherche fondamentale pour surmonter les obstacles scientifiques et techniques afin d'optimiser les procédés MILD. Les objectifs principaux sont centrés sur l'étude de la préparation du mélange et des échelles de temps caractéristiques de telles applications. Les interactions entre les fluides - à travers l'interface du jet - aux dynamiques différentes et aux propriétés thermochimiques variables sont d'une importance majeure. Le projet est abordé sous trois angles expérimental, numérique et analytique qui explorent les mélanges de fluides hétérogènes.

Dans ce programme, on s’intéressera à un jet débouchant dans un ambiant. Ce dispositif peut sembler loin des technologies à contre-courant, mais a néanmoins l’avantage d’être un dispositif simple, sans pour autant être simpliste. Par ailleurs, le dispositif expérimental présente l’avantage de faciliter comparer les résultats avec la littérature. En parallèle, un réacteur à contre-courant a été dimensionné et confectionné. Une étude de tomo PIV 3D a été menée afin de caractériser l’interaction entre le jet central et le jet de retour.

Dans cette étude, nous avons regardé les effets sur le mélange de fluides aux propriétés thermo physiques variables. Le projet a été mené en considérant trois angles d’attaque : expérimental, numérique et analytique.
L’étude du jet physique a permis de montrer différents régimes de mélange attribués aux effets de la densité. Par ailleurs l’étude des statistiques conditionnées à l’interface à mis en exergue cet effet de densité variable à l’endroit ou nait la turbulence.
L’étude sur le jet temporel à diffusion massique et viscosité variable a montré l’importance des paramètres thermo physiques sur le mélange, notamment concernant les termes de dissipation scalaire et d’énergie cinétique. Ces termes sont des paramètres clefs pour la modélisation du mélange.

Montage de projets

2 sujets d’étude avec ITV RWTH Aachen University, Allemagne
• Numérique : DNS et LES
• Expérimental : Mesures Couplées PIV/ LIF

1 RIN Hybrid, Effet de la Diffusion Différentielle sur les mélange H2/CO2

1. M. Gauding, M. Bode, Y. Brahami, E. Varea, L. Danaila, Self-similarity of turbulent jet flows with internal and external intermittency,, Journal of Fluid Mechanics, 2021.
2. M. Gauding, M. Bode, D. Denker, Y. Brahami, L. Danaila, E. Varea, On the combined effect of internal and external intermittency in turbulent non-premixed jet flames, Proceedings of the Combustion Institute 000, 1–8, 2020
3. L. Danaila, Y. Brahami, E. Varea, M. Gauding, On the scalar-dissipation rate in a temporal jet flow with variable viscosity and mass diffusivity, APS Division of Fluid Dynamics, 2020.
4. M. Gauding, M. Bode, D. Denker, Y. Brahami, L. Danaila, E. Varea, The combined effect of internal and external intermittency in turbulent jet flows, APS Division of Fluid Dynamics, 2020.
5. Y. Brahami, M. Gauding, D. Denker, E. Varea, L. Danaila, Turbulent mixing in variable-density helium-air jet, 17th European Turbulence Conference, 2019.
6. M. Gauding, D. Denker, Y. Brahami, E. Varea, L. Danaila, Internal and external fluctuations in a turbulent non-premixed planar flame, 17th European Turbulence Conference, 2019.
7. Consumption speed determination from spherically expanding flames, E. Varea, B. Renou, Laminar Burning Velocity Workshop, Lisbon, Portugal, 2019.
8. Y. Brahami, J.H. Goebbert, E. Varea, L. Danaila, M. Gauding, Conditional statistics of turbulent flows with variable viscosity, John Von Neumann Institut for Computing Symposium, 2018.
9. E. Varea, H. Larabi, A. Lefebvre, V. Modica, G. Lartigue, V. Moureau, B. Renou, Determination of spatially averaged consumption speed from spherical expanding flame. A new experimental methodology, International Symposium on Combustion, Dublin, Ireland, 2018.
10. Y. Brahami, E. Varea, M. Gauding, L. Voivenel, L. Danaila, On mass entrainment in variable thermophysical property round jets, International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon (Portugal), 2018.
11. Conditional and conventional statistics of variable viscosity jet flows, Y. Brahami, M. Gauding, L. Danaila, E. Varea, 11th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing, Japan, 2017.

Les écoulements à densité variable sont présents dans de nombreux processus comme les écoulements magmatiques ou la dispersion des polluants (fumées) par exemple. De même, dans la plupart des systèmes de production d’énergie où une réaction chimique exothermique a lieu, les réactifs sont injectés sous une forme non pré-mélangée. Ceci impose alors un mélange partiel ou total des fluides hétérogènes (avec les gaz brûlés) avant oxydation.
Cette étude vise à analyser, comprendre et modéliser dans le but de prédire les écoulements complexes hétérogènes. Ici, on s’intéressera au cas de jets dans des réacteurs confinés à contre-courant : COnfined COunterflow Reactors (CO²Res). Ces réacteurs sont représentatifs des brûleurs de type « combustion sans flamme » (MILD combustion). Dans ce type de réacteurs, l’air et le carburant sont injectés via des buses concentriques et sont évacués, dans le plan d’injection. Cette configuration assure en interne un fort taux de recirculation entre des fluides aux propriétés (température, viscosité, densité) différentes. Dans le cas idéal, une combustion volumétrique s’opère et de très faibles émissions polluantes sont observées. Afin d’optimiser ces réacteurs, un mélange rapide et efficace (i.e. qui occupe un maximum du volume disponible) entre les gaz frais et les gaz brûlés est essentiel. Cependant, le manque de connaissance sur le mélange turbulent, sa ‘qualité’ et le temps caractéristique des différents phénomènes engendrés, dans ce type de configuration empêche le développement de réacteurs plus efficaces.
L’étude sera menée de front sur trois composantes 1/analytique, 2/expérimentale et 3/numérique dans lesquelles les partenaires scientifiques impliqués dans le projet sont experts.

L’objectif de l’étude ainsi que les résultats attendus sont décrits dans les 3 points ci-dessous.

i/ Analyser la topologie des champs dynamique et de scalaire (actif) afin de déterminer les grandeurs caractéristiques des écoulements de type CO²Re. On s’intéressera particulièrement aux échelles intégrales, aux micro-échelles, ainsi qu’à la distribution d’énergie (statistiques en un point et deux points). Une nouvelle approche basée sur la technique des ‘dissipation elements’ sera mise en place pour analyser la topologie du jet. Pour chaque configuration envisagée, on s’attachera à établir les fonctions de densité de probabilités vitesse-mélange (fluctuantes) ainsi que le taux global d’entrainement. Différentes définitions et méthodes de calculs du taux d’entrainement seront testées et comparées.

ii/ Comprendre le mélange turbulent et la phénoménologie de l’entrainement s’opérant entre le jet central turbulent et l’écoulement de retour principalement irrotationnel. Cette interface est connue sous le nom d’interface Turbulent/Non-Turbulent (T/NT). Cette partie est particulièrement novatrice car seules des études sur l’interface T/NT de fluides homogènes ont été étudiés précédemment (même densité, viscosité ou température).

iii/ Modéliser les écoulements complexes. Les calculs LES sont basés sur des modèles sensés reproduire la physique des écoulements. Lorsque des conditions non-homogènes sont étudiées, la validité des modèles est remise en cause. En ces termes, les résultats issus de i/ et ii/, associés à des simulations numériques directes (DNS), permettront d'établir des modèles de mélange turbulents validés pour des configurations hétérogènes.
Les résultats de l’étude aura comme impact sur la compréhension et la prédiction des polluants (NOx, CO, imbrulés) des processus industriels liés à la production d’énergie. C’est dans ce contexte que le pôle de compétitivité MOV’EO, la branche recherche de SNECMA (future collaboration) et la Région Haute Normandie (via une attribution bourse de thèse) soutiennent le projet.

Coordinateur du projet

Monsieur emilien varea (CORIA UMR6614)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CORIA CORIA UMR6614
UPMC Institut Jean Le Rond d'Alembert

Aide de l'ANR 236 811 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 36 Mois

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