MONTHY
Aperçu
Understanding and MOdeling NOx formation in Turbulent HYdrogen flames
DR Pascale DESGROUX
Université de Lille, CNRS, UMR 8522 – PC2A
La combustion d’hydrogène est une source d’énergie prometteuse pour atteindre la neutralité carbone en 2050 dans de nombreuses applications, notamment les transports, les procédés industriels et la conversion d’énergie. Cependant, la combustion de l’hydrogène s’accompagne de niveaux élevés d’émissions d’oxydes d’azote (NOx).
Le projet MONTHY vise à mieux comprendre et modéliser la formation des oxydes d’azote dans les flammes turbulentes d’hydrogène et à identifier des solutions permettant de les réduire. Cette étape fondamentale permettra un transfert rapide vers les entreprises via le développement d’outils de Calcul Haute Performance (HPC) nécessaires à la conception des chambres de combustion à hydrogène de demain et ce pour des applications variées : propulsion aéronautique, production de chaleur à haute température utile à l’industrie, mobilité terrestre, fluviale ou maritime.
Le projet MONTHY vise à mieux comprendre et modéliser la formation des oxydes d’azote dans les flammes turbulentes d’hydrogène et à identifier des solutions permettant de les réduire. Cette étape fondamentale permettra un transfert rapide vers les entreprises via le développement d’outils de Calcul Haute Performance (HPC) nécessaires à la conception des chambres de combustion à hydrogène de demain et ce pour des applications variées : propulsion aéronautique, production de chaleur à haute température utile à l’industrie, mobilité terrestre, fluviale ou maritime.
Mots clés: NOx, H2, Combustion, Turbulence, Diagnostic, Laser, Simulation, cinétique
Actualités
Tâches
Nos recherches
Diagnostics expérimentaux
Un large arsenal de diagnostics de spectroscopie laser, dédiés à la mesure quantitative in-situ d’un grand nombre d’espèces chimiques impliquées dans la combustion de l’hydrogène dans l’air permettra de constituer une base de données détaillée et originale (i) pour clarifier la contribution respective des mécanismes cinétiques de formation de NO dans les flammes laminaires d’hydrogène et (ii) pour obtenir des cartographies instantanées de ces espèces et du champ hydrodynamique dans des flammes turbulentes d’hydrogène.
Calculs haute performance
Les données acquises expérimentalement permettront de valider un code de mécanique des fluides numérique. Un modèle de combustion turbulente Large Eddy Simulation (LES) capable de prédire la formation des NOx dans des flammes turbulentes sera développé. Les principaux défis de la modélisation sont d'optimiser un schéma réduit pour la chimie de l'azote et de développer le premier modèle hybride chimie/combustion valable sur différents régimes de combustion turbulente.
Réduction des NOx
Différentes voies de réduction des NOx seront explorées parmi lesquelles la dilution avec de la vapeur d’eau.
Le consortium :
3 laboratoires académiques
Des attendus scientifiques
Les attendus principaux visent à trouver des solutions afin de limiter les émissions secondaires de NOx lors de la combustion de l’hydrogène.
- Fourniture d’un schéma cinétique détaillé et réduit d’oxydation de H2 incluant la chimie des NOx destiné aux applications industrielles
- Fourniture d’un modèle de combustion turbulente LES pour la prédiction des NOx lors de la combustion de H2 en vue de couplage avec des codes semi-industriels de conception de chambres de combustion.
- Fourniture d’un schéma cinétique détaillé et réduit d’oxydation de H2 incluant la chimie des NOx destiné aux applications industrielles
- Fourniture d’un modèle de combustion turbulente LES pour la prédiction des NOx lors de la combustion de H2 en vue de couplage avec des codes semi-industriels de conception de chambres de combustion.
Impacts environnementaux
Le thème de MONTHY est étroitement corrélé à la décarbonation de la combustion ainsi qu’à la réduction des émissions de NOx nocives pour l’environnement.
Développement de compétences
Formation de 3 doctorants et 2 post-doctorants
Réalisations 2023
Le consortium a conçu un brûleur canonique novateur qui présente plusieurs avantages par rapport aux analogues existants : facilité d’interchangeabilité de diverses pièces permettant de changer les conditions de combustion (puissance, richesse, swirl, injection), larges accès optiques pour le déploiement des diagnostics laser, conditions aux limites contrôlées : une condition primordiale pour la simulation. Jusqu’à 30% de vapeur d’eau pourra être injecté permettant d’évaluer la pertinence d’une dilution contrôlée en vapeur d’eau pour l’abattement des NOx. Ce brûleur a été réalisé en deux exemplaires identiques. En parallèle un brûleur dédié aux études de flammes laminaires stabilisées à basse pression couplé également à un dispositif d’injection d’eau a été développé, et des premiers essais réalisés. Sur le plan de la modélisation, une première proposition de réduction des modèles à quelques réactions a été proposée en s’appuyant sur une étude bibliographique approfondie et des outils de chimie virtuelle.
