Description du sujet de thèse

Contexte.

La technologie des turbines à gaz (GT) pour la production d'électricité est et sera nécessaire àmoyen et long terme pour compenser la production intermittente des sources d'énergie renouvelables. Les turbines à gaz fonctionnent depuis des décennies avec du gaz naturel (GN) et d'autres combustibles fossiles. Selon l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les centrales thermiques industrielles ont représenté 14 % des émissions mondiales de CO2 liées à l'énergie en 20192. Pour réduire l'empreinte des émissions de gaz à effet de serre (GES) et leur impact sur le climat, la prochaine génération de GT doit pouvoir brûler en toute sécurité des combustibles sans carbone. L'hydrogène et l'ammoniac sont les principaux carburants décarbonés envisagés pour remplacer le gaz naturel. Alors que l'H2 pur favorise le retour de flamme et les instabilités de combustion, les flammes d'ammoniac induisent des problèmes de stabilisation et produisent des oxydes d'azote. Les mélanges d'ammoniac et d'hydrogène constituent une solution intéressante pour combiner les avantages des deux carburants tout en atténuant leurs limites. Il existe cependant un manque important de connaissances concernant la dynamique de combustion des mélanges NH3/H2, ce qui limite le potentiel de leur utilisation dans des applications industrielles pratiques.

Description du sujet:

Les études de doctorat seront menées dans le cadre du projet européen collaboratif ACHIEVE (https://www.zabala.eu/projects/achieve/). L'objectif principal est de développer de nouveaux outils de calcul pour améliorer la capacité prédictive de la CFD haute fidélité des mélanges H2 non conventionnels.

Le doctorant se concentrera d'abord sur la simplification de la chimie de la combustion des mélanges NH3/H2, car l'utilisation directe d'un schéma chimique détaillé est trop coûteuse pour réaliser une simulation LES sur des configurations réelles. La méthodologie s'appuiera sur la méthode de chimie virtuelle développée au laboratoire EM2C, qui consiste à introduire des espèces et des réactions virtuelles dont les propriétés thermodynamiques et chimiques sont optimisées par des algorithmes d'apprentissage automatique pour récupérer les propriétés de flammes de référence rassemblées dans une base d'apprentissage. Les réactions élémentaires entre les espèces virtuelles ne représentent pas des processus chimiques réels mais forment une architecture mathématique conçue pour reproduire des cibles définies par l'utilisateur

Le doctorant optimisera un mécanisme virtuel pour prédire le dégagement de chaleur, la vitesse de consommation et la formation de NOx dans les flammes NH3/H2/Air. Il s'agit d'abord de concevoir un mécanisme principal pour prédire le dégagement de chaleur et la vitesse de consommation, en tenant compte des effets de diffusion différentielle à l'aide d'une base de données d'apprentissage de flammes avec une chimie détaillée. Les constantes de vitesse cinétiques et le nombre d'espèces de Lewis seront optimisés à l'aide de l'apprentissage automatique. Deuxièmement, un sous-mécanisme satellite virtuel sera conçu pour prédire la formation de NOx, en optimisant les espèces et les réactions à l'aide d'une nouvelle stratégie basée sur la méthodologie CSP.

Dans un second temps, la méthodologie de chimie virtuelle sera mise en œuvre dans un code CFD. Un modèle de combustion turbulente sera développé pour cela. En particulier, un modèle analytique de plissement de flamme sera amélioré pour capturer l'impact de la diffusion différentielle sur les interactions de la turbulence de la flamme. Cette stratégie numérique sera testée sur des brûleurs prémélangés expérimentés à l'Université de Delft, dans le cadre du projet ACHIEVE. L'accent sera d'abord mis sur la capacité de la stratégie de chimie virtuelle à capturer les instabilités intrinsèques résolues et non résolues de la flamme causées par la diffusion différentielle. Ensuite, les performances du mécanisme satellite de réduction des NOx seront examinées en comparant les solutions numériques aux données numériques.

Contexte de travail

Le laboratoire EM2C (CNRS/INSIS et Université Paris-Saclay/CentraleSupélec http://em2c.centralesupelec.fr/), par ses recherches académiques de haut niveau sur l'énergie et la combustion et ses études appliquées en partenariat avec les entreprises ou les centres de recherche les plus en vue dans le domaine des transports et de l'énergie, contribue de manière significative à l'avancée des connaissances sur ces enjeux critiques, tant pour le climat que pour l'environnement. Pour répondre à ces enjeux, les activités de recherche du laboratoire s'organisent autour de trois axes intitulés Combustion, Plasmas hors d'équilibre, Physique des transferts, et d'une action transversale en Mathématiques appliquées. Vous serez inclus dans l'axe Combustion et plus précisément dans le groupe Propulsion aéronautique. En tant que doctorant, vous serez inscrit à l'école doctorale SMEMAG (SCIENCES MÉCANIQUES et ÉNERGÉTIQUES, MATÉRIAUX et GÉOSCIENCES).

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.