Description du sujet de thèse

Au CNRS, sur le site du Futuroscope, l'Institut Pprime recrute un Doctorant ou une Doctorante dans le cadre d'une initiative de recherche collaborative financée par l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) et la DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft), impliquant les équipes Combustion Turbulente et Acoustique-Aérodynamique-Turbulence de l’Institut Pprime, ainsi que le Laboratoire des Instabilités et de la Dynamique des Écoulements de TU Berlin.
Ce poste concerne une thèse de doctorat financée par l’ANR dans le cadre de DECRESCENDO, axée sur la simulation haute fidélité et l’analyse de la dynamique des flammes et du son généré par les flammes dans des situations de combustion pauvre en hydrogène.

La thèse de doctorat proposée porte sur : (i) la simulation numérique haute fidélité de flammes hydrogène/air, et (ii) l’analyse des bases de données résultantes afin de développer des modèles simplifiés capturant la dynamique des flammes et le son généré par celles-ci. Ces modèles seront utilisés pour concevoir et valider des méthodes d’identification des sources sonores, qui viendront ensuite soutenir des investigations expérimentales, menées sur un brûleur annulaire (Figueira da Silva, 2024). Les résultats de cette étude révèlent un couplage entre l’instabilité thermo-diffusive des flammes et la génération de bruit. La thèse de doctorat portera sur la génération et l’analyse de bases de données issues de simulations numériques haute fidélité de flammes à l’hydrogène, dans des conditions comparables à celles considérées expérimentalement.
Les calculs seront réalisés à l’aide du solveur interne CREAMS (Martinez-Ferrer et al., 2014 ; Boukharfane et al., 2018), qui résout les équations de Navier-Stokes compressibles pour des écoulements réactifs multi-composants. CREAMS est couplé aux bibliothèques CVODE et EGLIB, ce qui permet l’utilisation de modèles avancés pour la chimie détaillée et le transport
Des simulations DNS préliminaires de flammes planes seront réalisées afin d’évaluer les choix de : (i) la modélisation du transport moléculaire, et (ii) du schéma cinétique chimique. Concernant ce dernier, la pertinence de schémas chimiques simplifiés et optimisés (Le Boursicaud et al., 2022) sera testée comme solution potentielle de réduction du coût de calcul.
D’un point de vue plus général, les simulations viseront à reproduire des effets caractéristiques des flammes hydrogène-air, tels que : l’augmentation de la consommation de carburant induite par les instabilités thermo-diffusives (Berger et al., 2022 ; Berger et al., 2023), ou des niveaux de température supérieurs à l’équilibre causés par un enrichissement local en carburant du mélange (Gicquel et al., 2004).
Parallèlement à la génération des données, des outils de post-traitement dédiés seront utilisés pour la réduction des données et le développement de modèles simplifiés des processus clés à l’origine de la génération sonore (Cavalieri et al., 2019). Le post-traitement comprendra les décompositions modales ainsi que l’identification des sources sonores par des méthodes inverses (utilisant le champ acoustique pour déduire les caractéristiques des mécanismes de génération du son).

- COMPÉTENCES REQUISES :
Le candidat ou la candidate devra être titulaire d’un diplôme de master et/ou ingénieur.
Des compétences sont attendues dans les domaines de la mécanique des fluides, la programmation, la simulation numérique, l’analyse de stabilité et le traitement de signal.
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* RÉFÉRENCES :
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L. Berger, A. Attili, H. Pitsch, Intrinsic instabilities in premixed hydrogen flames: parametric variation of pressure, equivalence ratio, and temperature. Part 2 – Non‐linear regime and flame speed enhancement, Combustion and Flame, 240 (2022) 111936
L. Berger, M. Grinberg, B. Jürgens, P.E. Lapenna, F. Creta, A. Attili, H. Pitsch, Flame fingers and interactions of hydrodynamic and thermodiffusive instabilities in laminar lean hydrogen flames, Proceedings of the Combustion Institute, 39 (2023) 1525-1534
R. Boukharfane, F. Ribeiro, Z. Bouali, A. Mura, A combined ghost-point-forcing / direct- forcing immersed boundary method (IBM) for compressible flow simulations, Computers & Fluids, 162 (2018) 91-112
A.V.G. Cavalieri, P. Jordan, L. Lesshafft, Wave-packet models for jet dynamics and sound radiation, Applied Mechanics Reviews, Vol. 71(2019) 080702
O. Gicquel, D. Thévenin, N. Darabiha, Influence of diffusion on super-equilibrium temperature in turbulent non-premixed hydrogen/air flames, Flow Turbulence and Combustion 73 (2004) 307-321
P.J. Martinez Ferrer, R. Buttay R., G. Lehnasch, A. Mura, A detailed verification procedure for compressible reactive multicomponent Navier-Stokes solver, Computers and Fluids, 89 (2014) 88-110
A. Mura, A. Techer, G. Lehnasch, Analysis of high-speed combustion regimes of hydrogen jet in supersonic vitiated airstream, Combustion and Flame, Vol. 239 (2022) 111552
L.F. Figueira da Silva, Stochastic characterisation of unstable lean hydrogen–air annular premixed flames, Combustion Theory and Modelling, Vol. 28 (2024) 317-343
M. Le Boursicaud, L. Carbajal Carrasco, Z. Bouali, A. Mura, Optimized two-step (OTS) chemistry model for the description of partially premixed combustion, Combustion and Flame, 245 (2022) 112287

Contexte de travail

Le projet DECRESCENDO adresse les défis liés à la combustion pauvre en hydrogène, avec un focus sur les phénomènes acoustiques générés par des flammes hydrogène/air en régime ultra-pauvre. Contrairement à d'autres projets en cours traitant des instabilités thermoacoustiques des flammes en environnement confiné, celui-ci se concentre sur les causes fondamentales du bruit direct de combustion, et se limite donc aux flammes non confinées en régime transitionnel ou turbulent.

Le Doctorant sera basé à l’Institut Pprime sur le site de l’ISAE-ENSMA (pprime.fr).



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.

Contraintes et risques

- Inscription à l'Ecole Doctorale : ED-MIMME
- Des déplacements de courte durée, en France et à l'étranger, sont à prévoir dans le cadre d’échanges collaboratifs et de conférences.