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Explosions d’hydrogène en milieux poreux topologiquement paramétrés : couplages fluide-solide et enjeux de sûreté

Défis technologiques Energie, thermique, combustion, écoulements Sciences pour l’ingénieur Solutions avancées pour l’hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique

Résumé du sujet

CONTEXTE

Futur atout de la transition bas-carbone, l’hydrogène reste un défi scientifique et sécuritaire de premier plan. Incolore et inodore, l’hydrogène fuit facilement, s’enflamme à basses concentrations et températures, et peut conduire à la propagation de déflagrations rapides ainsi qu’à des détonations, qui sont un type dangereux de combustion supersonique. Comprendre les mécanismes de transition d’une déflagration (flamme lente) vers la détonation (flamme supersonique accompagnée d’une onde de choc brutale) est donc indispensable à la sécurisation des installations de production d’hydrogène (électrolyseurs) ainsi qu’à l’industrie nucléaire. En effet, dans le scénario accidentel de perte de refroidissement et de fusion du cœur d’un réacteur, l’oxydation des gaines des crayons d’uranium peut mener à un dégagement d’hydrogène. C’est bien l’explosion subséquente qui a mené à la perte de confinement et au dégagement de matières radioactives à Fukushima et à Three Mile Island. La maîtrise du risque hydrogène est donc un des enjeux majeurs de la sûreté nucléaire.

Le mécanisme principal de la transition déflagration -> détonation est la présence d’obstacles le long du chemin de la flamme. Ces derniers vont générer de la vorticité, ce qui augmente la surface de la flamme et accélère l’onde réactive. Lorsque le nombre et l’encombrement des obstacles est suffisant, un effet d’emballement et de réflexions d’ondes peut mener à un couplage choc-réaction chimique : la détonation est née, se propageant à plusieurs kilomètres par seconde. Malheureusement, on ne peut éviter que les installations industrielles soient encombrées d’obstacles : tuyaux, bâtiments, machines, passerelles, structures… et présentent ce type de scénarios.

Inversement, un milieu très fortement encombré de type poreux peut, au contraire, étouffer une flamme trop rapide et permettre la transition inverse détonation -> déflagration, de nature moins dangereuse. Par exemple, on constate qu’une détonation peut être atténuée par le passage à travers une matrice poreuse ou lorsqu’un milieu poreux est placé le long des parois lors de la propagation dans un tube. Une question sécuritaire cruciale se pose alors : dans quelles circonstances un obstacle accélère ou ralentit une flamme ? Peut-on concevoir des milieux poreux qui arrêtent les flammes dangereuses ?

OBJECTIFS

Ce travail de thèse se propose d’aborder cette question sous trois angles :

1/ d’une part, via la préparation et la réalisation d’essais expérimentaux sur le banc d’essai d’explosions à hydrogène du CEA Saclay (SSEXHY). Entre autres, il s’agit :
- d’explorer différentes géométries pour les milieux poreux, en se basant sur des topologies paramétrables. Ces matrices poreuses seront ensuite imprimées en 3D via fabrication additive de métal ;
- de préparer l’instrumentation du banc d’essai d’explosions SSEXHY muni d’une section de visualisation via une technique de Schlieren couplée à une caméra ultra-rapide à plusieurs millions d’images par seconde ;
- de post-traiter les résultats des capteurs de choc, de pression et des photomultiplicateurs munis d’un filtre OH*.

2/ d’autre part, via des simulations numériques de type DNS ou LES sur des codes de calcul de recherche. On pourra par exemple s’intéresser :
- à l’influence de la géométrie des obstacles poreux (forme, porosité, diamètre hydraulique…) sur la vitesse de propagation de flamme et aux transitions déflagrationdétonation ;
- à l’influence du caractère 2/3D des poreux ;
- à la proposition de nouveaux critères de choix de niveau de raffinement de maillage pour la captation des phénomènes d’intérêt.

3/ enfin, une modélisation théorique du problème du point de vue des équations moyennées en volume pourra être menée, avec pour objectif le développement de modèles simplifiés et prédictifs sur le comportement des arrête-flammes poreux.

Laboratoire

Département de Modélisation des Systèmes et Structures
Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides
Laboratoire d’Instrumentation et Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermohydraulique
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