Résumé technique : Étude de simulation numérique sur le processus d'allumage d'une chambre de combustion à micro-mélange diffus de l'hydrogène

Énoncé du problème

Dans le cadre de l'objectif stratégique du « double carbone », l'hydrogène est de plus en plus considéré comme un composant critique pour la transformation des structures énergétiques des moteurs d'aviation. Cependant, la haute réactivité, la faible énergie d'allumage et la large plage d'inflammation de l'hydrogène présentent des défis de sécurité importants, particulièrement dans les espaces confinés des chambres de combustion. L'allumage dans de tels environnements comporte un risque élevé de surpression (définie dans cette étude comme une augmentation de pression locale dépassant 5 % de la pression initiale) et d'explosion potentielle. Bien que la technologie de combustion à micro-mélange diffus offre une solution en divisant les flammes en micro-régions pour améliorer le mélange et réduire les émissions, la recherche concernant les risques d'allumage spécifiques et les caractéristiques d'explosion de l'hydrogène pur dans ces espaces confinés demeure dans une « phase de vide ». La littérature existante se concentre principalement sur les carburants dopés à l'hydrogène ou les scénarios de fuite non confinés, laissant une lacune dans la compréhension de la dynamique d'allumage des chambres à micro-mélange d'hydrogène pur sous diverses stratégies d'injection et d'allumage.

Méthodologie

L'étude utilise une approche de simulation numérique via le logiciel ANSYS-FLUENT pour étudier le processus d'allumage d'une chambre de combustion à micro-mélange diffus d'hydrogène.

• Modèle physique : Le domaine de simulation est basé sur une extension de la structure d'un injecteur tridimensionnel unique de l'Université de Cranfield, comprenant une chambre de combustion de 260 mm de long, une section de convergence de queue de 70 mm et six ensembles d'injecteurs (chaque ensemble possédant des entrées d'air et d'hydrogène).
• Configuration numérique :
  • Algorithme : Algorithme couplé (Coupled) de type vitesse-pression.
  • Modèle de turbulence : Sélectionné sur la base des recherches antérieures de Yilmaz Harun et al., garantissant la précision pour la combustion de l'hydrogène.
  • Modèle de combustion : Concept de dissipation d'Eddy (EDC) pour capturer les réactions chimiques dans le flux turbulent.
  • Chimie : Mécanisme de réaction de l'hydrogène complexe d'ÓConaire (10 composants, 21 étapes de réaction).
• Conditions aux limites : Le rapport d'équivalence est fixé à 0,4. Les conditions d'entrée comprennent une température d'air totale de 422 K et une pression de 243,47 kPa. La source d'allumage est modélisée comme une source de chaleur à haute température (2000 K, rayon de 3 mm).
• Critère de sécurité : Se référant à la norme GB/T 42368-2023, une explosion est considérée comme survenant si le rapport de pression instantané ($P_r = P_m / P_{t3}$) atteint ou dépasse 1,05.
• Vérification : L'indépendance du maillage a été vérifiée à l'aide de maillages structurés de 0,2 mm, 0,3 mm et 0,5 mm. Le maillage de 0,3 mm a été sélectionné car il fournissait des résultats cohérents avec le maillage de 0,2 mm tout en respectant les exigences de précision.

Principales contributions et résultats

L'étude analyse systématiquement les caractéristiques de combustion et d'explosion sous différents moments d'injection-allumage (remplissage stable, fin de remplissage, demi-remplissage) et différentes charges de départ (conditions de fonctionnement à pleine charge, 1/2 et 2/3).

1. Temps d'allumage et homogénéité du mélange

• Remplissage stable (Temps A) : Sous un remplissage stable, la flamme se propage relativement de manière fluide mais subit un retour de flamme au stade initial. Des événements de surpression se produisent, avec la pression de pointe la plus élevée ($P_r = 1,185$) apparaissant à $t = 75,5$ ms près des sorties d'hydrogène des injecteurs ④ et ⑤.
• Fin de remplissage (Temps B) : L'allumage en fin de remplissage entraîne un mélange hautement non uniforme avec des gradients de concentration. Cela conduit à une séparation de la flamme et à des risques de surpression nettement plus élevés par rapport au remplissage stable. Le pic de pression le plus élevé a atteint $P_r = 1,48$ à $t = 194,98$ ms dans la conduite de l'injecteur ①.
• Demi-remplissage (Temps C) : Cette condition présente le champ de flux le plus instable, avec de l'air pur dans la seconde moitié de la chambre. L'allumage ne parvient pas à établir une connexion de flamme, et la flamme tend à s'éteindre (blow out). Le risque de surpression est le plus élevé ici, avec une pression de pointe de $P_r = 1,54$ à $t = 207,47$ ms. L'étude conclut que l'allumage au temps de demi-remplissage est dangereux et peu fiable.

2. Charges de départ et stratégies d'injection

• Condition de fonctionnement à pleine charge : Présente des risques de surpression modérés avec des retours de flamme fréquents.
• Condition de fonctionnement à 1/2 charge : La réduction du nombre d'injecteurs actifs (uniquement la moitié inférieure) diminue la température moyenne et la chaleur de réaction, mais augmente paradoxalement le nombre et l'amplitude des surpressions en raison de l'instabilité du champ de flux.
• Condition de fonctionnement à 2/3 charge : L'utilisation des quatre injecteurs centraux avec une position d'allumage symétrique (Position d'allumage 2) réduit considérablement les risques. L'amplitude moyenne de pulsation de pression chute à 0,6 de kPa, et un seul événement mineur de surpression ($P_r = 1,072$) se produit, attribué à une concentration de contrainte géométrique spécifique près de l'injecteur ④.

3. Schéma d'allumage optimal

L'étude identifie une stratégie d'allumage séquentielle spécifique comme la solution optimale :

1. Ouvrir uniquement les deux injecteurs d'hydrogène centraux (③ et ④) pour établir une flamme stable et symétrique.
2. Après 50 ms, ouvrir les injecteurs adjacents (② et ⑤) pour étendre la combustion.
   Résultats : Cette approche symétrique et échelonnée élimine entièrement les phénomènes de retour de flamme pendant la période de détection. Aucun événement de surpression ($P_r \geq 1,05$) n'a été observé. La chaleur de réaction et les fluctuations de pression restent fluides, et la flamme se propage de manière stable sans les oscillations violentes observées avec les stratégies asymétriques ou non séquentielles.

Signification et affirmations

L'article affirme fournir le premier support théorique pour l'allumage sûr et fiable des chambres de combustion à micro-mélange de carburant hydrogène de l'aviation chinoise, comblant un vide de recherche auparavant inexploré.

• Mécanisme de surpression : L'étude précise que la surpression est directement corrélée au retour de flamme. Elle se produit lorsque les hautes températures locales dues au retour de flamme rencontrent des arêtes, des coins, des marches d'injecteurs et des parois, provoquant une accumulation de pression.
• Rôle de l'homogénéité : La recherche démontre que l'inhomogénéité du mélange, un temps d'allumage inapproprié et des conditions d'injection asymétriques sont les principaux moteurs de l'augmentation de la fréquence et de l'amplitude de la surpression.
• Recommandation pratique : Les auteurs concluent que la réduction du nombre de ports d'injection d'hydrogène sous des conditions symétriques est une méthode efficace pour atténuer la surpression. Plus précisément, le schéma d'allumage « les deux du milieu d'abord, puis expansion » est proposé comme la stratégie optimale pour minimiser l'instabilité de combustion et les risques d'explosion.

L'étude souligne que, bien que la condition de charge de 2/3 avec injection symétrique réduise le risque, l'allumage séquentiel des deux groupes centraux suivi d'une expansion offre le processus le plus stable avec le plus faible risque de surpression, prévenant efficacement les conditions menant aux explosions d'hydrogène dans les chambres à micro-mélange confinées.