Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

Alors que le monde cherche à s'éloigner des combustibles fossiles, les turbines à gaz sont sollicitées pour faire quelque chose pour lequel elles n'ont jamais été conçues : brûler de l'hydrogène aux côtés du gaz naturel. L'hydrogène est un combustible propre qui ne produit pas de dioxyde de carbone lorsqu'il brûle, mais il est aussi incroyablement réactif. Mélangé à l'air, il brûle si rapidement et avec une telle intensité qu'il peut provoquer un retour de flamme dans l'alimentation en combustible ou créer des points chauds intenses et localisés qui génèrent des oxydes d'azote nocifs. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont développé un concept appelé combustion micromélange (micromix combustion). Au lieu d'une seule grande flamme, cette approche utilise des centaines de minuscules canaux pour créer un vaste champ de flammes microscopiques. En divisant le combustible et l'air en petits jets séparés, le mélange se produit presque instantanément, empêchant la formation de points chauds et maintenant les émissions à un niveau bas. Cependant, pour que ce système fonctionne, le combustible et l'air doivent être mélangés avec une précision extrême avant même de s'enflammer. Si le mélange est inégal, les avantages des minuscules flammes disparaissent.

Une équipe de chercheurs du National Energy Group de Chine et d'instituts de recherche s'est donné pour mission de perfectionner la conception de la buse qui délivre ce mélange. Leur objectif était de trouver la meilleure façon de disposer les trous par lesquels l'air pénètre dans la buse afin de garantir qu'il se mélange parfaitement avec le combustible composé d'hydrogène et de méthane. Ils n'ont pas construit de prototype physique pour tester en laboratoire ; ils ont plutôt utilisé de puissantes simulations informatiques pour modéliser le flux de gaz. Ces simulations leur ont permis d'observer comment l'air et le combustible interagissent à l'intérieur de la buse, en suivant la façon dont les gaz tourbillonnent, entrent en collision et se mélangent sous différentes conditions. Les chercheurs se sont concentrés sur un type spécifique de buse où l'air entre par les parois latérales et entre en collision avec le combustible provenant du bas, créant un environnement turbulent qui force les deux gaz à se rejoindre.

L'équipe a commencé par tester comment le nombre de trous d'air affectait le processus de mélange. Ils ont comparé un design simple avec une seule couche de quatre trous à des arrangements plus complexes comprenant huit et douze trous. Ils ont découvert que l'ajout de couches de trous créait une réaction en chaîne de courants d'air tourbillonnants. Lorsque l'air jaillit des côtés, il bloque la trajectoire ascendante du combustible, forçant celui-ci à tourbillonner et créant un vortex, ou une poche d'air tournante, près du fond. Avec une seule couche de trous, ce mouvement de rotation s'atténue rapidement. Mais avec deux ou trois couches, l'air des trous supérieurs capte le mouvement tourbillonnant des trous inférieurs, créant un deuxième, un troisième, et même plus de vortex à mesure que le mélange monte. Ces multiples couches d'air tourbillonnant étirent et replient le combustible et l'air ensemble, un peu comme si l'on pétrissait de la pâte, garantissant qu'ils soient parfaitement mélangés avant d'atteindre l'extrémité de la buse. Les chercheurs ont découvert que si les douze trous offraient une légère amélioration par rapport aux huit, la complexité supplémentaire et la difficulté de fabrication ne valaient pas le minuscule gain de performance. Ils se sont arrêtés sur un design à double couche avec huit trous comme étant le meilleur équilibre d'efficacité.

Ensuite, les chercheurs ont examiné la taille de ces trous. Dans leur conception initiale, tous les trous d'air étaient de la même taille, mais ils ont remarqué que la pression de l'air à l'intérieur de la buse n'était pas uniforme. L'air entrant par les trous du bas rencontrait plus de résistance et se déplaçait avec moins de force que l'air entrant par le haut. Pour corriger cela, ils ont testé un design « gradué » où les trous du bas étaient plus grands et les trous du haut plus petits. Ce changement simple a redistribué la quantité de mouvement de l'air. En rendant les trous du bas plus grands, davantage d'air était poussé à travers eux avec une force accrue, renforçant le vortex tourbillonnant au fond, là où le combustible entre pour la première fois. Ce tourbillon plus fort attirait le combustible dans l'air plus efficacement, éliminant les poches de combustible non brûlé qui stagnaient près du fond dans les conceptions uniformes. Les simulations ont montré que cette approche graduée améliorait considérablement la qualité du mélange, portant l'uniformité du mélange à des niveaux presque parfaits.

L'équipe a ensuite testé si cette buse optimisée pouvait gérer différentes quantités d'hydrogène. Ils ont simulé des conditions où le combustible était du gaz naturel pur, un mélange contenant 60 % d'hydrogène, et même de l'hydrogène pur. Les résultats ont montré que le nouveau design fonctionnait exceptionnellement bien pour les mélanges contenant jusqu'à 60 % d'hydrogène. Dans ces scénarios, le mélange restait uniforme et stable. Cependant, lorsqu'ils ont poussé la teneur en hydrogène à 100 %, le système a commencé à éprouver des difficultés. L'hydrogène pur nécessite un débit beaucoup plus élevé pour délivrer la même quantité d'énergie, ce qui signifie que le combustible est expulsé de la buse à une vitesse beaucoup plus élevée. Ce jet de combustible à haute vitesse est devenu trop puissant, perçant directement à travers les courants d'air au lieu d'être capturé et brassé par eux. Le système de vortex délicat qui maintenait le mélange ensemble s'est effondré, et la qualité du mélange a chuté. Cette découverte suggère que, bien que la buse soit très efficace pour la période de transition de l'ajout d'hydrogène au gaz, elle pourrait nécessiter des ajustements supplémentaires pour gérer l'hydrogène pur.

Enfin, les chercheurs ont réalisé que la buse n'avait pas besoin d'être aussi longue que ce qu'ils avaient initialement construit dans leurs modèles. Les simulations ont montré que le mélange se produisait très rapidement ; lorsque les gaz parcouraient 60 millimètres vers le haut de la buse, ils étaient déjà mélangés à 97 %. Les 40 millimètres de longueur restants n'ajoutaient presque rien à la qualité finale du mélange. Cette observation signifie que les ingénieurs pourraient construire une buse beaucoup plus courte et plus compacte, ce qui permettrait de gagner de l'espace et de réduire les coûts de fabrication sans sacrifier la performance. L'étude conclut qu'en disposant soigneusement le nombre et la taille des trous d'air, il est possible de créer une buse qui mélange l'hydrogène et le gaz naturel de manière efficace et sécurisée, offrant une étape concrète vers une énergie plus propre pour les turbines à gaz.