Simulation of a Reacting Hydrogen Jet in Air Cross-Flow: Analysis of Inter-jet Spacing Impact in Gas Turbine Design

Résumé technique : Simulation d'un jet d'hydrogène réagissant dans un écoulement transversal d'air : Analyse de l'impact de l'espacement entre les jets dans la conception des turbines à gaz

Énoncé du problème et motivation
L'hydrogène est de plus en plus considéré comme un carburant bas carbone pour les turbines à gaz, particulièrement pour la conversion des infrastructures existantes au gaz naturel. Cependant, la combustion de l'hydrogène présente des défis distincts par rapport aux carburants hydrocarbonés, notamment une vitesse de combustion élevée, une forte diffusivité moléculaire et des températures de flamme adiabatiques surélevées, ce qui exacerbe les risques de retour de flamme, d'instabilité de la flamme et de charge thermique excessive sur les parois. Par conséquent, les stratégies modernes mettent l'accent sur le mélange à l'échelle de l'injecteur et le placement de la flamme, spécifiquement via les concepts de combustion « micromix ».

Bien que le jet en écoulement transversal (JICF - Jet In Cross-Flow) soit une configuration canonique pour l'étude de l'injection de carburant, les brûleurs pratiques utilisent des réseaux d'injecteurs plutôt que des jets isolés. La littérature existante a établi que l'espacement entre les injecteurs influence le mélange et la pénétration dans des écoulements transversaux confinés. Cependant, il subsiste une lacune pour isoler l'impact spécifique de l'espacement inter-jets sur les mesures de performance dans le cadre d'un brûleur micromix alimenté à l'hydrogène. Cette étude comble cette lacune en étudiant comment l'espacement inter-jets modifie l'organisation de l'écoulement, les interactions mélange-chimie et les indicateurs de performance pertinents pour la conception dans un jet d'hydrogène turbulent réagissant.

Méthodologie
Les auteurs ont réalisé des simulations numériques hautement résolues d'un jet d'hydrogène réagissant émis dans un écoulement transversal d'air chaud. L'étude a utilisé le code CFD PlasCom2, qui emploie une discrétisation par différences finies d'ordre élevé sur des coordonnées curvilignes superposées (overset). Les simulations ont résolu les équations de Navier-Stokes compressibles couplées aux équations de transport des espèces et de l'énergie, en utilisant un mécanisme hydrogène-air réduit à 9 espèces et 12 réactions. Aucun modèle de turbulence de type Reynolds-averaged n'a été utilisé, ni de fermeture de sous-maille explicite ; au lieu de cela, les simulations se sont appuyées sur la résolution directe des champs de vitesse et de scalaires instationnaires.

• Configuration : Un jet d'hydrogène de 1,27 mm de diamètre ($Re = 2\,610$, $Ma = 0,16$) injecté dans un écoulement transversal d'air chaud ($T = 700$ K, $U = 85,66$ m/s, $Ma = 0,17$) à 1 atm. Le rapport de flux de quantité de mouvement était de $J = 1,13$.
• Conditions limites : Des conditions limites périodiques dans l'épaisseur ont été utilisées pour modéliser une rangée d'injecteurs alignés. La largeur du domaine transversal a été variée pour servir de substitut contrôlé au changement d'espacement inter-jets ($l_{sp}$).
• Étude paramétrique : Cinq cas d'espacement ont été simulés, allant de $2D$ à $10D$ (où $D$ est le diamètre du jet), le cas $6D$ servant de référence.
• Stratégie de maillage : Une approche de maillage en deux étapes a été employée. Un maillage d'initialisation ($G_I$) a développé l'écoulement réagissant global, suivi d'une interpolation vers un maillage de production hautement raffiné ($G_P$) pour la collecte des statistiques moyennes dans le temps.
• Grandeurs d'intérêt (QI) : Trois indicateurs orientés vers la conception ont été analysés dans la région d'analyse primaire ($x/D \le 12$) :
  1. Débit d'hydrogène non brûlé en aval : Rapport de débit massique normalisé de l'hydrogène non brûlé à la sortie.
  2. Taux de transfert thermique mural : Flux de chaleur moyen par unité de surface vers la paroi du brûleur.
  3. Concentration de température globale : Une métrique ($\|T\|_2 / \|T\|_1$) reflétant la localisation spatiale des régions à haute température.

Résultats clés et conclusions

1. Organisation de l'écoulement et effets de blocage :
   L'espacement entre les jets module de manière significative la cohérence des structures vortiques. Un espacement étroit ($2D$) conduit à un champ vortique compact et cohérent qui persiste plus loin en aval. À l'inverse, un espacement plus large permet une rupture plus précoce des structures cohérentes.
   Crucialement, l'espacement agit comme un contrôle sur la vitesse locale de l'écoulement transversal. Un espacement étroit crée un effet de blocage, accélérant la vitesse de l'écoulement transversal proche du jet d'environ 15 % par rapport à l'écoulement libre. Cette accélération réduit le rapport de vitesse local jet/écoulement transversal ($R_l$). Inversement, un espacement plus large réduit ce blocage, permettant à l'écoulement transversal de rester plus proche des conditions de l'écoulement libre.

2. Impact sur la combustion et le mélange :

   • Hydrogène non brûlé : L'espacement le plus étroit ($2D$) a entraîné le débit d'hydrogène non brûlé le plus élevé (environ 16 % de plus que le cas suivant). Le blocage induisant une accélération, le carburant est transporté plus rapidement en aval, réduisant le temps de résidence pour sa consommation dans le volume de contrôle.
   • Transfert thermique mural : Un espacement étroit ($2D$ et $4D$) a généralement augmenté la charge thermique près de la paroi. Le transfert thermique mural moyen minimal a été observé à $8D$.
   • Distribution de température : Un espacement étroit a favorisé un champ thermique plus concentré (métrique de concentration de température globale plus élevée), tandis qu'un espacement plus large a produit une distribution plus diffuse.

3. Sensibilité aux perturbations :
   L'étude a analysé la réponse du système à la suppression d'une aide à l'allumage (une perturbation transitoire). Tandis que l'espacement étroit supprimait les déflexions latérales, un espacement intermédiaire à large ($6D$ et $10D$) a montré une sensibilité accrue. Plus précisément, ces cas ont développé un décalage transversal persistant (biais latéral) dans le sillage proche de la paroi suite à la perturbation. Ce comportement est lié au rapport de vitesse locale modifié, qui place l'écoulement dans un régime où les modes de sillage antisymétriques sont instables.

4. Compromis d'espacement optimal :
   Le paysage de performance est non monotone. L'espacement le plus étroit ($2D$) était défavorable en raison du taux élevé de carburant non brûlé, de la charge thermique murale élevée et des champs thermiques concentrés. L'espacement le plus large ($10D$) réintroduisait des pénalités concernant l'hydrogène non brûlé et le transfert thermique mural, tout en introduisant une sensibilité élevée aux perturbations.
   L'étude identifie l'espacement $8D$ comme le compromis optimal. Cette configuration a minimisé à la fois le débit d'hydrogène non brûlé en aval et le transfert thermique mural, tout en maintenant une métrique de concentration de température globale faible.

Signification et affirmations
L'article affirme isoler et interpréter le rôle spécifique de l'espacement inter-jets dans un jet d'hydrogène turbulent réagissant, une variable souvent noyée dans des concepts de brûleurs plus larges. La principale contribution est l'identification de deux mécanismes simultanés par lesquels l'espacement modifie la performance :

1. Contrôle du transport : Un espacement étroit augmente le blocage, accélérant l'écoulement transversal et réduisant le rapport de vitesse locale, ce qui retarde la consommation de carburant et augmente le débit d'hydrogène non brûlé.
2. Réceptivité du sillage : Un espacement plus large augmente la sensibilité aux perturbations, entraînant des déflexions latérales persistantes du sillage.

Les auteurs concluent que pour les applications de conversion à l'hydrogène utilisant des injecteurs micromix, un espacement intermédiaire à large (spécifiquement autour de $8D$) offre le meilleur compromis entre la minimisation du carburant non brûlé, la gestion de la charge thermique murale et le maintien de la stabilité de l'écoulement face aux perturbations transitoires. L'étude valide une stratégie de maillage en deux étapes comme une approche pratique pour résoudre ces interactions thermochimiques complexes tout en gérant les coûts de calcul.