Simulations numériques directes de la combustion d’ammoniac et d’hydrogène dans des brûleurs poreux : couplage et modélisation multiphysique

Pour lutter contre le changement climatique, le développement de brûleurs sans carbone et à faibles émissions devient une nécessité pour l'industrie et un défi technique majeur pour les chercheurs. L'ammoniac (NH3) et l'hydrogène (H2) sont les deux principaux combustibles sans carbone considérés aujourd'hui. Si H2 brûle facilement, son stockage et son transport sont difficiles, tandis que NH3 possède une vitesse de flamme faible mais bénéficie d’une infrastructure existante. Une solution prometteuse est le craquage partiel de l’ammoniac proche du brûleur, créant des mélanges NH3/H2 à combustion plus rapide. Toutefois, ces mélanges produisent beaucoup de NOx, sauf à très faibles rapports carburant/air (FAER), difficiles à contrôler dans les brûleurs turbulents.
Une alternative étudiée dans cette thèse est l’utilisation des brûleurs poreux. Grâce à la recirculation de chaleur dans le matériau poreux, les flammes peuvent se stabiliser à faible FAER, réduisant potentiellement les émissions de NOx. Le développement des brûleurs poreux nécessite une compréhension approfondie de la physique couplée impliquée : conduction thermique, transfert radiatif, stabilisation des flammes, chimie de surface... Ces phénomènes sont difficiles à étudier expérimentalement en raison des petites échelles impliquées et de l’opacité de la matrice poreuse. La simulation numérique (CFD) semble donc être la meilleure approche pour améliorer cette technologie.
Cette thèse vise à étudier les flammes NH3/H2 dans les brûleurs poreux par des simulations numériques directes (DNS) afin de comprendre les mécanismes de formation des NOx. Le code CFD CONVERGE sera utilisé, avec un raffinement de maillage adaptatif pour améliorer la résolution des transferts thermiques et des réactions chimiques. Le rôle de la chimie de surface dans la formation des NOx sera également exploré. Les résultats innovants de ces recherches seront valorisés par des publications dans des revues scientifiques à comité de lecture. 

Mots clefs : brûleur poreux, 3D-CFD, modélisation de la combustion d’ammoniaque et d’hydrogène, transferts thermiques, transferts radiatifs

• Directeur de thèse    Dr Olivier COLIN, IFPEN, ORCID: 0000-0002-8947-3490
• Ecole doctorale    SMEMAG, Université Paris-Saclay
• Encadrant IFPEN    Dr Karine TRUFFIN, ORCID: 0000-0003-0888-9003
• Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2025 (3 novembre)
• Employeur    IFP Energies Nouvelles
• Financement    PEPR SPLEEN AMHYABLE (https://www.pepr-spleen.fr/projet/projet-amhyable/)
• Qualifications    Master en Sciences du numérique, mécanique des fluides et /ou énergétique
• Connaissances linguistiques    Anglais/Français niveau B2 (CECR) ou volonté d’apprendre le français 
• Autres qualifications    Programmation (Python, C++), analyse numérique

Pour postuler, merci d’envoyer votre lettre de motivation et votre CV à l’encadrant IFPEN indiqué ci-dessous.