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Thèse Année : 2022

Revisiting deflagration-to-detonation transition in the context of carbon-free energy

Revisiter la transition déflagration-détonation dans le contexte de l'énergie décarbonée

Résumé

With the transition to carbon-free fuels such as hydrogen, new challenges arise relating to the safe storage and transportation as well as efficient combustion of these fuels. These challenges can be better addressed by improving our understanding of the fundamental physical mechanisms controlling the dynamics of relevant combustion waves as well as the complex phenomenon of deflagration-to-detonation transition (DDT) of hydrogen-air mixtures. This thesis represents a contribution in addressing two pertinent problems in the combustion of energetic hydrogen-air mixtures. The first problem addressed concerns the driving mechanisms for the instability of detonation waves, which is a matter of interest in a number of industrial applications. The theoretical model suggested by Clavin and Williams (2002), which explains the one-dimensional instability of gaseous detonations as a result of the interaction of acoustic and entropy waves travelling between the leading shock and the reaction zone, is revisited and studied analytically in the asymptotic limit of low heat release, where an integral equation describing oscillations in shock velocity is obtained. The theoretical findings are validated against a set of high-order direct numerical simulations carried out in the same asymptotic limit, and the results show a good agreement between the theory and the numerics, thus validating the Clavin-Williams model. The second problem addressed is the deflagration-to-detonation transition of an elongated laminar flame, which might be relevant to the understanding of the super-knock effect in hydrogen-fuel engines, and to the DDT of energetic cellular flames. A new theoretical model is proposed to explain this DDT phenomenon, which involves a double-feedback mechanism driving the flame acceleration. The two elements constituting the double-feedback mechanism are the heating of the fresh gas by compression waves propagating upstream of the flame, which increases the laminar flame speed, and the back-flow of burnt gas from the lateral wings of the flame towards the flame tip. We demonstrate that these two effects accelerate the flame tip, finally leading to a singularity of flame acceleration and the development of a shock wave on the flame tip, which causes the transition to a detonation.
Avec la transition vers des carburants sans carbone tels que l’hydrogène, de nouveaux défis se posent concernant le stockage et le transport sûrs ainsi que la combustion efficace de ces carburants. Ces défis peuvent être mieux relevés en améliorant notre compréhension des mécanismes physiques fondamentaux contrôlant la dynamique des ondes de combustion pertinentes ainsi que le phénomène complexe de transition déflagration-détonation (DDT) des mélanges hydrogène-air. Cette thèse représente une contribution à la résolution de deux problèmes pertinents dans la combustion de mélanges énergétiques hydrogène-air. Le premier problème abordé concerne les mécanismes moteurs de l’instabilité des ondes de détonation, qui intéressent de nombreuses applications industrielles. Le modèle théorique proposé par Clavin et Williams (2002), qui explique l’instabilité unidimensionnelle des détonations gazeuses à la suite de l’interaction des ondes acoustiques et d’entropie se déplaçant entre le choc en amont et la zone de réaction, est revisité et étudié analytiquement dans le limite asymptotique de faible dégagement de chaleur, où une équation intégrale décrivant les oscillations de la vitesse de choc est obtenue. Ces résultats théoriques sont validés par un ensemble de simulations numériques directes d’ordre élevé réalisées dans la même limite asymptotique. Les résultats montrent un bon accord entre la théorie et les numériques, validant ainsi le modèle de Clavin-Williams. Le deuxième problème abordé est la transition déflagration-détonation d’une flamme laminaire allongée, qui pourrait être pertinente pour la compréhension de l’effet de super-cliquetis dans les moteurs à hydrogène et pour le DDT des flammes cellulaires énergétiques. Un nouveau modèle théorique est proposé pour expliquer ce phénomène DDT, qui implique un mécanisme à double rétroaction pilotant l’accélération de la flamme. Les deux éléments constitutifs du mécanisme à double rétroaction sont le chauffage des gaz frais par ondes de compression en amont de la flamme, ce qui augmente la vitesse laminaire de la flamme, et le reflux des gaz brûlés des ailes latérales de la flamme vers le bout de flamme. Nous démontrons que ces deux effets accélèrent le bout de flamme, conduisant finalement à une singularité d’accélération de flamme et au développement d’une onde de choc sur le bout de flamme, qui provoque le passage à une détonation.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04050689 , version 1 (29-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04050689 , version 1

Citer

Hassan Tofaili. Revisiting deflagration-to-detonation transition in the context of carbon-free energy. Fluid mechanics [physics.class-ph]. Normandie Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022NORMIR28⟩. ⟨tel-04050689⟩
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