Hydrogène au lieu de gaz naturel :

Comment la simulation CFD peut-elle m'aider ?

C'est là qu'Ansys Fluent entre en jeu pour la simulation CFD. CFD signifie Computational Fluid Dynamics (dynamique des fluides numérique) et est une méthode de calcul numérique de l'écoulement des gaz et des liquides. Les simulations CFD vous permettent de simuler virtuellement votre brûleur et de faire varier différents paramètres. Vous pouvez ainsi voir comment se comportent l'écoulement, la combustion et le transfert de chaleur dans votre brûleur et quels en sont les effets sur les performances et les émissions. Vous pouvez également comparer différentes conceptions de brûleurs et choisir la meilleure.

D’autres avantages de la simulation CFD pour les brûleurs industriels incluent:

• Économie d'argent et de temps : Pas besoin d'essais réels avec des prototypes coûteux.
• Augmentation de la sécurité : Prévoir et éviter les retours de flamme et la combustion spontanée.
• Amélioration de l'efficacité et de la compatibilité environnementale : Optimisation du rapport carburant/air et réduction des émissions de NOx.

Simuler la combustion - Commencer par le maillage

Une fois que vous avez maîtrisé les premières étapes et défini clairement votre tâche, il convient de se concentrer sur la génération du maillage. Le maillagea grille composée de cellules individuelles a une influence significative sur la précision et la stabilité de la simulation. Un maillage de haute qualité doit toujours présenter les propriétés suivantes :

• Une résolution suffisante pour capturer toutes les structures d'écoulement pertinentes,
• une transition douce entre les régions pour réduire l'erreur numérique, et
• un alignement des surfaces des cellules aussi orthogonal que possible aux lignes de courant.

À quoi ressemble donc un maillage adapté à la combustion d'hydrogène ? Voici quelques conseils pour obtenir un maillage optimal [1]. Le tableau ci-dessous donne une orientation des paramètres importants du maillagee la grille pour le brûleur lui-même, y compris les buses pour l'arrivée des réactifs, pour la chambre de combustion et son cœur, ainsi que pour les zones extérieures où aucune réaction n'a lieu. En détail, chaque simulation CFD nécessite toujours une étude de sensibilité pour minimiser l'influence de la résolution du maillage. Si les structures turbulentes de l'écoulement et l'interaction de la chimie et de l'écoulement doivent être calculées de manière particulièrement détaillée, un maillage beaucoup plus fin peut également être nécessaire.

D'ailleurs, la technologie MOSAIC Poly Hexcore brevetée dans Ansys Fluent permet d'obtenir un maillage structuré de haute qualité dans la chambre de combustion, qui peut également être calculé de manière excellente sur un cluster. Et avec le Fault-Tolerant Meshing Workflow, vous pouvez également mailler des géométries CAO difficiles et compliquées, car la méthode fournit des mécanismes de correction automatique. Si vous n'êtes pas sûr de la résolution de maillage requise ou si vous souhaitez simplement résoudre le front de flamme avec plus de précision, vous pouvez utiliser le maillage adaptatif pour les polyèdres (algorithme PUMA). Un critère prédéfini basé sur ce que l'on appelle l'indicateur de flamme affine le maillage uniquement lorsque cela est nécessaire [2].

Quel est le bon modèle de combustion ? Modèle EDC vs. FGM

Nous en venons maintenant à la sélection du modèle de combustion approprié. Celui-ci doit être choisi de manière à décrire suffisamment et précisément les réactions chimiques et les interactions turbulence-chimie. Les modèles les plus courants sont l'EDC (Eddy Dissipation Concept) et le FGM (Flamelet Generated Manifold). Le modèle EDC est basé sur l'idée que les réactions chimiques ont lieu dans les tourbillons turbulents les plus fins. La vitesse de réaction est influencée par la taille et la fréquence des tourbillons, qui dépendent à leur tour de la turbulence. Plus précisément, le modèle EDC utilise un mécanisme de réaction étendu et résout les équations de réaction à l'aide d'algorithmes de tabulation efficaces tels que l'ISAT (In-Situ Adaptive Tabulation Algorithm).

En revanche, le modèle FGM est basé sur l'hypothèse que la structure de la flamme interne suit une représentation unidimensionnelle. Celle-ci est calculée et tabulée à l'avance à l'aide d'un solveur de flamme laminaire 1D tel que Chemkin. Le modèle FGM peut, par exemple, être combiné avec le mécanisme de réaction squelettique, qui contient 10 composants gazeux (les espèces) et 25 réactions. Si le nombre de réactions n'est pas suffisant, le mécanisme UCSD (57 espèces, 268 réactions) est une alternative. Le tableau suivant compare les modèles EDC et FGM. Le tableau ci-dessous fournit un exemple de configuration du modèle FGM pour une flamme partiellement prémélangée, ainsi que des recommandations pour les réglages numériques. Des temps d'écoulement suffisamment importants garantissent un moyennage transitoire significatif des résultats.

Lorsque nous parlons de combustion, nous devons également prendre en compte le modèle de turbulence. Dans les cas où les champs d'écoulement sont stables, les modèles RANS (k-ω SST, k-ϵ realizable) constituent une solution efficace pour de nombreux problèmes d'ingénierie. Cependant, il existe souvent un fort couplage entre l'écoulement et la réaction. Par exemple, les flux instables conduisent à l'extinction locale de la flamme. Afin de capturer la formation de la flamme et les émissions de polluants aussi précisément que possible, la simulation des grandes turbulences (LES) est le meilleur choix. Cependant, la LES est généralement considérée comme très complexe. Un bon compromis entre la précision et l'effort est la Stress-Blended Eddy Simulation (SBES), parce qu'elle peut passer des modèles RANS aux modèles LES.