Thèse Modélisation Simulation et Monitoring de l'Allumage de Flammes Jet Turbulentes Diphasiques H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion
Direction de la thèse : Aymeric VIÉ ORCID 0000000339980862
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Ce projet de doctorat porte sur la modélisation numérique et la surveillance des phénomènes d'inflammation de jets turbulents de type spray associés à des rejets accidentels d'hydrogène. À mesure que l'hydrogène est de plus en plus intégré aux systèmes énergétiques, la compréhension et la réduction des risques d'inflammation liés aux fuites de réservoirs à haute pression deviennent essentielles pour garantir un déploiement sûr des infrastructures.
La recherche s'appuiera sur la Simulation des Grandes Échelles (LES) au sein de l'environnement OpenFOAM afin de modéliser des rejets transitoires de jets d'hydrogène turbulents ainsi que la formation de structures réactives de type spray dans des conditions de fuite réalistes. Les simulations résoudront les grandes structures turbulentes tout en modélisant les interactions turbulence-chimie aux échelles sous-maille, permettant une étude détaillée du mélange, du délai d'inflammation, de la stabilisation de la flamme et du développement précoce du noyau de flamme.
Un volet clé du projet concerne la surveillance virtuelle des événements d'inflammation. Plusieurs sondes numériques seront stratégiquement placées dans le domaine de calcul afin d'enregistrer des signaux hydrodynamiques, thermiques et chimiques tels que la température, les fluctuations de pression, la concentration en espèces radicalaires (par exemple OH), le taux de dégagement de chaleur et les gradients de vitesse. L'analyse de ces signaux visera à identifier des précurseurs robustes et fiables indiquant avec précision l'instant d'apparition de l'inflammation.
L'objectif final est de déterminer quelles grandeurs mesurables permettent la détection la plus sensible et la plus rapide de l'inflammation dans des configurations de jets turbulents d'hydrogène de type spray. Ces résultats contribueront au développement de stratégies optimisées de positionnement des capteurs ainsi qu'à des approches de surveillance en temps réel pour l'alerte précoce et l'activation de systèmes d'atténuation, tels que le contrôle de la ventilation, les vannes d'isolement ou les mécanismes d'inertage.
Le projet combine la dynamique des fluides numérique à haute fidélité, la modélisation de la combustion et l'analyse orientée sécurité des systèmes de surveillance. Ses résultats contribueront à l'amélioration des méthodologies d'évaluation des risques et au développement de technologies plus sûres pour le stockage et la manipulation de l'hydrogène dans les futurs systèmes énergétiques à neutralité carbone.

Under UK and European net-zero commitments, hydrogen is seen as a major tool for deep decarbonization across power, industry, heat, and transport. It can store surplus renewable electricity, decarbonize hard-to-electrify sectors like steel and chemicals, and power heavy-duty transport. However, scaling hydrogen infrastructure raises significant safety challenges. Hydrogen has a wide flammability range (4-75% in air), very low ignition energy, and high flame speed, meaning small leaks can quickly create explosive atmospheres. Concentrations above 4% already pose serious risks. Its colorless, odorless, and highly diffusive nature further complicates detection. Hydrogen can escape through tiny leaks and accumulate in confined or poorly ventilated spaces, making conventional gas detection insufficient. Therefore, hydrogen sensors must offer high sensitivity (well below 1% vol.), fast response, strong selectivity, long-term stability, and reliable performance under varying environmental conditions, including hazardous (e.g., ATEX) environments. Requirements also vary by application, from industrial plants and refueling stations to pipelines and residential systems.

This thesis aims to develop a high-fidelity numerical framework to investigate ignition phenomena in turbulent hydrogen jet releases representative of high-pressure tank leaks. Large-Eddy Simulation (LES) will be implemented in OpenFOAM to resolve the dominant turbulent structures while modeling turbulence-chemistry interactions governing ignition and early flame development. The framework will be validated against available experimental and literature data to ensure predictive reliability.
The research seeks to improve understanding of the physical mechanisms controlling ignition in turbulent hydrogen spray-like jets, including mixing dynamics, ignition delay, flame kernel formation, and stabilization processes. A systematic parametric study will examine the influence of storage pressure, leak size, and environmental conditions on ignition behavior and early flame growth.
A key innovation of the project is the integration of a virtual monitoring strategy within the computational domain. Numerical probes will record time-resolved signals such as temperature, pressure fluctuations, velocity, radical species concentration, and heat release rate. These signals will be analyzed to identify robust and early indicators of ignition onset.
The ultimate objective is to determine which measurable quantities provide reliable precursor signatures that could support real-world detection and mitigation systems. By linking high-fidelity combustion modeling with sensor-oriented analysis, the thesis aims to contribute to improved hydrogen safety strategies and more effective early-warning mechanisms for accidental releases in emerging hydrogen energy infrastructures.