Soutenance de thèse de Nicolas VILLENAVE

Réduire notre impact sur le changement climatique implique de diminuer notre consommation en énergies fossiles. L'Union européenne vise une neutralité carbone d'ici 2050 à travers une économie verte et des dispositifs technologiques n’émettant pas de gaz à effet de serre. Par conséquent, l'utilisation de l'hydrogène en tant que vecteur énergétique, ou encore même en tant que source d’énergie, est actuellement considérée comme une option incontournable. Les véhicules conventionnels utilisant la technologie des moteurs à combustion interne pour l'essence et le diesel sont progressivement remplacés par des piles à combustible à hydrogène (FC) et des véhicules électriques (batterie). Cependant, cette stratégie est souvent contredite de par son utilisation massive de matériau rare tel que le Lithium. Une alternative est la combustion directe de l'hydrogène pour les véhicules lourds. Les avantages par rapport à ceux fonctionnant avec des piles à combustible incluent : une plus grande tolérance aux impuretés, une flexiblité plus importante ainsi qu’une utilisation réduite en matériaux rares. Cependant, il existe plusieurs inconvénients liés à la très faible densité énergétique de l'hydrogène. D’une part, l'hydrogène nécessite une faible quantité d'énergie pour son allumage. La combustion peut alors être facilement déclenchée par des points chauds ou des résidus dans la chambre de combustion, pouvant entraîner des phénomènes de pré-allumages et de cliquetis, réduisant ainsi l’espérance de vie du moteur. D’autre part, la température de flamme adiabatique de l'hydrogène pour des richesses supérieures à 0.5 reste relativement élevée, favorisant alors la formation de polluants tels que les oxydes d’azote (NOx). La remédiation basée sur la dilution avec de la vapeur d’eau ou de l'azote devient alors nécessaire, dans le but de réduire la température de combustion. Enfin, la diffusivité massique de l'hydrogène étant la plus élevée de tous les carburants, la stabilité de la flamme et les émissions de NOx sont grandement affectées par des effets thermodiffusifs, ce qui rend la conception d'un injecteur et/ou d'une chambre de combustion efficaces complexe. De plus, les propriétés fondamentales de la combustion pauvre en hydrogène ont été relativement peu étudiées jusqu’à aujourd’hui. Le projet SPEEDYH est un projet académique visant à la compréhension scientifique fondamentale de la combustion hydrogène/air avec dilution (vapeur d’eau, recirculation des gaz d'échappement). Ce travail sera accompli à l’aide de mesures expérimentales et de modélisation numérique. La base de données expérimentales et numériques de SPEEDYH sera mise à disposition de la communauté scientifique et profitera également à la communauté industrielle (aérospatiale, automobile, chimie, etc.). Pendant ce doctorat, les propriétés fondamentales de la combustion très pauvre en hydrogène seront étudiées afin de mieux comprendre son processus pour des applications de propulsion. La première partie concerne la mesure des délais d'allumage (H2/air, H2/Air/NO, H2/Air/H2O) dans des conditions moteurs, qui est essentielle pour le développement de mécanisme cinétique fiable et pour la prédiction du phénomène de cliquetis. La deuxième partie concerne l'étude de la flamme laminaire et turbulente prémélangée et de l'interaction entre le front de flamme et la turbulence. Dans un moteur à allumage commandé, la flamme prémélangée allumée par l'étincelle passe d'un noyau laminaire juste après l'allumage à une flamme turbulente. En raison de l'effet de la diffusivité, les plis de la flamme et ensuite le taux de dégagement de chaleur augmentent considérablement. Les objectifs de cette tâche sont (1) d'étudier l'évolution de la flamme et l’auto-accélération de la flamme, (2) mesurer l'impact de la turbulence et de l'effet de la diffusivité sur la production de NOx.