On The Effect of H2-Enrichment On the Ignition Dynamics of Lean Premixed Flames: A Comprehensive Investigation via Experiments, Numerical Simulations and Analytical modeling

Abstract

Growing concerns about climate change and anticipated energy supply shortages have prompted the combustion community to seek affordable and sustainable solutions. Green hydrogen, produced from renewable electricity,emerges as a promising alternative to the current energy mix. Nevertheless, its unique combustion characteristics opens new its implementation. Within this context, one of the fundamental challenges steering the next-generation H2-fueled aero-engine combustors design is ensuring a secure and dependable ignition process across a wide range of operating conditions, all while minimizing pressure overshoot. In view of that, this work delves into the ignition dynamics of premixed hydrogenenriched flames by combining experiments with advanced laser diagnostics, high fidelity numerical flow simulations and reduced order modelling of the reacting flow dynamics. These combined approaches offer advancements in comprehending the ignition process, encompassing kernel initiation to the eventual stabilization of the flame, while also enhancing its physical description and modeling. This collective effort unveiling the impact of hydrogen substition on flame transient dynamics. Moreover, these contributions aid in crafting ignition sequences capable of mitigating violent transients in mixtures containing high hydrogen concentrations. The first part of the manuscript delves into experimental inquiries into flashback mechanisms triggered by ignition in a single-sector combustor for various methane/air mixtures with increasing hydrogen concentrations. These investigations employ high speed OH-PLIF/PIV measurements to scrutinize the expanding reaction front after ignition. Results presented in three research articles elucidate the fundamental mechanisms contributing to violent ignition transient dynamics, potentially resulting into flashback. In the second part, high-fidelity Large-Eddy-Simulations are conducted across the entire ignition sequence for CH4/air and H2/air mixtures. These simulations uncovering three-dimensional dynamics of the reactive front reveal insights into the impact of preferential diffusion effects on the ignition dynamics of lean premixed hydrogen flames, complementing experimental observations. Notably, simulations unveil the respective roles of thermal expansion, flame stretch, and local de-mixing due to preferential diffusion. In the final part, mathematical models including the injector and flame responses capable to predict the ignition pressure overshoots for a given exhaust flow blockage are proposed. The theoretical framework relies on volume-integrated balance equations, assuming the expanding flame front as an interface moving at absolute speed and directing the reactant towards the chamber outlet. Propagation and advection of this interface are expressed by considering the time evolution of the burnt gases volume and flow. This approach provides an estimation for the time history of exhaust gases flow velocity, subsequently aiding in predicting chamber over pressure. These experiments, simulations and models can be used to guide the design of new hydrogen powered injectors at initial stage.

Résumé Face aux défis climatique et énergétique, l’hydrogène vert, produit à partir d’électricité renouvelable, constitue une alternative prometteuse pour une transition énergétique durable. Néanmoins, son intégration efficace dans les systèmes de combustion pose des défis majeurs, notamment en termes de sécurité et de faisabilité, surtout lorsqu’il s’agit d’assurer un allumage stable et sécurisé dans une large gamme de conditions de fonctionnement, tout en minimisant les risques de surpression. Cette thèse explore la dynamique de l’allumage des flammes pré-mélangées enrichies en hydrogène en combinant des approches expérimentales incluant des diagnostics laser avancés, des simulations numériques haute-fidélité et la modélisation physique de ces phénomènes. La combinaison de ces trois approches permet d’améliorer la compréhension du processus d’allumage et de sa modélisation, de l’initiation du noyau de flamme jusqu’à la stabilisation finale de la flamme sur un injecteur. Ces travaux révèlent l’impact de la substitution de l’hydrogène sur la dynamique transitoire de la flamme et permettent d’élaborer des séquences d’allumage capables d’atténuer les transitoires violents dans les mélanges contenant de fortes concentrations d’hydrogène. La première partie du manuscrit est consacrée aux expériences mettant en exergue les mécanismes de flashback déclenchés par un allumage dans une chambre de combustion alimentées par un injecteur pour divers mélanges méthane/air avec un enrichissement croissantes en hydrogène. Les analyses menées exploitent des mesures OH-PLIF/PIV haute cadence pour examiner la dynamique du front de réaction en expansion après l’allumage. Les résultats présentés dans trois publications élucident les mécanismes fondamentaux contribuant à la dynamique transitoire violente de l’allumage, pouvant entraîner un retour de flamme dans l’injecteur. Dans la deuxième partie, des simulations de l’écoulement compressible réactif par une approche aux grandes échelles sont réalisées sur l’ensemble de la séquence d’allumage du brûleur pour des mélangesCH4/air et H2/air. Ces simulations mettent en lumière la dynamique tridimensionnelle du front réactif et montrent l’impact des effets de diffusion préférentielle sur la dynamique d’allumage des flammes d’hydrogène pré-mélangées pauvres, complétant ainsi les observations expérimentales. Les analyses de ces simulations permettent d’examiner les rôles respectifs de l’expansion thermique, de l’étirement de la flamme et des inhomogénéités locales de mélange dues à la diffusion préférentielle. Dans la dernière partie, des modèles analytiques incluant la réponse du plenum, de l’injecteur et de la flamme sont développés pour prédire les pics de pression à l’allumage dans le foyer, notamment lorsque celui-ci est équipé d’une restriction de la section de passage des produits de combustion. L’approche repose sur des bilans macroscopiques de masse et de quantité de mouvement, où le front de flamme est assimilé à une interface se déplaçant à une vitesse absolue et poussant les gaz frais vers la sortie de la chambre. La propagation et l’advection de cette interface sont exprimées en considérant l’évolution temporelle du volume des gaz brûlés et l’impact de l’écoulement entrant dans le foyer. Le modèle fournit une estimation de l’historique temporel de la vitesse d’écoulement des gaz d’échappement, aidant ensuite à prédire les allumages violents. Ces expériences, simulations et modèles peuvent être utilisés pour guider la conception de nouveaux injecteurs alimentés par de l’hydrogène lors de la phase de conception.