Le changement climatique impose une réduction urgente des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur énergétique. Malgré l'essor des énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire dans la transition énergétique, certains secteurs industriels et de transport nécessitent une puissance et une fiabilité que seules les turbines à gaz peuvent garantir. Dans ce contexte, les carburants décarbonés comme l'ammoniac ou l'hydrogène sont une alternative prometteuse aux combustibles fossiles conventionnels, offrant, dans certains cas, une infrastructure établie de stockage et de transport tout en éliminant les émissions de carbone. La décarbonation de la production d'énergie via les carburants décarbonés nécessite une compréhension fondamentale de la cinétique chimique et de la modélisation de la combustion turbulente. Cette thèse étudie la combustion ammoniac-hydrogène pour les turbines à gaz industrielles, en abordant ces défis de manière séquentielle pour développer des outils numériques fiables. Tout d'abord, une revue des mécanismes de cinétique chimique ammoniac-hydrogène a été menée, comparant leurs prédictions aux données expérimentales dans des conditions representatives pour les turbines à gaz. Cela a conduit au développement de deux nouveaux mécanismes de Chimie Analytiquement Réduite (ARC) utilisant le code ARCANE. La deuxième phase a abordé les défis de la modélisation de la combustion turbulente dans les systèmes d'injection multi-carburants partiellement prémélangés. L'approche standard de Flamme Épaissie (TFLES) a été améliorée pour gérer les hétérogénéités de composition du carburant, aboutissant au modèle Multi-Fuel TFLES (MF-TFLES) qui a été implémenté dans le code ce calcul massivement paralèlle AVBP. Le brûleur stratifié de l'Université de Cardiff a servi de cas test expérimental, combinant une injection prémélangée ammoniac-air en amont avec une injection d'hydrogène en aval. La structure de la flamme et la distribution des polluants ont été caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH*, NH*, et NH2* et mesures NO-PLIF. Enfin, des Simulations aux Grandes Échelles (LES) utilisant un des mécanismes ARC développés et le modèle MF-TFLES ont été utilisées pour étudier les voies de formation chimique du NO. L'étude a identifié plusieurs mécanismes de production dans différentes régions de la flamme, les corrélant avec la composition locale du mélange, les champs de température et les structures d'écoulement. Les résultats ont montré l'influence significative de l'enrichissement local en hydrogène dans les régimes pauvres. Le cadre numérique développé, conjugant la cinétique chimique détaillée, la modélisation avancée de la combustion turbulente, et l'analyse de la formation des polluants, fournit des aperçus essentiels pour le développement de systèmes de combustion ammoniac-hydrogène à faibles émissions grâce à des prédictions numériques validées. En exploitant le Calcul Haute Performance (HPC) et la LES haute-fidélité, ce travail contribue au développement des technologies de combustion innovantes, soutenant ainsi la transition vers un avenir décarboné. |
The urgent need to address climate change has placed unprecedented pressure on the energy sector to reduce greenhouse gas emissions. While renewable energy sources like wind and solar power are leading the transition to sustainable energy production, certain applications, particularly in heavy industry and transportation, require the high power density and reliability that only gas turbines can provide. In this context, carbon-free fuels such as ammonia or hydrogen present a promising alternative to conventional fossil fuels, offering, in some cases, established storage and transport infrastructure while eliminating carbon emissions. The decarbonization of energy production through carbon free fuels requires fundamental understanding of both chemical kinetics and turbulent combustion modeling. This dissertation investigates ammonia-hydrogen combustion for industrial gas turbines, addressing these challenges sequentially to develop reliable numerical tools for practical applications. First, a review of ammonia-hydrogen chemical kinetics mechanisms was conducted, comparing their performance against experimental data at gas turbine relevant conditions. This led to the development of two novel Analytically Reduced Chemistry (ARC) mechanisms using the ARCANE reduction code. The second phase addressed the challenges of turbulent combustion modeling in partially premixed, multi-fuel injection systems. The standard Thickened Flame (TFLES) approach was enhanced to handle fuel composition heterogeneities, resulting in the Multi-Fuel TFLES (MF-TFLES) model which was implemented in the massively parallel LES code AVBP. The Cardiff University's stratified burner served as an experimental test case, combining upstream ammonia-air premixed injection with downstream hydrogen injection. The flame structure and pollutant distribution were characterized through OH*, NH*, and NH2* chemiluminescence imaging and NO-PLIF measurements. Finally, Large Eddy Simulations (LES) employing the developed ARC mechanism and MF-TFLES model were used to investigate NO chemical formation pathways. The study identified several production mechanisms across different flame regions, correlating them with local mixture composition, temperature fields, and flow structures. Results showed the significant influence of local hydrogen enrichment in lean conditions. The developed numerical framework, combining detailed chemical kinetics, advanced turbulent combustion modeling, and pollutant formation analysis, provides essential insights for the development of low-emission ammonia-hydrogen-based combustion systems through validated numerical predictions. By leveraging High Performance Computing (HPC) and high-fidelity LES, this work contributes to the developing innovative combustion technologies, thus supporting the critical transition toward a decarbonized future. |