PhD student (M/ F) Experimental study of NOx formation in turbulent hydrogen-air flames diluted with steam

Informations générales

Intitulé de l'offre : Doctorant (H/F) Étude expérimentale de la formation des NOx dans des flammes turbulentes d’hydrogène air diluée avec de vapeur d’eau
Référence : UPR288-CLEMIR-006
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : GIF SUR YVETTE
Date de publication : jeudi 19 septembre 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

Description du sujet de thèse

La combustion d'hydrogène est une source d'énergie prometteuse pour atteindre la neutralité carbone en 2050 dans de nombreuses applications, notamment les transports, les procédés industriels et la conversion d'énergie.
Cet objectif ambitieux pose de grands défis scientifiques au niveau de la combustion, car les propriétés chimiques et physiques de l'hydrogène sont très différentes de celles des carburants hydrocarbonés conventionnels, et des niveaux élevés d'émissions de NOx sont attendus. Alors que l'émission et la réduction de NOx dans les flammes turbulentes ont été étudiées dans le cas de la combustion d'hydrocarbures, les mécanismes physiques et chimiques responsables de la formation de NOx dans les flammes turbulentes d’hydrogène restent inconnus. La compréhension et la modélisation de la formation des NOx sont indispensables pour développer des outils Numériques ) nécessaires aux ingénieures et ingénieurs en combustion pour concevoir les futures chambres de combustion à hydrogène.
Les travaux de thèse visent à mieux comprendre et modéliser la formation des NOx dans les flammes turbulentes d'hydrogène, à travers des diagnostics expérimentaux avec un accent sur l'effet de l'ajout de vapeur d’eau pour réduire la formation des NOx.

Le laboratoire EM2C recherche une personne hautement qualifiée pour une bourse de doctorat dans le domaine de la combustion expérimentale. La personne retenue sera encadrée par Dr. Clément Mirat, Dr. Christopher Betrancourt et Dr. Laurent Zimmer pour étudier la combustion de l'hydrogène diluée à la vapeur d'eau. La thèse consistera à prendre en main un brûleur puis dans un premier temps à déterminer les cartes de stabilité des flammes de référence, notamment en présence d’injection de vapeur d’eau. Les flammes visées seront turbulentes et des mesures globales de formes de flammes par chimiluminescence seront entreprises. En parallèle, les gaz en sortie de la chambre de combustion seront prélevés et insérés dans une baie d’analyse pour en déterminer la composition. Cette première étape permettra de définir les configurations expérimentales à étudier plus précisément dans la suite des travaux. On cherchera à proprement caractériser des flammes très peu émettrices en NOx et des flammes, relativement proches en apparence, mais dont les émissions sont plus importantes.

La seconde étape consiste à utiliser des diagnostics optiques afin de remonter aux couplages vitesses / position de flammes dans ces cas de références et les conséquences sur la concentration des NOx en sortie. Pour cela des techniques de vélocimétrie par images de particules (PIV) seront simultanément déployées avec des techniques de fluorescence induite par laser dans un plan (PLIF) sur la molécule OH. Afin de déterminer les éventuelles corrélations entre ces grandeurs et les températures aux parois, des méthodes de phosphorescence induite par laser (LIP) seront aussi utilisées. Ces résultats fondamentaux permettront le développement de corrélation entre ces différentes grandeurs et les émission globales.

Pour finir les travaux de thèse, une technique de PLIF sur la molécule NO sera appliquée sur quelques flammes. Cette technique sera utilisée conjointement à une technique PIV pour comprendre finement les zones de production et de transport des NOx dans des flammes turbulentes. Ces résultats fondamentaux permettront le développement de modèles bas-ordre de production et de transport de NOx dans des flammes hydrogène-air, en présence éventuelle de vapeur d’eau.

Contexte de travail

Le projet MONTHY (/projets/monthy/) composé de trois partenaires académiques s'inscrit dans un ambitieux projet national qui vise à soutenir la recherche sur l’hydrogène dans le cadre du plan national hydrogène. La thèse traite plus particulièrement de la compréhension et de la modélisation de la formation des oxydes d’azote dans les flammes turbulentes d’hydrogène afin de trouver des solutions pour les réduire. Cette étape fondamentale permettra un transfert rapide vers les entreprises via le développement d’outils de Calcul Haute Performance (HPC) nécessaires à la conception des chambres de combustion à hydrogène de demain et ce pour des applications variées : propulsion aéronautique, production de chaleur à haute température utile à l’industrie, mobilité terrestre, fluviale ou maritime.

Le laboratoire EM2C (CNRS/INSIS et Université Paris-Saclay/CentraleSupélec http:///), par ses recherches académiques de haut niveau sur l'énergie et la combustion et ses études appliquées en partenariat avec les entreprises ou les centres de recherche les plus en vue dans le domaine des transports et de l'énergie, contribue de manière significative à l'avancée des connaissances sur ces enjeux critiques, tant pour le climat que pour l'environnement. Pour répondre à ces enjeux, les activités de recherche du laboratoire s'organisent autour de trois axes intitulés Combustion, Plasmas hors d'équilibre, Physique des transferts et d'une action transversale en Mathématiques appliquées. Vous serez inclus dans l'axe Combustion et en qualité de doctorant (H/F), vous serez inscrit à l'école doctorale SMEMAG (ED 579 - Sciences Mécaniques & Énergétiques, Matériaux & Géosciences). Le Laboratoire EM2C est composé d'environ 45 agents permanents (chercheurs, enseignants-chercheurs & personnels d'appui à la recherche) et 35 doctorants, post-doctorants, stagiaires & professeurs invités.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.