Large Eddy Simulation of Explosions in Semi-Confined Environment

Dans le contexte actuel de croissance continue de la demande mondiale en combustible fossile, la sécurité de la production, du transport, ainsi que du stockage de l'énergie est un défi majeur de ce début de XXIème siècle. Les produits manipulés étant extrêmement volatils et inflammables, les éventuelles fuites qui peuvent survenir malgré les lourdes mesures de sécurité mises en place, peuvent engendrer des explosions désastreuses. Il existe donc un fort besoin d'être capable de prédire ces explosions afin de limiter les dégâts potentiels et d'assurer la sécurité des personnes et des biens. Dans cette optique, l'augmentation régulière des puissances de calcul permet à la CFD (Computational Fluid Dynamics) de se présenter comme une alternative intéressante aux expériences qui peuvent s'avérer couteuses et dangereuses. Les explosions sont des phénomènes multi-physiques qui sont principalement dirigés par la turbulence et la combustion et qui prennent place sur une très large gamme d'échelles nécessitant ainsi d'être modélisées. Aujourd'hui, des codes basés sur une approche URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) sont généralement utilisés afin de simuler des explosions de gaz dans des configurations à échelle industrielle. Cependant, l'émergence de la LES (Large Eddy Simulation), qui a déjà montré son potentiel à donner des prédictions plus fiables que le URANS sur des configurations instationnaires complexes, ouvre de nouvelles perspectives pour le domaine de la sécurité explosion. Le but principal de cette thèse est d'évaluer l'apport des méthodes LES et de développer une méthodologie pour la prédiction des phénomènes réactifs turbulents transitoires que sont les explosions. Tout au long de cette étude, un intérêt particulier a été porté à l'approfondissement de la compréhension des phénomènes d'explosion ainsi qu'à la mise en valeur des points cruciaux de modélisation qui permettent une reproduction correcte des phénomènes considérés. Notre approche peut alors se résumer en deux temps : - Dans un premier temps nous nous sommes concentrés sur l'étude LES des déflagrations dans une chambre de combustion de petite échelle : la configuration expérimentale de l'Université de Sydney. La LES associée à un modèle de flamme épaissie a ainsi été appliquée à cette configuration à l'aide du code AVBP (développé par le CERFACS et l'IFP-EN) et a permis de mettre en place une méthodologie de calcul. Une étude de Quantification d'Incertitude (UQ) a ensuite été réalisée sur ces simulations afin d'évaluer la fiabilité de ces résultats, ce qui est primordial dans ce contexte d'étude de sécurité. - Dans un second temps, le but a été d'extrapoler les résultats obtenus sur la configuration de petite échelle à des configurations de plus grande échelle, plus représentatives des configurations industrielles réelles de plateformes pétrolières ou de dépôts de carburants qui constituent l'objectif final visé. Une campagne expérimentale a ainsi été lancée afin de construire des répliques de la configuration de Sydney à des échelles plus importantes et de les étudier numériquement grâce à la méthodologie LES mise en place sur la configuration de petite échelle. Afin de replacer notre étude dans le contexte actuel et de le relier à l'état-de-l'art en matière d'étude de risque d'explosions, d'autres calculs de ces configurations d'explosion ont été réalisés en parallèle de l'étude LES, premièrement avec un code phénoménologique développé dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'avec le code URANS FLACS. Ceci a permis de mettre en évidence leurs limitations ainsi que l'apport de la LES pour ce type d'étude.Within the current context of increasing global demand of fossil fuels, the safety of production, transport, and storage of energy is a major challenge of this early 20th century. The products used are highly volatile and flammable. The eventual leakages which could occur (in spite of the strong safety measures) can lead to dramatic explosions. As a consequence, we need to be able to predict these explosions in order to limit their potential damages and ensure the human and material safety. To this end, the growing of computational power makes the CFD (Computational Fluid Dynamics) an interesting alternative to experiments which can be expensive and dangerous. Gas explosions are multi-physics phenomena mainly driven by turbulence and combustion which take place over a wide range of scales and need to be modeled. Today, CFD codes based on the URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) approach are usually used to simulate gas explosions at industrial scale. However, the emergence of LES (Large Eddy Simulation) has already shown its potential to give more accurate prediction than URANS on complex unsteady configurations. This opens new perspectives for the field of explosion safety. The main aim of this thesis is to assess the benefits of using LES for gas explosion studies and to develop a methodology to predict these unsteady turbulent reactive phenomena. All along this thesis, efforts have been made to increase our understanding of explosions and to highlight key points of modeling which enable an accurate reproduction of the considered phenomena. Our work can be summed up in two parts: - First, the focus was on the LES study of deflagrations in a small scale explosion chamber: the experimental setup of the University of Sydney. LES combined with a thickened flame approach has been applied to this configuration with the AVBP code (developed by CERFACS and IFP-EN) and enabled to set up a computation methodology. An Uncertainty Quantification (UQ) study has then been performed over these simulations in order to asses the reliability of these results, which is essential in this context of safety related studies. - Then, the aim was to extend the conclusions obtained for the small scale configurations to larger scales, more representative of real industrial cases of oil platforms or fuel storage facilities which are the final aim. An experimental campaign has consequently be launched in order to build replicas of the Sydney test-case at larger scales and to study them numerically using the LES methodology developed with the small scale configuration. In order to put our study back into the current context and to link it to the state-of-the-art of explosion risk assessment studies, several other simulations of these explosion configurations have been performed, first using a 0D phenomenological code developed in the framework of this thesis, and then using the URANS CFD code FLACS. This enabled to highlight the limitations of these approaches and the advantages of LES for this type of study