Thèse Couplage Thermique en Simulation aux Grandes Échelles pour la Prédiction de la Stabilité et des Limites d'Extinction des Flammes de Safs dans les Foyers Aéronautiques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : EM2C - Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion Direction de la thèse : Ronan VICQUELIN ORCID 0000000220555244 Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-09-21T23:59:59 La décarbonation du transport aérien repose notamment sur le développement des carburants d'aviation durables (SAF), dont la diversité de composition peut modifier significativement leur comportement en combustion et la stabilité des flammes. Cette thèse, menée dans le cadre de la Chaire Industrielle SAFARI (EM2C, ANR, SAFRAN), vise à mieux comprendre l'influence de la composition des SAF et des transferts thermiques sur la stabilisation et l'extinction des flammes dans les foyers aéronautiques.

Une approche de simulation aux grandes échelles (LES) haute fidélité sera développée en couplant les solveurs AVBP et AVTP du CERFACS avec le solveur Monte Carlo de l'EM2C, afin de prendre en compte de manière cohérente la turbulence, la chimie, l'injection et l'évaporation du carburant, la conduction dans les parois et le rayonnement, notamment celui associé à la suie. Les simulations d'un foyer RQL haute pression, confrontées aux données expérimentales du banc HERON du CORIA, permettront de quantifier l'impact de différents SAF sur les transferts thermiques et les limites de stabilité. Les résultats serviront enfin à évaluer et améliorer les modèles simplifiés développés dans la Chaire SAFARI, en vue de leur utilisation pour la conception de futurs foyers compatibles avec la diversité des SAF. La décarbonation du transport aérien constitue un défi majeur de la transition énergétique, pour lequel les Sustainable Aviation Fuels (SAF) représentent un levier à court et moyen terme particulièrement prometteur. Compatibles avec les infrastructures et moteurs existants, ces carburants peuvent être utilisés en mélange avec le kérosène conventionnel et sont appelés à jouer un rôle croissant dans l'atteinte de la neutralité carbone de l'aviation à l'horizon 2050. Toutefois, la diversification des ressources et procédés de production des SAF entraîne une variabilité importante de leur composition chimique et de leurs propriétés physico-chimiques, notamment en termes de volatilité et de réactivité. Cette variabilité peut modifier les phénomènes d'évaporation, la dynamique de flamme et les limites de stabilité du moteur, en particulier lors de l'allumage, du rallumage et du fonctionnement proche du décrochage pauvre (Lean Blowout). La compréhension de ces effets constitue ainsi un enjeu essentiel pour concevoir des systèmes de combustion robustes, capables de fonctionner avec la diversité des SAF appelés à être développés.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la Chaire Industrielle SAFARI (laboratoire EM2C, ANR et SAFRAN), qui vise à mieux comprendre les phénomènes multiphysiques impliqués dans la combustion des SAF et à développer des outils numériques pour la conception des futurs foyers aéronautiques. Elle contribuera aux axes portant sur l'influence de la pression, des transferts thermiques et de la variabilité des carburants sur la dynamique et la stabilité des flammes, ainsi que sur le développement et la validation de modèles CFD avancés. Les travaux s'appuieront notamment sur une base de données expérimentale obtenue sur un foyer RQL haute pression étudié sur le banc HERON du CORIA.
Alors que la simulation aux grandes échelles (LES) est devenue un outil de référence pour la modélisation des foyers de turbines à gaz, notamment pour l'étude du décrochage pauvre (Lean Blowout, LBO), peu de travaux intègrent les transferts thermiques conjugués (conduction dans les parois et rayonnement) dans les simulations de LBO. Pourtant, ces phénomènes influencent significativement la stabilisation des flammes et les émissions polluantes, et leur négligence peut conduire à des prédictions erronées. De même, les études numériques comparant l'influence de différents carburants sur le LBO restent rares, alors que la diversité croissante des carburants d'aviation durables (SAF) rend cette question particulièrement importante. Dans les foyers de type Rich-Quench-Lean (RQL), le rayonnement des suies, fortement dépendant de la teneur en aromatiques des SAF, constitue notamment une contribution majeure aux transferts thermiques dans la zone primaire.
La thèse s'appuiera sur les outils numériques développés au CERFACS et à l'EM2C : le solveur AVBP, intégrant des modèles avancés de cinétique chimique et de suie, couplé à AVTP pour la conduction dans les parois et au solveur Monte Carlo de l'EM2C pour le transfert radiatif. Cette approche haute-fidélité permettra d'étudier l'influence de la composition du carburant sur les transferts thermiques, la stabilisation de la flamme et les limites d'extinction pauvre dans un foyer RQL haute pression, notamment à l'aide de carburants de substitution représentatifs des SAF étudiés. Les modèles simplifiés développés dans le cadre de la Chaire SAFARI seront ensuite évalués à partir de ces simulations de référence. L'objectif est ainsi de mieux comprendre les mécanismes de stabilisation et d'extinction pour différentes familles de SAF, en prenant en compte de manière cohérente les principaux couplages multiphysiques d'un foyer aéronautique.
Trois axes seront poursuivis :
- Formulation du surrogate carburant pour décrire ses propriétés dans les simulations
- Modélisation des écoulements réactifs à disposition dans le code de calcul AVBP
- Description du couplage thermique et transferts radiatifs

Diplôme d'ingénieur ou Master en mécanique, énergétique ou aérospatiale.

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