Calcul précis et rapide du rayonnement thermique dans les gaz de combustion CO₂–H₂O pour les procédés industriels décarbonés
Face aux défis de neutralité carbone à l’horizon 2050, l’industrie lourde et les procédés thermiques sont particulièrement concernés, car ils reposent encore largement sur la combustion de charbon, de pétrole et de gaz naturel, responsables d’une part majeure des émissions de CO2. L’une des voies de décarbonation les plus prometteuses consiste à substituer progressivement les énergies fossiles par exemple, par un mélange gaz naturel/hydrogène. Cependant, cette transition modifie fortement la composition des gaz de combustion, notamment les fractions molaires de CO2 et de H2O, et influence directement le transfert radiatif, qui reste un mode de transfert de chaleur dominant dans les systèmes et procédés à hautes températures. Les modèles radiatifs LBL (Line By Line) sont très précis mais beaucoup trop coûteux pour les simulations 3D de combustion turbulente. Pour un mélange de CO2-H2O, il y a typiquement 111 millions et 12 millions de raies pour H2O et le CO2, respectivement. Le modèle WSGG standard (Weighted-Sum-of-Gray-Gases) formulé couramment avec 4 gaz gris et une fenêtre de transparence est très rapide mais génère des erreurs trop importantes sur le calcul du terme source radiatif (Sr) et du flux radiatif (Qr).
L’objectif de ce travail est le développement d’un modèle radiatif à la fois rapide et précis (basé sur l’approche WSGG à larges bandes), capable de simuler le rayonnement thermique des mélanges gazeux CO2-H2O issus de combustibles décarbonés. Le spectre total est subdivisé en 6 bandes (utilisant 1 gaz gris par bande) à l’aide de la méthode que nous avons développée pour identifier le découpage spectral optimal. Contrairement aux modèles WSGG standard, le poids d’émission est calculé directement à partir de la fonction de Planck, évitant ainsi d’introduire des paramètres d’ajustement pour ce coefficient. Les coefficients d’absorption de pression du mélange de gaz gris sont ajustés à l’aide d’un algorithme génétique, à partir des données LBL et HITEMP 2010, en minimisant une fonction objectif combinant les erreurs de Sr et Qr. Enfin, pour rendre ce modèle compatible avec des gaz issus de combustibles décarbonés (mélanges hydrogène et gaz naturel), nous avons introduit la dépendance du rapport de fraction molaire R (H2O/CO2) directement dans l’expression du coefficient d’absorption de pression.
À ce stade de développement, le nouveau modèle peut être appliqué à des mélanges H2O-CO2 non isothermes et non homogènes, entre 300 K et 3000 K, et à pression atmosphérique. Lorsque le modèle est appliqué à une centaine de cas tests 1D, pour R=1 et R=2, les erreurs maximales normalisées restent inférieures à 7% pour Sr et 5% pour Qr, avec des erreurs moyennes inférieures à 3.7%. Des résultats de simulation du transfert radiatif pour différents mélanges d’hydrogène et gaz naturel seront présentés.
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