Section 10 Milieux fluides et réactifs : transports, transferts, procédés de transformation

IV. Combustion

A. Description de la thématique et axes de développements

Plus de la moitié des besoins nationaux en énergie sont couverts par des procédés de combustion basés sur l'utilisation du pétrole, du gaz, du charbon, des déchets ou encore des biocarburants. Dans les secteurs de l'agriculture et des transports, cette couverture avoisine les 100 %. Les applications de la combustion sont donc nombreuses : moteurs terrestres, aériens et spatiaux, turbines à gaz, production industrielle (haut-fourneaux, centrales thermiques...) impliquant une grande variété de systèmes fonctionnant depuis la pression atmosphérique jusqu'à une centaine de bars. Les géométries rencontrées et les systèmes d'injection des comburants sont par conséquent multiples et les problèmes à traiter sont intrinsèquement multiphysiques, incluant la mécanique des fluides, la thermochimie, les pertes thermiques aux parois et le rayonnement. Les carburants utilisés sont de plus en plus diversifiés générant une multitude de mélanges depuis la combustion propre à l'hydrogène, posant le problème de son obtention, jusqu'à l'utilisation de résidus de l'agriculture, en passant par les ergols. Les régimes d'écoulement rencontrés dépendent de l'application : laminaire ou turbulent, subsonique ou supersonique sans oublier les phénomènes de déflagration et de détonation. Le couplage de la combustion avec les modes acoustiques du système est également à prendre en compte pour nombre de ces applications.

Une très large gamme d'échelles est présente : inférieure au millimètre pour la zone de réaction, de quelques millimètres à plusieurs mètres ou kilomètres, de la méso-combustion au four industriel ou à l'incendie de forêt. Au problème déjà complexe de la turbulence pour un fluide inhomogène en température, composition et phase (liquide ou gazeuse), s'ajoute le couplage avec les fronts réactifs très minces. À la disparité des échelles spatiales est bien sûr associée celle des échelles temporelles liées à la cinétique chimique, aux transports diffusifs et convectifs et aux échanges thermiques. Actuellement, toute la problématique précitée est abordée dans les laboratoires de la section 10 au travers de la caractérisation des cinétiques de mélanges combustibles, de l'expérimentation et de la simulation numérique des brûleurs et systèmes de combustion.

De par la richesse de ses problématiques et de son impact sociétal, la combustion est en relation avec un grand nombre d'autres domaines de recherche. Une synergie forte est observée en premier lieu avec la dynamique des fluides car à la base de tout système de combustion réside un écoulement non-réactif mono- ou multi-phasique. On retrouve également une synergie forte avec les plasmas à la fois pour leur utilisation dans le contrôle de la combustion (dépollution, allumage, stabilisation en régime pauvre) et pour des méthodes de diagnostic partagées pour la mesure d'espèces. Le développement de biocombustibles à base d'algues ou de végétaux dont l'étude relève du génie des procédés doit s'effectuer en collaboration avec des spécialistes des cinétiques de la combustion et des diagnostics de polluants. Enfin, l'aspect thermique est très présent dans les développements basés sur l'association des deux modes énergétiques solaire et gaz (hybridation), les problèmes d'incendie et de ventilation des bâtiments, la tenue au feu des matériaux. L'optimisation de la consommation des carburants dans la production d'énergie, passe par l'hybridation avec l'utilisation d'énergie renouvelables (éolien ou solaire) ou par l'utilisation de ces énergies pour produire de l'hydrogène (centrales photovoltaïques ou réacteur solaires).

La communauté interagit également avec les mathématiques appliquées (INSMI) pour créer des méthodes numériques et des algorithmes spécifiquement adaptés à la simulation de la combustion, et avec l'informatique et le génie logiciel (INS2I) dans le domaine du calcul haute performance (HPC). Le développement des carburants alternatifs issus de la biomasse et des déchets nécessite une collaboration avec le milieu médical pour évaluer en amont la dangerosité de certains composés (NOx, aromatiques, suies...). Enfin, la nécessité de minimiser l'impact de la combustion sur l'environnement implique aussi des échanges avec les sciences de la terre (captage de CO2, exploitation des gaz de schiste...) et la climatologie.

Bien que les énergies dites renouvelables (éolien, solaire) voient leur part augmenter considérablement, les progrès de l'exploitation des gisements difficilement accessibles, l'utilisation des gaz de schiste et la production de carburant par la biomasse laissent présager encore plusieurs décennies de développements amont pour contribuer à la fois à l'optimisation de l'utilisation des ressources et à la minimisation des impacts négatifs en terme de climat et de santé publique.

La recherche en combustion peut être schématiquement décomposée en trois grandes thématiques : (i) cinétique et diagnostics associés ; (ii) diagnostics dans des systèmes de combustion réels ou canoniques ; (iii) théorie, modélisation et simulation numérique. Parmi les développements récents, on peut citer :

– l'émergence de diagnostics simultanés et haute cadence rassemblant une métrologie liée aux mesures aérodynamiques (vitesse, pression, température de paroi) et thermo-chimique (température, concentrations, suies) ;

– la détermination de schémas cinétiques complets pour des carburants non-conventionnels comportant des constituants issus de la biomasse ;

– la montée en puissance du HPC et de la simulation aux grandes échelles « haute-fidélité », incluant la modélisation de problèmes de plus en plus complexes, réalistes et couplés permettant la prise en compte de cinétiques détaillées, l'introduction du rayonnement, de la thermique des parois et l'amélioration de la prise en compte de la phase liquide, tout ceci dans des géométries proches des systèmes industriels (moteurs, fours...) ou des incendies (feux de forêts, de bâtiments...)

B. Moyens d'action et organisation

On compte une dizaine de laboratoires, unités propres ou mixtes CNRS, possédant des équipes de recherche en combustion ; une quarantaine de chercheurs CNRS sont affectés à cette thématique. À ces acteurs s'ajoutent l'IFPEN (moteurs automobiles), l'IRSN (sûreté nucléaire), l'ONERA (aéronautique et spatial), le CERFACS (simulation essentiellement pour l'aéronautique). Cette communauté d'assez petite taille se retrouve autour de projets ANR, de programmes européens et de collaborations inter-Labex.

Une animation efficace de la communauté est menée par le GFC (Groupement Français de Combustion), section française du Combustion Institute. Ce groupement rassemble environ 200 adhérents issus du monde académique ou industriel. Le GFC organise des journées thématiques (éventuellement avec d'autres sections européennes), une journée annuelle des doctorants et décerne des prix de thèse bisannuels. Tous les deux ans, une école de combustion est organisée de façon tournante par les différents laboratoires. On retiendra aussi le GdR Feux, le réseau INCA rassemblant les acteurs de la recherche et de l'industrie autour de l'aéronautique et le GIS SUCCESS constitué autour des logiciels AVBP et YALES2 qui favorise le développement mutualisé de la simulation aux grandes échelles de la combustion.

Certains laboratoires possèdent des configurations expérimentales proches des conditions réelles : moteurs aéronautiques et automobiles, turbines, installations à haute pression. La plate-forme nationale de Métrologie Optique (MéOL) de Lille gérée par le LML et le PC2A permet d'optimiser l'utilisation de métrologies telles que la PIV, la visualisation ultra-rapide et les diagnostics lasers pour la quantification d'espèces gazeuses et de suies.

Les chercheurs français sont aujourd'hui incontournables sur le plan international dans la compréhension des mécanismes réactionnels, l'étude des suies et la simulation haute-fidélité de systèmes réels. On peut néanmoins noter que les cas tests de validation complets utilisés pour le développement de modèles et comportant des mesures d'espèces, de température et de vitesse sont encore très majoritairement issus des États-Unis et récemment d'Allemagne, signe qu'une meilleure synergie des moyens et des compétences présents dans les laboratoires français est possible et permettrait d'accroître encore la visibilité de la communauté.

Enfin, les liens forts entre recherche académique et industrie sont concrétisés par la forte absorption des jeunes docteurs dans les grandes entreprises du domaine, mouvement qui engendre un transfert efficace de connaissances.

C. Recommandations

La combustion est aujourd'hui au cœur de la transition des énergies fossiles conventionnelles vers les énergies renouvelables. La recherche joue un rôle essentiel dans la maîtrise des émissions de gaz à effet de serre et dans l'adaptation aux nouvelles normes environnementales. Des efforts importants sont également plus que jamais nécessaires pour maîtriser les risques induits par la pollution par les particules fines sur la santé.

De par son aspect multiphysique, la combustion est un domaine de recherche large, complexe et en évolution perpétuelle. Les défis attendus pour les prochaines années concernent le développement et la mise en service de nouveaux carburants (biocarburants ou fossiles) : description, augmentation de la flexibilité des systèmes existants ou développement de nouveaux concepts, ceci tout en intégrant une tolérance de plus en faible vis-à-vis des effets néfastes sur l'environnement et la santé. Il s'agit maintenant d'anticiper les effets indésirables afin de ne pas reproduire l'erreur du Diesel par exemple, de capter le CO2, d'améliorer encore l'efficacité des systèmes et de favoriser la dépollution à la source.

Ces recherches en cours et futures nécessitent de renforcer encore la synergie entre les sous-communautés (modélisation-simulation/expérience/cinétique) ainsi que les actions transversales afin d'éviter qu'un nouveau carburant s'avère nocif une fois exploité massivement. En complément au portage de projets en commun déjà bien présent dans la communauté, la réactivation de réseaux ou GdR pourrait favoriser sa réactivité et son ouverture, notamment vers les mathématiques, la santé ou la physique.

Les activités de simulation liées au HPC reposent sur la disponibilité de moyens de calcul puissants pour des logiciels toujours plus multiphysiques. Le besoin d'un soutien constant des pouvoirs publics dans ce domaine via le GENCI est donc essentiel.

Enfin, il faut prendre garde au morcellement et à la duplication des efforts de recherche qui pourraient résulter du pilotage de plus en plus présent de la recherche par les régions. Le renforcement des plates-formes nationales en simulation et diagnostics peut constituer un moyen efficace pour contrebalancer cette tendance.