Modélisation numérique des rejets accidentels de liquide cryogénique : application à l'évaluation des risques liés à l'hydrogène liquide (LH2)

Face aux pénuries d'énergie et à la pollution croissante, de nombreux pays élaborent des politiques pour remplacer les combustibles fossiles par des sources d'énergie alternatives propres. Le stockage et le transport sont cruciaux dans la filière hydrogène. La compression et la liquéfaction sont courantes, le LH2 étant privilégié pour le transport moyen-long grâce à sa densité élevée. Cependant, les fuites peuvent provoquer incendies et explosions. Des centaines d'accidents, dont certains graves, ont été enregistrés. Afin d'étudier le comportement du LH2 lors de fuites accidentelles et d'améliorer la sécurité, cette thèse utilise le code CFD open source OpenFOAM pour modéliser le processus de fuite et réaliser des analyses détaillées.D'abord, cette thèse passe en revue la quasi-totalité des études sur le rejet de LH2 et retrace son histoire de recherche. Une recherche bibliométrique utilisant des mots-clés tels que « hydrogène liquide » + « fuite » et « hydrogène liquide » + « libération » dans la collection principale du Web of Science a permis d'identifier 571 articles, dont 346 sélectionnés après un filtrage manuel. L'avancement et les tendances de la recherche ont été analysés à partir de ces articles. De plus, des analyses pertinentes ont été menées. Cette analyse macro-micro fournit des informations complètes.Ensuite, un modèle basé sur OpenFOAM a été développé et validé par une expérience de jet d'hydrogène. Basé sur l'algorithme PIMPLE, il simule efficacement le mélange hydrogène-air. Le modèle complet a été construit sur ce modèle. Une revue des études précédentes sur le LH2 montre que la quasi-totalité des modèles numériques ont été validés par des expériences de la NASA, et notre modèle l'est également. Nous examinons d'abord les expériences de la NASA et extrayons les phénomènes physiques typiques du rejet de LH2. En simplifiant le processus, nous identifions les principaux processus thermodynamiques et de dynamique des fluides, puis introduisons les modèles numériques nécessaires et utilisons l'algorithme PIMPLE pour construire un modèle prédictif. La comparaison avec les données de la NASA montre une bonne cohérence et des écarts acceptables, confirmant la validité du modèle.Après, une analyse ultérieure a examiné les effets de la vitesse du vent, du type de sol, de la pression, de la température et de la durée du rejet de LH2 en comparant la variation temporelle de la concentration en hydrogène, la propagation maximale verticale et sous le vent, ainsi que le volume des nuages. Les résultats montrent qu'une vitesse de vent plus élevée augmente la diffusion sous le vent et freine la montée des nuages, augmentant ainsi les risques en aval. La rugosité du sol affecte le profil du vent : plus elle est importante, moins le profil du vent est raide et plus la différence de vitesse du vent est marquée. Une pression atmosphérique plus élevée inhibe la diffusion de l'hydrogène et réduit le volume des nuages. La température a peu d'effet. Une durée de libération plus longue agrandit la zone affectée. La vitesse et la durée du vent ont l'impact le plus significatif ; une attention particulière doit donc être portée aux conditions venteuses.Enfin, une méthode de mur d'air est proposée pour améliorer la sécurité du LH2. Comparé aux murs de confinement, les murs d'air présentent une protection efficace dont le mécanisme est expliqué. L'effet protecteur d'un mur d'air sous différentes vitesses d'écoulement a été étudié, et les résultats ont montré que plus les vitesses sont élevées, meilleur est l'effet. Le moment de l'activation est crucial : une activation après une fuite peut toujours assurer la protection, mais plus elle est précoce, meilleur est l'effet. Plus le flux d'air est rapide, plus le mur d'air se construit rapidement, et plus le mur d'air est grand, meilleure est la protection. De plus, plus le vent est fort, plus le flux d'air doit être puissant.