Le syngas est un mélange gazeux de CO et H2 qui constitue un intermédiaire important dans l'industrie pétrochimique. Plusieurs approches sont utilisées pour le produire. L'oxydation partielle non catalytique (POX) et le reformage à la vapeur (SMR) en font partie. Le reformage auto thermique du méthane (ATR) combine quant à lui ces deux procédés au sein d'un même réacteur. L'amélioration du rendement global du procédé ATR requiert une meilleure caractérisation du comportement des gaz au sein de la chambre. La simulation numérique apparaît comme un outil efficace pour y parvenir. Pour réduire le coût CPU, c'est généralement l'approche RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) qui est privilégiée pour la simulation complète de la chambre. Cette approche repose sur l'utilisation de modèles, parmi lesquels le modèle de combustion turbulente, qui a pour objectif de représenter les interactions entre la turbulence et la réaction chimique au sein du mélange. Plusieurs stratégies ont été proposées pour le calculer, qui bénéficient globalement d'une large expérience pour les systèmes classiques mettant en jeu la combustion. Cependant, les flammes observées dans les réacteurs ATR présentent des propriétés assez différentes de ces configurations classiques. La validité des modèles de combustion turbulente classiques doit donc y être vérifiée. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en testant la validité de différents modèles de combustion turbulente. La première partie du travail a consisté à analyser les propriétés des flammes CH4/O2 enrichies en vapeur d'eau à haute pression, et a notamment permis le développement d'une méthode d'évaluation des temps caractéristiques d'un système chimique. Dans un deuxième temps, une expérience numérique à l'aide d'un code DNS a été réalisée, afin de servir de référence pour tester a priori sur des configurations ATR plusieurs modèles RANS de combustion turbulente couramment utilisés dans le milieu industriel.

Le reformage autothermique, dans lequel une oxydation air carburant permet d’initier les réactions de formation d’hydrogène à partir de carburant et d’eau, semble une voie prometteuse pour la synthèse d’hydrogène à bord de navires. Son application au diesel, carburant majoritairement utilisé dans le secteur maritime, bien que moins bien connue académiquement que celle du méthane, permet une opérabilité du vaisseau sur l’ensemble du globe. Cependant les réacteurs associés sont particulièrement sujets au dépôt de carbone, néfaste pour leur durabilité, et requièrent alors une attention toute particulière au niveau des zones de mélange lors de leur conception. Dans les cas d’écoulements fortement tridimensionnels, une approche RANS couplée à un schéma cinétique décrivant les espèces gazeuses, est le plus souvent utilisée. Ce schéma consiste alors soit en un nombre succint de réactions empiriques, au risque de se montrer peu précis sur les niveaux de polluants, ou au contraire en des schémas d’une cinquantaine d’espèces issus de la réduction automatique de schémas complets, qui restent cependant trop lourds à utiliser lors d’une phase de conception. L’objectif de la thèse est alors de proposer une méthodologie pour décrire l’impact d’une géométrie sur les niveaux de polluants compatibles avec les outils habituellement utilisés dans le milieu industriel. Ainsi, la description du couplage chimie-écoulement est réalisée par le biais des logiciels Fluent R et de la suite Chemkin R de ANSYS R . Après une analyse de la chimie du reformage autothermique du diesel, une méthode de génération de schémas globaux d’une di-zaine d’espèces à partir d’un schéma détaillé est proposée. Elle est, par la suite appliquée avec succès à l’oxydation partielle du n-dodécane. Le schéma estalors utilisé dans la première simulation réactive de reformeur auto-thermique avec injection de diesel liquide réalisée à ce jour. Malgré les difficultés de validation dûes au manque de données experimentales et aux limitations des logiciels imposés, les résultats obtenus sont encourageants. / Autothermal reformers use fuel-air oxidation to ensure production of hydrogen from fuel and water on-board. The use of diesel instead of better-known methan, permits the ships to be refuelled all around the world. These systems show strong sensitivity to carbon deposit which reduces their lifetime. Good knowledge of the fuel air mixing is thus required. Academic description of such tridimensional systems usually relies on the application of a RANS simulation coupled with gaseous chemical kinetics mechanism. These mechanisms can then consist on a few empirical reactions, or at the opposite, on quite large schemes, with more than 50 species derived automatically from big detailled schemes. The resulting description is then not enough precise, or at the opposite too computationally expensive to be used during design process. This thesis thus aims to develop an industrial compatible methodology to describe the impact of design geometry on pollutant formation. ANSYS software such as Fluent and Chemkin are then used to perform the simulation. An original method of limited size mechanism derivation from larger chemical scheme is proposed. It is succesfully applied to the generation of a partial oxidation mechanism of n-dodecane, from the results of diesel reforming chemical analysis. The resulting scheme is then applied on theliquid injection diesel autoreformer reactive simulation. Even if validation difficulties result from the lack of experimental data and limitations of the softwares, it remains the first simulation of this kind in the litterature, to our knowledge. Promising results are obtained.

Le syngas est un mélange gazeux de CO et H2 qui constitue un intermédiaire important dans l’industrie pétrochimique. Plusieurs approches sont utilisées pour le produire. L’oxydation partielle non catalytique (POX) et le reformage à la vapeur (SMR) en font partie. Le reformage auto thermique du méthane (ATR) combine quant à lui ces deux procédés au sein d’un même réacteur. L’amélioration du rendement global du procédé ATR requiert une meilleure caractérisation du comportement des gaz au sein de la chambre. La simulation numérique apparaît comme un outil efficace pour y parvenir. Pour réduire le coût CPU, c'est généralement l'approche RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) qui est privilégiée pour la simulation complète de la chambre. Cette approche repose sur l'utilisation de modèles, parmi lesquels le modèle de combustion turbulente, qui a pour objectif de représenter les interactions entre la turbulence et la réaction chimique au sein du mélange. Plusieurs stratégies ont été proposées pour le calculer, qui bénéficient globalement d'une large expérience pour les systèmes classiques mettant en jeu la combustion. Cependant, les flammes observées dans les réacteurs ATR présentent des propriétés assez différentes de ces configurations classiques. La validité des modèles de combustion turbulente classiques doit donc y être vérifiée. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en testant la validité de différents modèles de combustion turbulente. La première partie du travail a consisté à analyser les propriétés des flammes CH4/O2 enrichies en vapeur d'eau à haute pression, et a notamment permis le développement d’une méthode d’évaluation des temps caractéristiques d’un système chimique. Dans un deuxième temps, une expérience numérique à l’aide d’un code DNS a été réalisée, afin de servir de référence pour tester a priori sur des configurations ATR plusieurs modèles RANS de combustion turbulente couramment utilisés dans le milieu industriel. / Syngas is a gaseous mixture mainly composed of CO and H2, which constitutes a major feedstock in petrochemical industry. Several industrial approaches are commonly used to produce it. Non catalytic Partial Oxidation (POX) and Steam Methane Reforming (SMR) are two of them. Autothermal Reforming (ATR) is a third process that combines both POX and SMR in the same reactor. A better knowledge of the reactive flow properties inside the chamber is required in order to improve the ATR process efficiency. Numerical simulation appears as an efficient tool to reach this goal. Because of the high CPU cost required for these simulations, RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) formulation is usually preferred for the simulation of the whole chamber. This approach relies on the use of models, like the turbulent combustion model that aims at describing the interactions between turbulence and chemical reactions. Several approaches have been proposed to compute it, which benefit from a relatively wide experience for the simulation of classical combustion systems. However, ATR flames have some specific properties that make them quite different from these classical configurations, especially because of high pressure, reactants dilution with water and high global equivalence ratio. The validity of classical turbulent combustion models therefore requires to be assessed in ATR configurations. The objective of this thesis is to meet this need by testing the validity of several turbulent combustion models. The first part of this work has been to analyze water-enriched CH4/O2 flames properties at high pressure. In particular, a strategy for evaluating characteristic chemical time scales of a reactive system has been proposed within this context. In a second part, a DNS numerical experiment has been performed. Its results are then used as a benchmark for a priori testing several turbulent combustion models in the context of ATR reactor RANS simulations.