The present research seeks to advance the understanding and application of Principal Component Analysis (PCA)-based combustion modelling for practical systems application. This work is a consistent extension to the standard PC-transport model, and integrates the use of Gaussian Process Regression (GPR) in order to increase the accuracy and the potential of size reduction offered by PCA. This new model, labelled PC-GPR, is successively applied and validated in a priori and a posteriori studies.In the first part of this dissertation, the PC-GPR model is validated in an a priori study based on steady and unsteady perfectly stirred reactor (PSR) calculations. The model showed its great accuracy in the predictions for methane and propane, using large kinetic mechanisms. In particular, for methane, the use of GPR allowed to model accurately the system with only 2 principal components (PCs) instead of the 34 variables in the original GRI-3.0 kinetic mechanism. For propane, the model was applied to two different mechanisms consisting of 50 species and 162 species respectively. The PC-GPR model was able to achieve a very significant reduction, and the thermo-chemical state-space was accurately predicted using only 2 PCs for both mechanisms.The second part of this work is dedicated to the application of the PC-GPR model in the framework of non-premixed turbulent combustion in a fully three-dimensional Large Eddy Simulation (LES). To this end, an a posteriori validation is performed on the Sandia flames D, E and F. The PC-GPR model showed very good accuracy in the predictions of the three flames when compared with experimental data using only 2 PCs, instead of the 35 species originally present in the GRI 3.0 mechanism. Moreover, the PC-GPR model was also able to handle the extinction and re-ignition phenomena in flames E and F, thanks to the unsteady data in the training manifold. A comparison with the FPV model showed that the combination of the unsteady data set and the best controlling variables for the system defined by PCA provide an alternative to the use of steady flamelets parameterized by user-defined variables and combined with a PDF approach.The last part of this research focuses on the application of the PC-GPR model in a more challenging case, a lifted methane/air flame. Several key features of the model are investigated: the sensitivty to the training data set, the influence of the scaling methods, the issue of data sampling and the potential of a subgrid scale (SGS) closure. In particular, it is shown that the training data set must contain the effects of diffusion in order to accurately predict the different properties of the lifted flame. Moreover, the kernel density weighting method, used to address the issue of non-homogenous data density usually found in numerical data sets, allowed to improve the predictions of the PC-GPR model. Finally, the integration of subgrid scale closure to the PC-GPR model allowed to significantly improve the simulations results using a presumed PDF closure. A qualitative comparison with the FPV model showed that the results provided by the PC-GPR model are overall very comparable to the FPV results, with a reduced numerical cost as PC-GPR requires a 4D lookup table, instead of a 5D in the case of FPV. / Le double défi de l'énergie et du changement climatique mettent en avant lanécessité de développer des nouvelles technologies de combustion, étantdonné que les projections les plus réalistes montrent que la plus grandeaugmentation de l'offre d'énergie pour les décennies à venir se fera à partirde combustibles fossiles. Ceci représente donc une forte motivation pour larecherche sur l'efficacité énergétique et les technologies propres. Parmicelles-ci, la combustion sans flamme est un concept nouvellementdéveloppé qui permet d'obtenir des rendements thermiques élevés avecdes économies de carburant tout en maintenant les émissions polluantes àun niveau très bas. L'intérêt croissant pour cette technologie est égalementmotivé par sa grande flexibilité de carburant, ce qui représente uneprécieuse opportunité pour les carburants à faible valeur calorifique, lesdéchets industriels à haute valeur calorifique et les combustibles à based'hydrogène. Etant donné que cette technologie est plutôt récente, elle estde ce fait encore mal comprise. Les solutions d'une application industriellesont très difficiles à transposer à d'autres. Pour améliorer les connaissancesdans le domaine de la combustion sans flamme, il est nécessaire de menerdes études fondamentales sur ce nouveau procédé de combustion afin defavoriser son développement. En particulier, il y a deux différencesmajeures par rapport aux flammes classiques :d’une part, les niveaux deturbulence rencontrés dans la combustion sans flamme sont rehaussés, enraison des gaz de recirculation, réduisant ainsi les échelles de mélange.D'autre part, les échelles chimiques sont augmentées, en raison de ladilution des réactifs. Par conséquent, les échelles turbulentes et chimiquessont du même ordre de grandeur, ce qui conduit à un couplage très fort.Après un examen approfondi de l'état de l'art sur la modélisation de lacombustion sans flamme, le coeur du projet représentera le développementd'une nouvelle approche pour le traitement de l'interaction turbulence /chimie pour les systèmes sans flamme dans le contexte des simulationsaux grandes échelles (Large Eddy Simulations, LES). Cette approche serafondée sur la méthode PCA (Principal Component Analysis) afin d'identifierles échelles chimiques de premier plan du processus d'oxydation. Cetteprocédure permettra de ne suivre sur la grille LES qu'un nombre réduit descalaires non conservés, ceux contrôlant l'évolution du système. Destechniques de régression non-linéaires seront couplées avec PCA afind’augmenter la précision et la réductibilité du modèle. Après avoir été validégrâce à des données expérimentales de problèmes simplifiés, le modèlesera mis à l'échelle afin de gérer des applications plus grandes, pertinentespour la combustion sans flamme. Les données expérimentales etnumériques seront validées en utilisant des indicateurs de validationappropriés pour évaluer les incertitudes expérimentales et numériques. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

By 2050, Europe needs to have drastically decoupled its economic growth from its emissions of CO2. This is a direct response to the compelling evidence from the increasing risks of climate change brought about by the anthropogenic Greenhouse Gas (GHG) emissions and pollutant emissions (NOx). A replacement of significant percent of fossil fuels with renewable energy sources will be needed. However, energy production from most renewable energy sources, is typically intermittent and unpredictable. This requires a reliable mid-long term energy storage to synchronize production and demand. The Power-to-Fuel option or chemical storage can be the key for a sustainable energy system. Indeed, converting the excess of renewable energy into second generation fuels will unlock a long-term and high-density energy storage, ensuring also a reduction of the carbon footprint. These ”green” non-conventional fuels are blends of CH4, H2, CO and NH3. However, to achieve Power-to fuel, the development of an efficient combustion technology, coupled with virtually zero pollutant emissions, stable working conditions with different load and fuel and significant energy saving is required. In the last years, a so-called MILD or flameless combustion has drawn attention for its ability of meeting the mentioned targets. However, the studies available in literature are conducted on Jet in hot co-flow-like systems or they face conventional fuels, such as natural gas or methane. The examples using non-conventional fuels are scarce and limited to few operating conditions. In this framework, this PhD thesis focuses on a threefold aspect. Experimental campaigns investigated fuel flexibility of flameless combustion in the ULB furnace. A progressive addition of hydrogen in methane enhanced combustion features, reducing the ignition delay time and increasing the reactivity of the system, possibly losing its flameless behavior. Indeed, a threshold of 25% H2 was defined for reaching flameless/MILD conditions, characterized by still low pollutant emissions and temperature peak. This is in line with the goal of introducing “green” hydrogen into the natural gas pipeline (up to 20%) to reduce CO2 emissions. Further experimental campaigns tested the role of the injection geometry (varying the air injector ID) and fuel lance length to reduce NO emissions and retrieve flameless/MILD conditions for high hydrogen content. Finally, ammonia/hydrogen blends were tested. Results suggests that stoichiometry has a major impact on NO emissions. An optimal window, minimizing both NO and NH3-slip emissions was defined using an equivalence ratio of 0.9. To qualitatively describe the observed trends, a simplified reactors network was considered. The analysis highlighted the most important reactions correlated to NO formation and the reason of the NO reduction at stoichiometry condition. On the other side an affordable and reliable numerical model was optimized and tested in the Adelaide Jet in Hot Co-flow burner. The latter is a simplified burner capable of mimicking MILD combustion conditions. A set of RANS simulations were run using the Partially Stirred Reactor (PaSR) approach, investigating different mixing model formulations: a static, a fractal-based and a dynamic formulation, based on the resolution of transport equations for scalar variance and dissipation rate. A study about the role of combustion models and kinetic mechanisms on the prediction of NO formation was also conducted. Finally, an analysis of the choice of a Heat Release Rate (HRR) marker for MILD (HM1 flame) and not MILD (HM3 flame) conditions was carried out. Once having awareness of the capability of the proposed numerical model, simulations were conducted to define the key aspects in simulating a flameless furnace, varying the composition of the fuel, considering methane/hydrogen and ammonia/hydrogen blends. In particular, for the latter case, existing kinetic schemes showed a major over-estimation of NO emissions, reason why an optimization study was conducted in a simplified reactor (well stirred reactor) using a Latin Hypercube Sampling. Finally, the first-of-its-kind digital twin based on CFD simulations for a furnace operating in flameless combustion conditions was created. A reduced- order model (ROM) based on the combination of Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Kriging was developed for the prediction of spatial fields (i.e. temperature) as well as pollutant in the exhausts. / D’ici 2050, l’Europe devra découpler sa croissance économique de ses émissions de CO2. Il s’agit d’une réponse nécessaire au changement climatique et à la pollution de l’air induits par les émissions atmosphérique de gaz à effet de serre (GES) et de polluants (NOx). Un remplacement d’un pourcentage significatif des combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables sera nécessaire. Cependant, la production d’énergie à partir des sources renouvelables est généralement intermittente et imprévisible. Cela nécessite un stockage d’énergie fiable à moyen et long terme, pour synchroniser la production et la demande d’énergie. L’option Power-to-Fuel, ou stockage chimique, peut être la clé d’un système énergétique durable. En effet, la conversion de l’excès d’énergie renouvelable en carburants de deuxième génération permettra de débloquer un stockage d’énergie à long terme et à haute densité, en assurant également une réduction de l’empreinte carbone. Ces carburants non conventionnels « verts » sont des mélanges de CH4, H2, CO et NH3. Cependant, pour exploiter le potentiel du Power-to-Fuel, il est nécessaire de développer une technologie de combustion efficace, avec des émissions de polluants pratiquement nulles, assurant des conditions de travail stables avec une charge et des carburants différents et des économies d’énergie significatives. Au cours des dernières années, une combustion dite « MILD », ou sans flamme, a attiré l’attention pour sa capacité à atteindre les objectifs mentionnés. Cependant, les études disponibles dans la littérature sont menées sur des systèmes de laboratoire (jet in hot co-flow) et avec des carburants conventionnels comme le gaz naturel ou le méthane. Les exemples utilisant des carburants non conventionnels sont rares et limités à quelques conditions de fonctionnement.Dans ce cadre, cette thèse de doctorat se concentre sur un triple aspect.Des campagnes expérimentales ont étudié la flexibilité du combustible dans un four sans flamme installé à l'ULB. L’ajout progressif d’hydrogène dans le méthane permet d’améliorer les caractéristiques de combustion, en réduisant le délai d’allumage et augmentant la réactivité du système, ce qui, par contre, cause un éloignement du système des conditions sans flamme. En effet, un seuil supérieur de 25% H2 a été identifié pour les mélanges méthane/hydrogène, pour travailler dans des conditions sans flammes (MILD), caractérisées par une faible augmentation de température et des émissions de polluants amoindries .Cela est conforme à l’objectif d’introduire de l’hydrogène « vert » dans le gazoduc (jusqu’à 20%) afin de réduire les émissions de CO2. D’autres campagnes expérimentales se sont focalisées sur le rôle de la géométrie d’injection (variation du diamètre de l’injecteur d’air) et de la longueur de la lance du carburant pour réduire les émissions des oxydes d’azote et récupérer les conditions sans flamme/MILD pour une teneur élevée en hydrogène. Enfin, des mélanges ammoniac/hydrogène ont été testés. Les résultats suggèrent que la stœchiométrie a un impact majeur sur les émissions d’oxydes d’azote. Une fenêtre optimale minimisant les émissions de NO et d’ammoniac imbrulées a été définie en utilisant un rapport d'équivalence de 0,9. Pour tracer qualitativement les tendances observées, un réseau de réacteurs simplifié a été construit. L’analyse a mis en évidence les réactions les plus importantes pour la formation des NOx et elle a permis de justifier la réduction des oxydes d’azote à l’état stœchiométrique.De l’autre côté, un modèle numérique robuste et fiable a été optimisé et testé pour le brûleur Jet in Hot Co-flow de l’Université d’Adelaide. Ce dernier est un brûleur simplifié capable de simuler les conditions de combustion MILD/sans flamme. Un ensemble de simulations RANS ont été effectuées à l’aide de l’approche du réacteur partiellement agité (Partially Stirred Reactor – PaSR - en anglais), en examinant les différentes formulations de modèles de mélange :une formulation statique, fractale et dynamique, basée sur la résolution des équations de transfert pour la variance scalaire et le taux de dissipation. Une étude sur le rôle des modèles de combustion et des mécanismes cinétiques dans la prédiction de la formation des oxydes d’azote a également été réalisée. Enfin, une analyse sur le choix d’un marqueur de taux de dégagement de chaleur (Heat Release Rate – HRR – en anglais) pour les conditions MILD et non MILD a été réalisée. Après validation, les modèles développés ont été utilisés pour définir les aspects clés de la simulation d’un four sans flamme, en variant la composition du combustible, pour des mélanges méthane/hydrogène et ammoniac/hydrogène. En particulier, pour ce dernier cas, les schémas cinétiques existants ont montré une surestimation importante des émissions d’oxydes d’azote, raison pour laquelle une étude d’optimisation a été menée dans un réacteur simplifié.Enfin, le premier jumeau numérique en son genre, basé sur des Simulations numériques de Dynamique de Fluides (CFD – Computational Fluid Dynamics en anglais) pour un four fonctionnant dans des conditions de combustion sans flamme, a été créé. Un modèle à ordre réduit (ROM – Reduced Order Model en anglais) basé sur la combinaison de la Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD) et du Kriging a été développé pour la prédiction des variables d’intérêt (température et espèces chimiques majeures) ainsi que des polluants dans les fumées. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Aviation industry is continuously growing especially for very long distance flights due to the globalisation of local economies around the world and the explosive economic growth in Asia. Reducing the time of intercontinental flights from 16-20 hours to 4 hours or less would therefore make the, already booming, ultra-long distance aviation sector even more attractive. To accomplish this drastic travel time reduction for civil transport, hypersonic cruise aircraft are considered as a potential cost-effective solution. Such vehicles should also be fuelled by liquid hydrogen, which is identified as the only viable propellant to achieve antipodal hypersonic flight with low environmental impact. Despite considerable research on hypersonic aircraft and hydrogen fuel, several major challenges should still be addressed before such airliner becomes reality. The current thesis is therefore motivated by the potential benefit of hydrogen-fuelled hypersonic cruise vehicles associated with their limited state-of-the-art.Hypersonic cruise aircraft require innovative structural configurations and thermal management solutions due to the extremely harsh flight environment, while the uncommon physical properties of liquid hydrogen, combined with high and long-term heat fluxes, introduce complex design and technological storage issues. Achieving hypersonic cruise vehicles is also complicated by the multidisciplinary nature of their design. In the scope of the present research, appropriate methodologies are developed to assess, design and optimize the thermo-structural model and the cryogenic fuel tanks of long-range hydrogen-fuelled hypersonic civil aircraft. Two notional vehicles, cruising at Mach 5 and Mach 8, are then investigated with the implemented methodologies. The design analysis of light yet highly insulated liquid hydrogen tanks for hypersonic cruise vehicles indicates an optimal gravimetric efficiency of 70-75% depending on insulation system, tank wall material, tank diameter, and flight profile. A combination of foam and load-bearing aerogel blanket leads to the lightest cryogenic tank for both the Mach 5 and the Mach 8 aircraft. If the aerogel blanket cannot be strengthened sufficiently so that it can bear the full load, then a combination of foam and fibrous insulation materials gives the best solution for both vehicles. The aero-thermal and structural design analysis of the Mach 5 cruiser shows that the lightest hot-structure is a titanium alloy construction made of honeycomb sandwich panels. This concept leads to a wing-body weight of 143.9 t, of which 36% accounts for the wing, 32% for the fuselage, and 32% for the cryogenic tanks. As expected, hypersonic thermal loads lead to important weight penalties (of more than 35%). The design of the insulated cold structure, however, demonstrates that the long-term high-speed flight of the airliner requires a substantial thermal protection system, such that the best configuration (obtained by load-bearing aerogel blanket) leads to a titanium cold design of only 4% lighter than the hot structure. Using aluminium 7075 rather than titanium offers a further weight saving of about 2%, resulting in a 135.4 t wing-body weight (with a contribution of 23%, 25%, 18% and 34% from the TPS, the wing, the fuselage, and the cryogenic tanks respectively). Given the design hypotheses, the difference in weight is not significant enough to make a decisive choice between hot and cold concepts. This requires the current methodologies to be further elaborated by relaxing the simplifications. Investigation of the thermal protection must be extended from one single point to different regions of the vehicle, and the TPS thickness and weight should be considered in the structural sizing of the cold design. More generally, the design process should be matured by including additional (static, dynamic and transient) loads, special structural concepts, multi-material configurations and other parameters such as cost and safety aspects. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / This thesis was conducted in co-tutelle between University of Sydney and Université Libre de Bruxelles.Professor Dries Verstraete was my supervisor at the University of Sydney (so as a member of SydneyUni), but is automatically registered here as a member of ULB because he worked at ULB almost ten years ago.Ben Thornber is also a member of the University of Sydney but the application does not save it for an unknown reason. / info:eu-repo/semantics/nonPublished