L'hydrogène est considéré comme une énergie verte alternative en raison de sa faible émission de CO2. En raison de son inflammabilité liée au mélange air-hydrogène, son usage doit être associé à des mesures de sécurité. Le développement de modèles prédictifs est donc nécessaire pour évaluer son intérêt dans des situations particulières comme par exemple les environnements très confinés.

Des modèles macroscopiques, comme ceux proposés par Linden at al. (1990) pour des applications typiques du bâtiment et qui sont basés sur le modèle de panache turbulent développé par Morton et al. (1956), sont souvent utilisés pour prédire le champ de concentration dans des cavités ventilées. Dans ces modèles, l'hypothèse d'une stratification avec deux couches de fluide homogène en concentration est souvent posée. Le niveau de concentration du mélange léger dépend alors des paramètres géométriques et physiques du problème. Cependant, l'ensemble des hypothèses à l'origine du développement des modèles restreint leur usage lors de la conception d'une installation réelle.

Ce travail cherche à définir les propriétés de l'écoulement et la distribution d'hydrogène dans une cavité ventilée par deux évents avec une injection de fluide léger au centre de la paroi inférieure. Nous cherchons à identifier, par simulations numériques directes DNS tridimensionnelles, les paramètres géométriques et physiques conduisant au développement d'un panache forcé turbulent traversant une stratification de type bi-couche où la couche de mélange léger remplit la partie supérieure de la cavité.

Les équations multi-espèces basées sur une approximation de type Faible Mach sont discrétisées par une approche volumes-finis. Nos travaux précédents ont montré la nécessité de mailler un volume extérieur équivalent à la cavité d'étude, mais situé à l'extérieur de celle-ci pour calculer correctement les interactions entre l'intérieur de la cavité et son environnement extérieur. Nous utilisons le code de calcul TrioCFD de la plateforme TRUST développée par le CEA pour réaliser nos calculs parallèles lancés sur 512 processeurs. Comme nous souhaitons comparer nos résultats numériques à des mesures expérimentales, l'hydrogène est remplacé par de l'hélium comme fluide injecté, les deux gaz ayant des nombres de Schmidt du même ordre de grandeur (Sc~1.4).

Nous réalisons une série de calculs pour identifier les dimensions optimales de la cavité de façon à ce que le panache forcé et la couche supérieure de mélange léger ne soient pas influencés par les parois verticales. La hauteur de la cavité est fixée à 20 cm pour assurer un régime turbulent au sein de la cavité. Plusieurs débits d'injection seront testés (entre 12 et 15 nL/min dans les conditions standards de température et de pression), imposant des nombres de Reynolds d'injection entre 225 et 280 et le développement d'un panache turbulent. Cela conduit à des nombres de Richardson globaux variant entre 0.4 et 0.6 faisant espérer l'apparition d'une distribution bi-couche d'hélium.

Les résultats seront analysés en terme de structure d'écoulement et de champ de concentration d'hélium, mais aussi de débit d'air frais entrant par l'évent du bas de la cavité ou encore de débit massique de mélange ou d'hélium sortant par l'évent du haut de la cavité. En effet, ces deux débits ne sont pas imposés lors du calcul comme condition limite, mais résultent de la capacité d'entraînement du panache. En outre, les flux de masse et de flottabilité tels qu'exprimés dans la théorie de Morton et al. (1956) seront calculés pour en déduire le coefficient d'entraînement caractérisant la configuration étudiée. Sa valeur sera comparée à la littérature.