L'hydrogène et la CFD : modélisation des fluides pour l'industrie de l'hydrogène
Présentation de Principia
Principia est un bureau d'études de 40 ans d'existence, spécialisé dans la simulation numérique de structures et de fluides. La société compte environ 140 personnes et réalise 16 millions d'euros de chiffre d'affaires. Les sites français sont le siège social à La Seyne-sur-Mer, ainsi que des bureaux à Nantes et à Lorient. Principia est également présent à Kuala Lumpur et dispose d'un bureau de représentation à Tokyo. Depuis trois ou quatre ans, Principia fait partie du groupe Artelia, avec Naval Group et NMDC comme autres actionnaires.
Les domaines d'application couvrent l'offshore (énergies marines renouvelables et conventionnel), le naval (défense et civil), le portuaire, le nucléaire, l'hydrogène et les e-fuels.
Principia est également éditeur et développeur de logiciels, avec une dizaine de logiciels scientifiques développés en interne, ainsi qu'une équipe d'architecture navale capable de concevoir des solutions flottantes (barges, bases d'éoliennes, radoubs).
La CFD chez Principia
La mécanique des fluides computationnelle (CFD) est une activité développée depuis plus de trente ans chez Principia. L'originalité de l'approche repose sur deux piliers complémentaires : le développement de modèles internes dans le cadre de projets de R&D, qui consolide l'expertise maison, et l'utilisation experte de codes CFD commerciaux de référence comme Fluent et Star-CCM+.
Applications CFD à l'hydrogène
L'hydrogène se trouve dans différentes phases selon les conditions — gazeuse, liquide ou diphasique — ce qui génère des problématiques de modélisation distinctes.
Analyse de risque : fuites et dispersion
L'axe principal des travaux CFD hydrogène chez Principia est l'analyse de risque. Il s'agit de modéliser des fuites d'hydrogène liquide ou gazeux dans des systèmes qui le véhiculent, que ce soit en milieu confiné ou en milieu atmosphérique ouvert.
En milieu ouvert, la CFD permet de déterminer l'extension du nuage gazeux et de cartographier les concentrations susceptibles d'engendrer des risques d'incendie ou d'explosion — définissant ainsi les zones ATEX. En milieu confiné, les vitesses de jet peuvent être très élevées, voire supersoniques localement, avec des zones de choc qu'il est nécessaire de modéliser avec précision.
Fuites d'hydrogène liquide
L'hydrogène liquide présente des spécificités thermodynamiques importantes. Lors d'une fuite, le contact avec le milieu ambiant provoque une vaporisation brutale (flash). Le cœur liquide du jet forme un nuage de gouttelettes qui continue à se vaporiser. Les gouttes de taille importante n'ayant pas le temps de se vaporiser retombent sur les structures environnantes, générant des contraintes thermiques extrêmes pouvant entraîner des déformations ou des ruptures. La CFD permet de définir des zones d'isolation adaptées en anticipant ces scénarios de fuite.
Pour cette problématique spécifique, Principia s'appuie principalement sur son code de calcul interne, développé et validé sur des fluides cryogéniques depuis de nombreuses années, en complément de Fluent.
Conséquences des fuites : explosion et propagation du feu
Lorsqu'une fuite génère une explosion, une onde de surpression est produite et se propage dans le système, impactant les structures et les parois. La CFD permet de simuler cette onde et de coupler les résultats avec un modèle de structure pour évaluer la tenue mécanique du système.
Des études de parade peuvent également être menées numériquement : par exemple, tester l'efficacité d'un mur anti-souffle pour atténuer l'onde de surpression avant qu'elle n'atteigne des zones critiques.
La propagation du feu génère quant à elle un chargement thermique sur les structures, quantifiable par couplage fluide-solide thermique. Un post-traitement dédié permet également d'évaluer la concentration de fumée et la visibilité dans des volumes fréquentés par des personnes.
Remplissage de réservoirs haute pression
Une problématique très différente concerne le remplissage de réservoirs d'hydrogène gazeux haute pression. La compression du gaz génère un réchauffement qu'il est nécessaire de maîtriser pour éviter une stratification thermique pouvant entraîner une surchauffe des parois et des risques de déformation.
La CFD met en évidence le lien direct entre la vitesse de remplissage et l'apparition de cette stratification : au-delà de 300 bars environ, des fluctuations importantes se développent, créant des zones chaudes en partie haute du réservoir. L'enjeu est de trouver le meilleur compromis entre vitesse de remplissage (typiquement de l'ordre de dix à quinze minutes pour des raisons industrielles) et maîtrise thermique.
Deux points de modélisation spécifiques sont à noter pour cette application : l'utilisation de lois d'état de gaz réels (les lois des gaz parfaits ne sont plus adaptées aux hautes pressions), et la prise en compte du caractère multicouche des parois des cuves (système d'isolation inclus), avec couplage thermique entre le fluide et les différentes couches de paroi.
Modélisation 1D des réseaux
En complément des simulations 3D, Principia réalise des modélisations composants (approche 1D) pour optimiser des réseaux complexes : conduites, coudes, vannes, compresseurs, cuves. Ce type de modèle permet d'optimiser chaque élément du réseau pour atteindre les objectifs du process.
Ce que la CFD 3D apporte concrètement
La modélisation 3D permet de discrétiser des géométries complexes en cellules de maillage, dans chacune desquelles sont résolues les équations de Navier-Stokes. Les champs calculés incluent la vitesse, la pression, la température, la concentration des espèces (hydrogène, produits de combustion), les transferts de masse et les effets de la turbulence.
Les résultats prennent la forme de champs 3D locaux permettant d'identifier des zones mal ventilées, des zones à risque de surchauffe ou de concentration critique, ainsi que des vidéos de suivi transitoire qui caractérisent l'évolution des phénomènes dans le temps.
Une fois la géométrie maillée et le modèle configuré (conditions initiales et limites), il est possible d'enchaîner rapidement des études de sensibilité sur les paramètres d'entrée : débit de fuite, vitesse de remplissage, géométrie du réservoir, présence de parois internes, etc.
CFD et essais physiques : une complémentarité
La CFD et les tests physiques ne sont pas opposés mais complémentaires. Les calculs préliminaires permettent d'orienter la conception des bancs d'essais, de réduire le nombre de tests nécessaires en optimisant le plan d'expérience, et de mieux interpréter les résultats obtenus. En retour, les essais physiques fournissent des données de validation qui consolident les modèles CFD.
De plus en plus, la CFD prend une place croissante par rapport aux essais physiques, grâce aux gains en maniabilité et en coût qu'elle permet.
Questions-réponses
Sur les solveurs Fluent utilisés — L'ensemble des applications présentées a été réalisé avec Fluent. Le solveur density-based semble le plus adapté aux problèmes à forts gradients de pression. Pour les configurations non standards, des modules utilisateurs permettent d'intégrer des lois d'état spécifiques directement dans Fluent.
Sur la modélisation des explosions — Toute la physique conduisant à l'explosion est modélisée : réaction chimique, déclenchement, génération et propagation de l'onde de surpression. Les caractéristiques du champ de pression sont calculées dans le domaine fluide et aux parois en contact avec ce domaine.
Sur la simulation de la dispersion — La fuite est simulée depuis la source, avec un débit de fuite comme condition limite. Le modèle Navier-Stokes assure ensuite la dispersion de la concentration en prenant en compte la diffusion turbulente.
Sur le benchmark Fluent vs FLACS — Des benchmarks ont été réalisés sur des problèmes de dispersion (LNG), en comparant Fluent au code interne de Principia. Fluent est plus généraliste que FLACS et offre une meilleure représentativité géométrique fine des systèmes. FLACS présente en revanche une approche de maillage par porosité pratique pour les géométries complexes, mais moins précise géométriquement.
Sur les outils de maillage — Principia a progressivement basculé vers Fluent Meshing ces dernières années, en raison de ses temps de génération de maillage bien inférieurs à ICEM CFD, tout en conservant ICEM pour les simulations avec le code interne.
Sur la séparation eau-mélange H₂/vapeur — Ces problématiques diphasiques complexes sont actuellement en cours de développement chez Principia, à la pointe des avancées en modélisation.
