Turbulent premixed propane/air and methane/air flames were studied using planar Rayleigh scattering and particle image velocimetry on a stabilized Bunsen type burner. The fuel-air equivalence ratio was varied from Φ=0.7 to 1.0 for propane flames, and from Φ=0.6 to 1.0 for methane flames. The non-dimensional turbulence intensity, u'/SL (ratio of fluctuation velocity to laminar burning velocity), covered the range from 3 to 24, equivalent to conditions of corrugated flamelets and thin reaction zones regimes. Temperature gradients decreased with the increasing u'/SL and levelled off beyond u'/SL > 10 for both propane and methane flames. Flame front thickness increased slightly as u'/SL increased for both mixtures, although the thickness increase was more noticeable for propane flames, which meant the thermal flame front structure was being thickened. A zone of higher temperature was observed on the average temperature profile in the preheat zone of the flame front as well as some instantaneous temperature profiles at the highest u'/SL. Curvature probability density functions were similar to the Gaussian distribution at all u'/SL for both mixtures and for all the flame sections. The mean curvature values decreased as a function of u'/SL and approached zero. Flame front thickness was smaller when evaluated at flame front locations with zero curvature than that with curvature. Temperature gradients and FSD were larger when the flame curvature was zero. The combined thickness and FSD data suggest that the curvature effect is more dominant than that of the stretch by turbulent eddies during flame propagation. Integrated flame surface density for both propane and methane flames exhibited no dependance on u'/SL regardless of the FSD method used for evaluation. This observation implies that flame surface area may not be the dominant factor in increasing the turbulent burning velocity and the flamelet assumption may not be valid under the conditions studied. Dκ term, the product of diffusivity evaluated at conditions studied and the flame front curvature, was a magnitude smaller than or the same magnitude as the laminar burning velocity.

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.

El modelado CFD se ha convertido en una herramienta aceptada y ampliamente utilizada en el ámbito del diseño de motores de combustión interna alternativos. Los modelos de combustión avanzados ayudan a comprender los fenómenos complejos químicos y físicos del proceso de combustión y aportan información detallada que no se puede obtener con experimentos. Indudablemente, el modelado del proceso de combustión turbulenta parcialmente premezclada característico de los chorros Diesel es particularmente difícil y por lo tanto es un tema de gran interés para la comunidad científica. Los retos más importantes del modelado de este tipo de llamas son la predicción del proceso del auto-encendido, caracterizado por el tiempo de retraso, y la estructura de la llama cuasi-estacionaria con su característica longitud de lift-off. Estos dos parámetros globales de los chorros Diesel son importantes por varios aspectos. Primero, es relativamente sencillo medir estos dos parámetros y por lo tanto utilizarlos para la validación de modelos y segundo, son factores determinantes en el proceso de la combustión en un motor. El auto-encendido marca el inicio de la tasa de liberación de calor y la longitud de lift-off desempeña un papel fundamental en la formación de hollín. El mecanismo de estabilización de la llama en la zona del lift-off todavía no es bien conocido aunque existen diferentes teorías en la literatura, por lo que su modelado es en la actualidad un reto no resuelto. De acuerdo con el contexto descrito previamente, en este trabajo se pretende implementar un modelo de combustión integrado en un solver RANS utilizando la plataforma CFD OpenFOAM de código abierto. El modelo propuesto está basado en el concepto de flamelets usando una química detallada combinado con funciones de probabilidad determinadas a priori (presumed-PDF) para considerar el efecto de interacción entre la química y las características del flujo turbulento, que implica hipótesis importantes. En primer lugar, con el concepto flamelet se asume que una llama Diesel turbulenta quema localmente como un conjunto de llamas laminares de difusión de flujos opuestos. En segundo lugar se asume que las fluctuaciones de las propiedades introducidas por el flujo turbulento, que son las responsables de los fenómenos de interacción entre la química y la turbulencia durante la combustión, siguen un comportamiento estadístico en el tiempo de acuerdo a una distribución de probabilidad conocida a priori. Los fenómenos complejos del auto-encendido de hidrocarburos exigen el uso de mecanismo químicos detallados para recuperar satisfactoriamente los tiempos de retraso del auto-encendido en un rango amplio de condiciones termoquímicas. Una estrategia de interés para mantener los costes computacionales dentro de límites aceptables consiste en pre-tabular los resultados del cálculo de la química en tablas. Los parámetros independientes de estas tablas son la fracción de mezcla, la variable de progreso y la tasa de disipación escalar. Además, la hipótesis de que la distribuciones de probabilidad de las fluctuaciones generadas por la turbulencia sobre las propiedades del flujo son conocidas permite generar una tabla con la información química del problema apta para su aplicación en cálculo CFD en un entorno RANS. Esta aproximación basada en la pre-tabulación de los resultados químicos presenta dos ventajas fundamentales, siendo la primera de ellas la posibilidad de considerar modelos avanzados de interacción química-turbulencia y la segunda el relevante ahorro de tiempo de cálculo. Sin embargo, estas tablas representan un gran espacio de datos cuya gestión eficiente no es trivial. El desarrollo de un almacenamiento adecuado para un acceso de datos rápido y directo así como un esquema de interpolación multidimensional también forma parte del presente trabajo. / Winklinger, JF. (2014). Implementation of a combustion model based on the flamelet concept and its application to turbulent reactive sprays [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48488

Le développement de nouvelles technologies pour le transport aérien moins polluant est de plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la chimie. Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est limitée par le coût calcul. Des mécanismes cinétiques réduits et des méthodes de tabulation ont été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été développées dans le cadre de configurations laminaires, cette thèse propose de les évaluer dans des configurations turbulentes: une DNS de flamme prémélangée méthane/air de type Bunsen et une LES d’un brûleur expérimental. Les mécanismes sont analysés en termes de structure de flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en espèces majoritaires et des émissions polluantes. Une méthodologie pour évaluer a priori la capacité d’un mécanisme à prédire correctement des phénomènes chimiques tridimensionnels est proposée en se basant sur les résultats de flammes laminaires monodimensionnelles non étirées et étirées. Il ressort que, d’une part, pour construire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse et qualité des résultats. D’autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations tridimensionnelles turbulentes peut être anticipée par une analyse du comportement des schémas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires non étirées et étirées. / A growing need for numerical simulations based on reliable chemistries has been observed in the last years in order to develop new technologies which could guarantee the reduction of the enviromental impact on air transport. The description of combustion requires the use of detailed kinetic mechanisms for most hydro-carbons. Their use in turbulent combustion simulation is still prohibitive because of their high computational cost. Reduced chemistries and tabulation methods have been proposed to over-come this problem. Since all these reductions have been developed for laminar configurations, this thesis proposes to evaluate their performances in simulations of turbulent configurations such as a DNS of a premixed Bunsen methane/air flame and a LES of an experimental PREC-CINSTA burner. The mechanisms are analysed in terms of flame structure, global burning parameters, flame length, prediction of major species concentrations and pollutant emissions. An a priori methodology based on one-dimensional unstrained and strained laminar flames to evaluate the mechanism capability to predict three-dimensional turbulent flame features is therefore proposed. On the one hand when building a new reduced scheme, its requirements should be fixed compromising the computational cost, the robustness of the chemical description and the desired quality of results. On the other hand, the quality of DNS or LES results in three-dimensional configurations could be anticipated testing the reduced mechanism on laminar one-dimensional premixed unstrained and strained flames.

L'allumage et le réallumage de haute altitude présentent de grandes difficultés dans le cadre des chambres de combustion aéronautiques. Le succès d'un allumage dépend de multiples facteurs, des caractéristiques de l'allumeur à la taille des gouttes du spray en passant par le niveau de turbulence au point d'allumage. Déterminer la position optimale de l'allumeur ou le potentiel d'allumage d'une source d'énergie donnée à une position donnée sont ainsi des paramètres essentiels lors du design de chambre de combustion. Le but de ces travaux de thèse est d'étudier l'allumage forcé des chambres de combustion aéronautiques. Pour cela, des Simulation numériques aux Grandes Echelles (SGE) d'écoulements diphasiques réactifs sont utilisées et analysées. Afin de les valider, des données expérimentales issues du banc MERCATO installé à l'ONERA Fauga-Mauzac sont utilisées. Cela permet dans un premier temps de valider la méthodologie ainsi que les modèles utilisés pour les SGE diphasiques évaporantes avant leur utilisation dans d'autres conditions d'écoulement. Le cas diphasique réactif statistiquement stationnaire est ensuite comparé aux données disponibles pour évaluer les modèles en condition réactives. Ce cas est étudié plus en détail à travers l'analyse de caractéristiques de la flamme. Celle-ci semble être le théâtre de régimes de combustion très différents. On note aussi que la détermination de la méthode numérique la plus appropriée pour le calcul d'écoulements diphasiques n'est pas évidente. De plus, deux méthodes numériques différentes peuvent donner des résultats en bon accord avec l'expérience et pourtant avoir des modes de combustion différents. Les capacités de la SGE à correctement calculer un écoulement diphasique réactif étant validé, des SGE du phénomène transitoire d'allumage sont effectuées. La sensibilité observée expérimentalement de l'allumage aux conditions initiales, i.e. à l'instant de claquage, est retrouvé par les SGE. L'analyse met en évidence le rôle prépondérant de la dispersion du spray dans le développement initial du noyau de flamme. L'utilisation des SGE pour calculer les séquences d'allumage fournie de nombreuses informations sur le phénomène d'allumage, cependant d'un point de vue industriel, cela ne donne pas de résultat optimal, à moins de ne tester toutes les positions, ce qui rendrait le coût CPU déraisonnable. Des alternatives sont donc nécessaires et font l'objet de la dernière partie de ces travaux. On propose de dériver un critère local d'allumage, donnant la probabilité d'allumage à partir d'un écoulement diphasique (air et carburant) non réactif instationnaire. Ce modèle est basé sur des critères liés aux différentes phases menant à un allumage réussi, de la formation d'un premier noyau à la propagation de la flamme vers l'injecteur. Enfin, des comparaisons avec des données expérimentales sur des chambres aéronautiques sont présentées et sont en bon accord, indiquant que le critère d'allumage proposé, couplé avec une SGE d'écoulement diphasique non réactif, peut être utilisé pour optimiser la puissance et la position du système d'allumage. / Ignition and altitude reignition are critical issues for aeronautical combustion chambers. The success of ignition depends on multiple factors, from the characteristics of the igniter to the spray droplet size or the level of turbulence at the ignition site. Finding the optimal location of the igniter or the potential of ignition success of a given energy source at a given location are therefore parameters of primary importance in the design of combustion chambers. The purpose of this thesis is to study forced ignition of aeronautical combustion chambers. To do so, Large Eddy Simulations (LES) of two-phase reacting flows are performed and analyzed. First, the equations of the Eulerian formalism used to describe the dispersed phase are presented. To validate the successive LES, experimental data from the MERCATO bench installed at ONERA Fauga-Mauzac are used. It allows to validate the two-phase evaporating flow LES methodology and models prior to its use to other flow conditions. The statistically stationary two-phase flow reacting case is then compared to available data to evaluate the model in reacting conditions. This case is more deeply studied through the analysis of the characteristics of the flame. This last one appears to experience very different combustion regimes. It is also seen that the determination of the most appropriate methodology to compute two-phase flow flame is not obvious. Furthermore, two different methodologies may both agree with the data and still have different burning modes. The ability of the LES to correctly compute burning two-phase flow being validated, LES of the transient ignition phenomena are performed. The experimentally observed sensitivity of ignition to initial conditions, i.e. to sparking time, is recovered with LES. The analysis highlights the major role played by the spray dispersion in the development of the initial flame kernel. The use of LES to compute ignition sequences provides a lot of information about the ignition phenomena, however from an industrial point of view, it does not give an optimal result, unless all locations are tested, which brings the CPU cost to unreasonable values. Alternatives are hence needed and are the objective of the last part of this work. It is proposed to derive a local ignition criterion, giving the probability of ignition from the knowledge of the unsteady non-reacting two-phase (air and fuel) flow. This model is based on criteria for the phases of a successful ignition process, from the first kernel formation to the flame propagation towards the injector. Then, comparisons with experimental data on aeronautical chambers are done and show good agreement, indicating that the proposed ignition criterion, coupled to a Large Eddy Simulation of the stationary evaporating two-phase non-reacting flow, can be used to optimize the igniter location and power.

Combustion research is at the forefront of development of clean and efficient IC engines, gas turbines, rocket propulsion systems etc. With the advent of faster computers and parallel programming, computational studies of turbulent combustion is increasing rapidly. Many turbulent combustion models have been previously developed based on certain underlying assumptions. One of the major assumptions of the models is the regime it can be used for: either premixed or non-premixed combustion. However in reality, combustion systems are multi-regime in nature, i.e.,\ co-existence of premixed and non-premixed modes. Thus, there is a need for development of multi-regime combustion models which closely follows the physics of combustion phenomena. Much of previous modeling efforts for multi-regime combustion was done using flamelet-type models. As a first, the current study uses the highly robust transported Probability Density Function (PDF) method coupled with Large Eddy Simulation (LES) to develop a multi-regime model. The model performance is tested for Sydney Flame L, a piloted methane-air turbulent flame. The concept of flame index is used to detect the extent of premixed and non-premixed combustion modes. The drawbacks of using the traditional flame index definition in the context of PDF method are identified. Necessary refinements to this definition, which are based on the species gradient magnitudes, are proposed for the multi-regime model development. This results in identifying a new model parameter beta which defines a gradient threshold for the calculation of flame index. A parametric study is done to determine a suitable value for beta, using which the multi-regime model performance is assessed for Flame L by comparing it against the widely used non-premixed PDF model for three mixing models: Modified Curl (MCurl), Interaction by Exchange with Mean (IEM) and Euclidean Minimum Spanning Trees (EMST). The multi-regime model shows a significant improvement in prediction of mean scalar quantities compared to the non-premixed PDF model when MCurl mixing model is used. Similar improvements are observed in the multi-regime model when IEM and EMST mixing models are used. The results show potential foundation for further multi-regime model development using PDF model.

Combustion in cryogenic engines is a complex phenomenon, involving either liquid or supercritical fluids at high pressure, strong and fast oxidation chemistry, and high turbulence intensity. Due to extreme operating conditions, a particularly critical issue in rocket engine is wall heat transfer which requires efficient cooling of the combustor walls. The concern goes beyond material resistance: heat fluxes extracted through the chamber walls may be reused to reduce ergol mass or increase the power of the engine. In expander-type engine cycle, this is even more important since the heat extracted by the cooling system is used to drive the turbo-pumps that feed the chamber in fuel and oxidizer. The design of rocket combustors requires therefore an accurate prediction of wall heat flux. To understand and control the physics at play in such combustor, the Large Eddy Simulation (LES) approach is an efficient and reliable numerical tool. In this thesis work, the objective is to predict wall fluxes in a subcritical rocket engine configuration by means of LES. In such condition, ergols may be in their liquid state and it is necessary to model liquid jet atomization, dispersion and evaporation.The physics that have to be treated in such engine are: highly turbulent reactive flow, liquid jet atomization, fast and strong kinetic chemistry and finally important wall heat fluxes. This work first focuses on several modeling aspects that are needed to perform the target simulations. H2/O2 flames are driven by a very fast chemistry, modeled with a reduced mechanism validated on academic configurations for a large range of operating conditions in laminar pre- mixed and non-premixed flames. To form the spray issued from the atomization of liquid oxygen (LOx) an injection model is proposed based on empirical correlations. Finally, a wall law is employed to recover the wall fluxes without resolving directly the boundary layer. It has been specifically developed for important temperature gradients at the wall and validated on turbulent channel configurations by comparison with wall resolved LES. The above models are then applied first to the simulation of the CONFORTH sub-scale thrust chamber. This configuration studied on the MASCOTTE test facility (ONERA) has been measured in terms of wall temperature and heat flux. The LES shows a good agreement compared to experiment, which demonstrates the capability of LES to predict heat fluxes in rocket combustion chambers. Finally, the JAXA experiment conducted at JAXA/Kakuda space center to observe heat transfer enhancement brought by longitudinal ribs along the chamber inner walls is also simulated with the same methodology. Temperature and wall fluxes measured with smooth walls and ribbed walls are well recovered by LES. This confirms that the LES methodology proposed in this work is able to handle wall fluxes in complex geometries for rocket operating conditions.

The accurate description of the turbulence chemistry interactions that can determine chemical conversion rates and flame stability in turbulent combustion modelling is a challenging research area. This thesis presents the development and implementation of a model for the treatment of fluctuations around the conditional mean (i.e., the auto-ignition and extinction phenomenon) of realistic turbulence-chemistry interactions in computational fluid dynamics (CFD) software. The wider objective is to apply the model to advanced combustion modelling and extend the present analysis to larger hydrocarbon fuels and particularly focus on the ability of the model to capture the effects of particulate formation such as soot. A comprehensive approach for modelling of turbulent combustion is developed in this work. A direct quadrature conditional moment closure (DQCMC) method for the treatment of realistic turbulence-chemistry interactions in computational fluid dynamics (CFD) software is described. The method which is based on the direct quadrature method of moments (DQMOM) coupled with the Conditional Moment Closure (CMC) equations is in simplified form and easily implementable in existing CMC formulation for CFD code. The observed fluctuations of scalar dissipation around the conditional mean values are captured by the treatment of a set of mixing environments, each with its pre-defined weight. In the DQCMC method the resulting equations are similar to that of the first-order CMC, and the “diffusion in the mixture fraction space” term is strictly positive and no correction factors are used. Results have been presented for two mixing environments, where the resulting matrices of the DQCMC can be inverted analytically. Initially the DQCMC is tested for a simple hydrogen flame using a multi species chemical scheme containing nine species. The effects of the fluctuations around the conditional means are captured qualitatively and the predicted results are in very good agreement with observed trends from direct numerical simulations (DNS). To extend the analysis further and validate the model for larger hydrocarbon fuel, the simulations have been performed for n-heptane flame using detailed multi species chemical scheme containing 67 species. The hydrocarbon fuel showed improved results in comparison to the simple hydrogen flame. It suggests that higher hydrocarbons are more sensitive to local scalar dissipation rate and the fluctuations around the conditional means than the hydrogen. Finally, the DQCMC is coupled with a semi-empirical soot model to study the effects of particulate formation such as soot. The modelling results show to predict qualitatively the trends from DNS and are in very good agreement with available experimental data from a shock tube concerning ignition delays time. Furthermore, the findings suggest that the DQCMC approach is a promising framework for soot modelling.

Pour des raisons de sécurité, les moteurs aéronautiques doivent pouvoir redémarrer en vol sur toute leur plage d'opération. Mais les contraintes sur les émissions polluantes nécessitent le développement de nouvelles chambres de combustion dont la conception peut détériorer les capacités d'allumage du moteur. Afin d'améliorer la compréhension du processus d'allumage et d'aider à l'optimisation de la conception, les recherches actuelles combinent les études expérimentales de plus en plus complexes et les simulation numériques hautes fidélités. Dans ce travail, l'étude numérique du processus d'allumage des chambres de combustion aéronautiques, de l'étincelle à la propagation azimutale de la flamme, est conduite avec plusieurs objectifs: améliorer la robustesse et la confiance de l'outil LES pour l'étude de l'allumage, étudier les mécanismes qui affectent l'allumage dans des conditions représentatives des conditions réelles et enfin améliorer les méthodes bas-ordre pour la prédiction des performances d'allumage. Dans une première partie, la SGE d'un monobruleur installé au CORIA permet de mettre en évidence les bons résultats de la LES et de construire une base de données pour l'analyses des mécanismes d'extinction. Ces données sont aussi utilisées pour développer une méthodologie permettant de prédire les performances d'allumage à bas coût en utilisant les résultats d'une SGE non-réactive. Dans une seconde partie, la propagation inter-secteur est investiguée par l'étude de deux cas expérimentaux et la SGE est capable de reproduire les modes de propagation mais aussi les temps d'allumage avec précision. Sur la bases de ces bons résultats, une analyse plus fine de la simulation permet d'identifier les mécanismes qui contrôlent la propagation de la flamme. / For safety reasons, in-flight relight of the engine must be guaranteed over a wide range of operating conditions but the increasing stringency of pollutant emission constraints requires the development of new aero-engine combustor whose design might be detrimental to the ignition capability. To improve the knowledge of the ignition process in aeronautical gas turbines and better combine conflicting technological solutions, current research relies on both complex experimental investigation and high fidelity numerical simulations. In this work, numerical study of the ignition process in gas turbines from the energy deposit to the light-around is performed with several objectives: increase the level of confidence of Large Eddy Simulations tool for the analysis of the ignition process, investigate the mechanisms controlling ignition in conditions representative of realistic aeronautical gas turbine flows and improve the low-order methodologies for the prediction of ignition performance. In a first part, LES of the single burner installed at CORIA (France) is carried out and allows to highlight the LES accuracy and to build a database on which the main mechanisms controlling the ignition success are identified. Based on these results, a methodology is developed to predict the ignition performance at a low computational cost using the non-reacting flow statistics only. In a second part, the light-around process is studied on two experimental set-ups and the very good agreement of the LES results with experiments is the starting point from an analysis of the mechanisms driving the flame propagation process.

La combustion prévaporisée prémélangée pauvre est une piste de choix pour réduire les émissions polluantes des moteurs d'avions mais peut conduire à l'apparition d'instabilités thermo-acoustiques. Afin d'améliorer la stabilité de telles flammes, l'étagement du combustible consiste à contrôler la distribution spatiale du carburant. Une telle procédure s'accompagne cependant d'une complexité accrue du système pouvant déboucher sur des phénomènes inattendus.Un brûleur à l'échelle de laboratoire alimenté par du dodécane liquide est utilisé dans cette thèse. Le combustible est injecté dans deux étages séparés, permettant ainsi de contrôler sa distribution. Cette particularité permet l'observation de différentes formes de flammes et notamment de points bistables pour lesquels deux flammes différentes peuvent exister malgré des conditions opératoires identiques.L'utilisation de diagnostics optiques à haute cadence (diffusion de Mie des gouttes de combustible et émission spontanée de la flamme) est couplée à des méthodes de post-traitement avancées comme la Décomposition en Modes Dynamiques. Ainsi, des mécanismes pilotant la stabilisation des flammes ainsi que leurs changements de forme sont proposés. Ils mettent notamment en lumière les interactions entre l'écoulement gazeux, les gouttes de combustible et la flamme. / A promising way to reduce jet engines pollutant emissions is the use of lean premixed prevaporized combustion but it tends to trigger thermo-acoustic instabilities. To improve the stability of these flames, a procedure called staging consists in splitting the fuel injection to control its spatial distribution. This however leads to an increased complexity and unexpected phenomena can occur.In the present work, a model gas turbine combustor fed with liquid dodecane is used. It is equipped with two fuel injection stages to control the fuel distribution in the burner. Different flame stabilizations can be observed and a bistable case where two flame shapes can exist for the same operating conditions is highlighted.High-speed optical diagnostics (fuel droplets Mie scatering and chemiluminescence measurements) are coupled with advanced post-processing methods like Dynamic Mode Decomposition. The results enable to propose mechanisms leading to flame stabilization and flame shape transitions. They show a strong interplay between the gaseous flow, the fuel droplets and the flame itself.