Ce travail vise la description fine du mélange et en particulier du micro-mélange. Afin de caractériser le micro-mélange, les réactions chimiques se sont révélées être l'outil le plus ingénieux (Dimotakis, 2005). Pourtant, à cause des difficultés expérimentales, très peu de telles études existent. Ainsi, nous caractérisons le micro-mélange dans un écoulement dont le motif de base est un jet cisaillé entouré de 4 jets à contre courant. Nous nous intéressons à deux géométries : une pour un fort taux de confinement et une seconde pour laquelle le taux de confinement reste faible. Le premier objectif de cette thèse est de fournir une base de données fiable, pour différentes géométries d'écoulement, nombre de Reynolds et variation du taux de confinement des jets. Dans une première étape, le mélange est étudié grâce à des mesures simultanées de vitesse et de concentration sur la molécule d'acétone. La mesure de concentration est faite grâce à une méthode de Fluorescence Induite par Plan Laser, et la vitesse est estimée par Vélocimétrie par Image de Particules. Une seconde étape se focalise sur le micro-mélange qui est quantifié expérimentalement par une méthode de mesure dite "Dual Tracer" qui compare le signal de fluorescence d'une molécule traçant les zones de fluides pur à celui du fluide dans sa globalité. Le second objectif est d'utiliser cette base de données afin d'étudier l'influence du nombre de Reynolds et du taux de confinement sur la qualité du mélange et l'efficacité du micro-mélange en terme de statistiques. Il est montré que l'efficacité du micro-mélange augmente lorsque le nombre de Reynolds augmente, et lorsque le taux de confinement diminue.

La production de l'hydrogène à partir de biomasse est actuellement à l'étude mais la méthode de valorisation du biogaz (mélange H2/CO2) par réactions catalytiques, autres que la simple combustion, n'a pas encore été retenue. Par conséquent, le principal objectif de ce travail est d'explorer les autres voies. L'effet du CO2 sur le système catalytique est mal connu et seulement un effet négatif sur la dissociation de l'hydrogène a été mentionné. L'hydrogénation du toluène sur un catalyseur Pt a d'abord été étudiée sans CO2 pour suivre son comportement et éventuellement sa perte d'activité. En présence de CO2, l'inactivité complète du catalyseur pour l'hydrogénation du toluène a été mis en évidence. La modification de la surface du catalyseur par le CO2 est quantifiée par DRIFT et un mécanisme à deux sites a été montré. La réaction de Reverse Water Gas Shift produisant du CO se trouve être la principale cause de la désactivation de la surface de catalyseur avec le CO2. Donc la compétition d'adsorption entre le CO et des acides carboxyliques a été mise à profit pour favoriser sélectivement la conversion des acides. Pour l'alumine, elle est polluée par des carbonates complexes venant du CO2. La silice étant aussi connue pour promouvoir la décomposition, ces supports ont été rejetés. L'oxyde de titane a été utilisé pour catalyser une autre gamme de produits. Sur ce catalyseur, le changement de sélectivité entre le RWGS et la conversion de l'acide a été observé. Quant à l'oxyde de fer (catalyseur moins actif), il n'est pas capable de produire du CO à partir du CO2. La chimie de surface de l'oxyde de fer joue un rôle important sur la sélectivité du produit parmi les cétones et les aldéhydes. Un mécanisme à deux sites peut réutiliser pour l'oxyde de fer, montrant qu'un fonctionnement stable peut être trouvé si la réduction par l'hydrogène est continue. Si l'oxyde de fer est totalement oxydé par le CO2, produit de réaction, la production des cétones cesse. Énergiquement, le procédé de production d'acétone peut être autosuffisant et l'acétone peut être utilisée comme une molécule de stockage d'énergie. Le procédé va aussi compenser le nouveau procédé de production de phénol qui ne produit pas l'acétone.

Les techniques de mesures optiques non intrusives développées depuis plusieurs dizaines d'années permettent la mesure des paramètres physiques tels que la température, la concentration des espèces chimiques et la vitesse. Tous ces diagnostics optiques, bien que très performants, sont généralement appliqués en mesures ponctuelles.<br />Le but de la thèse est de développer une ou plusieurs techniques d'imagerie quantitatives et instantanées de température et de concentration. Deux axes d'études complémentaires ont été abordés au cours de ce travail. Il s'agit de la fluorescence induite par laser sur le radical OH pour l'étude des milieux en combustion et de la fluorescence induite par laser d'un traceur moléculaire (acétone) pour l'étude des écoulements non réactifs. Ces deux axes d'étude ont été menés en parallèle avec la même approche : après compilation des données bibliographiques, des modèles de fluorescence induite par laser de ces deux espèces ont été développés. Les résultats de ces modélisations ont servi à sélectionner les meilleures stratégies expérimentales. <br />Des expériences pilotes ont été mises en place en vue développer ces techniques d'imagerie. Elles consistent en l'utilisation des modèles proposés pour les deux traceurs étudiés afin d'obtenir des images instantanées et couplées de température et de concentration dans différents types d'écoulements (combustion hydrogène–air, mélange de jets, ...). <br />D'autres applications ont été réalisées sur des bancs d'essais à caractère semi-industriel afin de caractériser l'utilisation de ces techniques dans des conditions de mesures sévères. <br />Les résultats obtenus au cours de ces différentes expériences montrent que l'outil d'imagerie quantitative et instantanée développé est opérationnel, répondant ainsi à un besoin d'informations quantitatives et spatialement résolues et complétant les possibilités offertes par les autres diagnostics optiques.

Le but de ce travail est de contribuer à la compréhension des interactions entre les gaz traces et la glace, à la fois dans les nuages et dans la neige après son depôt au sol. Les gaz polaires tels que les acides, les aldehydes et les cétones peuvent interagir fortement avec la glace, notamment en s'adsorbant à sa surface. Dans les nuages, ce phénomène peut modifier la teneur atmosphérique de ces composés et initier des réactions hétérogènes, comme celles conduisant a la destruction de l'ozone stratosphérique polaire. Dans la neige au sol, l'adsorption de gaz traces à la surface des cristaux va perturber la chimie de la basse troposphère et celle du manteau neigeux. Ainsi, ce phénomène va entrer en jeu dans la compréhension de la relation entre la composition de l'air et celle de la glace, appelée fonction de transfert air-neige, indispensable pour reconstituer la composition des atmosphères passées à partir des carottes de glace. Afin de contribuer à élucider ces problèmes, nous avons etudié l'adsorption de hcl à 193 k et de l'acétone entre 193 et 213 k sur la glace. L'application des résultats à des situations atmosphériques nécessite la connaissance des paramètres physiques de la glace, tels que la surface spécifique et la forme des cristaux. Nous avons donc également entrepris des mesures de surface spécifique de la neige naturelle et de son évolution en fonction du temps. Nos résultats montrent que l'adsorption de l'acétone et de hcl sur la glace peut jouer un rôle déterminant dans la composition de surface de la glace des nuages (pour hcl) ou de la neige au sol (pour l'acétone), modifiant ainsi la chimie des nuages ou du manteau neigeux. Les mesures de l'évolution de la surface spécifique de la neige montrent que ce paramètre est très variable et que sa connaissance est indispensable pour la quantification du partage des composés traces entre l'air et le manteau neigeux, ainsi que pour l'extrapolation de ces données à la glace des nuages.

Dans beaucoup de situations réelles, qui vont du domaine des transports (moteurs fusée, avions et automobiles), en passant par la production d'électricité (centrale thermique) ou encore de la thermique (chaudière, fours industriels, foyers domestiques...), le prémélange turbulent entre l'air et la combustible conduit généralement à une hétérogénéité du mélange. En conséquence, la richesse du mélange est variable à la fois dans le temps et dans l'éspace, produisant une combustion sous la forme de flamme partiellement prémélangées, loin des cas classiques prémélangé et de diffusion. Dans cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement aux effets des hétérogénéités de richesse sur la structure locale (en terme de courbure, d'épaisseur, d'étirement, de plissement, de fraction molaire de combustible) de ce type de flamme. Deux configurations expérimentales, stationnaire et instationnaire (présentant chacune leurs avantages) sont alors étudiées. Une méthode expérimentale est proposée afin de mesurer simultanément la température de la flamme et la fraction molaire, dont son originalité repose sur sa capacité à corriger l'influence de la température sur l'efficacité des mesures de PLIF sur acétone. L'étude des flammes laminaires montre que la flamme est fortement influencée par la stratification, notamment en terme de configuration géométrique pour la flamme instationnaire. Mais aussi du point de vue de l'épaisseur pour la flamme stationnaire. L'évolution de l'épaisseur en fonction de l'étirement présente une modification notable avec un changement de pente en fonction du nombre de Lewis. De plus, il est montré que la flamme se propage dans un milieu très pauvre (en dessous des limites d'inflammabilités) du fait du soutien de la flamme dû au réservoir chimique et thermique induit.<br />L'étude du comportement est poursuivie dans la seconde partie, pour deux turbulences de grilles données, où la comparaison est effectuée entre des flammes de prémélanges homogènes et hétérogènes, et ce pour différentes fractions molaires de combustible et niveaux de fluctuations. Elle montre qu'il existe une modification de la structure de la flamme non seulement par l'étirement local mais aussi par les variations de la vitesse de flamme avec la composition du mélange. Ceci introduit un étirement additionnel Kpp non négligeable notamment lorsque la richesse le long du front de flamme est faible.

Cette étude s'intéresse aux risques associés à la formation d'une ATmosphère EXplosive (ATEX) née d'une fuite d'hydrogène et de sa dispersion dans l'air ambiant. La fuite a été modélisée par un jet turbulent à densité variable libre, impactant sur une sphère de diamètre 20mm ou sur une plaque plane. Dans un premier temps, les champs de vitesses et de concentration ont été obtenus expérimentalement en proche sortie grâce à des mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et de Fluorescence Induite par Plan Laser sur l'acétone (PLIF). La turbulence et le mélange ont été caractérisés pour le cas d'un jet libre ou en présence d'un obstacle. A partir de ces mesures, la structure générale de l'écoulement a été étudiée à partir des champs moyens et fluctuants par comparaison avec les données de la bibliographie. Puis, les données issues des fluctuations ont été analysées statistiquement par l'étude des fonctions de densité de probabilité du scalaire. Ces travaux se sont poursuivis avec la mise en relation des résultats expérimentaux avec ceux obtenues par des simulations numériques DNS (Direct Numerical Simulation) utilisant la méthode Boltzmann sur Réseau (LBM) d'un scalaire passif dans un jet d'air. Cette étude a permis de recueillir et d'analyser des données supplémentaires sur le mélange d'un jet à masse volumique variable libre ou impactant. Ces données sont directement applicables à la maitrise des risques liés aux fuites d'hydrogène. / This study examines the risks associated with the formation of an explosive atmosphere from a hydrogen leak and its dispersion into the air. We considered the leak as a turbulent jet with density variable, free and impinging a $20,mm$ diameter sphere or a flat plate. Firstly, velocity and scalar fields have been measured experimentally in the near field through Particle Image Velocimetry (PIV) and acetone Planar Laser Induced Fluorescence (LIF). Turbulence and mixing have been defined in the case of free jet and impinging jet. From this measurements, the flow structure has been presented from the mean and fluctuating flow measurements by comparison with literature data. Next, the fluctuation scalar fields are studied with the probability density function method. Finally, a comparison has been conducted between the experiments and direct numerical simulation (DNS) of turbulence based on the lattice Boltzmann method (LBM) for passive scalar in air jet. This study is gathering and analyzing data on the mixing of jet with density variable, free and impinging jet. Such data is directly useful to identify and control risks incurred due to hydrogen leak.

La production de l'hydrogène à partir de biomasse est actuellement à l'étude mais la méthode de valorisation du biogaz (mélange H2/CO2) par réactions catalytiques, autres que la simple combustion, n'a pas encore été retenue. Par conséquent, le principal objectif de ce travail est d'explorer les autres voies. L'effet du CO2 sur le système catalytique est mal connu et seulement un effet négatif sur la dissociation de l'hydrogène a été mentionné. L'hydrogénation du toluène sur un catalyseur Pt a d'abord été étudiée sans CO2 pour suivre son comportement et éventuellement sa perte d'activité. En présence de CO2, l'inactivité complète du catalyseur pour l'hydrogénation du toluène a été mis en évidence. La modification de la surface du catalyseur par le CO2 est quantifiée par DRIFT et un mécanisme à deux sites a été montré. La réaction de Reverse Water Gas Shift produisant du CO se trouve être la principale cause de la désactivation de la surface de catalyseur avec le CO2. Donc la compétition d'adsorption entre le CO et des acides carboxyliques a été mise à profit pour favoriser sélectivement la conversion des acides. Pour l'alumine, elle est polluée par des carbonates complexes venant du CO2. La silice étant aussi connue pour promouvoir la décomposition, ces supports ont été rejetés. L'oxyde de titane a été utilisé pour catalyser une autre gamme de produits. Sur ce catalyseur, le changement de sélectivité entre le RWGS et la conversion de l'acide a été observé. Quant à l'oxyde de fer (catalyseur moins actif), il n’est pas capable de produire du CO à partir du CO2. La chimie de surface de l'oxyde de fer joue un rôle important sur la sélectivité du produit parmi les cétones et les aldéhydes. Un mécanisme à deux sites peut réutiliser pour l'oxyde de fer, montrant qu'un fonctionnement stable peut être trouvé si la réduction par l'hydrogène est continue. Si l'oxyde de fer est totalement oxydé par le CO2, produit de réaction, la production des cétones cesse. Énergiquement, le procédé de production d'acétone peut être autosuffisant et l'acétone peut être utilisée comme une molécule de stockage d'énergie. Le procédé va aussi compenser le nouveau procédé de production de phénol qui ne produit pas l'acétone / Hydrogen potential from biomass is currently being studied but ways of valorization of such biogas (H2/CO2 mix) via catalytic reaction, other than simply burning has not yet been considered. Thus the main objective of this work is the exploration of such methods. Effect of CO2 over catalytic system was not well known and only hydrogen dissociation inhibition is reported. Toluene hydrogenation over Pt catalyst is studied and activity loss transition behavior is observed with no CO2 where as complete catalyst inactivity for toluene hydrogenation is found in presence of CO2. Catalyst surface change by CO2 is quantified by DRIFT analysis and two-site mechanism is found to prevail. Reverse water gas shift reaction producing CO is found to be the main cause behind such catalyst surface response to CO2. Adsorption competition between CO and carboxylic acids is exploited for selectivity shift in favor of acids conversion. Alumina support is fouled by carbonates complexes with CO2 while silica is reported to promote decomposition, thus both were rejected and titanium oxide is used instead with a range of products produced. The required selectivity shift between reverse water gas shift and acid conversion is thus observed. Less active iron oxide catalyst further suppresses CO2 conversion. Iron oxide surface chemistry plays an important role over product selectivity among ketones and aldehydes. Two sites mechanism still prevails over iron and stable continuous operation requires simultaneous iron reduction via hydrogen, if totally oxidized by CO2–a reaction product, will cease to produce ketones. Energetically the process devised for acetone production is self sufficient and acetone not only act as an energy storage molecule but can also compensate new phenol production process producing no acetone

La préoccupation de plus en plus importante ces dernières décennies, liée à l’épuisement des ressources pétrolières et au réchauffement climatique par les gaz à effet de serre a accentué l’intérêt du butanol comme carburant alternatif dans le secteur des transports grâce à ses propriétés adaptées pour le moteur à allumage par compression. Cependant, le faible rendement des procédés de production et de séparation empêche encore sa commercialisation en tant que carburant. C’est pourquoi le mélange de fermentation intermédiaire de la production de butanol, Acétone-Butanol-Ethanol(ABE), est de plus en plus considéré comme un carburant alternatif potentiel en raison de ses propriétés similaires au butanol et de ses avantages quant à son cout énergétique pour sa fabrication.Dans ce cadre, ce travail a pour objectif d’étudier l’impact des propriétés de différents mélanges d’ABE et n-dodécane en comparaison avec des mélanges d’alcools (éthanol et butanol) sur le processus de pulvérisation et de combustion et ce,pour différentes proportions en volume allant de 20% à 50%. Pour cela, une nouvelle chambre de combustion appelée"New One Shot Engine ", a été réalisée et utilisée car les conditions haute pression et haute température de "Spray-A" (60bars, 800-900 K et 22,8 kg/m³) définies par le réseau Engine Combustion network (ECN) peuvent être atteintes. Autant les phases liquides et vapeur que de combustion ont été caractérisées grâce à l’utilisation des plusieurs techniques optiques (extinction, Schlieren, chimiluminescence d’OH*) dans des conditions non réactives (Azote pur) et réactives (avec15% d'oxygène). Ces résultats expérimentaux ont non seulement permis d’étudier l’impact en oxygène moléculaire et de fournir une nouvelle base de données fiables, mais aussi d’affirmer la possibilité d’utiliser jusque 20% d’ABE en volume dans des moteurs à allumage par compression, grâce à ses caractéristiques de pulvérisation et de combustion similaires au carburant Diesel conventionnel. / The growing concern in recent decades, linked to the depletion of oil resources and global warming by greenhouse gases has increased the interest of butanol as an alternative fuel in the transport sector. However, the low yield of production and separation processes still prevents its commercialization as a fuel. Therefore, the intermediate fermentation mixture of butanol production, Acetone-Butanol-Ethanol (ABE), is increasingly considered as a potential alternative fuel because of its similar properties to butanol and its advantages in terms of the energy and cost in the separation process.The context of this work aims to study the impact of fuel properties on the spray and combustion processes of ABE mixture and alcohol fuels, blended with the diesel surrogate fuel, n-dodecane, in different volume ratio from 20% to 50%. A new combustion chamber called "New One Shot Engine," was designed and developed to reach the high-pressure and high temperatureconditions of "Spray-A" (60 bar, 800-900 K and 22.8 kg/m³) defined by the Engine Combustion Network (ECN).The macroscopic spray and combustion parameters were characterized by using the several optical techniques (extinction,Schlieren, chemiluminescence of OH*) under non-reactive (pure Nitrogen) and reactive (15% of oxygen) conditions. These experimental results not only made it possible to study the molecular oxygen impact and provide a new accurate database,but also to affirm the possibility of using ABE up to 20% by volume in compression-ignition engines, as its spray and combustion characteristics similar to conventional diesel fuel.

Lors de cette thèse, la dégradation atmosphérique de trois COV (composé organique volatil), l'acétone, le phénol et le catéchol, a été étudiée. Ces composés sont considérés comme des composés d'intérêt atmosphérique majeurs du fait de l'importance de leurs sources d'émissions primaires (biogéniques, échappements automobiles ...) ou secondaires (oxydation d'autres COV). Ce travail a été réalisé dans deux laboratoires en utilisant deux dispositifs expérimentaux complémentaires (PC2A- Université de Lille 1, Département Chimie - Environnement – Douai). Les dispositifs utilisés sont le tube à écoulement rapide couplé à la fluorescence induite par laser et la chambre de simulation atmosphérique couplée à la chromatographie en phase gazeuse associée à plusieurs détecteurs (FID, IRTF, SM). L'utilisation conjointe de ces deux dispositifs a permis de mettre en évidence le chemin réactionnel prépondérant de la réaction d'oxydation de l'acétone par le radical OH°. Les études en chambre de simulation atmosphérique des réactions du phénol et du catéchol initiées par les radicaux OH° ont permis de déterminer les constantes de vitesse et de proposer des mécanismes réactionnels aboutissant à la formation des produits observés. Il s'agit de la première étude mécanistique de la réaction catéchol + OH°. Les résultats obtenus ont permis d'évoquer les implications atmosphériques de ces composés (durée de vie et impact environnemental).

La métrologie laser basée sur l’analyse de la fluorescence de traceurs moléculaires est devenue l’un des outils clefs pour l’étude expérimentale de la dynamique des fluides réactifs. Une étude spectroscopique des propriétés photophysiques de fluorescence dans le domaine spectral UV-visible de plusieurs molécules fluorescentes appartenant aux cétones aliphatiques et aux aromatiques mono- et bicycliques a permis d’approfondir la compréhension de l’influence de la température, de la pression et de la concentration d’oxygène sur leur fluorescence. Les résultats expérimentaux obtenus ont ensuite permis le développement d’un modèle de simulation du rendement de fluorescence pour les espèces aromatiques (naphtalène et toluène), qui fournit des résultats très proches de ceux mesurés.De ces résultats, le développement de la technique d’imagerie de fluorescence (PLIF) sur la phase vapeur d’un carburant multi-composant a conduit à étendre cette analyse spectrale de fluorescence au cas du kérosène (Jet A-1). La comparaison entre les propriétés de fluorescence du kérosène et des traceurs aromatiques étudiés a notamment permis d’établir une stratégie de mesure de la concentration de la phase vapeur du kérosène dans des environnements où la teneur en oxygène est variable. Les signaux de fluorescence provenant des espèces mono- et di-aromatiques contenues dans le kérosène soulignent des évolutions différentes avec les conditions de température et teneur en oxygène. L’utilisation de filtres optiques appropriés associés à deux caméras ICCD permet alors une mesure bidimensionnelle de la température et de la concentration de kérosène en phase vapeur. La thèse débouche finalement sur l’application de cette technique PLIF-kérosène en combinaison avec la technique PLIF du radical OH en sortie d’un système d’injection industriel multi-point de nouvelle génération intégré dans une chambre de combustion haute pression. / Planar laser-induced fluorescence (PLIF) diagnostic based on the optical excitation of fluorescence tracers has become a key tool for the experimental study of fluid dynamics in reactive flows. A spectroscopic fluorescence study of several organic molecules from aliphatic ketones and mono- and bi-cyclic aromatics in gas-phase was performed in a high-pressure high temperature optical cell. The experimental measurements allowed the understanding of the influence of temperature, pressure and oxygen concentration on the photophysics of these molecules in the UV/visible domain. These results were then used to successfully develop a model of fluorescence yield of the naphthalene and toluene aromatic molecules permitting the simulation of the fluorescence signals with temperature, pressure and species composition in large domains of temperature and pressure.This study has been extended to the case of a multi-component aeronautical fuel (kerosene – jet A1) containing natural aromatics. The comparison of the spectroscopic data recorded in the optical cell to those of the aromatic tracers initially probed has then permitted the definition of a kerosene-PLIF excitation/detection strategy for kerosene vapour concentration measurements in reactive gaseous flowfield containing variable oxygen concentration. Fluorescence signals from mono- and di-aromatic species in kerosene highlight significant differences in evolution with temperature and oxygen concentration. With appropriate optical filters applied to two ICCD cameras, the two-dimensional instantaneous distribution of temperature and concentration of kerosene vapour is then possible to measure in reactive flows. Finally, the kerosene-PLIF diagnostic has been applied at the exit of an innovative multi-point aeronautical injection system integrated to high-pressure kerosene/air combustor test rig. The kerosene-PLIF, combined with the radical OH-PLIF confirmed their implementation in realistic high-pressure flowfields and delivered experimental fruitful experimental information on the effect of the fuel/air mixing on the flame structure in the combustion chamber.