Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/ / La synthèse d'une flamme animée dans un environnement 3D virtuel, reste à ce jour une tâche ardue, exigeant de judicieusement balancer réalisme et coût de calcul. Dans ce mémoire, nous présentons un ensemble de techniques pour sa simulation en temps réel tout en modélisant une interaction à des forces externes. Nous désirons minimiser son coût de calcul tout en préservant une apparence convaincante dans l'optique d'une intégration au sein de systèmes existants, n'affectant pas indûment leurs performances. Un champ de vélocité est extrait d'une simulation de ressorts et mis à profit dans le déplacement de chaînes de particules modélisant la forme de la flamme par l'entremise de la paramétrisation d'une surface NURBS. Considérant l'importance qu'ils ont sur notre perception de la combustion, nous prenons également soin de reproduire l'illumination, les ombres, et l'effet d'éblouissement qu'elle engendre. / The synthesis of an open flame in a virtual 3D environment, remains to this day an arduous task, requiring a wise balance between realism and processing cost. In this M. Sc. thesis, we present a set of techniques for its simulation in real time while also modeling the interaction with external forces. Our goal is to minimize the cost while preserving a convincing appearance, thus facilitating integration of the techniques into existing systems without unduly affecting their performance. A velocity field is extracted from a spring-mass simulation which contributes to moving chains of particules that are used in modeling the flame shape through the configuration of a NURBS surface. In light of the importance they have on our perception of combustion, we also take care to duplicate the lighting, shadows and bloom the flame gives rise to.

La synthèse d'une flamme animée dans un environnement 3D virtuel, reste à ce jour une tâche ardue, exigeant de judicieusement balancer réalisme et coût de calcul. Dans ce mémoire, nous présentons un ensemble de techniques pour sa simulation en temps réel tout en modélisant une interaction à des forces externes. Nous désirons minimiser son coût de calcul tout en préservant une apparence convaincante dans l'optique d'une intégration au sein de systèmes existants, n'affectant pas indûment leurs performances. Un champ de vélocité est extrait d'une simulation de ressorts et mis à profit dans le déplacement de chaînes de particules modélisant la forme de la flamme par l'entremise de la paramétrisation d'une surface NURBS. Considérant l'importance qu'ils ont sur notre perception de la combustion, nous prenons également soin de reproduire l'illumination, les ombres, et l'effet d'éblouissement qu'elle engendre. / The synthesis of an open flame in a virtual 3D environment, remains to this day an arduous task, requiring a wise balance between realism and processing cost. In this M. Sc. thesis, we present a set of techniques for its simulation in real time while also modeling the interaction with external forces. Our goal is to minimize the cost while preserving a convincing appearance, thus facilitating integration of the techniques into existing systems without unduly affecting their performance. A velocity field is extracted from a spring-mass simulation which contributes to moving chains of particules that are used in modeling the flame shape through the configuration of a NURBS surface. In light of the importance they have on our perception of combustion, we also take care to duplicate the lighting, shadows and bloom the flame gives rise to. / Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/

Le développement et la certification de systèmes propulsifs aéronautiques nécessitent une phase d'essais sur banc moteur. Ces essais permettent entre autres de caractériser les limites d'allumage des foyers de combustion de turbomachines, mais sont extrêmement coûteux et générateurs de délais pour l'industriel. Afin de limiter leur recours, il est nécessaire de développer des méthodes permettant de prévoir de la façon la plus fiable possible les performances d'allumage d'un prototype de chambre de combustion, et ce aussi bien pour des conditions de décollage au niveau de la mer que pour le cas critique de la haute altitude.L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d’outils numériques pour la prévision de l'allumage des foyers de combustion à partir de données expérimentales obtenues sur le banc MERCATO de l’ONERA. Ces travaux ont été conduits en étroite coopération avec TURBOMECA. Des améliorations ont été apportées à un modèle permettant de simuler l'allumage d'un brouillard de carburant suite à un dépôt d'énergie par bougie à arc électrique. Ce modèle a été couplé à un code de calcul multiphysique (code CEDRE) afin d'établir des cartographies d'allumage à partir d'un champ aérodiphasique moyenné, mais également de simuler la phase de propagation de la flamme à l’ensemble du foyer par approche RANS pseudo-stationnaire. Afin de valider ces deux approches, une caractérisation expérimentale d'une maquette de chambre mono-secteur a été réalisée sur le banc d'essai MERCATO. Ces essais ont permis de constituer une banque de données très fournie pour différents cas tests. La comparaison de la cartographie d’allumage expérimentale à celle fournie par la simulation numérique donne des résultats très satisfaisants et encourageants en vue d’une application à un foyer réel de turbomachine. En parallèle, des résultats très prometteurs ont été obtenus sur une nouvelle maquette de chambre de combustion trisecteur,dérivée d'un foyer industriel, permettant de comparer ses limites d’allumage à celles obtenues sur la chambre réelle. Cette configuration fera l’objet par la suite d’une étude détaillée de la propagation de la flamme intersecteurs, impossible à réaliser sur la géométrie d'un foyer annulaire complet. / Design of aircraft engines requires tests on engine benches. These tests allow characterizing combustor ignition limits, but are extremely expensive and time consuming. In order to limit their number, it is necessary to develop alternative methods enabling to predict the ignition performances of a combustor prototype, for both ground conditions and high altitude conditions, the latter being particularly critical.The purpose of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools enabling to predict ignition performances of combustor. Validation will be possible using an experimental data base obtained on the MERCATO test bench, at ONERA. This work results from a close cooperation with TURBOMECA. A numerical model, previously developed to predict the ignition of fuel spray following a spark discharge, has been improved. This model has been combined to a multiphysics CFD code (CEDRE) in orderto build ignition map from a mean two-phase flow field, and also to compute the flame propagation stage using RANS approach. In order to validate both methods, experimental characterization of a one-sectorcombustor has been performed on the MERCATO test rig. A complete data base for validation of CFD code isnow available. Comparison of experimental and numerical ignition mapping showed good agreements for the different tests cases, and seems encouraging for an application on an industrial combustor. In the same time,promising results have been obtained with a new experimental three-sector combustor. Its geometry is basedon an industrial combustor, allowing a comparison of ignition performances between the simplified and the industrial combustors

Face aux normes actuelles et futures, de plus en plus drastiques, concernant les émissions de polluants, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer l'efficacité des moteurs à allumage commandé. Une des solutions les plus efficaces et applicables pour diminuer la quantité de polluants émis dans les gaz d’échappement (HC, CO, NOx) et réduire la consommation de carburant, est d’utiliser un mélange très pauvre (richesse du mélange inférieure à 0,6). Toutefois, ce concept de fonctionnement est limité par les systèmes d'allumage classiques qui ne peuvent pas garantir un allumage du mélange air / combustible dans de bonnes conditions, de manière à assurer une combustion complète, rapide et reproductible.Le sujet de cette thèse consiste en l'élaboration d'un nouveau système d'allumage basé sur une bougie d’allumage double, qui peut produire deux d'étincelles quasi-simultanées, dont la longueur cumulée est plusieurs fois plus élevée que celle d’étincelles produites par une bougie d'allumage classique. Pour valider ce système d'allumage, trois différents types d'analyses ont été réalisés: une analyse des paramètres électriques des décharges, un diagnostic du plasma par spectroscopie optique d'émission, et des essais in situ du système d'allumage sur deux moteurs à combustion interne avec analyse des gaz d'échappement et détermination des performances des moteurs.Ces tests ont révélé que l'utilisation du système d’allumage à double étincelle peut assurer une meilleure stabilité dans le fonctionnement du moteur (en particulier dans les conditions d'allumage difficiles, en utilisant des mélanges très pauvres) ; des performances accrues du moteur pour une même quantité de carburant consommé ; et une diminution de la quantité d’hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone dans les gaz d'échappement, mais avec une plus grande émission d'oxydes d'azote par rapport à un système d'allumage classique. / Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, the car manufacturers are permanently trying to improve the efficiency of spark ignition engines. One of the most effective applicable solutions for reducing the quantity of pollutant emissions (HC, CO, NOx) from the exhaust gases and also to reduce the fuel consumption is to operate with very lean mixture (equivalent ratio lower than 0.6). However, this operation concept is limited by the actual ignition systems that cannot assure an air/fuel mixture ignition in good conditions, in order to assure a complete, fast and repeatable combustion. The subject of this thesis consists into developing of a new ignition system based on a double spark plug, which can produce two quasi-simultaneous spark discharges with cumulated length few times higher than the sparks produced by a conventional spark plug. For ignition system validation, three different types of analysis have been considered: the analysis of the discharges electrical parameters, the plasma diagnosis using optical emission spectroscopy methods and the tests of the ignition system on two internal combustion engines with the exhaust gases analysis and engine performances determination. The tests revealed that the utilization of the double spark ignition system can assure a better stability in engine operation (especially in difficult ignition conditions such using very lean mixtures), increased engine performances for the same amount of consumed fuel and it can provide a diminution of the unburned hydrocarbons and carbon monoxide quantities from the exhaust gases, but with an increased quantity of nitrogen oxides, compared with a conventional ignition system.