Ce travail de thèse porte sur l’analyse des effets de la recirculation des gaz de combustion, via l’étude de la dilution par le dioxyde de carbone et plus particulièrement de la vapeur d’eau sur des flammes méthane/air enrichi en dioxygène, dans le cas d’une combustion prémélangée pressurisée rencontrée dans les turbines à gaz. Des mesures de vitesses de flammes CH4/O2/H2O/N2 laminaires pressurisées ont été obtenues à l’aide d’une flamme sphérique se propageant librement dans une enceinte close. L’analyse des résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité du schéma cinétique GRIMech ?3.0 au travers des calculs numériques de flammes libres monodimensionnelles. Des calculs complémentaires ont permis l’établissement d’une base de données (vitesse de flamme laminaire, longueur de Markstein et nombre de Lewis, température adiabatique de combustion et épaisseur de flamme) en fonction des paramètres d’entrées de la combustion (température, pression, X(H2O), richesse et enrichissement en dioxygène. L’étude expérimentale complémentaire en régime turbulent des flammes diluées à l’H2O ou au CO2 a permis de mettre en avant l’effet de la vitesse laminaire de flamme sur les structures moyennes et la stabilité des flammes turbulentes. Elle a également permis d’analyser les paramètres (température adiabatique, X(H2O), X(CO2), X(N2), Vitesse de flamme laminaire) ayant un rôle important sur la production des polluants CO et NO. / This PhD thesis deals with the analysis of the effects of exhaust gas recirculation (EGR) through the study of the dilution by carbon dioxide and more particularly of the water steam on dioxygen enriched methane/air flames, in the case of a premixed pressurized combustion encountered in gas turbines. CH4/O2/H2O/N2 pressurized laminar burning velocity measurement were obtained using a spherical flame propagating freely in a closed chamber. The analysis of the experimental results made it possible to check the validity of the kinetic scheme GRIMech.3.0 through numerical calculations of one-dimensional free flames. Further calculations allowed the establishment of a database (laminar burning velocity, Markstein length and Lewis number, adiabatic combustion temperature and flame thickness) as a function of combustion input parameters (temperature, pressure, X(H2O), equivalence ratio and dioxygen enrichment). The additional experimental study under turbulent regime, the flames diluted with H2O and CO2 allowed to highlight the effect of the laminar burning velocity on the average structures and the stability of turbulent flames. It also allowed to analyze the parameters (adiabatic flame temperature, pressure, X(H2O), X(CO2), X(N2), laminar burning velocity) which have an important role in the production of CO pollutants and NO.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de la chaire OXYTEC qui regroupe l'entreprise Air Liquide, CentraleSupélec et le CNRS. Ce travail bénéficie également de l'appui de l'ANR. Ce manuscrit fait état des premiers développements et résultats sur le plan expérimental. Un dispositif complet a été développé au laboratoire EM2C pour étudier l'oxy-combustion de flammes stabilisées sur un injecteur tourbillonneur jusqu'à des pressions de 30 bar. Les résultats présentés dans cette thèse ont traits à des prémélanges dont le combustible est du méthane lorsque le foyer opère à pression atmosphérique. Les techniques de LIF-OH, la PIV, la LDV complétées par des mesures de chimiluminescence et de température sont utilisées (1) pour accumuler des données sur la structure de trois flammes de référence CH4/air, CH4/O2/N2 et CH4/O2/CO2 qui sont utilisées pour valider des outils de simulation de la combustion et des transferts thermiques, (2) élucider les mécanismes de stabilisation des oxy-flammes swirlés pré-mélangées à partir d'études paramétriques sur le nombre de swirl, la vitesse débitante, la vitesse laminaire de flamme et l'angle de l'ouvreau de l'injecteur, et (3) comparer la structure des oxy-flammes diluées au CO2 avec des flammes CH4/air en examinant notamment la position de pied de flamme, la topologie générale de la flamme et les températures des parois du foyer. / The work presented in this thesis falls within the framework of the OXYTEC chair, a partnership between Air Liquide, CentraleSupélec and the CNRS. This work also benefits from the support of the ANR. This manuscript reports the first developments and results on the experimental level. A test rig has been developed to study oxy-combustion of swirl-stabilized flames up to pressures of 30 bar. The results presented deal with premixed conditions where the fuel is methaneand the setup is operated at atmospheric pressure. Laser induced fluorescence on the hydroxyl radical, particle imaging velocimetry, Doppler laser velocimetry completed by chemiluminescence imaging and temperature measurements are used to (1) gather data on the structure of three reference flames CH4/air, CH4/O2/N2 and CH4/O2/CO2 which are used to validate simulations of the reacting flow and heat transfer and (2) elucidate the stabilization mechanisms of premixed swirling oxy-flames from parametric studies by varying the swirl number, the bulk injection velocity, the laminar burning velocity and the injector cup angle and (3) compare the structure of CO2 diluted oxy-flames with CH4/air flames by examining the position of the flame leading edge, the general topology of the flame and the temperatures of flow and the combustor walls.

Simulações de chamas empregando mecanismos cinéticos detalhados são problemas computacionalmente demandantes. Por esse motivo, mecanismos reduzidos e técnicas de redução de cinética química vêm sendo desenvolvidos buscando uma melhor eficiência computacional. Mecanismos globais de poucos passos são particularmente populares pela simplicidade de programação nos códigos disponíveis. Assim, o objetivo da presente dissertação é avaliar modelagens simplificadas de cinética química na simulação numérica de chamas laminares 1D e 2D de metano diluído com dióxido de carbono. Mecanismos globais de 1, 2 e 4-passos são avaliados em comparação com o mecanismo detalhado GRI-Mech 3.0 na simulação unidimensional de chamas difusivas contra-corrente. O mecanismo global de melhor desempenho é então usado nas simulações bidimensionais de chamas difusivas tipo jato em comparação com a técnica de redução Flamelet-Generated Manifold. Observou-se que o mecanismo de 4-passos estudado apresenta bons resultados para o campo de temperaturas e para as principais espécies químicas, tanto nas simulações unidimensionais quanto nas bidimensionais. No entanto, espécies minoritárias como o CO e H2 não são bem reproduzidas. Fenômenos como posição de estabilização e penetração de oxidante na base de chamas tipo jato também não são capturadas quando o mecanismo global é usado. Por outro lado, a técnica FGM se mostrou capaz de prever tais fenômenos e resultou, adicionalmente, em um ganho computacional expressivo. / Numerical simulations of flames employing detailed kinetic mechanisms are computationally demanding problems. For this reason, reduced mechanisms and techniques of chemical kinetic reduction have been developed aiming better computational efficiency. Global mechanisms formed by few steps are particularly popular due to the simplicity of programing them in available codes. Thus, the objective of the present dissertation is to evaluate simplified chemical kinetics models in 1D and 2D numerical simulations of methane diluted with carbon dioxide laminar flames. Global mechanisms formed by 1, 2 and 4-steps are evaluated in comparison with the detailed mechanism GRI-Mech 3.0 in one-dimensional simulations of counterflow diffusive flames. The global mechanism with best performance is then used in two-dimensional simulations of diffusive jet flames for a comparison with the chemical reduction technique FGM. It was observed that a 4-step mechanism presented good results for temperature and major chemical species for both one and two-dimensional simulations. However, minor species like CO and H2 are not well reproduced. Phenomena such as stabilization position and oxygen penetration in the jet flame base are also not captured when the global mechanism is used. On the other hand, the technique Flamelet- Generated Manifold demonstrated to predict those phenomena and resulted, additionally, in an expressive computational gain.

Simulações de chamas empregando mecanismos cinéticos detalhados são problemas computacionalmente demandantes. Por esse motivo, mecanismos reduzidos e técnicas de redução de cinética química vêm sendo desenvolvidos buscando uma melhor eficiência computacional. Mecanismos globais de poucos passos são particularmente populares pela simplicidade de programação nos códigos disponíveis. Assim, o objetivo da presente dissertação é avaliar modelagens simplificadas de cinética química na simulação numérica de chamas laminares 1D e 2D de metano diluído com dióxido de carbono. Mecanismos globais de 1, 2 e 4-passos são avaliados em comparação com o mecanismo detalhado GRI-Mech 3.0 na simulação unidimensional de chamas difusivas contra-corrente. O mecanismo global de melhor desempenho é então usado nas simulações bidimensionais de chamas difusivas tipo jato em comparação com a técnica de redução Flamelet-Generated Manifold. Observou-se que o mecanismo de 4-passos estudado apresenta bons resultados para o campo de temperaturas e para as principais espécies químicas, tanto nas simulações unidimensionais quanto nas bidimensionais. No entanto, espécies minoritárias como o CO e H2 não são bem reproduzidas. Fenômenos como posição de estabilização e penetração de oxidante na base de chamas tipo jato também não são capturadas quando o mecanismo global é usado. Por outro lado, a técnica FGM se mostrou capaz de prever tais fenômenos e resultou, adicionalmente, em um ganho computacional expressivo. / Numerical simulations of flames employing detailed kinetic mechanisms are computationally demanding problems. For this reason, reduced mechanisms and techniques of chemical kinetic reduction have been developed aiming better computational efficiency. Global mechanisms formed by few steps are particularly popular due to the simplicity of programing them in available codes. Thus, the objective of the present dissertation is to evaluate simplified chemical kinetics models in 1D and 2D numerical simulations of methane diluted with carbon dioxide laminar flames. Global mechanisms formed by 1, 2 and 4-steps are evaluated in comparison with the detailed mechanism GRI-Mech 3.0 in one-dimensional simulations of counterflow diffusive flames. The global mechanism with best performance is then used in two-dimensional simulations of diffusive jet flames for a comparison with the chemical reduction technique FGM. It was observed that a 4-step mechanism presented good results for temperature and major chemical species for both one and two-dimensional simulations. However, minor species like CO and H2 are not well reproduced. Phenomena such as stabilization position and oxygen penetration in the jet flame base are also not captured when the global mechanism is used. On the other hand, the technique Flamelet- Generated Manifold demonstrated to predict those phenomena and resulted, additionally, in an expressive computational gain.

Simulações de chamas empregando mecanismos cinéticos detalhados são problemas computacionalmente demandantes. Por esse motivo, mecanismos reduzidos e técnicas de redução de cinética química vêm sendo desenvolvidos buscando uma melhor eficiência computacional. Mecanismos globais de poucos passos são particularmente populares pela simplicidade de programação nos códigos disponíveis. Assim, o objetivo da presente dissertação é avaliar modelagens simplificadas de cinética química na simulação numérica de chamas laminares 1D e 2D de metano diluído com dióxido de carbono. Mecanismos globais de 1, 2 e 4-passos são avaliados em comparação com o mecanismo detalhado GRI-Mech 3.0 na simulação unidimensional de chamas difusivas contra-corrente. O mecanismo global de melhor desempenho é então usado nas simulações bidimensionais de chamas difusivas tipo jato em comparação com a técnica de redução Flamelet-Generated Manifold. Observou-se que o mecanismo de 4-passos estudado apresenta bons resultados para o campo de temperaturas e para as principais espécies químicas, tanto nas simulações unidimensionais quanto nas bidimensionais. No entanto, espécies minoritárias como o CO e H2 não são bem reproduzidas. Fenômenos como posição de estabilização e penetração de oxidante na base de chamas tipo jato também não são capturadas quando o mecanismo global é usado. Por outro lado, a técnica FGM se mostrou capaz de prever tais fenômenos e resultou, adicionalmente, em um ganho computacional expressivo. / Numerical simulations of flames employing detailed kinetic mechanisms are computationally demanding problems. For this reason, reduced mechanisms and techniques of chemical kinetic reduction have been developed aiming better computational efficiency. Global mechanisms formed by few steps are particularly popular due to the simplicity of programing them in available codes. Thus, the objective of the present dissertation is to evaluate simplified chemical kinetics models in 1D and 2D numerical simulations of methane diluted with carbon dioxide laminar flames. Global mechanisms formed by 1, 2 and 4-steps are evaluated in comparison with the detailed mechanism GRI-Mech 3.0 in one-dimensional simulations of counterflow diffusive flames. The global mechanism with best performance is then used in two-dimensional simulations of diffusive jet flames for a comparison with the chemical reduction technique FGM. It was observed that a 4-step mechanism presented good results for temperature and major chemical species for both one and two-dimensional simulations. However, minor species like CO and H2 are not well reproduced. Phenomena such as stabilization position and oxygen penetration in the jet flame base are also not captured when the global mechanism is used. On the other hand, the technique Flamelet- Generated Manifold demonstrated to predict those phenomena and resulted, additionally, in an expressive computational gain.