Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d’échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d’une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s’entretenir. L’ajout d’une faible quantité d’hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l’ajout de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l’iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l’ajout de l’hydrogène combiné à la dilution, en termes d’émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l’effet de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l’air contenant différents pourcentages d’hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d’estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l’utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l’effet de l’hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d’accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé. / Optimization of the intake air-fuel mixture composition is one way to reduce pollutant emissions in Spark-Ignition (SI) engines. This can be achieved by operating with a diluted mixture, i.e by recirculating the exhaust. There are however limitations on the level of dilution that can ensure the smooth running of SI engines since diluting the air-fuel mixture induces an increase in combustion duration and in cyclic variations which impair engine performance. Adding an amount of hydrogen to the fuel can extend the dilution and the lean engine operability limits, which is beneficial in reducing both emission levels and fuel consumption. The objective of this study is to investigate the combined effects of hydrogen addition and nitrogen dilution in an SI engine fuelled with iso-octane or methane. In the first part of this study, we proved that high values of indicated engine efficiency and low values of pollutant emissions can be achieved by combining hydrogen addition and diluted air-fuel mixtures in the case of SI engines. In the second part, we provided experimental values of laminar burning velocity for diluted methane or iso-octane/hydrogen/air mixtures for a better understanding of the hydrogen and dilution effects on the fundamental properties of laminar combustion. New correlations to estimate laminar burning speeds of these mixtures were also presented. In the last part, the effects of hydrogen addition, with and without nitrogen dilution, on the turbulent flame propagation were investigated in an optical SI engine fuelled with iso-octane or methane. This study was done by using two different experimental techniques (direct flame radiation visualization and laser tomography images with Particle Image Velocimetry). The main conclusion is that the laminar burning velocity, rather than the Lewis number, has the dominant effect on the turbulent burning velocity in an SI engine.

Les réglementations en termes d'émission de polluants qui s'appliquent aux chambres de combustion de nouvelle génération nécessitent de nouvelles approches de conception. Afin d'atteindre simultanément des objectifs de faibles émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de monoxyde de carbone (CO), un processus d'optimisation complexe est nécessaire au développement de nouveaux concepts de moteur. La simulation aux grandes échelles (SGE) a déjà fait ses preuves pour la prédiction de la combustion turbulente. C'est aussi un outil prometteur pour mieux comprendre la formation des polluants dans les turbines à gaz, ainsi que pour en fournir une prédiction quantitative. Dans ces travaux, une nouvelle méthodologie pour la prédiction du NOx et du CO dans des configurations réalistes est développée. La méthode est basée sur une description du système chimique par des schémas réduits fidèles dits analytiques (ARC) combinés au modèle de flamme épaissie (TFLES). En particulier, un ARC ayant des capacités de prédiction précise du CO et du NO est développé, validé sur des cas laminaires canoniques et implémenté dans le solveur SGE. Le potentiel de l'approche est démontré par une simulation haute résolution de la flamme académique turbulente Sandia D, pour laquelle une excellente prédiction du CO et du NO est obtenue. La méthodologie est ensuite appliquée à deux configurations industrielles. La configuration SGT-100 est un brûleur commercial partiellement prémélangé de turbine à gaz terrestre pour la production d'énergie, étudié expérimentalement au DLR. La SGE de cette configuration permet de mettre en évidence les processus chimiques de formation des polluants et fournit une compréhension qualitative et quantitative de l'effet des conditions de fonctionnement. La seconde application correspond à un prototype monosecteur de système d'injection aéronautique multipoint à très faibles émissions de NOx développé dans le cadre du projet européen LEMCOTEC et étudié expérimentalement à l'ONERA. Un ARC représentant la cinétique chimique d'un carburant aéronautique modèle est dérivé et employé dans la SGE de la chambre de combustion avec un formalisme eulérien pour décrire la phase dispersée. Les résultats obtenus montrent l'excellente capacité de prédiction de l'ARC en termes de propriétés de flamme et de prédiction des polluants. / Stringent regulations of pollutant emissions now apply to newgeneration combustion devices. To achieve low nitrogen oxides (NOx) and carbon monoxide (CO) emissions simultaneously, a complex optimization process is required in the development of new concepts for engines. Already efficient for the prediction of turbulent combustion, Large Eddy Simulation (LES) is also a promising tool to better understand the processes of pollutant formation in gas turbine conditions and to provide their quantitative prediction at the design stage. In this work, a new methodology for the prediction with LES of NOx and CO in realistic industrial configurations is developed. It is based on a new strategy for the description of chemistry, using Analytically Reduced Chemistry (ARC) combined with the Thickened Flame model (TFLES). An ARC with accurate CO and NO prediction is derived, validated on canonical laminar flames and implemented in the LES solver. The accuracy of this approach is demonstrated with a highly resolved simulation of the academic turbulent Sandia D flame, for which excellent prediction of NO and CO is obtained. The methodology is then applied to two industrial configurations. The first one is the SGT-100, a lean partially-premixed gas turbine model combustor studied experimentally at DLR. LES of this configuration highlights the chemical processes of pollutant formation and provides qualitative and quantitative understanding of the impact of the operating conditions. The second target configuration corresponds to a mono-sector prototype of an ultra-low NOx, staged multipoint injection aeronautical combustor developed in the framework of the LEMCOTEC European project and studied experimentally at ONERA. An ARC for the combustion of a representative jet fuel surrogate is derived and used in the LES of the combustor with an Eulerian formalism to describe the liquid dispersed phase. Results show the excellent performances of the ARC, for both the flame characteristics and the prediction of pollutants.

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.

Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

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.