Au cours des dernières années, le transport aérien de passagers connaît un développement sans cesse croissant et continue ainsi d’accroire sa contribution aux émissions mondiale de CO2. Par conséquent, un effort commun entre les avionneurs est fait pour diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Pour encourager cet effort, les réglementations deviennent de plus en plus drastiques en terme d'émissions et de polluants tels que le CO2, les NOx mais aussi le bruit. Ces nouvelles limitations sont à la fois définies à court et moyen-long termes pour inciter les motoristes à travailler sur les technologies de plus en plus efficientes.Pour concevoir des moteurs toujours plus performants tout en respectant ces réglementations à court terme, les motoristes travaillent sur l'optimisation de leurs technologies conventionnelles, en améliorant des leviers bien identifiés comme l'augmentation du taux de compression. Cependant, cette optimisation des turbomachines actuelles a déjà atteint un niveau de maturité très élevé. Il semble ainsi difficile de continuer indéfiniment leurs optimisations. Par conséquent, pour atteindre les objectifs à moyen-long terme, les motoristes sont dès aujourd'hui en train d'étudier des nouveaux systèmes propulsifs avancés comme les chambres de Combustion à Volume Constant (CVC) qui peuvent accroître le rendement thermique. Contrairement aux chambres de combustion traditionnelles, qui fonctionnent à flux continu, les chambres CVC opèrent de façon cyclique afin de créer un volume constant pendant la phase de combustion et libérer les gaz chauds dans les étages de turbines.Pendant cette thèse, une approche numérique permettant d'évaluer ce type de chambres est développée. Tout l'enjeu est de pouvoir étudier des chambre de combustion intégrant des parties mobiles, qui permettent de créer le volume constant dédié à la combustion tout en évitant les fuites à travers ces systèmes mobiles lors de l'élévation de la pression dans la chambre. Cette modélisation doit aussi prédire correctement les phases transitoires comme l'admission des gaz frais, qui pilote la phase de combustion. Cette étude utilise des objets immergés pour modéliser les parties mobiles. Les objectifs de cette thèse sont de rendre ces objets immergés imperméables et adapter la méthode aux différents modèles utilisés pour étudier les milieux réactifs tels que le modèle de combustion ECFM-LES ou encore l'injection liquide Lagrangienne utilisée pour résoudre l'injection du fuel.Dans cette étude, une nouvelle formulation est développée puis testée sur différents cas tests de plus en plus représentatifs des chambres CVC. Cette approche numérique est ensuite évaluée sur une chambre réel étudiée expérimentalement au laboratoire PPRIRME de Poitiers. Dans cette dernière étude, deux cas non réactifs permettent de comparer les évolutions de pression à deux endroits dans la dispositif expérimental, ainsi que les champs de vitesse au sein de la chambre de combustion, aux simulations réalisées. Pour ces cas complexes, l'utilisation des objets immergés permet de prédire les résultats expérimentaux à un coût attractif.Un des cas non réactif est ensuite carburé et allumé pour confronter l'évolution pression et les champs de vitesse dans la chambre de combustion des résultats numériques obtenus aux mesures expérimentales. L'approche numérique développée a permis d’enrichir les données expérimentales, d'analyser les variabilités cycle-à-cycle rencontrées au banc et d'identifier les leviers qui permettraient d'optimiser ce type d’architecture. / Over the past few years, aircrafts have become a common means of transport, thus continuously increasing their contribution to global CO2 emissions. Consequently, there is a common effort between aircraft manufacturers to reduce CO2 and pollutant emissions. To encourage this effort, regulations are becoming more and more stringent on the emissions and pollutants like CO2, NOx and noise. These regulations are both defined in the short and medium-long terms to urge aircraft manufacturers to work on more and more efficient technologies.In order to design more efficient engines while respecting the short term objectives, engine manufacturers are working on the improvement of conventional architectures by using well-known levers like the increase of the Overall Pressure Ratio (OPR). However, the optimization of the present turbomachinery has already reached a high level of maturity and it seems difficult to continuously enhance their performances. Consequently, to reach the medium-long term objectives, engine manufacturers are working on new advanced propulsion systems such as the Constant Volume Combustion (CVC) chambers, which can increase the thermal efficiency of the system. Contrary to present turbomachinery which are burning fresh gases continuously, CVC chambers operate cyclically so as to create the constant vessel dedicated to the combustion phase and to expand the burnt gases into turbine stages.In this PhD thesis, a numerical approach is developed to allow the evaluation of these kind of combustors. The challenge is to be able to evaluate CVC chambers by taking into account the moving parts which create the constant volume and avoid mass leakages through these moving parts during the increase of the combustion chamber pressure when the combustion occurs. This approach also has to correctly predict unsteady phases like the intake, which directly controls the combustion process.These moving parts are modeled with a Lagrangian Immersed Boundary (LIB) method .The main goals of this thesis is to make the LIB as airtight as possible and to render this approach compatible with the different models which are adapted to analyse reactive flows such as the ECFM-LES combustion model or Lagrangian liquid injection, used for fuel sprays. In this study, a new formulation is developed and tested on several test cases from very simple ones to cases more representative of CVC chambers.Then, this approach is evaluated on a real chamber experimentally analysed in PPRIME laboratory in Poitiers. Two non-reactive operating points are used to compare the experimental pressure at two positions in the apparatus and the experimental velocity fields in the combustion chamber with the numerical results. In this complex configuration, the LIB method allows the prediction of the experimental results with a low CPU cost. As in the experiment, one non-reactive case is carburized and ignited to compare the measured pressure and the velocity fields in the combustion chamber with the simulations. The proposed numerical approach allows the data enhancement of the experiment and then the analysis of the cycle-to-cycle variability encountered during the experimental measurements. Last but not least, this method enables the identification of the different levers that could decrease the variability and then could improve operability of this type of combustors.

Face à l’explosion du trafic aérien attendue ces prochaines années, l’impact de l’aviation civile sur l’environnement est un enjeu majeur. Les instances environnementales internationales comme l’ACARE (Conseil Consultatif pour la Recherche Aéronautique en Europe), en partenariat avec les grands groupes aéronautiques internationaux, ont fixé des objectifs drastiques pour préserver l’environnement : une réduction des émissions de CO2de 75 %et une réduction de 90 % des rejets d’oxydes d’azote dans l’atmosphère sont attendues d’ici 2050 par rapport aux avions fabriqués au début du 21èmesiècle. Les turbomachines actuelles possédant un degré de maturité très élevé ne permettront pas d’atteindre ces objectifs. Les motoristes cherchent donc à étudier de nouveaux concepts en rupture technologique pour les horizons 2050, comme les moteurs à détonation, ou encore les moteurs de type combustion à volume constant. Actuellement, les phénomènes physiques associés à la combustion du kérosène dans ce type de moteur sont encore mal documentés. L’objectif de cette thèse est donc de contribuer à l’amélioration de la connaissance et de la compréhension de ces phénomènes physiques.Au cours de cette étude, les flammes de pré-mélanges de kérosène et d’air sont étudiées expérimentalement grâce à des diagnostics optiques (strioscopie,PIV) et métrologiques. Le processus de combustion est notamment étudié dans des conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées dans un moteur aéronautique. La phase de propagation est dans un premier temps analysée dans des conditions laminaires et adiabatiques à travers la détermination de la vitesse fondamentale de flamme non-étirée, grandeur qui pilote le processus de combustion. Puis la sensibilité du front de flamme à l’étirement et la formation des instabilités de combustion sont dans un second temps examinées. Enfin, la phase d’allumage des pré-mélanges de kérosène et d’air dans des conditions aérodynamiques critiques est elle aussi traitée.Un second point abordé au cours de cette étude concerne la reproduction d’un kérosène réel par un substitut constitué d’un nombre d’espèces limité pour simplifier les problématiques industrielles et les études amont. En effet, la composition d’un kérosène commercial est complexe et variée et l’utilisation d’un représentant permet de modéliser numériquement le phénomène de combustion plus facilement. La pertinence de quelques surrogates plus ou moins représentatifs, formulés dans la littérature et élaborés au cours de différents travaux est notamment traitée dans cette étude en comparant les résultats obtenus avec ceux d’un kérosène commercial. De plus, la modélisation de ces kérosènes de substitution par un schéma cinétique valide estégalement analysée.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRANTech, MBDA et l’ANR. / With air traffic expected to soar in the next few years, the impact of civil aviation on the environment is a major issue. International environmental organizations such as ACARE (the Advisory Council for Aeronautical Research and Innovation in Europe), in partnership with the main international aeronautical groups, have set drastic objectives to preserve the environment: a reduction of 75 % of CO2emissions and a reduction of 90 % of nitrogen oxide emissions into the atmosphere are sought by 2050, with reference to aircraft produced at the beginning of the 21st century. Current turboshaft engines have a very high degree of maturity and may not achieve these objectives. Engineers are therefore aiming to study new concepts that will become technological breakthroughs at the 2050 horizon, such as detonation engines or constant volume combustion engines. Currently, the physical phenomena associated with the combustion of kerosene in those kinds of engines are still poorly documented. The objective of this PhD thesis is to contribute to the improvement of the knowledge and understanding of these physical phenomena. In this work, premixed flames of kerosene and air are experimentally studied with optical diagnostics (Schlieren, PIV) and metrology techniques. The combustion process is here studied in thermodynamic conditions similar to those encountered in an aeronautical engine. First, the propagation phaseis analyzed in laminar and adiabatic conditions through the determination of the unstretched laminar burning velocity, which drives the combustion process. Then, in a second stage, the sensitivity of the flame front to stretch and the formation of combustion instabilities are examined. Finally, the ignition phase of premixed flames of kerosene and air under critical aerodynamic conditions is also investigated. A second issue tackled in this work is the reproduction of a real kerosene by a surrogate made up of a limited number of species, to simplify industrial problems and initial studies. Indeed, the composition of a commercial kerosene is complex and can vary, and the use of a surrogate allows an easier numerical simulation of the combustion process. The relevance of some more or less representative surrogates, formulated in the literature and elaborated all through different studies, is also studied in this thesis, by comparing the results obtained with those of a commercial kerosene. In addition, the modelling of those surrogates by a valid chemical kinetic mechanism is also analyzed. This research was conducted within the CAPA industrial Chair project dedicated to innovative combustion modes for air-breathing propulsion, financially supported by SAFRAN Tech, MBDA and France’s ANR national research agency.

Un des principaux enjeux de l'industrie aéronautique est la recherche du moteur au meilleur rendement possible, pour satisfaire des contraintes économiques, techniques et environnementales. Les turbomachines bénéficient d'un constant perfectionnement depuis plus de 60 ans, et cette technologie semble avoir atteint un plateau. Une rupture technologique est aujourd'hui nécessaire, comme la combustion à volume constant (CVC). Le gain attendu est suffisant pour tenter de remplacer les systèmes actuels où la combustion se fait à pression constante. La combustion à isovolume fait appel à des mécanismes encore rarement maitrisés dans le contexte aéronautique. Sa compréhension passe par des expérimentations et des modèles théoriques et numériques. L’objectif de cette thèse est de développer une théorie et un outil de simulation LES (Large Eddy Simulation) appliqué au cas du concept ‘thermoréacteur’. Ainsi, la première étape a consisté à mettre en place un outil de simulation 0D traduisant l’évolution d’un cycle moteur de type CVC (Combustion à Volume Constant). Certains modèles utilisés dans cet outil 0D sont basés sur des corrélations expérimentales. D'autres présentent des paramètres à déterminer à partir de simulations numériques. La simulation 3D d’un système de type CVC est envisageable aujourd’hui grâce aux progrès récents des méthodes LES. Ainsi, des simulations du thermoréacteur ont pu être réalisées, et confrontées aux résultats expérimentaux obtenus au laboratoire Pprime sur trois points de fonctionnement. Les variabilités cycle à cycle observées expérimentalement ont été analysées dans les calculs LES. Les vitesses importantes au niveau de l'allumage et le taux de résidus du cycle précédent semblent être les principaux facteurs à l'origine de ces variations cycle à cycle. / A major challenge for the aircraft industry is to improve engine efficiency and to reduce pollutant emissions for economic, technical and environmental reasons. Aeronautical gas turbines have enjoyed a constant improvement for more than 60 years. This technology seems to have reached such efficiency levels that a technological breakthrough is necessary. Constant Volume Combustion (CVC) offers significant gain in consumption and could replace classical constant pressure combustion technologies, currently used in aeronautical engines. Mechanisms involved in isovolume combustion are not accurately controlled in the context of aeronautical chambers. Experimental, theoretical and numerical studies should provide a better understanding of CVC devices. The objective of this thesis is to develop simulation tools to study the thermoreacteur concept. First, a zero-dimensional (0D) simulation tool is developed to describe the evolution of a CVC cycle. Models based on experimental correlations are used to build the 0D tool. Parameters have to be determined from numerical simulations. Today, the 3D simulation of a CVC system is possible thanks to the recent progress of the LES (Large Eddy Simulation) methods developed at CERFACS. Simulations of the thermoreacteur concept have been carried out, and compared to experimental results obtained at the Pprime laboratory. Three operating points have been calculated. The main conclusion is the existence of significant cyclic variations which are observed in the experiment and analyzed in the LES: the local flow velocity at spark timing and the level of residuals gases are the major factors leading to cyclic variations.

La propagation de flammes turbulentes dans des milieux réactifs inhomogènes concerne un grand nombre d’applications pratiques, y compris celles qui reposent sur des cycles de combustion à volume constant. Les hétérogénéités de composition (richesse, température,dilution par des gaz brûlés, etc.) sont issues de plusieurs facteurs distincts tels que la dispersion du spray de gouttelettes de combustible et son évaporation, la topologie de l’écoulement ainsi que la présence éventuelle de gaz brûlés résiduels issus du cycle précédent. La structure des flammes partiellement prémélangées qui en résultent est significativement plus complexe que celles des flammes plus classiques de diffusion ou de prémélange. L’objectif de ce travail de thèse est donc de contribuer à l’amélioration de leur connaissance, en s’appuyant sur la génération et l’analyse de base de données de simulations numériques directes ou DNS (Direct Numerical Simulation). Celles-ci sont conduites avec le code de calcul Asphodele qui est basé sur l’approximation de faible nombre de Mach. Le combustible de référence retenu est l’iso-octane.La base de données est structurée suivant cinq paramètres qui permettent de caractériser l’écoulement turbulent ainsi que l’hétérogénéité de composition du milieu réactif. Dans un premier temps, des configurations bidimensionnelles ont été considérées en raison du coût élevé induit par la description détaillée de la cinétique chimique. L’étude des ces différents cas de calcul a permis de mettre en lumière plusieurs mécanismes fondamentaux de propagation dans les milieux hétérogènes en composition. Une réduction significative des coûts de calcula pu ensuite être obtenue grâce au développement d’un modèle chimique simplifié optimisé.Son utilisation a permis d’étendre les analyses à de / The propagation of turbulent flames in non-homogeneous reactive mixtures of reactants concerns a large number of practical applications, including those based on constant volume combustion cycles. The composition heterogeneities (equivalence ratio, temperature, dilution by burnt gases, etc.) result from several distinct factors such as the dispersion of the spray of fuel droplets and its evaporation, the flow field topology as well as the possible presence of residual burnt gases issued from the previous cycle. The resulting partially premixed flames structure is significantly more complex than the one of more conventional diffusion or premixed flames.The aim of this thesis work is therefore to contribute to the improvement of their understanding, by proceeding to the generation and analysis of a new set of direct numerical simulations (DNS) databases. The present computations are performed with the low-Mach number DNS solver Asphodele. The database is structured according to five parameters that characterize the turbulent flow as well as the composition heterogeneity of the reactive mixture. First, because of the high numerical costs induced by the detailed description of chemical kinetics, two-dimensional configurations were considered. The study of these various simulations highlights several fundamental mechanisms of flame propagation in heterogeneous mixtures. Then, a significant computational cost saving has been achieved through the development of an optimized simplified chemistry model. The use of the latter allowed to overcome the major bottleneck of high CPU costs related to chemical kinetics description and thus to extend the analysis to three-dimensional configurations. Some of the conclusions obtained previously were reinforced.

Les turbomachines actuelles ont atteint un niveau de maturité technique très élevé. De nouvelles architectures reposant sur des cycles thermodynamiques basés sur une combustion à gain de pression, comme la combustion à volume constant (CVC), ont le potentiel d’augmenter leur efficacité. Dans cette étude,une solution qui repose sur l’intégration dans une turbomachine de chambres de combustion à volume constant sans piston (CVCSP) est considérée. Les objectifs de ces travaux de thèse sont doubles : dans un premier temps de développer et de caractériser extensivement un nouveau dispositif (CV2) dédié à la Combustion à volume constant sans piston sur un cas de référence et, dans un second temps, de proposer à travers plusieurs études, une analyse de l’influence de l’aérodynamique et de la dilution sur les processus d’allumage et, plus généralement de combustion. Le dispositif CV2 permet la combustion aérobie en allumage commandé d’un mélange de propane ou de n-décane, injecté directement dans la chambre. Un point de référence est caractérisé en détail via : des mesures de champs de vitesse par PIV, de chimiluminescence pendant la combustion, une analyse 0D développée dans cette étude. La caractérisation détaillée de ce point de référence montre que le dispositif CV2 reproduit correctement une combustion à volume constant turbulente dans un mélange faiblement hétérogène en température et stratifié en composition, et ce sur un nombre de cycles permettant d’établir une convergence statistique raisonnable. Ces diagnostics et analyses sont employés dans 2 cas d’études pour caractériser successivement : l’influence de l’aérodynamique, via une variation de l’instant d’allumage, l’influence des gaz brûlés résiduels sur la combustion en allumage commandé et la stabilité cyclique, via une variation de la pression d’échappement.Dans un fonctionnement sans balayage, on montre que cette variabilité cyclique est liée au premier ordre à la variation de la dilution en gaz brûlé résiduel du mélange et à la vitesse locale. On montre notamment que, pour un mélange donné, il existe une corrélation statistique entre une vitesse statistique limite et la probabilité d’allumage moyenne. Pour représenter l’effet de pression dans un plénum en amont d’une turbine, on réalise une étude paramétrique sur la pression d’échappement. La dilution résultante, croissant avec la pression d’échappement, diminue la vitesse fondamentale de flamme et ralentit donc la combustion. Les niveaux de températures des gaz brûlés résiduels résultent des échanges de chaleur qui ont lieu sur toute la durée du cycle, de l’allumage du cycle N à celui du cycle N+1 suivant. Des extrapolations sur des cycles à température de paroi plus élevée et à échappement plus court montrent que l’adiabaticité du cycle est améliorée (de 20 %) et que l’effet de dilution en température est alors favorable à une vitesse de flamme turbulente qui est alors plus élevée. Un phénomène d’allumage par gaz brûlé résiduel est observé sur certains cycles de combustion. Ce phénomène est caractérisé dans des conditions favorables, i.e. faible richesse (0.66), allumage tardif et cycle plus court. Lors d’un allumage par gaz brûlés résiduels, un noyau de flamme se développe dans les zones présentant des gaz brûlés résiduels chauds et à basse vitesse autour du jet d’admission et se propage ensuite au reste du mélange identiquement à celui qui serait généré par allumage commandé.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRAN Tech, MBDA et l’ANR. / Current turbomachines have reached a very high level of technical maturity. Thermodynamic cycles based on pressure-gain combustion, such as constant volume combustion (CVC), feature a clear potential for efficiency improvement. The present study considers the integration in a turbomachine of piston-lessCVC chambers. The thesis work is twofold. First, a new experimental setup (CV2) dedicated to cyclic piston-less CVC is developed and thoroughly characterized on a reference operating point. Second, the influence of the aerodynamics and dilution on the processes of ignition and, in a larger sense, on combustion is discussed through dedicated studies. The CV2 device allows for the spark-ignited air-breathing combustion of a mixture of either propane orn-decane, directly injected into the chamber. A reference condition is characterized in details using: PIV velocity field measurements, chemiluminescence of combustion and a 0D modeling of the device. This detailed characterization evidenced that the CV2 combustion chamber successfully replicates, on a number of cycles allowing a reasonable statistical convergence, a turbulent deflagrative constant-volume combustion in a mixture stratified in composition. Those diagnostics and analyses are applied to 2 cases of study to characterize successively : the influence of the aerodynamics, through a variation of the ignition timing, the influence of the residual burnt gases on spark-ignited combustion and the cyclic stability, through a variation of the exhaust backpressure.Operating the device without scavenging of the combustion chamber, we show that the cyclic variability correlates strongly with both the variation of residual burnt gases dilution and the local velocity. Particularly, we show that for a given mixture, a correlation exists between a statistical velocity limit and the average probability of ignition. The effect of a plenum backpressure upstream of a turbine, downstream of the combustion chamber, is simulated by varying the exhaust system backpressure. The resulting dilution, which increases with the exhaust backpressure, diminishes the fundamental flame velocity of the mixture and slows down the combustion. The residual burnt gases temperature results from the integrated heat exchanges that happen during the total cycle duration starting from the end of combustion of cycle N, to the ignition of cycle N+1. Enhanced cycles, with an increased wall temperature and reduced exhaust duration, are extrapolated by 0D analysis. Those cycles evidence a reduction of the cumulated heat exchanges of up to 20 %. The resulting dilutionis more favorable to higher turbulent flame velocity thus to shorter combustion duration. A phenomenon of ignition induced by the residual burnt gases is observed on certain combustion cycles. This phenomenon is characterized in favorable conditions, i.e. fuel-lean equivalence ratio (0.66), late ignition and shortcycles. During an ignition by residual burnt gases, a flame kernel is ignited in areas where the still hot residuals burnt gases meet fresh gases in low-velocity areas around the intake jet. The ignition kernel then propagates to the rest of the mixture in a similar manner as if it was spark-ignited.This work is part of the CAPA Chair research program on Alternative Combustion modes for Air-breathing Propulsion supported by SAFRAN Tech, MBDAFrance and ANR (French National Research Agency).