Dans cette thèse, des simulations numériques tridimensionnelles instationnaires d'une installation expérimentale de combustion en boucle chimique sont réalisées. Le pilote expérimental, d'une puissance de 120 kWth, utilise un matériau perovskite, à base de Ca-Mn, comme transporteur d'oxygène. Les simulations numériques sont réalisées par le code NEPTUNE_CFD, selon une approche Euler-Euler pour les deux phases (solide et gazeuse), avec des modèles de fermeture spécifiques pour modéliser les transferts de masse, de mouvement et d'énergie. Les réactions hétérogènes (i.e. réactions gaz-solide) de réduction et d'oxydation sont décrites au moyen d'un modèle à cœur rétrécissant dans le grain, qui prend en compte les mécanismes compétitifs dans le processus global de réaction gaz-solide: réaction chimique à la surface interne des particules,diffusion à travers la couche de produits et transfert externe autour des particules. Les résultats des simulations numériques sont validées avec des mesures expérimentales et analysées afin de mieux comprendre le comportement local/instationnaire de l'écoulement gaz-particules réactif dans ce système de combustion en boucle chimique. L'outil théorique/numérique développé dans ce travail sera utilisé pour le dimensionnement d'une unité pilote à l’échelle des installations industrielles. / In this work, reactive unsteady three-dimensional numerical simulations of a Chemical Looping Combustion (CLC) plant are performed. The plant is a 120 kWth pilot working with Ca-Mn-based material as selected oxygen carrier. Numerical simulations are performed by NEPTUNE_CFD code using an Euler-Euler approach which computes both the gas and the solid phases in an Eulerian fashion accounting for specific closures in order to model interphase mass, momentum and energy transfers. Reduction and oxidation heterogeneous (i.e. gas-solid) reactions are modeled by means of a grain model (shrinking core model in the grain) accounting for both the competing mechanisms of chemical reaction at the particle internal surface and gaseous diffusion through the product layer. Results from numerical simulations are validated against experimental measurements and analyzed in order to gain insight in the local behaviour of the reactive gas-particle flow in the CLC system. The theoretical/numerical tool developed in this work will be used for design upgrade recommendation in the stage of scaling-up from pilot to industrial facilities.

Les interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques sont le fil conducteur de ce travail. En effet, les flammes produisent de la chaleur, mais peuvent aussi être affectées par des transferts ou des sources de chaleur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est utilisée ici pour étudier ces interactions, en mettant l’accent sur deux sujets principaux: le transfert de chaleur aux parois et le contrôle de la combustion. Dans un premier temps, on étudie le transfert de chaleur aux parois dans un modèle de brûleur CH4/O2 de moteur-fusée. Dans un contexte deréutilisabilité et de réduction des coûts des lanceurs, qui constituent des enjeux majeurs, de nouveaux couples de propergols sont envisagés et les flux thermiques à la paroi doivent êtreprécisément prédits. Le but de ce travail est d’évaluer les besoins et les performances des SGEpour simuler ce type de configuration et de proposer une méthodologie de calcul permettant desimuler différentes configurations. Les résultats numériques sont comparés aux donnéesexpérimentales fournies par la Technische Universität München (Allemagne). Dans un deuxième temps, le contrôle de la combustion au moyen de décharges de plasma de type NRP (en anglaisNanosecond Repetitively Pulsed) est étudié. Les systèmes de turbines à gaz modernes utilisent en effet une combustion pauvre dans le but de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. Les flammes pauvres sont connues pour être sujettes à des instabilités et le contrôle de la combustion peut jouer un rôle majeur dans ce domaine. Un modèle phénoménologique qui considère les décharges de plasma comme une source de chaleur est développé et appliqué à un brûleur pauvre avec prémélange CH4/Air stabilisé par un swirler. LesSGE sont réalisées afin d’évaluer les effets des décharges NRP sur la flamme. Les résultats numériques sont comparés aux observations expérimentales faites à la King Abdulla University ofScience and Technology (Arabie Saoudite) / Interactions between flames and thermal phenomena are the guiding thread of this work. Flamesproduce heat indeed, but can also be affected by it. Large Eddy Simulations (LES) are used hereto investigate these interactions, with a focus on two main topics: wall heat transfer andcombustion control. In a first part, wall heat transfer in a rocket engine sub-scale CH4/O2 burner isstudied. In the context of launchers re-usability and cost reduction, which are major challenges,new propellant combinations are considered and wall heat fluxes have to be precisely predicted.The aim of this work is to evaluate LES needs and performances to simulate this kind ofconfiguration and provide a computational methodology permitting to simulate variousconfigurations. Numerical results are compared to experimental data provided by the TechnischeUniversität München (Germany). In a second part, combustion control by means of NanosecondRepetitively Pulsed (NRP) plasma discharges is studied. Modern gas turbine systems use indeedlean combustion with the aim of reducing fuel consumption and pollutant emissions. Lean flamesare however known to be prone to instabilities and combustion control can play a major role in thisdomain. A phenomenological model which considers the plasma discharges as a heat source isdeveloped and applied to a swirl-stabilized CH4/Air premixed lean burner. LES are performed inorder to evaluate the effects of the NRP discharges on the flame. Numerical results are comparedwith experimental observations made at the King Abdulla University of Science and Technology(Saudi Arabia).