La combustion sans flamme est un mode de combustion innovant dans le domaine des économies d'énergie et de la réduction des émissions polluantes, qui reste toutefois encore peu étudié. L'objectif de cette étude est de caractériser ces mécanismes par une étude expérimentale. La première étape de cette étude a été réalisée sur une installation d'essais semi-industrielle. Différents moyens de mesure dans la flamme ont été utilisés pour caractériser le mode d'accrochage de la flamme, la structure des zones de réactives, les recirculations des produits de combustion et leur impact sur la combustion et les émissions polluantes. Parallèlement, une installation d'essais de laboratoire à été mise en place. La caractéristique essentielle de cette installation est la possibilité de changer une des dimensions de la chambre tout en gardant identiques les conditions opératoires. Différents paramètres (puissance, température de l'air, température des parois, taux d'aération, confinement de la flamme) sont modifiés afin de caractériser leur impact sur le régime de combustion sans flamme. <br />Les résultats montrent que la flamme peut être divisée en deux zones. Alors que la réaction principale se situe où le jet d'air et de gaz naturel se rejoignent, une première zone réactive est aussi observée dans la zone de recirculation interne, assurant la stabilisation de la flamme. La recirculation des produits de combustion est mise en évidence et quantifiée à partir des résultats des mesures dans la flamme. Entraînées par l'écoulement principal, ces recirculations induisent une importante dilution dans les zones réactives, où la concentration en CO et la température restent à de faibles niveaux. Les oxydes d'azote sont principalement produits par voie thermique, mais restent très faibles. Par ailleurs, un mécanisme de réduction dans la flamme des oxyde d'azote présents dans les recirculations peut être observé. L'étude paramétrique montre que si la puissance n'a pas d'influence sur le régime de combustion, la combustion sans flamme est possible avec de l'air non préchauffé. Par ailleurs, une augmentation du taux d'aération réduit la dilution de la zone réactive par les inertes. Pour de fortes augmentations du taux d'aération, on peut observer l'apparition d'une troisième zone de réaction à l'extérieur des jets de gaz naturel ; on quitte alors le régime de combustion sans flamme

La thèse s’intéresse au contrôle de la température d’un front de combustion propagé dans un milieu poreux contenant du carbone fixe et des carbonates (CaCO3). L’objectif principal est de réduire la température, in situ (récupération d’huile ou production de gaz à partir d’un schiste bitumineux) ou dans un procédé (combustion de semicoke), afin de limiter la décarbonatation du milieu et les émissions induites de CO2. Le milieu réactif retenu pour réaliser les expériences en laboratoire est un schiste bitumineux préalablement broyé (0.5 à 2 mm) et pré-pyrolysé, appelé semicoke. Le front est propagé en co-courant. La première technique testée expérimentalement est l’ajout au semicoke d’un matériaux inerte (sable) et/ou d’un matériaux réactif (CaCO3) afin de faire varier le taux de carbone fixe et le taux de CaCO3 et ceci indépendamment. Nous montrons que l’augmentation de CaCO3 permet de baisser la température à 800 °C, mais pas en dessous, ce qui ne permet pas d’éviter la décarbonatation. Faire chuter le contenu en carbone fixe permet de baisser la température du front, voire d’atteindre l’extinction. Aux températures de propagation les plus basses, la décarbonatation est fortement limitée. En revanche le front ralentit car il n’utilise plus tout l’oxygène alimenté. La deuxième technique originale consiste à ajouter du CO2 (20 %molaire) dans l’air de combustion. Nous montrons que dans le cas d’un front chaud, ceci permet de réduire le taux de décarbonatation de 100% à 70%, et d’augmenter en parallèle la production de CO résultant de l’oxydation du carbone fixe, ce qui augmente le PCI du gaz produit. Sur un front plus froid, la décarbonatation qui était de 20% est totalement évitée par l’ajout de CO2. Enfin, des expériences sont proposées dans le mode de combustion “reaction trailing”, très peu connu et mis en oeuvre. Ce mode a l’intérêt majeur d’éviter les réactions de “Lower Temperature Oxidation” préjudiciables au rendement en huile ou en gaz d’un process in situ. Des expériences stables et répétables sont réalisées avec différents pourcentages d’oxygène dans le gaz alimenté. La température du front est directement liée à ce paramètre ; la décarbonatation est clairement limitée dans ce mode de propagation. Deux types de modélisation sont proposés. Un bilan de matière et d’énergie basé sur des expressions analytiques simples permet d’évaluer la température du front et sa vitesse de propagation. Un modèle numérique développé par l’IMFT se base sur des équations de transfert convectif/diffusif de chaleur et de matière, couplées aux réactions d’oxydation du carbone (en CO et en CO2) et de décarbonatation de CaCO3. Il décrit de façon très satisfaisante les expériences en mode “reaction leading” avec variation de la composition du milieu (première technique). / This PhD thesis focuses on the control of the smoldering front propagating in a porous medium containing fixed carbon and carbonates (CaCO3). The main objective is to reduce the front temperature, in situ (oil recovery or gas production from oil shale) or in process (combustion of semicoke), in order to limit the medium decarbonation and the resulting CO2 emissions. The reactive porous medium retained to realize the laboratory experiments is a crushed (0.5 to 2 mm) and pre-pyrolyed oil shale, called semicoke. The front propagates in co-current. The first technique experimentally tested is the addition to the semicoke of an inert material (sand) and/or a reactive material (CaCO3) to vary the contents of fixed carbon and of CaCO3, independently. We show that the increase of the CaCO3 content enables to reduce the temperature to 800 °C, but not below; this does not allow to avoid decarbonation. Bringing down the fixed carbon content enables to reduce the front temperature, see even to reach extinction. In the lowest temperatures of propagation, the decarbonation is strongly limited. On the other hand, the front slows down because it does not use all of the fed oxygen. The second original technique consists in adding CO2 (20 mol.%) to the oxidizer air. We show that for a hot front, the decarbonated fraction is reduced from 100% down to 70%, and the CO production at fixed carbon oxidation is increased; this leads to increase the LCV of the produced gas. For a cold front, the decarbonation which was 20%, is totally avoided by adding CO2. Finely, experiments are proposed in the “reaction trailing” combustion mode, little known and implemented. This mode has the major interest to avoid the reactions of “Lower Temperature Oxidation” prejudicial for oil or gas yields in in situ process. Stable and repeatable experiments are realized with different oxygen fractions in feeding gas. The front temperature is directly linked to this parameter; the decarbonation is clearly limited in this mode of propagation. Two types of modeling are proposed. A mass and thermal balance based on simple analytical expressions enables to evaluate the front temperature and velocity. A numerical model developed by IMFT is based on convective/diffusive heat and mass transfer equations coupled with the oxidation reactions (into CO and CO2) and CaCO3 decarbonation is proposed. It describes in a very satisfactory way the experiments in the “reaction leading” mode with variation of the medium composition (first technique).

Cette thèse se situe dans le cadre de la simulation numérique de la combustion turbulente à l'aide de méthodes de tabulation de la cinétique chimique. En approximant la structure fine des flammes turbulentes, ces méthodes prennent en compte des effets fins de cinétique chimique pour un faible coup dans les calculs numériques. Ceci permet de prédire les champs de température et d'espèces chimiques incluant les polluants. Le champ d'application de la chimie tabulée a d'abord été réservé à la simulation des écoulements moyens (RANS) dans une hypothèse de faible nombre de Mach pour une combustion dite "conventionnelle". Cependant, le développement actuel de nouvelles technologies de combustion ainsi que celui de modèles numériques plus avancés que les approches RANS nécessite d'étendre ce champ d'application. Les travaux de cette thèse ont mené au développement de nouveaux modèles de chimie tabulée afin de répondre à ces nouvelles exigences. L'émergence de nouvelles technologies comme la combustion sans flamme nécessite le développement de modèles dédiés. Ce mode de combustion présente en effet des structures de flamme mixtes. C'est pourquoi un modèle de tabulation de la cinétique chimique nommé UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) est proposé pour prédire la combustion diluée à haute température qui caractérise la combustion sans flamme. Le modèle est basé sur la tabulation de solutions instationnaires de flammelettes non-prémelangées qui s'auto-allument. Les pertes thermiques et la dilution variable des gaz brûlés sont négligés dans le cadre de cette thèse par soucis de simplification et de clarté de la validation du modèle. Le modèle est appliqué au cas d'un jet de combustible dilué dans un environnement de gaz vicié qui favorise l'auto-allumage comme moyen de stabilisation d'une flamme liftée. Plusieurs simulations RANS sont réalisées en faisant varier le combustible utilisé. Enfin, une simulation aux grandes échelles (LES) est aussi conduite pour le mélange méthane/air. Plusieurs codes numériques dédiés à la LES sont basés sur une formulation compressible des équations de Navier-Stokes. Cependant les méthodes de tabulation ne permettent pas directement de prendre en compte les effets acoustiques. Un modèle appelé TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) a été créé afin d'introduire les méthodes de chimie tabulée dans les codes numériques compressibles. Pour cela, le calcul de la température est reformulé ainsi que le traitement des conditions aux limites à l'aide d'ondes caractéristiques. Enfin, l'application de modèle RANS de tabulation de la cinétique chimique à la LES est souvent faite sans tenir compte des spécificités de la simulation aux grandes échelles. Ainsi, les fonctions de densité de probabilités de type β qui traduisent l'interaction de la combustion avec la turbulence en RANS sont utilisées telles quelles en LES. Nous montrerons que cette hypothèse est mauvaise car elle ne conserve pas l'intégrale du terme source dans une flamme prémélangée. Un nouveau modèle de chimie tabulée nommé F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation) est alors développé spécifiquement pour la simulation aux grandes échelles de la combustion parfaitement prémélangée. Le modèle est basé sur le filtrage de flammes laminaires de prémélange mono-dimensionelles.

Cette thèse se situe dans le cadre de la simulation numérique de la combustion turbulente à l’aide de méthodes de tabulation de la cinétique chimique. En approximant la structure fine des flammes turbulentes, ces méthodes prennent en compte des effets fins de cinétique chimique pour un faible coup dans les calculs numériques. Ceci permet de prédire les champs de température et d’espèces chimiques incluant les polluants. Le champ d’application de la chimie tabulée a d’abord été réservé à la simulation des écoulements moyens (RANS) dans une hypothèse de faible nombre de Mach pour une combustion dite "conventionnelle". Cependant, le développement actuel de nouvelles technologies de combustion ainsi que celui de modèles numériques plus avancés que les approches RANS nécessite d’étendre ce champ d’application. Les travaux de cette thèse ont mené au développement de nouveaux modèles de chimie tabulée afin de répondre à ces nouvelles exigences. L’émergence de nouvelles technologies comme la combustion sans flamme nécessite le développement de modèles dédiés. Ce mode de combustion présente en effet des structures de flamme mixtes. C’est pourquoi un modèle de tabulation de la cinétique chimique nommé UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) est proposé pour prédire la combustion diluée à haute température qui caractérise la combustion sans flamme. Le modèle est basé sur la tabulation de solutions instationnaires de flammelettes non-prémelangées qui s’auto-allument. Les pertes thermiques et la dilution variable des gaz brûlés sont négligés dans le cadre de cette thèse par soucis de simplification et de clarté de la validation du modèle. Le modèle est appliqué au cas d’un jet de combustible dilué dans un environnement de gaz vicié qui favorise l’auto-allumage comme moyen de stabilisation d’une flamme liftée. Plusieurs simulations RANS sont réalisées en faisant varier le combustible utilisé. Enfin, une simulation aux grandes échelles (LES) est aussi conduite pour le mélange méthane/air. Plusieurs codes numériques dédiés à la LES sont basés sur une formulation compressible des équations de Navier-Stokes. Cependant les méthodes de tabulation ne permettent pas directement de prendre en compte les effets acoustiques. Un modèle appelé TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) a été créé afin d’introduire les méthodes de chimie tabulée dans les codes numériques compressibles. Pour cela, le calcul de la température est reformulé ainsi que le traitement des conditions aux limites à l’aide d’ondes caractéristiques. Enfin, l’application de modèle RANS de tabulation de la cinétique chimique à la LES est souvent faite sans tenir compte des spécificités de la simulation aux grandes échelles. Ainsi, les fonctions de densité de probabilités de type ß qui traduisent l’interaction de la combustion avec la turbulence en RANS sont utilisées telles quelles en LES. Nous montrerons que cette hypothèse est mauvaise car elle ne conserve pas l’intégrale du terme source dans une flamme prémélangée. Un nouveau modèle de chimie tabulée nommé F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation) est alors développé spécifiquement pour la simulation aux grandes échelles de la combustion parfaitement prémélangée. Le modèle est basé sur le filtrage de flammes laminaires de prémélange mono-dimensionelles. / The thesis subject is located in the domain of numerical simulation of turbulent combustion through tabulated chemistry methods. These methods allow to include detailed chemistry effects at low cost in numerical simulation by approximating the fine scales structure of turbulent flames. Prediction of temperature and chemical species including pollutants becomes then possible. Tabulated chemistry models were first dedicated to low Mach-number RANS approaches for "conventional" combustion applications. However, the current uprising of new combustion configurations and of more precise numerical modeling than RANS approach requires to widen these range of applications. For that purpose, this thesis led to the development of new tabulated chemistry models. Flameless combustion is one of these new combustion technology that requires dedicated models. Indeed, complex flame structures are encountered in this combustion mode. That is why a tabulated chemistry model called UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) is derived to simulate high temperature diluted combustion which characterizes flameless combustion. The model lies on the tabulation of laminar unsteady non-premixed flamelets that auto-ignite. Heat losses and variation of dilution with burnt gases are neglected in the topic of this thesis for brevity and simplification of the model validation. The investigated configuration is a fuel jet diluted in a vitiated coflow. The hot coflow promotes auto-ignition in the lifted flame stabilization mechanism. Several RANS computations are performed by changing the fuel composition. Finally, a Large Eddy Simulation (LES) is also realized using a methane/air mixture as the impinging fuel stream. Several numerical codes for LES use a fully compressible formulation of Navier-Stokes equations. However, tabulated chemistry techniques do not take into account acoustic perturbations. A model called TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) formalism is therefore developed in order to include tabulated chemistry in compressible CFD codes. TTC formalism consists in reformulating both temperature computation inside the numerical code and the characteristic boundary treatment. Finally, application of tabulated chemistry model to LES is usually done by a straightforward derivation from its RANS version without taking into account LES requirements. Indeed, ß-probability density functions which accounts for turbulence-chemistry interaction in RANS are used in LES although this technique does not conserve the source terms integral in premixed flames. A new model, F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation), is then derived specifically for LES of perfectly premixed combustion. This model is based on filtering of 1D laminar premixed flamelets.