Dans un contexte où les questions environnementales et énergétiques ont une importance capitale, les constructeurs automobiles sont fortement poussés à développer des moteurs à combustion interne toujours plus économes et moins polluants. Pour le développement de procédés de combustion innovants et l'amélioration de leur compréhension, la simulation aux grandes échelles apparaît comme un outil prometteur. Ce travail de thèse traite du développement et de la validation d'un modèle pour la simulation aux grandes échelles de la combustion Diesel. Le modèle ADF-PCM, basé sur la tabulation de flammes de diffusion approchées auto-inflammantes étirées et permettant la prise en compte d'une cinétique chimique détaillée, est utilisé dans ces travaux. Le modèle ADF est tout d'abord introduit. Il permet d'approximer des flammes de diffusion laminaires à partir de flammelettes dont les termes chimiques proviennent de calculs de réacteurs homogènes. La première étape de ces travaux consiste à valider ces flammes de diffusion approchées dans des configurations proches de celles observées dans les moteurs Diesel. Le modèle ADF-PCM, initialement développé dans un formalisme RANS, est ensuite étendu à un formalisme LES pour des écoulements diphasiques et intégré dans le code LES compressible AVBP. Un modèle de stratification en température ainsi que les termes de couplage avec la phase liquide décrite par un formalisme Eulérien sont développés. Le modèle ADF-PCM est ensuite validé sur deux expériences de sprays Diesel en enceinte fermée. Il permet une bonne reproduction des résultats expérimentaux en termes de délai d'auto-inflammation, de dégagement de chaleur et de hauteur d'accrochage de la flamme. Les prédictions du modèle ADF-PCM sont ensuite comparées avec celles d'autres modèles faisant différentes hypothèses simplificatrices par rapport à la structure de flamme et la stratification en sous-maille de la fraction de mélange. Les résultats obtenus à l'aide de ces différents modèles soulignent la nécessité de la prise en compte de ces effets, même pour des résolutions spatiales fines. Finalement, des comparaisons entre les résultats expérimentaux et la simulation sont réalisées avec le modèle ADF-PCM pour différents taux de gaz recirculants. Celui-ci montre une reproduction qualitative de l'effet des gaz recirculants sur la combustion. / In a context where environmental and energetic issues are of major importance, car manufacturer are pushed toward developing more and more efficient vehicle with less pollutant emissions. To develop new combustion processes and improve their understanding, Large-Eddy Simulation appears as a promising tool. This thesis deals with the development and the validation of a model for Large-Eddy Simulation of Diesel combustion. The ADF-PCM model, based on the tabulation of strained approximated diffusion flames which allow to take into account detailed chemical schemes, is used. First, the ADF model is introduced. It approximates laminar diffusion flames by flamelets for which the chemical terms are extracted from a look-up table based on homogeneous reactors. The first step of this work consists in the validation of these approximated diffusion flames in Diesel conditions. The ADF-PCM model, initially formulated in a RANS formalism is extended to Large-Eddy Simulation of two phase flows and implemented in the AVBP LES compressible solver. A temperature stratification model is developed, as well as coupling terms for the liquid phase described by an Eulerian formalism. The ADF-PCM model is then assessed and validated on two experiments of Diesel liquid sprays injected into a constant volume chambers. It accurately predicts experimental _ndings in terms of auto-ignition delay, heat release rate and lift-off length. ADF-PCM results are then compared with those of other models considering different simplifying assumptions concerning flame structure or subgrid-scale mixture fraction stratification. The results indicate the necessity to consider these effects, even for fine grids. Finally, the capacity of the ADF-PCM approach to reproduce the influence of exhaust gas recirculation over combustion is assessed. Comparisons between experimental and simulation results indicate a qualitative reproduction of exhaust gas recirculation impact over combustion.

Les premières simulations numériques d'écoulements réactifs sur des configurationscomplexes ont été réalisées à l'aide d'approches RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Ces dernières, bien adaptées aux écoulements de type couches limites attachées et relativement peu coûteuses en temps de calcul, ne donnent accès qu'à des résultats stationnaires qui s'éloignent parfois de la réalité. Pour réaliser des simulations instationnaires d'écoulements, les méthodes de type LES (Large Eddy Simulation) -- plus précises mais plus coûteuses -- sont de plus en plus utilisées. Cependant, ces méthodes sont mal adaptées à la simulation de la dynamique pariétale, car elles nécessitent un effort de maillage souvent prohibitif près de la paroi. Cette thèse est consacrée au développement dans le code CEDRE (code de simulation d'écoulements réactifs complexes de l'Onera) d'une méthode hybride RANS/LES, appelée Delayed Detached Eddy Simulation (DDES), et à son application à des écoulements réactifs massivement décollés. Après une étape de validation sur des couches limites attachées, la DDES a été appliquée à la simulation des écoulements inerte et réactif dans une chambre de combustion en forme de marche descendante (A3C) et comparée aux résultats des approches RANS et LES classiques, ainsi qu'aux résultats expérimentaux. Cette méthode a ensuite permis de réaliser l'étude de la dynamique de l'écoulement réactif décollé dans la tuyère ATAC montée sur le banc cryotechnique MASCOTTE de l'Onera. / The first numerical simulations of reactive flows on complex configurations were performed using RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) approaches. These methods, which are well adapted to attached boundary layer flows and relatively not expensive in computation time, provide only steady results, which may not correctly reproduce reality. For unsteady flow simulations, LES (Large Eddy Simulation) method -- more accurate but more expensive – are increasingly employed. However, these approaches are poorly suited to simulate wall turbulence since they often require a prohibitive meshing effort close to the wall. This PhD thesis is devoted to the development in the CEDRE code (Onera code for the simulation of complex reactive flows) of a hybrid RANS/LES approach, called Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) and to its application to massively separated reactive flows. After a step of validation on attached boundary layers, the DDES is applied to the simulation of the inert and reactive flows in a backward facing step combustor (A3C) and compared to the results obtained by RANS and LES approaches, as well as to experimental results. The DDES has then been used to study the dynamics of the separated reactive flow in the ATAC nozzle mounted on the cryotechnic MASCOTTE facility of Onera.

Les transferts radiatifs jouent un rôle important dans les chambres de combustion des installations industrielles. En effet, il existe un couplage fort entre la combustion turbulente et le rayonnement. Dans le but d’étudier ce couplage, le code Rainier est développé pour les calculs de pertes par rayonnement dans un écoulement réactif dans des géométries complexes. Ce code repose sur des simulations aux grandes échelles (LES) de la combustion turbulente. Il est basé sur les maillages tétraédriques non structurés. Le modèle de rayonnement appliqué à la modélisation des propriétés radiatives des gaz est le modèle CK (Correlated-k). La méthode statistique de Monte-Carlo (ERM) est utilisée pour résoudre l’équation de Transfert du Rayonnement (ETR). Le code de rayonnement est parallélisé et il montre une réponse linéaire en fonction du nombre de processeurs très proche de la réponse idéale. Une méthode de couplage de code de rayonnement avec le code de combustion LES est développée. Chacun des codes a sa propre logique d’architecture et de développement. En conséquence, le couplage entre les deux domaines d’étude est réalisé de telle façon que les échanges des données et les synchronisations entre eux soient assurés. Les résultats obtenus à partir du couplage des sur une chambre de combustion d’hélicoptère sont présentés. Nous avons montré que le rayonnement modifie les champs instantanés de température et d’espèces à l’intérieur de la chambre de combustion. / Radiation plays an important role in industrial combustion chambers. In fact, there is a strong coupling between combustion and heat transfer in these turbulence chambers. The Rainier code is developed for the calculation of radiation in a reactive flow within a complex geometry. This code is dedicated to Large Eddy Simulation (LES) of turbulent reactive flows. The code is based on unstructured tetrahedral mesh. The correlated k-distribution method (CK) is applied to the modelling of radiative properties of gases. A statistical method of Monte Carlo (ERM) is used to resolve the Radiation Transfer Equation (RTE). The code is parallelized and it shows a linear response to the number of processors, which is very close to the ideal response. A coupling method of the Rainier code and the turbulent combustion code LES is implemented. Each code has its own logic architecture and development. For this, the coupling between these two different fields of study is achieved in such a way that the data exchange and synchronization between them is assured. The results obtained by applying the coupled codes to the combustion chamber of helicopter are presented. We have shown that the radiative transfer modifies the temperature and species fields inside the combustion chamber.

La réduction des émissions polluantes des foyers aéronautiques est un enjeu majeur pour les motoristes. Afin de les accompagner dans cette tâche, il est nécessaire de développer des outils de simulation numérique permettant de prédire avec précision les émissions d'espèces chimiques en sortie du foyer. Pour cela, une description détaillée des réactions chimiques est nécessaire. Celle-ci est néanmoins incompatible avec la simulation des foyers industriels, compte tenu des puissances de calcul actuelles. C'est pourquoi il est nécessaire de recourir à des méthodes de réduction de la chimie qui préservent la capacité de prédire la concentration des polluants. La démarche consistant à tabuler la chimie nous a semblé appropriée pour aborder ces problèmes et son développement a fait l'objet de cette thèse. Un premier travail a été effectué afin de sélectionner dans la littérature les modèles permettant de traiter des écoulements réactifs turbulents diphasiques avec une approche de chimie tabulée. Par rapport à l’existant, des améliorations ont été apportées à la génération des tables chimiques, afin de prendre en compte l'effet du temps de résidence des gaz brûlés dans le foyer sur la formation des oxydes d'azote. Le couplage de la méthode avec un modèle de formation des suies a également été réalisé. La chimie tabulée permet d’avoir accès à la concentration des précurseurs de suie et des espèces oxydantes, quantités sur lesquelles s’appuie le modèle de formation des suies. Le modèle de chimie tabulée développé dans le cadre de cette thèse a été appliqué à la simulation d'une configuration représentative des foyers aéronautiques. Les concentrations d'oxydes d'azote, de particules de suie, mais aussi de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés prédites par les calculs ont été comparées aux résultats expérimentaux. Un bon accord avec l'expérience est observé concernant la topologie du champ de suie et l'allure des profils de concentration de polluants en sortie. Néanmoins, les niveaux de concentration obtenus par les simulations diffèrent des résultats expérimentaux. Cela est imputable notamment à une erreur de prédiction du champ de température qui n'est pas due à l'approche de chimie-tabulée puisque une erreur similaire a été observée avec un autre modèle de combustion. / The reduction of pollutant emissions of aeronautical combustion chambers is a major issue for engine manufacturers. In order to support them in this task, it is necessary to develop numerical simulation tools able to predict accurately chemical species emissions at the chamber outlet. To achieve this, a detailed description of the chemical reactions is necessary. Nevertheless, considering the current computer capabilities, this description is not presently affordable. This is why the use of chemistry reduction methods preserving the capability to predict pollutants species is necessary. The method of tabulated chemistry is a good candidate to tackle these problems and therefore is used as the basis of model developments achieved in the framework of this PhD thesis. A preliminary work has been made to select in the literature tabulated chemistry methods applying to turbulent reactive two-phase flows. The technique to create the chemical tables has been improved in order to take into account the effect of the residence time of the burnt gases on nitrogen oxides formation. The coupling of the method with a soot model has also been achieved. The tabulated chemistry gives access to the concentration of soot precursors and oxidizers, quantities which are required by the model used for the soot prediction. The developed tabulated chemistry model has been applied to the simulation of a configuration representative of aeronautical combustors. The concentration of nitrogen oxides, soot particles, carbon monoxide and unburnt hydrocarbons predicted by the numerical simulations have been compared to experimental results. The topology of the soot volume fraction field and the shape of pollutant concentrations profiles at the outlet agree quite well with the experiments. Nevertheless, concentration levels obtained from the simulations differ from the experimental results. This can be imputed to the error in the prediction of the temperature field that is independent of the combustion model, since a similar error was observed with another combustion model.

Afin de contribuer à l'amélioration des simulations numériques de foyers industriels avec recycle de gaz brûlés et combustible liquide, la modélisation de la combustion turbulente non prémélangée est abordée sous deux de ses aspects : le traitement des problèmes diphasiques et la prise en compte des configurations complexes de mélange (dilution, recirculation interne).Une flamme spray éthanol/oxygène diluée par du dioxyde de carbone est d'abord calculée en LES dans un formalisme Euler-Lagrange et une chimie détaillée pour une résolution atteignant 250 µm. Les conditions d'injection du brouillard de gouttes sont déterminées à partir de mesures expérimentales de granulométrie et d'anémométrie phase Doppler.Dans une seconde partie, un nouveau formalisme de description de la combustion turbulente, basé sur l'introduction de temps caractéristiques de l'histoire du mélange est développé, puis validé en LES sur le cas de référence d'une flamme jet dans un écoulement co-courant vicié. / As a contribution to the improvement of numerical simulations of industrial furnaces with flue gas recirculation and liquid fuel, two aspects of the non-premixed turbulent combustion modeling are addressed: the handling of two-phase problems and the treatment of complex mixing configuration, such as dilution and internal recirculation. An ethanol/oxygen spray flame is first solved in an LES, following an Euler-Lagrange formalism, with detailed chemistry and at a resolution reaching 250 µm. The spray injection conditions are determined from granulometry and Doppler-phase anemometry measurements. In a second part, a novel formalism to describe turbulent combustion is developed, based on the introduction of characteristic timescales of the mixing history. It is then validated on the reference case of a jet flame in a vitiated co-flow.

La complexité de la chimie joue un rôle majeur dans la simulation numérique de la plupart des écoulements réactifs industriels. L'utilisation de schémas cinétiques chimiques détaillés avec les outils de simulation actuels reste toutefois trop coûteuse du fait des faibles pas de temps et d'espaces associés à la résolution d'une flamme, bien souvent inférieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux nécessaires pour capturer les effets de la turbulence. Une solution est proposée pour s'affranchir de cette limite. Un outil automatisé de réduction de schémas cinétiques est développé sur la base d'un ensemble de trajectoires de références construites dans l'espace des compositions pour être représentatives du système à simuler. Ces trajectoires sont calculées à partir de l'évolution de particules stochastiques soumises à différentes conditions de mélange, de réaction et d'évaporation dans le cas de combustible liquide. L'ensemble est couplé à un algorithme génétique pour l'optimisation des taux de réaction du schéma réduit, permettant ainsi une forte réduction du coût calcul. L'approche a été validée et utilisée pour la réduction de divers mécanismes réactionnels sur des applications académiques et industrielles, pour des hydrocarbures simples comme le méthane jusqu'à des hydrocarbures plus complexes, comme le kérosène en incluant une étape optimisée de regroupement des isomères. / Complex chemistry is an essential ingredient in advanced numerical simulation of combustion systems. However, introducing detailed chemistry in Computational Fluid Dynamics (CFD) softwares is a non trivial task since the time and space resolutions necessary to capture and solve for a flame are very often smaller than the turbulent characteristic scales by several orders of magnitude. A solution based on the reduction of chemical mechanisms is proposed to tackle this issue. An automated reduction and optimisation strategy is suggested relying on the construction of reference trajectories computed with the evolution of stochastic particles that face mixing, evaporation and chemical reactions. The methodology, which offers strong reduction in CPU cost, is applied to the derivation of several mechanisms for canonical and industrial applications, for simple fuel such as methane up to more complex hydrocarbon fuels, as kerosene, including an optimised lumping procedure for isomers.

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d'écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d'ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d'une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l'adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d'un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L'étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l'écoulement principal et présence ou non d'un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d'un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d'instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L'existence d'un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d'anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d'assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme.

Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d'émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L'une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c'est l'approche de l'éco-suralimentation ou " downsizing ". L'une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d'un fonctionnement de type " downsizing ". Le but de ce travail de thèse est donc d'étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l'utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d'admission à l'aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d'un mécanisme cinétique réduit. L'utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d'admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l'évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d'un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies.

Afin de contribuer à l'amélioration des simulations numériques de foyers industriels avec recycle de gaz brûlés et combustible liquide, la modélisation de la combustion turbulente non prémélangée est abordée sous deux de ses aspects : le traitement des problèmes diphasiques et la prise en compte des configurations complexes de mélange (dilution, recirculation interne).Une flamme spray éthanol/oxygène diluée par du dioxyde de carbone est d'abord calculée en LES dans un formalisme Euler-Lagrange et une chimie détaillée pour une résolution atteignant 250 µm. Les conditions d'injection du brouillard de gouttes sont déterminées à partir de mesures expérimentales de granulométrie et d'anémométrie phase Doppler.Dans une seconde partie, un nouveau formalisme de description de la combustion turbulente, basé sur l'introduction de temps caractéristiques de l'histoire du mélange est développé, puis validé en LES sur le cas de référence d'une flamme jet dans un écoulement co-courant vicié.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.