Cette thèse se situe dans le cadre du projet CANOE, piloté par GDF SUEZ et l'ADEME, qui vise à étudier la faisabilité et la viabilité du régime de combustion sans flamme dans les chaudières industrielles. Il est maintenant établi que le préchauffage des réactifs permet d'améliorer le rendement thermique et de diminuer la consommation de combustible d'une configuration. Pour contourner la formation d'oxydes d'azote résultant de l'augmentation de température des réactifs, ces derniers peuvent être massivement dilués par des produits de combustion. Cela permet d'éviter la formation de points chauds et d'homogénéiser les gradients de température: c'est le principe de la combustion sans flamme. L'objectif de cette thèse est de développer un modèle de combustion turbulente adapté à ce type de régime. La cinétique chimique complexe et le contrôle des pertes thermiques est d'une importance capitale dans l'établissement et la stabilisation du processus de combustion sans flamme. Ici, ces effets sont considérés dans une approche de tabulation de la cinétique chimique de type FPV. Pour discriminer les effets associés aux évolutions suivant les paramètres de contrôle de nos bases de données, on effectue une analyse des réponses de flammes laminaires à différents niveaux de dilution et de pertes thermiques. De plus, nous évaluons l'importance de l'utilisation de tabulations de dimensions élevées, et les capacités prédictives des méthodes de tabulation développées sont mises en exergue. Puis, des simulations aux grandes échelles de la turbulence de configurations adiabatique et à parois refroidies sont effectuées. On compare des tabulations de nombre de degrés de libertés variés aux données expérimentales. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec ces dernières pour les tabulations les plus complexes, alors que des limitations significatives apparaissent pour des tabulations de dimensions inférieures. Les simulations proposées indiquent la capacité de nos modèles à reproduire des structures de flammes réalistes. / This thesis is within a framework of the CANOE project, under the responsibility of GDF SUEZ and the ADEME, and aims at studying the feasibility of the flameless combustion regime in industrial boilers. It is now well established that reactants preheating allows an improvement on thermal efficiency as well as fuel savings. To avoid an increase in nitrogen oxides emissions arising from reactants temperature augmentation, massive dilution of the reactants by burnt gases can be used. While doing so, hot spots are averted and temperature gradients are smoothed: it’s the principle of flameless combustion. Even though this combustion regime is a subject of increasing interest to the industry, its mechanisms are not yet fully understood. The objective of this work is to develop and validate a new turbulent combustion model adapted to this kind of regimes. Complex chemistry as well as heat losses control is of paramount importance in the establishment and stabilization of the flameless combustion process. Here, these effects are taken into account in an FPV-type chemistry tabulation approach. To discriminate the effects associated with evolutions along the database control parameters, we analyze laminar flame responses to different levels of dilution and heat losses. Moreover, we assess the importance of high-order tabulations, and predictive capabilities of our approaches are highlighted. Then, large-eddy simulations of laboratory scale experiments (an adiabatic and a cooled wall configuration) are carried out. To this end, we compare databases featuring different number of dimensions to experimental data on temperature and species distributions available in the literature. Simulation results are in very good agreement with experimental data for complex tabulations, while discrepancies arise for lower order tabulations. Simulation results show that flameless combustion features a wide variety of flame structures, and that our models are able to tackle realistic flame structures.

Depuis plusieurs années, les constructeurs automobiles suivent la voie du « downsizing » pour le développement des moteurs à allumage commandé. Ce procédé basé sur la réduction des cylindrées moteur combinée à la suralimentation a déjà fait ses preuves quant à son intérêt dans l’augmentation du rendement et la réduction des émissions polluantes des moteurs à essence. Les nouvelles conditions thermodynamiques, de turbulence et de dilution de ces moteurs engendrant de nouvelles possibilités de dilution dans les mélanges air/carburant, elles amènent également de nouvelles problématiques quant aux combustions anormales observées et l’apparition d’importantes variabilités cycliques. Ces travaux de thèse s’insèrent dans l’objectif de compréhension du comportement des flammes de prémélange d’isooctane/air en expansion dans des conditions représentatives d’un moteur « downsizé ». Leur étude a dans un premier temps été réalisée dans des conditions laminaires afin d’extraire les vitesses de flammes et longueurs de Markstein associées aux différents mélanges réactifs, et notamment sous forte dilution. Des corrélations ont alors été développées pour répondre aux besoins des modèles de simulation. Un nouveau dispositif de diagnostic optique a ensuite été employé pour améliorer la visualisation des flammes turbulentes en expansion. Une corrélation de coefficient correctif est ici développée pour remédier à la surestimation de vitesse engendrée par une visualisation Schlieren de ces flammes turbulentes. Une étude approfondie de l’influence des conditions thermodynamiques initiales, de la turbulence, ainsi que des caractéristiques diffusives du mélange air/carburant a par ailleurs été conduite afin d’isoler l’effet de chacun de ces paramètres sur le développement et la propagation de la flamme turbulente. Enfin l’effet d’une évolution simultanée des conditions thermodynamiques initiales similaire à celle d’une compression moteur a été étudié pour mieux appréhender les changements de comportement des flammes turbulentes dans des conditions plus représentatives du moteur à allumage commandé. / For several years, “downsizing” is used by car manufacturers to develop new spark ignition engines. This method based on the reduction of engine size combined with an increase of intake pressure (turbocharger) is well known to reduce pollutant emissions and increase efficiency. New thermodynamic, turbulent and dilution conditions could be used with these new engines but they can bring new issues like unusual combustion or cyclic variability. This thesis took place to improve the understanding of premixed expanding isooctane/air flames behavior under downsized engine-like conditions. As a first step, this work is conducted under laminar conditions to extract laminar burning velocities and Markstein lengths of the different mixtures, especially under high dilution. New correlations are then developed to answer the needs of numerical models. A new optical dispositive is then used to improve the visualization of turbulent expanding flames. A corrective coefficient correlation is proposed to avoid the overestimated values of turbulent burning speed generated by Schlieren visualization with such turbulent flames. A deep survey of starting conditions (temperature, pressure, turbulence, dissipative characteristics of air/fuel mixtures) influence is done to investigate the effect of each parameters on the development and the propagation of the turbulent flame. Finally, the effect of a coupled rise of initial temperature and pressure, similar to an engine compression, is studied to better understand the changes of flame behavior under more realistic spark-ignition engine conditions.