Dans un contexte d'amélioration des moteurs aéronautiques en termes de consommation et de pollution, les simulations numériques apparaissent comme un outil intéressant pour mieux comprendre et modéliser les phénomènes turbulents qui se produisent dans les turbomachines. La simulation aux grandes échelles (SGE) d’un étage de turbomachine à des conditions réalistes (nombre de Mach, nombre de Reynolds…) reste toutefois hors de portée dans le cadre industriel. La méthode chorochronique, aujourd’hui largement utilisée pour les calculs URANS, permet de réduire le coût des simulations numériques, mais elle implique de stocker le signal aux frontières du domaine pendant une période complète de l’écoulement. Le stockage direct de l’information étant exclu étant donné la taille des maillages et les pas de temps mis en jeu, la solution la plus courante actuellement est de décomposer le signal sous la forme de séries de Fourier. Cette solution ne retient du signal qu’une fréquence fondamentale (la fréquence de passage de la roue opposée) et un nombre limité d’harmoniques. Dans le cadre d’une SGE, elle implique donc une grande perte d’énergie, et le filtrage des phénomènes décorrélés de la vitesse de rotation comme par exemple un lâcher tourbillonnaire. Le remplacement de la décomposition en séries de Fourier par une décomposition aux valeurs propres (POD pour Proper Orthogonal Decomposition) permet de stocker le signal aux interfaces sans faire d’hypothèse sur les fréquences contenues dans le signal et donc de réduire la perte d’énergie liée à l’utilisation d’un modèle réduit. La compression s’effectue en supprimant les plus petites valeurs singulières et les vecteurs associés. Cette nouvelle méthode est validée sur la simulation URANS d'étages de turbomachines et comparée aux conditions classiques utilisant les séries de Fourier et à des calculs de références contenant plusieurs aubes par roue. Elle est ensuite appliquée à la simulation aux grandes échelles de l'écoulement d'un cylindre. Les erreurs causées par l'hypothèse chorochronique et par la compression sont séparées et on montre que l'utilisation de la POD permet de réduire de moitié le filtrage des fluctuations de vitesses par rapport aux séries de Fourier pour un même taux de compression. Enfin, la simulation aux grandes échelles d'un étage de turbomachine avec des conditions chorochroniques POD est réalisée afin de valider la méthode dans le cadre d'une configuration industrielle. / The more and more restrictive standards in terms of fuel consumption and pollution for aircraft engines lead to a constant improvement of their design. Numerical simulations appear as an interesting tool for a better understanding and modeling of the turbulent phenomena which occur in turbomachinery. The large-eddy simulation (LES) of a turbomachinery stage at realistic conditions (Mach number, Reynolds number...) remains out of reach for industrial congurations. The phase-lagged method, widely used for unsteady Reynolds-averaged Navier--Stockes (URANS) calculations, is a good candidate to reduce the computational cost. However, it needs to store the signal at all the boundaries over a full passage of the opposite blade. A direct storage of the information being excluded given the size of the mesh grid and timesteps involved, the most used solution currently is to decompose the signal into Fourier series. This solution retains the fundamental frequency of the signal (the opposite blade passage frequency) and a limited number of harmonics. In the frame of a LES, as the spectra are broadband, it implies a loss of energy. Replacing the Fourier series decomposition by a proper orthogonal decomposition (POD) allows the storage of the signal at the interfaces without making any assumptions on the frequency content of the signal, and helps to reduce the loss of energy caused by the phase lagged method. The compression is done by removing the smallest singular values and the associated vectors. This new method is first validated on the URANS simulations of turbomachinery stages and compared with Fourier series-based conditions and references calculations with multiple blades per row. It is then applied to the large eddy simulation of the flow around a cylinder. The error caused by the phase-lagged assumption and compression are separated and it is showed that the use of the POD allows to halve the filtering of the velocity fluctuations with respect to the Fourier series, for a given compression rate. Finally, the large eddy simulation of a compressor stage with POD phase-lagged conditions is carried out to validate the method for realistic turbomachinery configurations.

Dans le contexte aéronautique, cette thèse, financée par Safran Helicopter Engine, s’intéresse à l’application de l’approche Simulations aux Grandes Échelles (SGE) pour les systèmes de refroidissement de turbine. Le système de refroidissement industriel complexe est divisé en cas académiques plus simples donnant accès à des caractérisations expérimentales de la dynamique et de la thermique. Le jet impactant est traité en tant que système interne et l’écoulement de protection au bord de fuite en tant que système externe. Après une brève introduction du contexte lié au refroidissement de turbine et des objectifs scientifiques, ce manuscrit est divisé en 3 parties. La 1ère partie traite d’un écoulement de jet impactant sur plaque plane représentatif de l’impact à mi-corde. Elle se concentre sur la validation et la qualification des outils et modèles ainsi que sur l’analyse physique de l’écoulement. Les différentes instationarités de l’écoulement sont reliées à la thermique de paroi à l’aide de diagnostics statistiques et d’analyses modales. La 2ème partie s’intéresse à l’impact sur paroi concave représentatif de l’impact au bord d’attaque. Cette étude se concentre principalement sur la caractérisation de l’effet de courbure pour le jet impactant. Contrairement, au consensus actuel sur l’effet de courbure, la réduction des transferts thermiques est observée pour le cas d’étude de cette thèse. Au vu de ces résultats, une discussion est proposée pour tenter d’expliquer cet écart. Finalement, la 3ème partie de ce manuscrit contient une application de la SGE à un système de protection du bord de fuite par film isolant. Dans ce dispositif, des effets de groupe sont mis en évidence. L’impact des choix de modélisation tels que l’hypothèse de périodicité dans la direction de l’envergure est alors évalué. Il est montré que cette hypothèse de périodicité influe sur la prédiction locale de l’efficacité en forçant l’écoulement. En revanche, la prédiction de l’efficacité globale du système de protection n’est pas impactée. / This PhD thesis, funded by Safran Helicopter Engines, focuses on the application of the Large Eddy Simulation (LES) formalism to cooling systems present in high pressure turbine. The complex industrial problem is simplified into academic test cases for which experimental data are available for the validation process. The manuscript is divided into 3 parts dealing respectively with the impinging jet system on flat and concave plates and with the film cooling at the trailing edge equipped with a cutback on the pressure side. The 1st part deals with a jet impinging on a flat plate representing the impingement at mid-chord. This part focuses on the validation and qualification of the tools and models as well as on the physical analysis of the flow. The unsteadiness present in such an impinging jet flow are linked to the thermal behavior of the wall through the use of statistical analysis and modal decomposition of the flow field. The 2nd part is dedicated to the study of a jet impinging on a concave surface. This study aims at characterizing the effect of curvature for an impinging jet flow. The results found in this study disagreed with the current consensus attributing heat transfer enhancement on concave surface to Gortler instability. Hence, a discussion is proposed in an attempt to explain this discrepancy. Finally, the 3rd part reports an LES of the film cooling at the trailing edge. Group effects, due to the presence of internal ribs, are highlighted for the configuration studied here. These simulations use a spatial periodicity assumption to reduce the size of the computational domain. It is shown that this specific assumption is not suited as it forces the flow and modifies the group effect. The local results, in terms of adiabatic effectiveness, are found to be sensitive to such a forcing. However, the global behavior of the effectiveness is not impacted by this periodic boundary condition.

Depuis l'introduction du moteur à réaction pour la propulsion des avions dans les années 1950, l'acoustique est devenue d'un grand intérêt pour l'industrie du moteur. Alors que les turboréacteurs initiaux étaient dominés par le bruit de jet, l'introduction du moteur à turbofan dans les années 1960 a permis d'atténuer le bruit de jet, mais a introduit le bruit de soufflante. Dans les années 1970, grâce à de nouvelles conceptions avancées pour la réduction du bruit, une réduction majeure du bruit des avions s'en est suivie et la contribution du bruit de combustion a été remise en question. En effet, une réglementation plus restrictive du bruit pourrait exiger que le bruit de fan et de jet soient réduits au point où une réduction du bruit de combustion devienne également nécessaire. En outre, la conception des chambres de combustion est pilotée uniquement par la restriction des polluants chimiques produits par la combustion, l'efficacité et la consommation. L'impact de ces nouveaux concepts sur le bruit de combustion n'est actuellement pas une contrainte prise en compte lors de la conception. Avant d'envisager de réduire le bruit de combustion, il faut d'abord en comprendre les différents mécanismes. Cependant, proposer une méthode de prédiction pour le bruit de combustion n'est pas une tâche facile en raison des multiples interactions physiques impliquées lors des processus de combustion. De nombreuses expériences existent pour évaluer le bruit de combustion causé par les flammes ou des chambres de combustion simplifiées. Cependant, seuls quelques-uns considèrent le chemin de propagation complet du bruit de combustion provenant d'un moteur, car il est difficile d'isoler cette source acoustique du bruit des autres modules du moteur. Les méthodes empiriques basées sur des extrapolations et des simplifications sont souvent utilisées pour prédire le bruit de combustion des moteurs aéronautiques. De nombreuses analogies acoustiques ont également été dérivées à partir de Lighthill. Les travaux de cette thèse proposent d'étudier le bruit de combustion provenant d'un moteur d'avion à l'aide d'une chaine de calcul traitant différents modules de la génération du bruit de combustion à sa propagation en champ lointain. Ils mettent en évidence l'importance du bruit de combustion pour différents points de fonctionnement. Les mécanismes générateurs du bruit seront identifiés dans la chambre de combustion. Le rôle de la turbine en tant qu'atténuateur le bruit et générateur de bruit indirect sera évalué ainsi que la propagation en champ lointain en considérant des milieux inhomogènes. Enfin, uns stratégie alternative sera également proposée afin de considérer l'interaction entre le bruit de combustion et le bruit de jet. Pour se faire des LES de jet forcé par le bruit de combustion seront réalisées. Une nouvelle approche sera proposée à partir de ces résultats qui semblent montrer que le bruit de combustion a un impact sur la turbulence du jet. / Since the introduction of jet engine for aircraft propulsion in the 1950's, acoustics has become of great interest to the engine industry. While the initial turbojets were jet noise dominated, the introduction of turbofan engine in the 1960's gave relief in jet noise, but introduced fan noise. In the 1970's, with advanced noise reduction design features which provided a major reduction in aircraft noise, combustion noise became an interrogation. Indeed, more restrictive noise regulations could require that noise from the fan and jet be reduced to the point where combustion noise reduction may be required. Moreover, burner designs is controlled solely by the restriction of chemical pollutants produced by combustion, efficiency and consumption. The impact of these new concepts on combustion noise is not a strong constraint for design. Before considering to reduce combustion noise, it is necessary to first understand the different mechanisms. However, proposing a prediction method for combustion noise is not an easy task due to the multiple physical interactions involved during the combustion processes. Many experiments exist to evaluate the combustion noise from flames or combustion test rig. However, only a few include the complete propagation path of combustion noise within an engine device as it is difficult to isolate this acoustic source from the noise of the other engine modules. Empirical methods based on extrapolations and simplifications are often used for the prediction of combustion noise within modern aero-engines. Numerous acoustic analogies have also been derived from Lighthill. The work of this thesis proposes to study the combustion noise coming from an aircraft engine using a computational chain treating different modules from the generation of combustion noise to its propagation in far field. The importance of combustion noise for different operating points is highlighted. The noise-generating mechanisms will be identified in the combustion chamber. The role of the turbine as a noise attenuator and indirect noise generator will be evaluated as well as the far-field propagation considering inhomogeneous fields. Finally, an alternative strategy will also be proposed in order to consider the interaction between combustion noise and jet noise. To do so, LES of jet flow forced with combustion noise will be performed. A new approach will be proposed based on these results which seem to show that the combustion noise has an impact on the turbulence of the jet.

O presente trabalho tem por objetivo estudar as Interações Turbulência-Radiação em um escoamento não reativo para meios participantes. Estas interações caracterizam-se por um complexo fenômeno transiente, devido à combinação de dois fenômenos, unindo as características das flutuações da turbulência e da elevada não linearidade do fenômeno da radiação térmica. O estudo consiste em análise numérica do problema por dinâmica de fluidos computacional, através da utilização do Fire Dynamics Simulator (FDS), um software Open-Source, na qual a modelagem da turbulência é feita através da Simulação de Grandes Escalas. Como se trata de um software novo, bem como sendo introduzido no grupo de pesquisa, primeiramente é realizada a simulação de um caso benchmark para verificação e avaliação da formulação numérica. A análise do TRI é realizada em um problema proposto baseado em trocadores de calor reais utilizados em máquinas térmicas, como por exemplo, geradores de vapor ou coletores de escapamento de motores, envolvendo transferência combinada de convecção forçada e radiação térmica. A metodologia de avaliação consiste em comparar o fluxo radiante médio nas fronteiras obtido através da simulação transiente e compará-lo com o fluxo obtido por meio do campo médio temporal de temperaturas. São avaliadas a influência da intensidade de turbulência na entrada do escoamento, assim como a da espessura óptica, ambos relevantes para os efeitos do TRI. Conforme descrito pela literatura, neste tipo de problema as interações podem ser negligenciadas, confirmando os resultados obtidos, da ordem de 2% para o fluxo radiante. / This dissertation has the objective of analyzing the Turbulence-Radiation Interaction for a non-reactive flow with a participating media. These interactions are characterized by complex transient effects, due to the combination of two phenomena, coupling the scalar fluctuations of the turbulence and the highly non-linearity of thermal radiation. The study consists in a numerical analysis through Computational Fluid Dynamics, using the Fire Dynamics Simulator (FDS), an Open-Source software, which employs the Large Eddy Simulation method. Because the software is under development and new in the research group, it will be performed the simulation of a benchmark case for verification and evaluation of the numerical methodology. The TRI analysis will be performed in a proposed problem, based on real heat exchangers, as an example, steam generators or exhaust manifold of combustion engines, involving combined heat transfer between forced convection and radiative heat transfer. The methodology consists in evaluating the radiative mean heat flux obtained by the transient simulation and compare it with the flux obtained with the time-averaged temperature field. It will be evaluated the influence of the turbulence intensity at the inlet and the optical thickness, both very important for the TRI effects. According to the literature, in this case the TRI effects could be neglected, confirming the obtained results, around 2% for the radiative heat flux.

A 3D parallel CFD code is written to investigate the characteristics of and differences between Large Eddy Simulation (LES) models in the context of simulating a thermal buoyant plume. An efficient multigrid scheme is incorporated to solve the Poisson equation, resulting from the fractional step, projection method used to solve the Low Mach Number (LMN) Navier-Stokes equations. A wide range of LES models are implemented, including a variety of eddy models, structure models, mixed models and dynamic models, for both the momentum stresses and the temperature fluxes. Generalised gradient flux models are adapted from their RANS counterparts, and also tested. A number of characteristics are observed in the LES models relating to the thermal plume simulation in particular and turbulence in general. Effects on transition, dissipation, backscatter, equation balances, intermittency and energy spectra are all considered, as are the impact of the governing equations, the discretisation scheme, and the effect of grid coarsening. Also characteristics to particular models are considered, including the subgrid kinetic energy for the one-equation models, and constant histories for dynamic models. The argument that choice of LES model is unimportant is shown to be incorrect as a general statement, and a recommendation for when the models are best used is given.

abstract: This research examines lateral separation zones and sand bar slope stability using two methods: a parallelized turbulence resolving model and full-scale laboratory experiments. Lateral flow separation occurs in rivers where banks exhibit strong curvature, for instance canyon rivers, sharp meanders and river confluences. In the Colorado River, downstream Glen Canyon Dam, lateral separation zones are the principal storage of sandbars. Maximum ramp rates have been imposed to Glen Canyon Dam operation to minimize mass loss of sandbars. Assessment of the effect of restricting maximum ramp rates in bar stability is conducted using multiple laboratory experiments. Results reveal that steep sandbar faces would rapidly erode by mass failure and seepage erosion to stable slopes, regardless of dam discharge ramp rates. Thus, continued erosion of sand bars depends primarily of turbulent flow and waves. A parallelized, three-dimensional, turbulence resolving model is developed to study flow structures in two lateral separation zones located along the Colorado River in Grand Canyon. The model employs a Detached Eddy Simulation (DES) technique where variables larger than the grid scale are fully resolved, while Sub-Grid-Scale (SGS) variables are modeled. The DES-3D model is validated using ADCP flow measurements and skill metric scores show predictive capabilities of simulated flow. The model reproduces the patterns and magnitudes of flow velocity in lateral recirculation zones, including size and position of primary and secondary eddy cells and return current. Turbulence structures with a predominately vertical axis of vorticity are observed in the shear layer, becoming three-dimensional without preferred orientation downstream. The DES-3D model is coupled with a sediment advection-diffusion formulation, wherein advection is provided by the DES velocity field minus particles settling velocity, and diffusion is provided by the SGS. Results show a lateral recirculation zone having a continuous export and import of sediment from and to the main channel following a pattern of high frequency pulsations of positive deposition fluxes. These high frequency pulsations play an important role to prevent an oversupply of sediment within the lateral separation zones. Improved predictive capabilities are achieved with this model when compared with previous two- and three-dimensional quasi steady and steady models. / Dissertation/Thesis / Appendix C Video 3.1 / Appendix C Video 3.2 / Appendix C Video 3.3 / Appendix C Video 3.4 / Appendix C Video 3.5 / Appendix C Video 3.6 / Appendix C Video 3.7 / Appendix F Video 4.1.a / Appendix F Video 4.1.b / Appendix F Video 4.2 / Doctoral Dissertation Geography 2015

Dans le contexte actuel, pour diminuer la consommation de fuel et les émissions de polluants comme le CO2 ou les NOx, les chambres de combustion aéronautiques de nouvelle génération sont basées sur la combustion partiellement prémélangée pauvre. La simulation numérique de ce type de chambre nécessite de prédire avec précision la température, la dynamique de flamme et la formation de polluants. Comme l’écoulement est fortement instationnaire, l’utilisation de la simulation aux grandes échelles s’avère nécessaire. C’est dans ce contexte que nous avons développé le modèle F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). Ce modèle se base sur un filtrage a priori de flammelettes calculées en prenant en compte les effets liés à la chimie détaillée. Il permet alors d’améliorer la prédiction des polluants et de la température tout en prenant en compte les contributions résolues et de sous maille de plissement, garantissant ainsi la bonne prédiction de la vitesse de propagation de la flamme. F-TACLES est appliqué à deux configurations d’injecteurs industriels étudiés expérimentalement : les chambres PRECCINSTA et MOLECULES. Sur le plan de la prédiction de la dynamique de flamme, le développement de F-TACLES a induit une réflexion plus générale sur la combustion en LES. En effet, l’ensemble des méthodes de simulation de la combustion introduisent un épaississement artificiel de la flamme afin de pouvoir la résoudre sur le maillage de calcul. L’impact de cet épaississement est étudié pour les approches TFLES (Thicken Flame for Large Eddy Simulation) et F-TACLES dans le cadre simplifié de la combustion prémélangée. Pour cela, une approche analytique ainsi que des simulations laminaires et turbulentes sont réalisées et comparées à des simulations directes (Direct Numerical Simulation) et à des données expérimentales. Pour finir, la chambre de combustion d’un hélicoptère est simulée avec l’approche F-TACLES pour reproduire et comprendre l’effet d’une modification géométrique observée expérimentalement. / In the present-day context, to reduce fuel consumption and emissions of pollutants such as CO2 or NOx, aeronautical combustion chambers of new generation are based on lean partially-premixed combustion. The numerical simulation of these configurations then requires to accurately predict the temperature, the flame dynamics and the pollutant formation. To capture flow instationnarities, Large Eddy Simulation (LES) is required. In this context, we have developed the model F-TACLES (Filtered tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). This modeled is based on an a priori filtering of flamelet that takes into account detailed chemistry effects. It lets to improve predictions of pollutants and temperature with the resolved and modelled contributions of the flame wrinkling, while guaranteeing a correct prediction of the flame propagation speed. F-TACLES is applied to two experimentallystudied industrial injectors : the PRECCINSTA and MOLECULES combustion chambers. In terms of flame dynamics prediction, the F-TACLES development induced a more general reflection on the combustion LES. Indeed, all methods of combustion simulation introduce an artificial thickening of the flame front for an appropriate resolution on the computational mesh. In the simplified framework of premixed combustion, the impact of this thickening is measured for two different approaches : TFLES (Thicken Flame for LES) and F-TACLES. For this purpose, an analytical model as well as laminar and turbulent simulations are compared to direct numerical simulation (DNS) or experimental data. Finally, a helicopter combustion chamber is simulated with the F-TACLES approach in order to attempt to reproduce the impact of a geometric modification on the combustion.

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.

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.

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.