<div>This research has been studied a laser-induced spark in flowing gases. The relationship between the minimum ignition energy (MIE), the turbulence intensity, and the flame kernel propagation speed is considered. Plasma emission, produced by the laser-induced spark, and flame kernel generation by the plasma are investigated. The energy balance equation between an ignition energy and energy losses by heat transfer is studied at laminar flows and turbulent flows. Hydrogen and air mixtures were used in a premixed jet burner for ignition experiments. Particle image velocimetry (PIV) examined the velocity and the turbulence intensity under the turbulent flows. The flame kernel development was visualized using Schlieren imaging and infrared images (IR camera). Flame kernel temperatures were measured through Rayleigh scattering and infrared images (IR camera). Plasma evaluations were captured through an intensified CCD camera (ICCD camera). Minimum ignition energies were measured at the laminar flows and the turbulent flows. The MIE decreases with an increase in the turbulence intensity which changed by ignition locations and perforated plates at the constant bulk velocity. Improved mixing rates due to the ignition locations or the geometry of the perforated plates decrease the MIE at the constant bulk velocity. The turbulence intensity increases wrinkles in the flame kernel surface, thus the contact between the flame kernel and reactants increases due to the wrinkles. Therefore, the flame kernel propagation speed increases as the turbulence intensity is higher since the increased reaction by the wrinkles and the contact. Thus, the MIE decreases as the turbulence intensity increases at the constant ignition condition, including bulk velocities and ignition heights, since the high turbulence intensity increases the flame kernel propagation speed. Laser energy differences affect the plasma expansions by the laser absorption. Laser-supported radiation (LSR) wave speeds were measured and calculated using energy balance equations. Velocity does not affect the flame kernel temperature distribution during the early reaction steps because the plasma generates a flame kernel and determines the flame kernel temperature distribution. The MIE increases with increasing the bulk velocity. The energy losses considering convection, conduction, and radiation were calculated using the flame kernel radius, the flame kernel temperature, mixture properties, and the flame speed. The energy balance equation in the ignition of flowing gases is newly written at the laminar flows and the turbulent flows.</div>

De nombreuses études sont menées pour la compréhension et l'utilisation de plasmas hors équilibre pour les procédés industriels capables d'améliorer la combustion, de stabiliser des flammes et de réduire les polluants. En effet, dans le cadre des nouvelles normes européennes, il devient indispensable de pouvoir maîtriser la qualité de la combustion et de réduire ainsi les émissions polluantes. Même si le principe de l'allumage classique par étincelle est depuis longtemps connu et utilisé dans l’industrie automobile, ce système présente néanmoins quelques limites. En effet, le caractère localisé de l’étincelle créée réduit la probabilité de rencontre entre l’étincelle et une zone de mélange inflammable ce qui conduit à des ratés d’allumages et spécialement en mélanges pauvres. Ainsi, l’utilisation de systèmes différents reposant sur des plasmas non-thermiques fournit des avantages significatifs, dont les propriétés de forte réactivité chimique et de faible coût énergétique. L’objet principal de ce travail de thèse est l’étude de l’allumage de mélanges combustibles par un certain type de décharges pulsées nanosecondes. En effet, un des intérêts du déclenchement de combustion par décharges nanosecondes est le développement d’une zone spatiale d’allumage nettement plus étendue que celle obtenue par l’étincelle de la bougie standard. Enfin, un autre avantage des décharges nanosecondes est la création de nombreux radicaux dans le milieu combustible nécessaires à l’initiation directe des cinétiques de combustion en limitant la contribution thermique, souvent impliquées dans les pertes de rendement des allumeurs. Dans notre étude, la décharge nanoseconde pulsée utilisée est caractérisée par l’application d’une surtension très élevée donnant un pulse de tension très court (12 ns), d’amplitude très élevée (50 kV) et un front de montée très raide (2 ns). Au cours de cette étude, nous avons d’abord caractérisé la décharge nanoseconde pulsée dans des mélanges air/propane et air/heptane à pression atmosphérique. Ensuite, nous avons appliqué la décharge au déclenchement de combustion dans les mélanges air/propane et air/heptane dans les proportions stœchiométriques mais aussi en mélanges pauvres et ce toujours à pression atmosphérique, ce qui a montré la réduction des délais de combustion. De plus, les résultats en mélanges stœchiométriques montrent qu’il existe trois modes d’allumage : un ponctuel, un double et un mode cylindrique et ce en fonction de la densité d’énergie. / One growing topic of interest in the field of non-thermal plasmas is the use of pulsed corona discharges for ignition purposes and more specifically the use of discharges generated under very strong overvoltages for car atmospheric engine applications. Because of strong environmental constraints on car exhaust gases, engines to be developed in the future have to run with lean air / gasoline mixtures or diluted with burnt gases. In both cases, it needs the optimization of ignition devices since classical spark gaps become inefficient in these conditions. In this context, the generation of non-equilibrium plasmas on large volumes, with high densities of active species, and the ability to induce fast gas heating is challenging. Our experimental work is dedicated to the understanding of physical mechanisms involved in the ignition of lean mixtures of air and hydrocarbons such as propane and n-heptane, at high pressure, using nanosecond range discharges. Such kind of discharges could improve the energy release in the mixtures, promoting the creation of radicals and excited species instead of direct heat through Joule effect, and thus, it could improve the ignition efficiency. A positive high voltage (50 kV) is applied between a pin electrode and a grounded plane over a short nanosecond range pulse (12 ns) with a steep rise time (2 ns). In this study, the discharge has been characterised in air/propane and air-heptane mixtures. The diffuse regime observed in pure air tends to disappear in mixtures containing few percents of propane or heptane. The experimental results show the ability of the single nanosecond pulsed discharge to ignite air-propane and air-heptane mixtures even at low equivalence ratios. It is strongly correlated to the energy density the discharge is able to release into the gas. Finally, it has been shown that for stoechiometric mixtures show that three different modes of ignition are possible, i.e. a single point, a double point or a cylindrical mode, according to the energy density. Combustion delays are strongly reduced and complete combustion of very lean mixtures can be achieved if the amount of energy is slightly increased.

L'objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes d'allumage d'un noyau de flamme en écoulements laminaires et turbulents. Dans un premier temps, une étude préliminaire est consacrée à l'analyse du dispositif d'allumage par étincelle induite par laser et à l'étude de l'initiation du noyau de flamme en écoulement laminaire prémélangé. Dans un second temps, l'étude de l'allumage est réalisée en écoulement turbulent prémélangé, afin de mettre en évidence l'effet des fluctuations turbulentes de vitesse sur l'initiation de noyau de flamme. Enfin, dans le cas d'un écoulement turbulent nonprémélangé, l'influence du champ local et instantané de fraction de mélange sur l'allumage et le développement du noyau de flamme est analysée. / The aim of the Ph-D thesis is to study ignition mechanisms of a flame kernel in laminar and turbulent flows. First, a preliminary study is devoted to the analysis of the laser-induced spark ignition system and to the study of the flame kernel initiation in premixed laminar flow. Then, the study of the ignition is performed in turbulent premixed flow, to highlight the influence of velocity turbulent fluctuations on the flame kernel initiation. Finally, in turbulent non-premixed flows, the effect of the local and instantaneous mixture fraction on the flame kernel initiation and development is analyzed.

La certification des moteurs aéronautiques impose des fortes réductions des émissions polluantes. Une des solutions adoptées par les constructeurs est d'introduire la combustion pauvre dans les nouvelles chambres. Cette configuration pose des problèmes de stabilité de flamme et de ré-allumage en altitude. Le ré-allumage des moteurs doit être garanti et il y a une nécessité réelle de mieux comprendre les interactions complexes et multi-physiques guidant ce processus. Cette étude expérimentale vise les différentes phases de l'allumage aéronautique dans deux chambres swirlées, confinées diphasiques. Un foyer mono-injecteur permet d'analyser le développement du noyau de flamme dans ses premiers instants et de décrire comment les interactions avec l'écoulement local peuvent conduire à une réussite d'allumage ou à une ratée, via différents mécanismes. Une chambre multi-injecteur est dédiée à analyser la propagation de la flamme entre injecteurs pour différents espacements et carburants. / Jet engine certification undergoes more and more stringent controls that impose a strong reduction of pollutant emissions. As a response, designs move towards lean combustion, which raises difficulties relative to combustion stability and re-ignition capabilities in high altitude. The use of liquid fuels in real chambers introduces new variables into the ignition process, which involves complex simultaneous multi-physical interactions. The present experimental investigation addresses different phases of aeronautical ignition in two different confined, swirled, spray jet chambers. A single-injector facility is used to study the initial flame kernel development and interaction with the flow leading to successful ignition or misfire, following different mechanisms. A multi-injector facility enables the investigation of flame propagation between injectors, which is also governed by the local flow. Here, inter-injector distances are varied and fuels of different volatilities are tested.