Entre els accidents greus que poden ocórrer a les instal·lacions industrials o durant el transport de substàncies perilloses, els dolls de foc presenten un especial interès. Tot i que tenen una distància relativament més curta d'afectació que altres accidents greus, es caracteritzen per originar grans fluxos de calor i, en cas de contacte de la flama amb un equip, originen sovint un efecte domino, desencadenant una subseqüent explosió, incendi o altres esdeveniments amb greus conseqüències.Diversos estudis experimentals i teòrics han estat efectuats; no obstant això, la majoria d'aquests han estat enfocats a dolls de foc a escala de laboratori, flames subsòniques o torxes, les condicions de les quals difereixen significativament d'aquelles trobades en dolls de foc accidentals reals, que normalment assoleixen majors longituds de flama i velocitats de sortida sònica. Aquesta manca d'investigació és la raó per explicar perquè els dolls de foc eren encara molt mal coneguts i la predicció dels seus efectes i conseqüències era encara un problema. Aquesta tesi ha estat elaborada per a obtenir informació nova i útil sobre els dolls de foc, millorant la comprensió de la seva geometría i de les característiques tèrmiques, mitjançant l'anàlisi, l'experimentació i el modelatge matemàtic.Aquest estudi s'ha centrat alhora en dades existents i en noves dades experimentals, implicant Aixa dolls de foc verticals i horitzontals alliberats en absència de vent, implicant diversos combustibles (hidrogen, metà i propà). L'estudi comprèn una àmplia gamma de variables d'operació (velocitats de sortida del combustible, pressions en la canonada i diàmetres d'orifici de sortida). L'estudi experimental ha implicat dolls de foc amb flames de fins a 10.3 m de longitud i 1.5 m d'amplada. El combustible utilitzat ha estat propà, amb velocitats de sortida sònica i subsònica, utilitzant diversos diàmetres d'orifici de sortida. Els dolls de foc han estat filmats amb dues càmeres de vídeo (VHS) i una càmera termográfica d'alta velocitat (IR). Les principals característiques geomètriques de les flames (dimensions i forma) han estat analitzades en funció de la velocitat de sortida del combustible,del flux màssic i del diàmetre d'orifici de sortida. L'anàlisi i tractament d'imatges infraroges i de les mesures obtingudes amb tres sensors de flux de calor situats a diferents distàncies de la sortida del doll de foc han permès l'obtenció de les seves principals característiques de radiació: flux de calor irradiat als voltants (persones i instal·lacions) en funció de la distancia, poder emissiu i emisivitat de les flames. Diverses expressions han estat proposades per estimar les dimensions de la flama en funció de diverses variables (flux màssic, diàmetre d'orifici de sortida i nombres de Froude i Reynolds). Els resultats i expressions obtinguts en aquest estudi contribueixen a una millor comprensió dels dolls de foc, representant un avanç en les metodologies i l'establiment de noves mesures, normes i polítiques de planificació per a la prevenció i/o el control d'aquest tipus d'accident greu amb foc, tant en establiments industrials com en el transport de materials perillosos. / Among the major accidents that can occur in processing plants or in the transportation of hazardous materials, jet fires are of particular interest. Although they have a relatively shorter distance of influence than other major accidents, they are characterized by high heat fluxes and if there is flame impingement they can originate a domino effect, leading to a subsequent explosion, large fire, or other events with severe effects. Several experimental and theoretical studies have been carried out; however, most of those works have been focused on small-scale jet fires, subsonic flames or flares, the conditions of which significantly differ from those found in real accidental jet fires, usually reaching larger flame lengths and sonic exit velocities. This lack of research is the reason to explain why the current knowledge of jet fires was still rather poor and the accurate prediction of their effects and consequences was still a problem. The present thesis has been addressed to produce a significant amount of novel and useful information on jet fires, by improving understanding of jet fire structure, reach and radiative features, through analyses, experiment and mathematical modelling. This study has been focused on both existing and also new experimental jet flame data, comprising all together, turbulent non-premixed jet flames vertically and horizontally released into still air, involving several fuels (hydrogen, methane and propane), over a wide range of operational conditions (jet exit velocities, release pressures and pipe diameters). The experimental study developed in this thesis has concerned relatively large jet fires with flames of up to 10.3 m in length and 1.5 m in width. The fuel was propane, and both sonic and subsonic jet exit velocities were obtained from different outlet diameters. The jet fires were filmed with two videocameras registering visible light (VHS) and a thermographic camera (IR). The main geometrical features of the flames were analyzed as a function of the fuel velocity, mass flow rate and jet outlet diameter: jet flame size and flame shape. The treatment of infrared images and measurements obtained from three heat flow sensors located at different distances from the jet fire outlet also led the main radiative features of jet fires to be obtained: incident thermal radiation heat over a target, surface emissive power and emissivity of the flames.Expressions for estimating jet flame reach as a function of several variables (mass flow rate, orifice exit diameter, Froude and Reynolds numbers) have also been proposed. The results and the expressions obtained in this study contribute to a better understanding of jet fires for accurate risk assessment, allowing the obtention of important advances in risk assessment methodologies and the establishment of new measures, regulations, and risk planning policies for the prevention and/or control of this type of major fire, occurred world-wide in industrial establishments and in the transportation of hazardous materials.

This thesis describes computational and theoretical studies of fundamental physical processes that influence the heat-release response of turbulent premixed flames to acoustic forcing. Attached turbulent flames, as found in many practical devices, have a non-zero mean velocity component tangential to the turbulent flame brush. Hence, flame surface wrinkles generated at a given location travel along the flame sheet while being continuously modified by local flow velocity disturbances, thereby, causing the flame sheet to respond in a non-local manner to upstream turbulence fluctuations. The correlation length and time scales of these flame sheet motions are significantly different from those of the upstream turbulence fluctuations. These correlation lengths and times increase with turbulence intensity, due to the influence of kinematic restoration. This non-local nature of flame sheet wrinkling (called 'non-locality') results in a spatially varying distribution of local consumption speed (i.e. local mass burning rate) even when the upstream flow statistics are isotropic and stationary. Non-locality and kinematic restoration result in coupling between the responses of the flame surface to coherent acoustic forcing and random turbulent fluctuations respectively, thereby, causing the coherent ensemble averaged component of the global heat-release fluctuation to be different in magnitude and phase from its nominal (laminar) value even in the limit of small coherent forcing amplitudes (i.e. linear forcing limit). An expression for this correction, derived from an asymptotic analysis to leading order in turbulence intensity, shows that its magnitude decreases with increasing forcing frequency because kinematic restoration limits flame surface wrinkling amplitudes. Predictions of ensemble averaged heat release response from a different, generalized modeling approach using local consumption and displacement speed distributions from unforced analysis shows good agreement with the exact asymptotic result at low frequencies.

No presente trabalho é apresentado um estudo do efeito da diluição com inertes sobre as características da transferência de calor por radiação em chamas laminares não pré-misturadas de metano. O trabalho também apresenta um estudo sobre a modelagem do fluxo radiativo proveniente de chamas turbulentas visando à obtenção de fatores de ponderação para o modelo das múltiplas fontes pontuais. Em ambos os estudos, a distribuição do fluxo radiante é obtida através de medições ao longo do eixo da chama e os valores de fração radiante são calculados a partir da integração dessa distribuição. É mostrado qualitativamente que a adição de gás inerte ao combustível propicia a inibição da formação de fuligem. É mostrado quantitativamente que a adição de gás inerte pode reduzir ou ampliar a fração radiante da chama, dependendo do tipo de gás, dos níveis de diluição e do tempo de residência característico da chama. São reportados valores para os fatores de ponderação utilizados no modelo de múltiplas fontes pontuais obtidos experimentalmente a partir de medições nas chamas. O formato da curva formada pelos fatores de ponderação é semelhante para os diferentes níveis de diluição com gás carbônico. A utilização desses fatores de ponderação no modelo de múltiplas fontes pontuais apresenta resultados satisfatórios em comparação com a distribuição dos fluxos radiativos medidos ao longo do eixo da chama. / In this work it is presented a study of the effect of fuel dilution with inerts on the radiative heat transfer characteristics of laminar non premixed methane flames. A study on the radiative flux distribution from turbulent flames is conducted in order to obtain weighting factors for the model of multiple point sources. The distribution of radiative heat flux is obtained by measuring the fluxes along the axis of the flame and the radiant fraction is calculated by the integration of such distribution. It is qualitatively shown that the addition of inert gas in the fuel leads to the inhibition of soot formation. It is quantitatively shown that the addition of inert may decrease or increase the radiant fraction depending on gas type, dilution levels and characteristic residence times of the flame. It is also reported values for the weighting factors used in the model of multiple point sources experimentally obtained from measurements. The shapes of the curves formed by the weighting factors are similar for the different dilution levels of carbon dioxide. The use of these weighting factors in the multi-point source model shows satisfactory results in comparison to the distribution of radiative fluxes measured along the flame axis.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

No presente trabalho é apresentado um estudo do efeito da diluição com inertes sobre as características da transferência de calor por radiação em chamas laminares não pré-misturadas de metano. O trabalho também apresenta um estudo sobre a modelagem do fluxo radiativo proveniente de chamas turbulentas visando à obtenção de fatores de ponderação para o modelo das múltiplas fontes pontuais. Em ambos os estudos, a distribuição do fluxo radiante é obtida através de medições ao longo do eixo da chama e os valores de fração radiante são calculados a partir da integração dessa distribuição. É mostrado qualitativamente que a adição de gás inerte ao combustível propicia a inibição da formação de fuligem. É mostrado quantitativamente que a adição de gás inerte pode reduzir ou ampliar a fração radiante da chama, dependendo do tipo de gás, dos níveis de diluição e do tempo de residência característico da chama. São reportados valores para os fatores de ponderação utilizados no modelo de múltiplas fontes pontuais obtidos experimentalmente a partir de medições nas chamas. O formato da curva formada pelos fatores de ponderação é semelhante para os diferentes níveis de diluição com gás carbônico. A utilização desses fatores de ponderação no modelo de múltiplas fontes pontuais apresenta resultados satisfatórios em comparação com a distribuição dos fluxos radiativos medidos ao longo do eixo da chama. / In this work it is presented a study of the effect of fuel dilution with inerts on the radiative heat transfer characteristics of laminar non premixed methane flames. A study on the radiative flux distribution from turbulent flames is conducted in order to obtain weighting factors for the model of multiple point sources. The distribution of radiative heat flux is obtained by measuring the fluxes along the axis of the flame and the radiant fraction is calculated by the integration of such distribution. It is qualitatively shown that the addition of inert gas in the fuel leads to the inhibition of soot formation. It is quantitatively shown that the addition of inert may decrease or increase the radiant fraction depending on gas type, dilution levels and characteristic residence times of the flame. It is also reported values for the weighting factors used in the model of multiple point sources experimentally obtained from measurements. The shapes of the curves formed by the weighting factors are similar for the different dilution levels of carbon dioxide. The use of these weighting factors in the multi-point source model shows satisfactory results in comparison to the distribution of radiative fluxes measured along the flame axis.

No presente trabalho é apresentado um estudo do efeito da diluição com inertes sobre as características da transferência de calor por radiação em chamas laminares não pré-misturadas de metano. O trabalho também apresenta um estudo sobre a modelagem do fluxo radiativo proveniente de chamas turbulentas visando à obtenção de fatores de ponderação para o modelo das múltiplas fontes pontuais. Em ambos os estudos, a distribuição do fluxo radiante é obtida através de medições ao longo do eixo da chama e os valores de fração radiante são calculados a partir da integração dessa distribuição. É mostrado qualitativamente que a adição de gás inerte ao combustível propicia a inibição da formação de fuligem. É mostrado quantitativamente que a adição de gás inerte pode reduzir ou ampliar a fração radiante da chama, dependendo do tipo de gás, dos níveis de diluição e do tempo de residência característico da chama. São reportados valores para os fatores de ponderação utilizados no modelo de múltiplas fontes pontuais obtidos experimentalmente a partir de medições nas chamas. O formato da curva formada pelos fatores de ponderação é semelhante para os diferentes níveis de diluição com gás carbônico. A utilização desses fatores de ponderação no modelo de múltiplas fontes pontuais apresenta resultados satisfatórios em comparação com a distribuição dos fluxos radiativos medidos ao longo do eixo da chama. / In this work it is presented a study of the effect of fuel dilution with inerts on the radiative heat transfer characteristics of laminar non premixed methane flames. A study on the radiative flux distribution from turbulent flames is conducted in order to obtain weighting factors for the model of multiple point sources. The distribution of radiative heat flux is obtained by measuring the fluxes along the axis of the flame and the radiant fraction is calculated by the integration of such distribution. It is qualitatively shown that the addition of inert gas in the fuel leads to the inhibition of soot formation. It is quantitatively shown that the addition of inert may decrease or increase the radiant fraction depending on gas type, dilution levels and characteristic residence times of the flame. It is also reported values for the weighting factors used in the model of multiple point sources experimentally obtained from measurements. The shapes of the curves formed by the weighting factors are similar for the different dilution levels of carbon dioxide. The use of these weighting factors in the multi-point source model shows satisfactory results in comparison to the distribution of radiative fluxes measured along the flame axis.

A estimativa acurada do fluxo de calor radiativo na região próxima à chama do tipo jato não pré-misturada é necessária para garantir a segurança de pessoas e equipamentos em caso de vazamentos ou processo de descarte na indústria de petróleo e gás. A simulação computacional dos fenômenos físicos envolvidos na transferência de calor e combustão do processo tem alto custo computacional. No presente trabalho é apresentado um estudo para o emprego do modelo de múltiplas fontes ponderadas para a estimativa do fluxo de calor radiativo no campo próximo à chama. O modelo matemático simplificado tem baixo custo computacional e consiste em representar a transferência de calor radiativa por fontes pontuais distribuídas no eixo central da chama. Cada fonte tem um peso proporcional à contribuição de cada região discretizada da chama na transferência de calor por radiação. Para determinar o peso de cada fonte foi utilizada a análise inversa pelo método da Otimização Extrema Generalizada, no qual o fluxo de calor é dado de entrada enquanto o peso de cada fonte é dado de saída. Como dado de entrada foi utilizado o fluxo de calor radiativo medido experimentalmente de um conjunto de 12 chamas, com potência entre 0,139 e 0,554 kW. A análise inversa foi utilizada para recuperar os pesos, e a fração radiante, que geram o fluxo de calor radiativo com maior compatibilidade com os dados experimentais em três abordagens. A primeira abordagem consiste em aplicar a análise inversa em cada chama separadamente, e depois de obtidos os pesos correlaciona-los com a potência da chama. Na aplicação do método em cada chama individualmente, o desvio máximo do resultado do modelo com os dados experimentais é de 5%. Em uma segunda abordagem, foi utilizada a análise inversa para obter diretamente os coeficientes de uma função entre os pesos do modelo e a potência da chama e seu comprimento estimado, o desvio máximo encontrado é de 18,6%. Na terceira abordagem, a análise inversa foi utilizada novamente para encontrar os coeficientes da função que correlaciona a potência da chama com parâmetros do modelo, e neste caso foi utilizado o comprimento experimental da chama para posicionar as fontes pontuais. Para o caso em que sete fontes foram posicionadas a 2,25 vezes o comprimento da chama medido experimentalmente, o desvio máximo observado foi de 8,6% e o desvio médio de 2,9%. / The accurate approximation of radiative heat flux on non-premixed flame in the region adjacent to the flame is required to guarantee the staff and machinery safety on oil and gas industry in cases of fuel leaking or disposal process. The physical phenomena involved on heat transfer and combustion has high computational cost in numerical simulation, in accidental leaking cases it is prohibitive. In the present study it is presented an application of Weighted Multi-Point Sources model to predict the radiative heat flux in the region adjacent to the flame. The simplified mathematical model has low computational cost and simulates the radiative heat transfer by punctual sources placed at the flame axis. Each source has the weight proportional to heat transfer contribution by each flame portion. To set each source's weight, it was used the inverse analysis by the Generalized Extremal Optimization. In inverse analysis the radiative heat fluxes are the input data while the weight of each source is the sought variable. As input data are used the radiative heat fluxes measured from a set of 12 flames, with power between 0.139 and 0.554 kW. The inverse analysis was used to recover the weights, and the fraction of heat radiated, which generate radiative heat fluxes with greater compatibility with the experimental data on three approaches. The first approach is to apply the inverse analysis in each flame separately, obtain the weights and then correlates them with the flame power. In method application for each flame, the maximum deviation between model outcome and experimental data was less than 5%. In a second approach, it was used the inverse analysis to directly obtain the coefficients of a function between the model's parameters and the flame’s power. When used just the flame power as model input parameter to distributes the sources and predict the heat flux, the maximum deviation is 18.6%. In the third approach, the inverse analysis was again used to find the coefficients of the function which correlates the flame power with model parameters, in this case was used the experimental flame length for positioning the point sources. For the case in which seven sources are positioned at 2.25 times the experimental length of the flame, the maximum deviation observed was 8.6% and the mean deviation of 2 9%.

L'allumage d'ergols injectés dans une chambre de combustion, la propagation du noyau de flamme puis sa stabilisation sont autant de paramètres déterminants pour la conception d'un moteur fusée. Pour ce type d'application, il est nécessaire - du point de vue de la modélisation - de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent ainsi que de cinétique chimique, dans un environnement diphasique puisque les ergols sont injectés à l'état liquide. Un modèle Lagrangien a été implanté dans le code de calcul compressible N3S-Natur afin de disposer d'un outil numérique capable de simuler le transitoire d'allumage d'un moteur fusée. La physique représentative de chacun des processus physiques impliqués pendant la phase d'allumage a été incorporée puis validée sur des configurations académiques. Ce travail a permis de mettre en évidence l'importance de la description du mélange à petites échelles pour capturer correctement le développement de la flamme. Il a aussi mis en exergue la nécessité de prendre en compte le transitoire thermique des gouttes d'oxygène liquide afin de reproduire fidèlement sa stabilisation. Enfin, il a nécessité l'extension de la notion de fraction de mélange à des cas pratiques présentant plus de deux entrées afin d'être en mesure de simuler la propagation de l'allumage sur la plaque d'injection. Cette approche basée sur l'introduction d'un injecteur fictif est non seulement utile pour la simulation de l'allumage des moteurs-fusées mais peut aussi être employée dans tout autre système impliquant le mélange entre des courants de réactifs issus de deux entrées ou plus. / In the field of liquid rocket propulsion, ignition, propagation and stabilization of the flame are of first importance for the design of the engine. Computational fluid dynamics (CFD) solvers may provide a great deal of help to proceed with the primary design choice but need to be fed with suited physical models. Important modelling efforts are therefore required to provide reliable computational representations able to take into account compressibility effects, turbulent mixing and chemical kinetics in two-phase flows since ergols are injected at the liquid state. A Lagrangian model has been implemented in the compressible solver N3S-Natur so as to obtain a computational tool able to compute the transient ignition of rocket engines. The physical processes involved at each step of this ignition sequence have been integrated and validated on academically configurations. Three significant contributions rose from this work. First of all, it is highlighted that the description of the micro-mixing is of first importance to correctly capture the flame development. This study also emphasized the need to consider the transient heating of liquid oxygen droplets in order to accurately compute the flame stabilization. Finally, the notion of mixture fraction must be extended to practical devices implying more than two inlets. The proposed approach which is based on the introduction of a fictive injector is not only well suited to rocket engine ignition application but also to deal with other practical devices implying two inlets and more.

Ce travail de recherche est consacré à l'étude des processus d'allumage et de stabilisation des flammes turbulentes en configuration aéronautique. Cette thèse, entièrement expérimentale, se base dans une première partie sur l'étude et la compréhension de l'effet des paramètres locaux (vitesse et concentration en combustible) et de l'historique du noyau de flamme au cours de sa propagation sur les statistiques d'allumage. Pour expliquer ces statistiques, des scénarios sont proposés et validés pour différentes configurations opératoires. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'amélioration de la stabilité des flammes kérosène/air par dopage en hydrogène. Nous avons montré qu'à même structure de flamme, l'amplitude des fluctuations de pression était abaissée par la présence d'hydrogène. / This research is dedicated to the study of turbulent flames ignition and stabilization processes in representatives' aircraft combustion chambers. This PHD thesis, fully experimental, is based on studying and understanding local parameters (velocity and fuel concentration) and historical effects of the flame kernel's environment during its propagation on ignition statistics. To explain this statistics, various scenarios arre proposed and discussed. In this way, we justify the existence of high and low efficiency areas thanks to a time development criterion of the flame kernel. The second part of this thesis is dedicated to flame stabilization improvment by using H2 enrichment. Turbulent kerosene/air flames have been doped in gaseous hydrogen. We demonstrate a reduction of pressure oscillations' amplitude for the same flame structure.