Pour mieux comprendre la combustion en mode stratifié, la propagation de flammes au sein de stratifications de richesse laminaire ou turbulente a été étudiée par des mesures simultanées de richesse et de vitesse effectuées par couplage de la PIV et de la PLIF. L'accent a été mis sur le développement de méthodes permettant d'améliorer la qualité des mesures locales. En particulier, un nouvel algorithme de PIV permettant la mesure locale de la vitesse des gaz frais véritablement à l'entrée de la zone de préchauffage a été développé. Pour améliorer la résolution,les mailles de calcul s'adaptent localement à la topologie de la flamme, pour tenir compte de la forme du front de flamme et de l'expansion des gaz. L'analyse statistique des mesures conditionnée sur la richesse locale a permis de caractériser les propriétés de la flamme soumise à une stratification de richesse dans un écoulement laminaire et turbulent, en particulier en mettant en évidence un effet mémoire.

L’optimisation des systèmes de production d’énergie par combustion requiert une connaissance précise de la cinétique de combustion. Cependant, la majorité des systèmes de production d’énergie par combustion fonctionnent à haute pression et il est reconnu que la pression a une influence sur la cinétique de combustion. En laboratoire, l’analyse de la structure de flamme laminaire se présente comme un outil puissant pour étudier la chimie de la combustion. A ce jour, la plupart des travaux menés ont été réalisés à des pressions inférieures ou égales à la pression atmosphérique. Au cours de cette thèse, un dispositif expérimental pour l’analyse de structure de flammes laminaires, à contre-courants et à haute pression a été mis en place. Il permet de stabiliser des flammes de CH4/air et CH4/CO2/air jusqu’à 0,7 MPa et l’étude de leur structure par diagnostics laser. Les profils de concentration de OH dans les flammes CH4/air et CH4/CO2/air à différentes richesses (=0,7-1,2) et différentes pressions (P=0,1-0,7 MPa) ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser et calibrés en concentration par absorption laser. Pour cela, la longueur du milieu absorbant a été déterminée par Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF). Une attention particulière a été portée aux corrections du signal de fluorescence prenant en compte l’élargissement de raie et le taux de collisions, qui augmentent avec la pression. Les profils expérimentaux obtenus ont été comparés à la modélisation à l’aide du code de calcul OPPDIF et des mécanismes cinétiques GRI-Mech3.0 et GDFKin®3.0. En parallèle, une analyse spectroscopique des flammes de CH4/air à haute pression a été entreprise. / The optimisation of practical combustion devices requires a detailed knowledge of the combustion kinetic. However, most practical combustion systems operate at high pressure and it is known that pressure has an influence on combustion kinetics. In laboratory, the analysis of laminar flame structure is a powerful tool for studying combustion chemistry. However, most of studies have been realised at pressures under or equal to atmospheric pressure. During this thesis, an experimental device has been implemented for the study of the structure of high pressure counterflow flames. It allows the stabilisation and the study of CH4/air and CH4/CO2/air flame structure through laser diagnostics until 0.7 MPa. CH4/air and CH4/CO2/air flames have been studied for a various range of stoichiometry (equivalence ratios from 0.7 to 1.2) and pressures (0.1 MPa to 0.7 MPa). Experimental OH concentration profiles have been measured by Laser Induced Fluorescence and calibrated by laser absorption. To do this, absorption path length has been determined by Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Great care has been attached to the determination of the fluorescence signal by taking into account the line broadening and de-excitation by quenching which both arise at high pressure. Experimental data were compared with modeling results obtained through the OPPDIF calculation code with GRI-Mech3.0 and GDFKin®3.0 kinetic mechanisms. In parallel, a spectroscopic analysis of the CH4/air flames has been undertaken.

La conception de chambres de combustion de nouvelles génération moins polluantes et fonctionnant sur des plages de stabilité plus grandes nécessite une meilleure connaissance et modélisation de la dynamique de la combustion.De nombreux systèmes sont alimentés avec des carburants liquides atomisés qui interagissent avec des grandes structures de l’écoulement d’air puis avec le front de flamme. Il existe cependant peu de données qui permettent de valider les outils de simulation dans des configurations mettant en jeu des flammes en interaction avec des structures contrôlées pour des écoulements polyphasiques.Certaines de ces interactions fondamentales sont étudiées dans ce travail pour des écoulements laminaires soumis à des modulations de vitesse. Les configurations expérimentales correspondent à des flammes à contre-courant et à des jets inertes libres, avec une injection de combustible liquide vaporisé ou sous la forme de sprays polydisperses. Ces écoulements peuvent être soumis à des modulations de vitesse de manière à reproduire les effets d’instationnarité. En fonction de la fréquence de la pulsation, des tourbillons de tailles contrôlées sont générés à la sortie des brûleurs et sont convectés par l’écoulement. Ils interagissent avec le spray de combustible ou la flamme.Une première partie de la thèse vise à caractériser la dynamique de flammes prémélangées dans des écoulements à point d’arrêt pour des combustibles gazeux. L’étude se concentre tout particulièrement sur l’interaction de structures tourbillonnaires avec une flamme plane. Différentes réponses de la flammes ont identifiées et analysées en fonction de la taille des tourbillons générés.Deux régimes de propagation des perturbations de vitesse sont mis en évidence correspondant à une oscillation en bloc de la zone de combustion ou à des perturbations limitées à la périphérie du front de flamme. Ces constatations remettent en cause le choix des conditions aux limites à imposer dans les simulations numériques unidimensionnelles de ces configurations. Des comparaisons entre des prévisions numériques et des mesures du champ de vitesse supportent nos conclusions. L’analyse de la réponse de ces flammes est ensuite poursuivie par la détermination de leurs fonctions de transfert entre le dégagement de chaleur et les perturbations vitesses imposées à la sortie du brûleur.Ces mesures basées sur l’étude du signal de chimiluminescence rayonné par la flamme mettent à nouveau en évidence une différence de comportement entre la région restreinte au centre de l’écoulement à point d’arrêt et le comportement global de l’ensemble de la zone de combustion. Ces configurations sont ensuite utilisées pour identifier les mécanismes de production de bruit par des flammes parfaitement et partiellement prémélangées.La deuxième partie des travaux est dédiée à la caractérisation de la réponse à des tourbillons d’un spray dilué convecté par un jet inerte ou d’un spray combustible alimentant une flamme plane de diffusion dans un écoulement à contre-courant lorsqu’ils interagissent avec des tourbillons. L’originalité du travail repose sur l’utilisation combinée de diagnostics optiques avancés pour caractériser la dynamique de la phase gazeuse et de la phase dispersée, ainsi que leurs interactions par une prise d’images en moyenne conditionnée à différents instants du cycle de modulation. La distribution de la vapeur de carburant injecté dans les phases gazeuses et liquides est notamment caractérisée grâce à la Fluorescence Exciplex Induite par Laser (LIEF). La distribution de vitesse et la granulométrie des gouttelettes du spray sont déterminées localement par effet Doppler (PDA) et dans un plan par Interférométrie par Imagerie de Particules (IPI). Ces diagnostics sont complétés par l’utilisation de la Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV) pour déterminer la réponse de la phase gazeuse de ces écoulements. / Modern combustion systems benefit from constant technological advanceswhich aim at reducing the emissions of chemical pollutants and at wideningregimes of stable operation. Further progress in the combustion field requiresa better understanding and modelling of the combustion dynamics. In thesesystems, the combustible is often injected as a liquid polydisperse spray. Experimentaldata are thus required to validate simulation tools in configurationswith flames interacting with controlled structures in multi-phase flows.This thesis aims at studying some of these fundamental interactions in wellcontrolledlaminar flows submitted to upstream modulations. Two experimentalconfigurations are investigated comprising counterflow flames and free inertjets, fed with gaseous or liquid combustibles. The flows may be submittedto upstream velocity modulations to reproduce effects of unsteadiness. Dependingon the pulsation frequency, vortices of controlled sizes are shed fromthe burner lips and convected with the flow, while interacting with the sprayand the flame.In the first part of this thesis, the dynamics of a premixed stretched flameis analysed in a stagnation flow. The study focuses on determining the flowand flame structures under upstream modulations, and principally on studyingthe dynamics of flame/vortex interactions. Different responses of the flameare identified and analysed relative to the size of the vortex ring generated atthe burner outlet. Two propagation modes for the velocity perturbations areidentified, corresponding to a bulk oscillation of the entire reaction zone orto a flame perturbed only at its periphery. This leads to a discussion on thechoice of velocity boundary conditions to conduct 1D simulations of theseconfigurations. Comparisons between simulations and measurements of thevelocity field illustrate these conclusions. Flame transfer functions betweenheat release rate and velocity perturbations imposed at the burner outlet areestablished for different flow conditions. These measurements relying on localand global chemiluminescence of the flame show again a distinct behaviourof the emission originating from the flame region close to the burner axis andthe whole flame. Mechanisms of sound production by partially and perfectlypremixed flames are also identified and analysed relative to flame/vortex interactions.In the second part, the dynamics of a spray convected by a free inert jet or impinginga diffusion flame submitted to velocity modulations is analysed. Theoriginality of this work consists in characterizing the flow and spray dynamicsusing a set of advanced diagnostics. Phase-conditioned images at different instantsin the modulation cycle are used to analyse the interactions between thegaseous phase and the spray. The spatial distribution of combustible vapourand liquid phases is determined using Laser Induced Exciplex Fluorescence(LIEF). Velocities and sizes distribution of droplets from the spray are determinedlocally by Phase Doppler Anemometry (PDA) and in a plane by InterferometricParticle Imaging (IPI). Laser Doppler Velocimetry (LDV) andParticle Image Velocimetry (PIV) are also used to determine the response ofgaseous phase. These phase-conditioned analysis highlight some interactionsbetween the gaseous and liquid phases and constitute an interesting databasefor detailed simulation of these two-phase flows.

À ses débuts, la conquête spatiale a pu bénéficier des rivalités politiques de la Guerre Froide pour se développer rapidement sans réellement se soucier des efforts économiques à fournir. Aujourd’hui, de nombreux pays subissent le revers de la médaille de cette course effrénée : pour maintenir une flotte de lanceurs viable économiquement, les différentes agences spatiales doivent faire face à un dilemme opposant la minimisation des coûts de lancement à la maximisation de leur fiabilité. Dans cette logique d’optimisation, les industriels présents dans ce processus de réflexion se tournent vers la simulation numérique pour tenter d’améliorer leurs connaissances des technologies existantes, en particulier sur les zones d’ombres inaccessibles aux mesures expérimentales. Dans la lignée de plusieurs études théoriques et expérimentales, ces travaux visent à apporter un éclairage nouveau sur les phénomènes se produisant lors de l’allumage d’un moteur fusée cryotechnique. Ces recherches se tournent dans un premier temps vers l’amélioration de la modélisation de la flamme H2/O2. La validation d’une cinétique chimique réduite initialement destinée à la combustion H2/Air permet de justifier son utilisation lors de l’allumage. Puis, le développement d’un modèle de combustion turbulente pour le régime de flamme de diffusion est mené dans le but de palier aux limitations du modèle de flamme épaissie. Enfin, une analyse du cas où les régimes prémélangés et non-prémélangés sont présents tous les deux permet d’étudier un moyen simple de les distinguer même dans le cas où ils sont très proches. Dans un second temps, ces travaux se tournent vers l’étude de l’allumage dans un moteur fusée cryotechnique. Après avoir analysé de manière globale le calcul d’une séquence simplifiée, deux études plus approfondies sont menées pour investiguer, d’une part, les différents régimes de combustion, et d’autre part, les différents modes de propagation de la flamme propres à cette configuration.

Les suies se présentent sous la forme de fines particules carbonées de diamètres compris entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Dans l’atmosphère, elles entraînent des enjeux climatiques, de par leurs propriétés radiatives, mais aussi des enjeux sanitaires, du fait de leur faible taille : elles pénètrent facilement dans le système respiratoire et même, pour les plus fines, dans le système sanguin. L’objectif est de parfaire les connaissances sur les propriétés physiques des suies produites par différents systèmes de combustion. C’est dans le but de mieux comprendre l’influence des systèmes de combustion, faisant intervenir des temps de séjours différents, des propriétés de turbulence, d’oxydation et de pression distinctes que nous avons choisi d’étudier trois types de combustion spécifiques : d’une part, des flammes de diffusion laminaires à pression atmosphérique, initiées dans un brûleur développé au cours de ces travaux ; d’autre part, une flamme de diffusion laminaire sous atmosphère pressurisée (3 à 5 bars) ; enfin, une flamme turbulente produite par une chambre tubulaire, elle aussi sous atmosphère pressurisée (1.2 à 3 bar). Un autre enjeu de ce travail était d’approfondir les informations relatives à la combustion de carburants liquides, à savoir le kérosène et le diester. Les travaux effectués visent à déterminer les caractéristiques morphologiques (dimension fractale, diamètre des monomères...) et l’indice complexe m* des suies issues des différents systèmes de combustion. La technique employée pour la mesure de l’indice complexe de réfraction des suies, repose sur l’analyse d’une partie des fumées produites par les flammes. Ces fumées sont acheminées dans un banc d’analyse permettant la mesure de signaux d’extinction et de diffusion, ainsi que de distributions de taille des suies. Par ailleurs, des analyses de clichés obtenus par microscope en transmission d’électrons (TEM) permettent l’obtention d’informations sur la morphologie des agrégats de suies. L’utilisation de la théorie de la diffusion de la lumière pour des agrégats fractals dans la limite de Rayleigh (RDG-FA) permet d’estimer à partir de ces données deux fonctions de l’indice complexe E(m) et F(m), et ainsi de retrouver m*. / Soot are carbonaceous fine particles, which diameters are ranged from a few nanometres to a few micrometers. They have an impact on climate, due to their radiative properties, as well as on health, due to their small size. That’s why particulate matter is an important concern. In order to gain a better understanding of the influence of the combustion devices, which implies specific residence time and also specific turbulence, oxidation and pressure properties, we studied three specific kinds of combustion : first, laminar diffusion flames at atmospheric pressure ; then, a laminar diffusion flame a high pressures (3 to 5 bar) ; finally, a turbulent flame produced in a combustor at high pressures (1,2 to 3 bar). Another objective of this work was to improve the knowledge about soot produced by the combustion of liquid fuels, namely kerosene and biofuel. We studied morphological properties (fractal dimension, primary particle size…) and the refractive index m* of soot produced by these combustion systems. The technique employed to characterize the soot refractive index is based on the analysis of a part of smokes produced by flames. These are transported towards two optical cells, so that extinction and scattering coefficients can be measured, in addition to soot size distributions. Furthermore, a morphological characterization of the aggregates is conducted, using transmission electron microscopy (TEM) photographs. Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal aggregates is used to determine two functions of the refractive index E(m) and F(m), so that m* can be deduced.

Les flammes turbulentes de prémélange pauvre ont un intérêt fondamental et pratique. Ce travail étoffe leur connaissance (changements de structure, richesse, paramètres de turbulence).<br />Nous décrivons macroscopiquement la flamme par imagerie Mie avec les iso-c, l'épaisseur turbulente, l'échelle de plissements et la densité de surface de flamme. Nous étudions la structure du front de flamme instantané, la statistique de la courbure du front, l'épaisseur du front de flamme par imagerie Rayleigh. Nous caractérisons les épaisseurs thermiques (zone de réaction et de préchauffage) et déterminons la corrélation entre l'épaisseur et la courbure du front de flamme.<br />Nous confrontons nos données aux modèles de combustion turbulente de prémélange (BML et ceux basés sur la dissipation scalaire). Nous étudions les distributions des longueurs d'entrecroisement, et le taux de combustion. Nous comparons nos résultats à ceux obtenus dans la littérature par d'autres techniques de mesure.

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’évaluation du risque d’accélération de flamme en situation accidentelle. La méthodologie développée dans le cadre de l’évaluation du risque hydrogène dans l’industrie nucléaire a permis de proposer un critère permettant d’évaluer le risque d’accélération des flammes de prémélange hydrogène/air/diluants, sur la base des propriétés du mélange. L’objectif de cette étude est l’acquisition de données fondamentales relatives aux mélanges gaz naturel/air et gaz de synthèse/air puis l’extension de la méthodologie appliquée aux mélanges hydrogène/air à ces mélanges. Ainsi, trois mélanges gazeux ont été choisis et ont fait l’objet de cette étude. Il s’agit du G27 (82%CH4/18%N2), du G222 (77%CH4/23%H2), et du H2/CO (50%H2/50%CO). Au cours de ce travail les limites d’inflammabilités des mélanges ont été déterminées pour une température initiale de 300 K et une pression de 1 et 2 bars. Les vitesses fondamentales de flamme et les longueurs de Markstein ont été mesurées à différentes températures initiales (300, 330 et 360 K) et à deux pressions initiales (1 et 2 bar) pour chacun des mélanges. Une modélisation cinétique de la vitesse de flamme a été réalisée et a permis l’évaluation de l’énergie d’activation globale sur la base du modèle cinétique présentant le meilleur accord avec l’expérience. La propension des mélanges a s’accélérer fortement en présence d’obstacles a ensuite été caractérisée au cours de l’étude de l’accélération de flamme. Cette étude de l’accélération de flamme a permis de mettre en évidence que différents critères d’accélération s’appliquent selon que la flamme soit stable ou pas. Un critère permettant de prédire l’accélération de flamme a été proposée dans les deux cas. / The context of the current study is the assessment of the occurrence of flame acceleration in accidental situations. The methodology developed for the assessment of hydrogen hazard in the nuclear industry led to the definition of a criterion for the prediction of the acceleration potential of a hydrogen/air/dilutant mixture based on its properties. This study aims to extend this methodology to gaseous mixtures that can be encountered in the classical industry. Therefore, three mixtures were chosen: the first two are representatives of a natural gas/air mixture: G27 (82%CH4/18%N2) and G222 (77%CH4/23%H2). The third one is a H2/CO (50%H2/50%CO) mixture and represents the Syngas. During this work, flammability limits were measured at 300 K and two initial pressures (1 and 2 bar) for each mixture. Fundamental flame speeds and Markstein lengths were also measured at three initial temperatures (300, 330, 360 K) and 2 initial pressures (1 and 2 bar) for each mixtures. A kinetic modeling was performed based on three detailed kinetic models and allowed the calculation of the global activation energy on the basis of the kinetic model which showed the best agreement with the experimental data. The acceleration potential for each mixture in presence of obstacles has then been investigated. It was found that different criteria were to be applied depending on whether the flame is stable or not. A predicting criterion was proposed in both case.

Pour satisfaire les exigences environnementales et d'agrément de conduite, le moteur automobile a évolué en une vingtaine d'années en un système très complexe combinant de nombreux composants de haute technologie avec des stratégies de contrôle très élaborées. L'optimisation et le contrôle de ce système sont alors devenus de véritables challenges pour les constructeurs automobiles. Ces derniers points sont aujourd'hui d'autant plus complexes que le contexte actuel de raréfaction des ressources impose de plus en plus le couplage ou le remplacement des carburants conventionnels par des carburants alternatifs tels que l'éthanol, le gaz naturel ou encore l'hydrogène. Ces nouveaux carburants présentent, en plus de leur intérêt économique, un certain nombre de propriétés physico-chimiques favorisant un meilleur rendement du moteur ainsi que la réduction des gaz à effet de serre. L'élaboration de ces nouveaux moteurs est finalement rendue possible par l'utilisation de dispositifs physiques et numériques de plus en plus sophistiqués. Dans ce contexte, les outils de simulation système destinés aux groupes motopropulseurs se sont démocratisés et peuvent aujourd'hui être utilisés à toutes les étapes de développement des moteurs, du choix de l'architecture au développement des stratégies de contrôle et à la calibration. Cependant, l'efficacité de tels outils demande encore à être améliorée afin de fournir un haut niveau de prédictivité couplé à un temps de calcul proche du temps réel. Les travaux réalisés lors de cette thèse ont visé à contribuer au développement du modèle de combustion 0-dimensionnel CFM1D (Coherent Flame Model) afin d'améliorer la prédiction du dégagement d'énergie, des polluants et des phénomènes d'auto-inammation (AI) dans les moteurs à allumage commandé lorsque des variations de la composition du carburant sont considérées. Le formalisme CFM distingue deux zones : les gaz frais et les gaz brûlés qui sont séparés par un front de flamme et qui sont entièrement décrits par leur masse, température et composition. Dans ce formalisme, le taux de consommation des espèces est directement lié aux processus de combustion et de post-oxydation assujettis aux mécanismes de chimie et de turbulence. Dans la version initiale du CFM1D, ces mécanismes sont représentés par des approches simples pouvant souffrir d'un manque de prédictivité. Ainsi, la prédiction de la formation de polluants peut être limitée par les chimies simples ou réduites la décrivant. Ces dernières sont en effet généralement définies dans des domaines de validité restreints en température, pression et composition. De la même manière, le calcul de la vitesse de flamme laminaire, de l'étirement de la flamme ou encore des éventuels délais d'auto-inammation intervenant dans l'évaluation du dégagement d'énergie met en jeux des corrélations phénoménologiques initialement développées sur un nombre limités de points de validation. Toutes ces limitations peuvent finalement entraîner une mauvaise réaction du modèle de combustion à des variations thermodynamiques ou de compositions et ont donc nécessite un certain nombre d'améliorations présentées dans ce manuscrit. L'originalité des développements réside dans l'intégration de chimie complexe dans le modèle CFM1D en utilisant des méthodes inspirées de récents travaux de CFD (Computational Fluid Dynamics) 3D.

Cette étude traite de la détonation et de la Transition Déflagration Détonation, TDD, en conduite dans les mélanges binaires H2/C3H8-Air. L'accent est mis sur les mécanismes d'accélération de flamme en présence d'obstacles. Les grandeurs caractéristiques de détonation autonome (célérité, pression et taille de cellule) et la distance de TDD ont été mesurées pour différentes richesses et proportions d'hydrogène dans le propane. En particulier, les effets de l'obstacle (longueur et nature) et du diamètre du tube sur la TDD ont été examinés. Les résultats montrent que les corrélations classiques Taille de cellule - Longueur d'induction chimique pour la détonation et Taille de cellule - Longueur de transition pour la TDD - bien établies pour les mélanges simples - restent valables pour ces mélanges binaires. L'addition du C3H8 à H2 diminue la détonabilité du combustible binaire. Des visualisations d'accélération de flamme par ombroscopie ont été réalisées à l'aide de caméras ultra-rapides dan le but d'identifier les mécanismes physiques contrôlant ce processus pour différentes configurations d'obstacles. Les enregistrements ont mis en évidence deux phases de propagation. Dans la première, les instabilités intrinsèques de la flamme, l'augmentation de sa surface ainsi que la combustion turbulente retardée - résultant de la zone de recirculation entre deux obstacles successifs - jouent un rôle prédominant. Dans la deuxième, l'accélération est contrôlée par l'interaction du front de flamme et des ondes de choc réfléchies sur les obstacles ou sur les parois du confinement. Il en résulte une forte accélération de la flamme avec établissement d'un régime de blocage thermique qui, dans certaines conditions, mène à l'apparition de la détonation.

Les risques importants d'inflammation de "nuages de poussières" en milieu industriel ainsi que l'entrée en vigueur de nouvelles normes (telles que les directives ATEX) font qu'il est aujourd'hui essentiel, pour les exploitants, de quantifier le danger représenté par leurs activités. Cette étude traite le cas des poussières d'aluminium et plus particulièrement l'influence de leur état d'oxydation sur les seuils d'amorçage par arc électrique. Un dispositif d'inflammation comprenant un système original de génération d'arc électrique à puissance constante a été mis au point spécifiquement pour ce travail. Une méthode statistique de traitement a été adaptée et utilisée afin d'évaluer des énergies d'inflammation conduisant à une probabilité d'amorçage de 50%. Une procédure d'oxydation contrôlée des poudres d'aluminium, ainsi que leur caractérisation physico chimique, est présentée. La croissance des seuils d'inflammation avec le taux d'oxydation des produits testés a ainsi pu être mise en évidence. Dans un second temps, des mesures de vitesse apparente de flamme ainsi que des relevés de pression dans les premiers instants de l'explosion ont été réalisés. Ces mesures expérimentales seront confrontées aux résultats obtenus à l'aide d'un modèle numérique permettant de relier l'évolution de la pression dans la chambre à la vitesse de propagation de la flamme.