Face à l’explosion du trafic aérien attendue ces prochaines années, l’impact de l’aviation civile sur l’environnement est un enjeu majeur. Les instances environnementales internationales comme l’ACARE (Conseil Consultatif pour la Recherche Aéronautique en Europe), en partenariat avec les grands groupes aéronautiques internationaux, ont fixé des objectifs drastiques pour préserver l’environnement : une réduction des émissions de CO2de 75 %et une réduction de 90 % des rejets d’oxydes d’azote dans l’atmosphère sont attendues d’ici 2050 par rapport aux avions fabriqués au début du 21èmesiècle. Les turbomachines actuelles possédant un degré de maturité très élevé ne permettront pas d’atteindre ces objectifs. Les motoristes cherchent donc à étudier de nouveaux concepts en rupture technologique pour les horizons 2050, comme les moteurs à détonation, ou encore les moteurs de type combustion à volume constant. Actuellement, les phénomènes physiques associés à la combustion du kérosène dans ce type de moteur sont encore mal documentés. L’objectif de cette thèse est donc de contribuer à l’amélioration de la connaissance et de la compréhension de ces phénomènes physiques.Au cours de cette étude, les flammes de pré-mélanges de kérosène et d’air sont étudiées expérimentalement grâce à des diagnostics optiques (strioscopie,PIV) et métrologiques. Le processus de combustion est notamment étudié dans des conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées dans un moteur aéronautique. La phase de propagation est dans un premier temps analysée dans des conditions laminaires et adiabatiques à travers la détermination de la vitesse fondamentale de flamme non-étirée, grandeur qui pilote le processus de combustion. Puis la sensibilité du front de flamme à l’étirement et la formation des instabilités de combustion sont dans un second temps examinées. Enfin, la phase d’allumage des pré-mélanges de kérosène et d’air dans des conditions aérodynamiques critiques est elle aussi traitée.Un second point abordé au cours de cette étude concerne la reproduction d’un kérosène réel par un substitut constitué d’un nombre d’espèces limité pour simplifier les problématiques industrielles et les études amont. En effet, la composition d’un kérosène commercial est complexe et variée et l’utilisation d’un représentant permet de modéliser numériquement le phénomène de combustion plus facilement. La pertinence de quelques surrogates plus ou moins représentatifs, formulés dans la littérature et élaborés au cours de différents travaux est notamment traitée dans cette étude en comparant les résultats obtenus avec ceux d’un kérosène commercial. De plus, la modélisation de ces kérosènes de substitution par un schéma cinétique valide estégalement analysée.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRANTech, MBDA et l’ANR. / With air traffic expected to soar in the next few years, the impact of civil aviation on the environment is a major issue. International environmental organizations such as ACARE (the Advisory Council for Aeronautical Research and Innovation in Europe), in partnership with the main international aeronautical groups, have set drastic objectives to preserve the environment: a reduction of 75 % of CO2emissions and a reduction of 90 % of nitrogen oxide emissions into the atmosphere are sought by 2050, with reference to aircraft produced at the beginning of the 21st century. Current turboshaft engines have a very high degree of maturity and may not achieve these objectives. Engineers are therefore aiming to study new concepts that will become technological breakthroughs at the 2050 horizon, such as detonation engines or constant volume combustion engines. Currently, the physical phenomena associated with the combustion of kerosene in those kinds of engines are still poorly documented. The objective of this PhD thesis is to contribute to the improvement of the knowledge and understanding of these physical phenomena. In this work, premixed flames of kerosene and air are experimentally studied with optical diagnostics (Schlieren, PIV) and metrology techniques. The combustion process is here studied in thermodynamic conditions similar to those encountered in an aeronautical engine. First, the propagation phaseis analyzed in laminar and adiabatic conditions through the determination of the unstretched laminar burning velocity, which drives the combustion process. Then, in a second stage, the sensitivity of the flame front to stretch and the formation of combustion instabilities are examined. Finally, the ignition phase of premixed flames of kerosene and air under critical aerodynamic conditions is also investigated. A second issue tackled in this work is the reproduction of a real kerosene by a surrogate made up of a limited number of species, to simplify industrial problems and initial studies. Indeed, the composition of a commercial kerosene is complex and can vary, and the use of a surrogate allows an easier numerical simulation of the combustion process. The relevance of some more or less representative surrogates, formulated in the literature and elaborated all through different studies, is also studied in this thesis, by comparing the results obtained with those of a commercial kerosene. In addition, the modelling of those surrogates by a valid chemical kinetic mechanism is also analyzed. This research was conducted within the CAPA industrial Chair project dedicated to innovative combustion modes for air-breathing propulsion, financially supported by SAFRAN Tech, MBDA and France’s ANR national research agency.

Les enjeux environnementaux et sociétaux de la combustion de combustibles fossiles pour la production d'énergie (électrique, chauffage ou transport), nécessitent le développement de nouveaux modes de combustion, de nouvelles technologies de brûleurs et de combustibles alternatifs (gazéification de la biomasse, biofuels, ...). La vitesse de combustion laminaire est un des paramètres fondamentaux utilisé pour caractériser la combustion pré-mélangée de ces nouveaux mélanges combustibles. Cette vitesse est une donnée de référence pour le processus de validation et d'amélioration des schémas cinétiques ainsi qu'un paramètre d'entrée pour estimer la vitesse de combustion turbulente de la plupart des codes de combustion turbulente. Mais bien qu'étudiée depuis plus de 100 ans, la détermination expérimentale précise de cette vitesse reste encore un défi de par les limitations inhérentes aux configurations expérimentales utilisées, en particulier pour les conditions de pression et de température élevées. Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux de thèse concernent l'étude, l'analyse et la caractérisation des techniques de détermination de la vitesse de combustion laminaire à partir des flammes en expansion sphérique, en proposant une réflexion sur la minimisation de l'ensemble des sources d'incertitudes possibles sur la détermination de cette vitesse. Cette approche est réalisée pour la configuration de flamme en expansion sphérique, permettant des températures et pressions élevées et maitrisées.Dans une première partie, le formalisme des définitions des vitesses de flamme laminaire existantes dans cette configuration est rappelé afin de définir les facteurs d'incertitudes liés à la mesure expérimentale de ces vitesses (grandeurs cinématiques locales et cinétique globale). En particulier, les effets liés à l'estimation de l'état thermodynamique des gaz brûlés, du rayonnement et de la diffusion différentielle sont discutés. Dans une seconde partie, plusieurs dispositifs numériques et expérimentaux utilisés au cours de cette thèse et permettant l'étude de flammes sphériques en expansion sont présentés. Une étude utilisant quatre dispositifs expérimentaux différents est proposée afin d'analyser et caractériser les incertitudes inhérentes aux mesures et à leur traitement. Enfin dans une troisième partie, une définition rigoureuse de la vitesse de consommation est proposée et une nouvelle méthodologie pour la mesurer est développée. Une validation numérique complète est présentée. Puis les incertitudes liées aux rayonnement, à la diffusion différentielle et à l’extrapolation des données mesurées sont étudiées en détails. Cette dernière étape introduit un biais qui peut être conséquent, et une nouvelle méthodologie pour exploiter des mesures brutes est proposée par une comparaison directe avecdes simulations DNS reproduisant les expériences. / Environmental and social challenges concerning the combustion of fossil fuels for energy production (electricity, building and transport) require the development of new combustion processes, new burner technologies and alternative fuels (gasification of biomass, biofuels, ...). Laminar burning velocity is one of the fundamental parameters used to characterize premixed combustion for these new fuels. This speed is a reference for the validation and improvement of kinetic schemes and an input parameter to estimate the turbulent burning velocity of most turbulent combustion codes. But even if it has been studied over 100 years, the precise experimental measurement of this velocity is still complicated due to inherent limitations in experimental configurations used, especially for high pressure and temperature conditions. In this context, this thesis work focuses on the study, analysis and characterization of the different techniques used to determine the laminar burning velocity from spherically expanding flames and proposes a reflection on the minimization of all possible uncertainty sources. This approach is achieved with confined spherical flames which allow to obtain high temperature and pressure initial conditions. In the first part, the formalism of existing laminar flame speeds in spherical expanding configuration is reminded to define the factors of uncertainty related to the experimental measurement (local kinematic and global kinetic variables). In particular, the effects associated with the estimation of the burned gases thermodynamic state, radiation and differential diffusion are discussed. In the second part, several numerical and experimental devices used in this thesis are presented. A study on four different experimental setups is proposed to analyze and characterize the uncertainties in the measurements and processing. Finally, in the third part, a rigorous definition of the consumption speed is proposed and a new methodology to measure it is developed. A complete validation based on numerical results is presented. Then uncertainties related to radiation, differential diffusion and extrapolation to zero stretch rate of measured data are detailed. This last step introduces a non-negligible bias and a new methodology to exploit raw data by a direct comparison with DNS reproducing the experiments is proposed.

Bien qu'étudiée depuis plus de 100 ans, la détermination expérimentale de la vitesse de combustion reste compliquée. Dans ce travail de thèse, la configuration de flamme sphérique en expansion a été choisie. Cependant, il apparait plusieurs formulation pour cette vitesse de combustion. Ces dernières sont liées au référentiel de mesure qui est lié 1) au laboratoire, 2) au front de flamme et 3) au taux de réaction. Ces 3 formulations, bien que différentes par définition, doivent cependant converger vers une seule et unique valeur correspondant à la vitesse de combustion laminaire à étirement nul. Une étude comparant ces formulations pour des mélanges gazeux au nombre de Lewis bien défini a été menée. Il est montré que la formulation associée au front de flamme permet d'extraire une vitesse de combustion s'abstenant de toute hypothèse. Cette technique a été ensuite appliquée pour déterminer la vitesse de combustion de mélanges issoctane/éthanol et leur dépendance en pression (10 bars). / Laminar burning velocity is very useful for both combustion modeling and kinetic scheme validationand improvement. Accurate experimental data are needed. To achieve this, the spherical flame method was chosen. However various expression for burning velocity from the spherically expanding flame can be found. A theorical review details all the expressions and models for the burning veolcity and shows how they can be obtained experimentally. These models were comparated considering basic fuels - various Lewis numbers. As a result, it is shown that the pure kinematic measurement method is the only one thet does not introduce any assumptions. This kinematic measurement had needed the development and validation of an original post-processing tool. Following the theorical review, a parametric experimental study is presented. The new technique is extended to extract burning velocity and Markstein length relative to the fresh gas for pure ethanol, isooctane and blended fuels at high pressure.