Ce travail de Thèse est consacré à la caractérisation de la structure thermique des fronts de flammelaminaire de prémélange H2/CH4/Air et H2/CO/Air pauvres. L’étude a été réalisée sur un brûleur à jets opposés, permettant de stabiliser des flammes planes stationnaires, dans des conditions quasi-adiabatiques, pour différentes conditions d’étirement. Un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie de Particule (PIV) et un diagnostic bidimensionnel de diffusion Rayleigh induite par laser ont été utilisés successivement pour étudier l’influence de la richesse, de la concentration en hydrogène dans le combustible et de l’étirement sur le profil de température normal au front de flamme. Trois grandeurs fondamentales ont été étudiées : la température des gaz brûlés, le gradient maximum de température et l’épaisseur de flamme au sens de Spalding. Une attention particulière a été portée à l’interprétation du signal Rayleigh. Ce dernier dépendant notamment de la composition du gaz qui évolue à travers le front de flamme. Dans ce travaille de thèse, cette évolution a été évaluée numériquement (simulations 1D : CANTERA et OPPDIF) puis prise en compte pour améliorer le traitement des données expérimentales. Les résultats expérimentaux couvrent une gamme de richesses s’étalant pour H2/CH4/Air et H2/CO/Air, respectivement de 0.6 à 0.8 et de 0.4 à 0.6. Les concentrations en hydrogène dans le combustible s’étalent respectivement de 0 à 50% et de 10 à 50%. Une comparaison systématique a été faite avec les résultats de simulation numérique 1D (OPPDIF). / This Thesis is devoted to the characterization of the thermal structure of H2/CH4/Air and H2/CO/Air laminar flames. Counterflow flame setup has been used to study planar flames in steady and near-adiabatic conditions. Particle Image Velocimetry and laser induced Rayleigh scattering diagnostics has been successively applied to characterize the influence of equivalent ratio, hydrogen concentration in fuel and stretch on the temperature profile normal to the flame front. Three fundamental characteristics have been studied: the burned gas temperature, the maximum temperature gradient and the flame thickness defined by Spalding. Particular attention has been brought to the interpretation of the Rayleigh signal. Indeed, Rayleigh scattering depends on the gas composition which evolves across the flame front. This evolution has been numerical evaluated in this work (1D simulation: CANTERA and OPPDIF) and taken into account to improve Rayleigh data processing. Experimental results have been obtained for lean flames: equivalent ratio spreads from 0.6 to 0.8 and from 0.4 to 0.6 respectively for H2/CH4/Air and H2/CO/Air flames. A wide range of hydrogen concentration has been studied: from 0 to 50% of hydrogen in fuel for H2/CH4/Air flames and from 10 to 50% of hydrogen in fuel for H2/CO/Air flames. Experimental and numerical (OPPDIF) results have been systematically confronted.

Microgravité éthylène laminaires couche limite flammes de diffusion générés par un brûleur poreux plat et caractérisées par les vitesses d'injection de carburant de 3 et 4 mm / s et une vitesse d'oxydation de 250 mm / s ont été simulées en utilisant un modèle de rayonnement précis, un mécanisme cinétique complète et un modèle de suie constitué de lancement par suite de la collision de deux molécules de pyrène, l'évolution de la surface hétérogène et oxydation suivant l'abstraction d'un atome d'hydrogène addition d'acétylène (HACA) mécanisme, la coagulation à particules de suie, et la condensation de la surface de l'HTAP. La distance d'écartement et la production de suie sont améliorées lorsque la vitesse du carburant augmente. H et des radicaux OH, responsables de la de-hydrogénation des sites dans le processus HACA, et le pyrène, de l'espèce pour la création de la suie et des processus de condensation HAP, se trouvent à être situé dans une région qui suit la distance stand-off. La suie est ensuite produite dans cette région et est transporté à l'intérieur de la couche limite par convection et thermophorèse. Perte radiatif est sensiblement plus élevé dans ces flammes que dans flammes de diffusion de gravité normales dues à beaucoup plus longues durées de séjour. Calculs effectués par négliger le rayonnement de la suie et en utilisant l'approximation optiquement mince (OTA) a révélé que la suie domine le transfert de chaleur par rayonnement dans ces flammes et que l'utilisation de l'OTA donne lieu à des écarts significatifs dans la fraction du volume température et la suie. / Microgravity ethylene laminar boundary layer diffusion flames generated by a flat porous burner and characterized by the fuel injection velocities of 3 and 4 mm/s and an oxidizer velocity of 250 mm/s have been simulated by using an accurate radiation model, a comprehensive kinetic mechanism, and a soot model consisting of inception as a result of the collision of two pyrene molecules, heterogeneous surface growth and oxidation following the hydrogen abstraction acetylene addition (HACA) mechanism, soot particle coagulation, and PAH surface condensation. Model predictions are in reasonable agreement with the experimental data in terms of the stand-off distance and soot volume fraction. The stand-off distance and soot production are enhanced as the fuel velocity increases. H and OH radicals, responsible of the de-hydrogenation of sites in the HACA process, and pyrene, of the species for soot inception and PAH condensation processes, are found to be located in a region that follows the stand-off distance. Soot is then produced in this region and is transported inside the boundary layer by convection and thermophoresis. Radiative loss is substantially higher in these flames than in normal gravity diffusion flames owing to much longer residence times. Calculations carried out by neglecting soot radiation and by using the optically-thin approximation (OTA) revealed that soot dominates the radiative heat transfer in these flames and that the use of OTA gives rise to significant discrepancies in temperature and soot volume fraction.

Dans les moteurs cryotechniques, les ergols sont refroidis pour être stockés sous forme liquide et limiter ainsi la taille des réservoirs. Ils sont ensuite mis sous pression, grâce à une turbopompe, avant d’être injectés dans la chambre de combustion. Pour augmenter les rendements des moteurs, la pression de chambre est augmentée et peut dépasser les pressions critiques des ergols. Le régime de combustion supercritique est alors appelé transcritique lorsque l’oxygène est injecté à une température inférieure à sa température critique avec une densité équivalente à celle d’un liquide. Ce régime possède certaines propriétés des injections diphasiques avec un dard dense mais sans présenter de phénomène d’atomisation ce qui le rapproche des injections gaz-gaz. L’étude de la transition dense-dilué de l’oxygène a été le dénominateur commun de cette thèse. En régime supercritique, l’épaisseur de cette transition diminue avec la pression jusqu’à devenir infiniment fine à la pression critique. Le manque de discrétisation des zones à forts gradients conduit à des instabilités numériques. Cette situation est analogue numériquement au cas d’une interface liquide vapeur subcritique. C’est pourquoi nous avons étendu dans cette thèse des méthodes d’interface diffuse au régime supercritique. La méthode dite de second gradient introduite par van der Waals a permis de simuler des flammes étirées subcritiques et supercritiques. Tandis que l’approche multifluide a été utilisée pour réaliser des simulations aux grandes échelles du banc d'essai MASCOTTE en régime supercritique avec le code CEDRE. / In cryogenic engines, the propellants are refrigerated and stored liquid in order to limit the dimension of the tanks. They are pressurized by turbopumps before their injection in the combustion chamber. To increase the efficiency of the engines, the chamber pressure is increased and can be above the critical pressure of the propellants. This combustion regime is called transcritical. It exhibits some properties of diphasic injection with a high density core jet but does not have a phenomenon of atomization. The study of the oxygen transition from dense to light has been the main objectives of this thesis. In supercritical regime, the width of this transition decreases with the pressure till it reaches the critical pressure where it becomes infinitely thin. The lack of discretization in the zone of strong gradients leads to numerical instabilities. This situation is analog from a numerical point of view to a liquid-vapor interface. Thus, in this thesis we have extented the diffuse interface methods to the supercritical regime. The second gradient method introduced by van der Waals has allowed the simulation of subcritical and supercritical flames. The multifluid approach has been implemented in the solver CEDRE for the computation of a large eddy simulation of the experimental bench MASCOTTE in supercritcal conditions.

Les suies de combustion sont principalement connues pour leur caractère nocif, dans le cas des feux de forêt, de fumées de cheminées ou d'émissions polluantes d'un tuyau d'échappement. Cependant, le noir de carbone, un produit industriel de combustion d'hydrocarbures largement utilisé dans notre vie quotidienne. La surface d'une particule de suies ou de noir de carbon joue un rôle important tant au niveau de son utilisation que de son effet nocif. Il est donc important de connaître la masse, le volume ainsi que la morphologie des suies. En particulier, la surface des particules est un paramètre important pour prédire leur utilisation ainsi que leur effet nocif. Les suies sont généralement des agrégats présentant une structure fractale constituée d'éléments de forme sphérique, appelés particules primaires. Il est possible de connaître la surface des agrégats à partir de la distribution en taille de particules primaires (PPSD-Primary particules size distribution). Compte tenu de l'intérêt grandissant pour la surface des particules et leurs évolutions, il est aujourd’hui nécessaire d'étendre les modèles numériques pour la prévision de la PPSD. De plus, comme la taille des la particules primaires influence les processus chimiques et les processus de collision, la prise en compte de ce paramètre peut améliorer les prévisions des modèles. Les flammes multidimensionnelles laminaires, comme les flammes de diffusion, sont moins complexes que les flammes rencontrées dans les systèmes de combustion industriels. Cependant, les processus de formation de suies sont analogues dans les deux cas, ce qui rend l'étude de ces flammes intéressante. Afin d'obtenir une description détaillée des processus chimiques ayant lieu dans ces flammes tout en maintenant le coût de calcul à un niveau abordable, l'utilisation de modèles sectionnels discrets chimiques (CDSchemical discret sectional methods) est un choix approprié. Le développement de modèles CDS est au coeur de cette thèse. D'abord, une stratégie numérique pour déterminer la taille des particules primaires est présentée dans le contexte des modéles CDS. Elle repose sur la résolution d'une équation de transport pour la densité en nombre de particules primaires pour chaque section d'agrégats considérée. Pour valider la taille des particules primaires déterminée numériquement, les résultats doivent être comparés avec des données expérimentales obtenues via la technique d'Incandescence Induite par Laser résolue temporellement (TiRe-LII). Cette comparaison, dite inverse, est affectée par les incertitudes expérimentales et les hypothèses sous-jacentes au post-traitement du signal TiRe-LII pour obtenir la PSD. Pour améliorer la stratégie de validation, une nouvelle approche, dite directe, est proposée pour la validation de la PPSD à partir des données obtenues par TiRe-LII. Elle est basée sur la reconstruction numérique de l'évolution temporelle du signal d'incandescence à partir des résultats numériques et de sa comparaison avec le signal mesuré. L'efficacité de l'approche proposée est démontrée a priori en évaluant l'erreur potentiellement évitée par la nouvelle stratégie. Le modèle proposé pour le suivi des particules primaires est ensuite validé en utilisant à la fois les approches ’directe’ et ’inverse’ sur les flammes cibles issues de l'International Sooting FlameWorkshop (ISF): une flamme pré-mélangée éthylèneair et une flamme de diffusion coflow avec deux dilutions différentes. Le caractère général du modèle est discuté en effectuant une étude de sensibilité des résultats aux paramètres du modèle même. Enfin, le modèle est utilisé pour comprendre l'effet de la dilution du combustible sur la taille des particules primaires dans les flammes de diffusion en examinant les corrélations possibles entre phase gazeuse et phase solide ainsi que l'évolution temporelle des particules le long de leur trajectoires. / An image appearing when the phrase soot is heard is the smoke emitted by an exhaust pipe. The imperfect combustion of hydrocarbon fuels is a source of this harmful pollutant. The industrially controlled combustion of hydrocarbons can provide the carbon black, an industrial product widely used in our everyday life. For both its utilization and its harming effect, the surface of these combustion generated particles plays an important role, therefore, it is of interest to possess information on the particle morphology beside its mass or volume. Soot particles were found, at various conditions, to have a fractal-like structure built up from spherical shape building blocks, socalled primary particles. This increased interest in the particle surface and its evolution gives the motivation to extend numerical models to provide related information, i.e. particle surface or primary particle size. Furthermore, as the primary particle size influences the chemical and collisional processes, accounting for this parameter can improve the model predictions. The requirements for numerical models are various depending on the purpose of the simulation. Multidimensional laminar flames, like a laminar coflow diffusion flame, are less complex than flames of industrial combustion systems. However, the soot formation processes are analogous in the two cases, therefore, the investigation of these flames are of interest. In order to obtain a detailed description of the chemical processes, while keeping the computational cost in these flames at an affordable level, using chemical discrete sectional models is a suitable choice. As in their current version, these models do not provide information on the primary particle size their development in this direction is of interest. Guided by the above motivation, a numerical strategy to determine the primary particle size is presented in the context of the chemical sectional models. The proposed strategy is based on solving the transport equation of the primary particle number density for each considered aggregate section. In order to validate numerical primary particle size, the comparison to experimental data is required. Due to its numerous advantages, the Time-Resolved Laser-Induced Incandescence (TiRe-LII) technique is a nowadays popular experimental method. However, the comparison of the numerically and the experimentally obtained primary particle size may be charged with uncertainties introduced by the additional measurements or assumptions of the numerous parameters required to derive primary particle size from the detected signal. In order to improve the validation strategy, an additional approach for primary particle size distribution validation with TiRe-LII is proposed. This is based on the reconstruction of the temporal evolution of incandescence from the numerical results and its comparison with the measured signal. The effectiveness of this ’forward’ method is demonstrated a priori by quantifying the errors potentially avoided by the new strategy. The validity of the proposed primary particle tracking model is tested by both the traditional ’inverse’ and the ’forward’ method on target flames of the International Sooting Flame (ISF) Workshop. In particular a laminar premixed ethylene flame is considered first. Then, two laminar coflow ethylene flames with different dilutions are put under the scope. The sensitivity to the model parameters, such as accounting for the surface rounding and the choice of smallest aggregating particle size, is explored in both the premixed flame and in the coflow flame with highest ethylene content. To understand the effect of the fuel stream dilution on the primary particle size in the coflow flame, first, the flame-flow interaction and the effect of the dilution on the flame structure is investigated. [...]

Les systèmes de combustion à prémélange pauvre (PP) sont l’une des technologies les mieux adaptées pour la réduction des émissions de polluants, mais ils sont très sensibles aux phénomènes d’extinction, aux retours de flamme (flashback) dans l’injecteur et aux instabilités de combustion. La plupart des chambres de combustion des turbines à gaz utilisent de swirleurs pour stabiliser des flammes compactes et permettre une combustion efficace et propre avec des densités de puissance élevée. Une meilleure connaissance des mécanismes de la dynamique de la combustion d’écoulements swirlés PP présente un intérêt aussi bien pratique que fondamental. Ce travail est une contribution pour atteindre ce but. Le brûleur Noisedyn, avec une geometrie modifiable, a été spécialement conçu pour répondre à cet objectif. Une analyse expérimentale a etait conduite pour examiner les paramètres qui reduisent la sensibilité des systèmes PP aux phénomènes dynamiques. Mesures de fonction de transfert de flamme (FTF), diagnostiques laser (LDV et PIV) et imagerie des flammes sont les principaux techniques utilisé dans ce travail. Large eddy simulation sont aussi utilisé pour expliquer les mécanismes derrière les observations experimentaux. / Lean premixed (LPM) combustion systems achieve low pollutant emission levels, with compact flames and high power densities, but are highly sensitive to dynamic phenomena, e.g, flashback, blowout and thermoacoustic instabilities, that hinder their practical application. Most LPM gas turbine combustors use swirling flows to stabilize compact flames for efficient and clean combustion. A better knowledge of the mechanisms of steady and unsteady combustion of lean premixed swirled mixtures is then of practical, as well as fundamental interest. This thesis is a contribute towards the achievement of this goal. A burner, made of several components with variable geometry, was specifically designed for this scope. An experimental analysis was conducted to investigate the main parameters leading to a reduction of the sensitivity of LPM systems to dynamic phenomena. The diagnostics applied include flame transfer function (FTF) measurements, laser diagnostics (LDV and PIV) and flame imaging. Large eddy simulations were also exploited to elucidate the mechanisms behind the experimental observations.

L'application de champ électrique est connue pour avoir la capacité d'améliorer significativement la stabilité des flammes. A ce sujet, un modèle mathématique permettant de modéliser la combustion en présence d'un champ électrique a été développé. Les équations de l'aérothermochimie sont couplées à des équations de bilan pour les densités des espèces chargées, et une équation de Poisson pour le potentiel électrique est résolue. Une situation principale est étudiée pendant la thèse ; elle concerne la stabilisation de flammes de diffusion par application d’un champ électrique continu ou alternatif.Les résultats obtenus montrent que la présence du champ électrique améliore significativement la stabilisation de la flamme. L’ampleur de cette amélioration dépend de l’intensité et de la polarité de la tension appliquée. Si la tension appliquée est alternative, un facteur supplémentaire s’ajoute pour influencer la stabilisation ; il s’agit de la fréquence. Une interprétation des mécanismes permettant la stabilisation est proposée. / The application of electric field is known to have the ability to improve significantly the flame stability. In this regard, a mathematical approach to model combustion in the presence of an electric field was developed. The Navier-Stokes equations along with transport equations for charged species and the electric potential Poisson’s equation are solved. A main situation, that concerns the stabilization of diffusion flames by applying a direct or alternating electric field, is studied. The results show that the presence of the electric field improves the flame stabilization. The magnitude of this improvement depends on the intensity and polarity of the applied voltage. If the applied voltage is alternating, an additional factor, which is the frequency of the electric current, influences also the extent of the flame stabilization improvement. An interpretation of the stabilization mechanisms is proposed.

Les procédés de combustion sont utilisés dans la plupart des industries chimiques, métallurgiques et manufacturières, pour produire de la vapeur (chaudières), pour sécher des solides ou les transformer dans des fours rotatifs (ou autres). Or, les combustibles fossiles qui les alimentent (ex. : gaz naturel) sont de plus en plus dispendieux, ce qui incite plusieurs compagnies à utiliser d’autres sources de combustibles tels que de la biomasse, des rejets inflammables produits par le procédé lui-même ou des combustibles fossiles de moindre qualité. Ces alternatives sont moins coûteuses, mais de composition, et donc de pouvoir calorifique, plus variable. De telles variations dans la chaleur dégagée par la combustion perturbent l’opération des procédés et la qualité des produits qui dépendent de ces installations. De nouvelles stratégies de contrôle de la combustion doivent donc être élaborées afin de tenir compte de cette nouvelle réalité. Il a été récemment démontré que l’énergie dégagée par la combustion est corrélée à l’aspect visuel de la flamme, principalement sa couleur, ce qui permet d’en quantifier les variations par imagerie numérique. L’objectif de ce projet industriel consiste à faire la démonstration que l’analyse d’images multivariées peut servir à l’identification du comportement d’une chaudière à biomasse. La chaudière à biomasse opérée par Irving Pulp & Paper Ltd (Saint-John, Nouveau-Brunswick) fera office d’exemple. Les résultats montrent qu’un modèle bâtit à partir des informations fournies par les images ainsi que les données de procédé donne de bonnes prédictions de la quantité de vapeur produite (R2modèle=93.6%, R2validation=70.1%) et ce, 2,5 minutes à l’avance. Ce projet est la première étape du développement d’une nouvelle stratégie de contrôle automatique de la combustion de biomasse, capable de stabiliser l’énergie dégagée, malgré les variations imprévisibles dans le pouvoir calorifique et les proportions des combustibles utilisés provenant de différentes sources. / Biomass is increasingly used in the process industry, particularly in utility boilers, as a low cost source of renewable, carbon neutral energy. It is, however, a solid fuel with some degree of moisture which feed rate and heat of combustion is often highly variable and difficult to control. Indeed, the variable bark properties such as its carbon content or its moisture content have an influence on heat released. Moreover, the uncertain and unsteady bark flow rate increases the level of difficulty for predicting heat released. The traditional 3-element boiler control strategy normally used needs to be improved to make sure the resulting heat released remains as steady as possible, thus leading to a more widespread use biomass as a combustible. It has been shown in the past that the flame digital images can be used to estimate the heat released by combustion processes. Therefore, this work investigates the use of Multivariate Image Analysis (MIA) of biomass combustion images for early detection of combustion disturbances. Applied to a bark boiler operated by Irving Pulp & Paper Ltd, it was shown to provide good predictions, 2.5 minutes in advance, of variations in steam flow rate (R2fit=93.6%, R2val=70.1%) when information extracted from images were combined with relevant process data. This project is the first step in the development of a new automatic control scheme for biomass boilers, which would have the ability to take proactive control actions before such disturbances in the manipulated variable (i.e. bark flow and bark properties) could affect steam production and steam header pressure.

Nous élaborons des modèles macroscopiques d'EDP pour les mélanges gazeux réactifs ionisés et nous effectuons diverses études mathématiques puis quelques simulations numériques. On détermine les équations macroscopiques ainsi que des expressions des flux de<br />transport à partir d'un modèle de type Boltzmann par un développement de Enskog. Nous étudions alors les propriétés de symétrie apportées par l'entropie de ces équations couplées avec celles de Maxwell pour obtenir un théorème d'existence locale en temps d'une solution bornée et régulière pour le problème de Cauchy. Nous étudions ensuite un modèle de plasma ambipolaire en considérant la masse de l'électron comme un paramètre. Nous démontrons que la solution globale dépend continument de la masse de l'électron lorsque celle-ci s'annule. Nous calculons enfin des flammes ionisées planes et étirées d'un mélange hydrogène-air et obtenons des structures de flammes typiques avec un faible impact de l'ionisation.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments en feu. Une synthèse bibliographique sur les feux de compartiment et plus particulièrement sur la problématique de la sortie de flammes par les ouvertures des locaux en feu a été réalisée. <br /><br />Un outil de simulation numérique avancé a été mis en oeuvre pour étudier les paramètres principaux affectant les caractéristiques des flammes extérieures. Cette tâche a nécessité au préalable la prise en main et le développement d'un modèle CFD de simulation numérique du feu, ainsi que sa validation sur des cas expérimentaux de complexité croissante. A l'étude numérique de la sortie de flammes d'un local en feu est venue s'ajouter une partie expérimentale concernant l'effet du vent sur les flammes extérieures. <br /><br />L'étude des flammes extérieures a permis de procéder à la vérification et à l'extension d'une méthode de calcul simplifiée destinée à prédire les conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments. L'application pratique de ce travail a consisté à regrouper dans un nouveau modèle global les résultats obtenus à partir de la synthèse bibliographique et des études numériques et expérimentales.

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.