Dans cette étude, nous avons cherché à développer de nouvelles formulations pour améliorer la stabilité thermique et le comportement au feu de trois matrices polymères de grande diffusion: le polyéthylène (PE), le polystyrène (PS) et le polyamide 66 (PA66). Le système intumescent employé consiste à combiner des retardateurs de flammes classiques (polyphosphate d’ammonium (APP) et pentaérythritol (PER)) avec une faible quantité de nanooxydes métalliques dont les propriétés auraient été ajustées sur mesure de façon à améliorer la compatibilité du mélange à l’état fondu, ou encore pour changer le mécanisme de dégradation d’un point de vue chimique (effets catalytiques) ou physiques (effet barrière, viscosité etc…). Une partie importante de cette étude a donc été d’abord consacrée à la synthèse d’oxydes à morphologie, porosité, structure ou fonctionnalités particulières. A cet égard, les silices mésoporeuses possèdent l’avantage de présenter des surfaces spécifiques élevées (700-1400 m²/g) et une taille de pores compatible avec les chaines polymères. En adaptant les conditions de synthèse, nous avons cherché à établir des relations entre certains paramètres relatifs aux silices préparées (tels que la (1) surface spécifique (2) la taille des particules (3) la taille des pores (4) la morphologie et (5) le type de structure (en général SBA-15)) sur la stabilité thermique et le comportement au feu du polyéthylène. Préalablement, les propriétés texturales, structurales et chimiques de ces silices ont été caractérisées par porosimétrie à l’azote à 77K, DRX et FTIR. Globalement, les améliorations apportées par les silices mésostructurées restent modestes par rapport à celles induites par les RF classiques seuls et ceci particulièrement pour les polymères non charbonnants (PE et PS). Ceci est dû probablement à la très grande disparité des teneurs respectives en silice et RF dans les composites testés (1 et 24% en masse, respectivement). L’effet du taux de silice SBA-15 (0,5-10wt%) à taux de charge constant et égal à 25% massique a été également étudié pour les trois matrices polymères. Les valeurs maximales d’IOL (indice limite d’oxygène) sont toujours obtenues pour 1-2% de SBA-15. Les modifications de surface des silices SBA-15 par greffage des différentes fonctions organiques (CTAB, amine, thiol, phénol, phosphonate, acide benzoïque et diphénylphosphate), inorganiques (aluminium, acide phosphorique et acide tungstophosphorique) ou métalliques (cuivre, nickel) ont fait l’objet de caractérisations poussées afin d’évaluer la quantité et la stabilité thermique des espèces greffées ainsi que la nature des liaisons de surface. D’autres types de nanooxydes synthétiques (aluminophosphates, phosphate de zirconium et nanotubes de type titanates) ou commerciaux (CeO2, ZrO2, CeZr et CePr) ont également été étudiés. La plupart de ces échantillons a montré un effet légèrement positif sur la stabilité thermique et le comportement au feu des polymères. De point de vue mécanistique, les analyses réalisées en Py-GC-MS montrent que les oxydes greffés par des acides catalysent la transformation des alcènes et des diènes issus de la décomposition du PE en aromatiques. En présence de SBA-15, l’analyse des résidus carbonés (par DRX, FTIR) montrent la formation de nouvelles phases cristallines phosphosiliciques qui renforcent la couche protectrice. Les phases condensées et gazeuses de quelques formulations performantes en IOL ont été analysée par cône calorimètre et microcalorimètre (PCFC). La substitution d'une fraction d'APP/PER par de la silice SBA-15 a un effet plus marqué sur la stabilité thermique et le comportement au feu de la matrice PA66 (IOL= 48,5 (+10 par rapport au PA66/APP/PER), comparé aux matrices PE (IOL=25 (+0,5 par rapport au PE/APP/PER) et PS (IOL= 24,1 (+0,8 par rapport au PS/APP/PER). De plus, la fonctionnalisation [...] / In this study, we have tried to develop new formulations to improve the thermal stability and fire behavior of three polymer matrices widely used: the polyethylene (PE), the polystyrene (PS) and the polyamide 66 (PA 66). The intumescent system used consists to combine a classical flame retardants (ammonium polyphosphate (APP) and pentaeryhthritol (PER)) with a small amount of nanooxides whose properties can be adjusted in order to improve the compatibility of the melting mixture, or to change the degradation mechanism by a chemical (catalytic effect) or physical (insulating layer, viscosity, etc …) process. The total amount of additives has been set at 25wt%. An important part of this study was consecrated to the synthesis of oxides with different morphologies, porosities, structures and functionalities. In this regard, the mesoporous silica has an advantage of having a high surface area (700-1400 m²/g) and a pore size compatible with the polymer chains. By adapting the synthesis conditions, we have aimed to correlate between some parameters related to the prepared silicas (such as (1) the specific surface area (2) particle size (3) pore size (4) morphology and (5) the type of structure (usually SBA-15)) on the thermal stability and fire behavior of different polymer matrices. A comprehensive study has been conducted globally, regardless of the matrix, that the improvements provided by the mesostructured silicas are modest compared to those elicited by classical FR. However, the fire behavior has been improved (particularly LOI) by combining APP/PER system with 1-2wt% of SBA-15. The surface modification of SBA-15 by grafting a different organic functions (CTAB, amine, thiol, phenol, phosphonate, benzoic acid and diphenylphosphate), inorganic species (aluminum, phosphoric acid and tungstophosphoric acid) or metals (copper, nickel) have been the subject of an advanced characterizations in order to assess the amount and the thermal stability of the grafted species, well as the nature of the surface bonds. Other types of synthetic nanooxides (aluminophosphates, zirconium phosphate and titanate nanotubes) or commercial (CeO2, ZrO2, CeZr and CePr) have been also studied. Most of these particles in combination with APP/PER system have shown a slightly positive effect on the thermal stability and fire behavior of polymers. In mechanistic terms, the nanooxides have mainly an effect on enhancing the barrier effect. The analyses carried out by Py/GC/MS showed that the grafted oxides by acidic species catalyze the conversion of alkenes and dienes (resulting from the decomposition of PE) to aromatics. In the presence of SBA-15, the analysis of char (by XRD and FTIR) shows the formation of new crystalline phases which enhance the protective layer.

Dans le cadre de la protection de l’environnement et du consommateur, CTC effectue des tests enchimie analytique sur de nombreux paramètres en matrices aqueuses, cuir et textile. Les nouvelles substancesmises sur le marché ainsi que les réglementations évoluant sans cesse, le développement de nouvellesméthodes d’analyses est donc nécessaire.Plusieurs méthodes analytiques ont ainsi été développées. Pour l’analyse des rejets d’effluents industriels desinstallations classées et pour l’analyse d’innocuité de produits utilisant le cuir ou le textile (chaussures,maroquinerie, prêt-à-porter…).Les chloroalcanes ont été dosés en chromatographie gazeuse (GC) associée à la spectrométrie de masse (MS)utilisant l’ionisation chimique, à la fois en matrices aqueuses (limite de quantification, LQ, à 0,6 μg/l) et sur lescuirs (LQ à 2 mg/kg).Une analyse des alkylphénols et alkylphénols ethoxylates a été développée pour les matrices aqueuses parGC/MS (LQ à 0,05 μg/l).Plusieurs familles de retardateurs de flammes ont ensuite été étudiées. Les polybromodiphénylethers peuventêtre dosés dans les eaux (LQ<0,05 µl) et le cuir (LQ <= µg/kg), par GC/MS en ionisationchimique.L’hexabromocyclododécane et des organophosphates, par chromatographie liquide et spectrométrie de masseen tandem pour des matrices textiles (LQ à 6 mg/kg). Des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans le cuir ont ensuite été analysés par GC/MS-MS (LQ à 250 μg/kg).Enfin, une méthode multirésidus portant sur plusieurs familles de micropolluants organiques a été mise aupoint en GC/MS pour les rejets d’effluents (LQ <0,1 µg/l) / Taking in account the increasing needs and demands in environmental and consumer protection, CTCis always seeking improvement in analytical methods and development of new ones dealing with leather,fabrics and aqueous samples. In this thesis, several new methods were developed to be able to handleanalytical requests dealing with leather and textile materials being parts of shoes, clothes and other leathergoods.A GC/MS method using chemical ionization was developed to detect short polychlorinated alkanes down to aconcentration of 0.6 μg/L in aqueous sample and 2 mg/kg in leather samples. Alkylphenols and theirethoxylates were similarly determined by GC/MS down to 0.05 μg/L.Flame retardants are another large class of chemicals becoming suspicious. Polybromodiphenylethers weredetermined in aqueous samples and leathers. The respective GC/MS highest limits of quantification (LOQ)were0.05 µg/l and 80 μg/kg. Other members of this class are hexabromocyclododecane andorganophosphates. Both were determined by LC/MS-MS with LOQ of about 6 mg/kg.Carcinogenic polyaromatic hydrocarbons were also determined in leather samples using GC/MS-MS down to250 μg/kg.The last improved GC/MS analytical method was handling sewage sludge seeking multi residues of organicpolluants down to the 0.1 µg/l level or below. The analytical performances developed or improved allowedfor an efficient and useful control of the various sample received from the CTC customers and followinginternational quality rules

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est appliquée à des brûleurs industriels pour prédire de nombreux phénomènes physiques complexes, tel que l’allumage ou la formation de polluants. La prise en compte de réactions chimiques détaillées est alors indispensable pour obtenir des résultats précis. L’amélioration des moyens de calculs permet de réaliser des simulations de brûleurs avec une chimie de plus en plus détaillée. La principale problématique est le couplage entre les réactions chimiques et l’écoulement turbulent. Bien que la dynamique de flamme soit souvent bien reproduite avec les modèles actuels, la prédiction de phénomènes complexes comme la formation de polluants reste une tâche difficile. En particulier, des études ont montré que l’influence du plissement de sous-maille sur la structure chimique des flammes n’était pas prise en compte de manière précise. Deux modèles basés sur le filtrage explicite des fronts de flammes sont étudiés dans cette thèse afin d’améliorer la prédiction de polluants en combustion turbulente prémélangée : (i) le premier modèle met en jeu une méthode de déconvolution des variables filtrées ; (ii) le second modèle implique l’optimisation de la chimie pour obtenir des flammes turbulentes filtrées. L’objectif de la thèse est d’obtenir une prédiction précise des polluants à coût de calcul réduit. / Large Eddy Simulation (LES) is applied to industrial burners to predict a wide range of complex physical phenomena, such as flame ignition and pollutants formation. The prediction accuracy is tightly linked to the ability to describe in detail the chemical reactions and thus the flame chemical structure. With the improvement of computational clusters, the simulation of industrial burners with detailed chemistry becomes possible. A major issue is then to couple detailed chemical mechanisms to turbulent flows. While the flame dynamics is often correctly simulated with stateof- the-art models, the prediction of complex phenomena such as pollutants formation remains a difficult task. Several investigations show that, in many models, the impact of flame subgrid scale wrinkling on the chemical flame structure is not accurately taken into account. Two models based on explicit flame front filtering are explored in this thesis to improve pollutants formation in turbulent premixed combustion: (i) a model based on deconvolution of filtered scalars; (ii) a model involving the optimization of chemistry to reproduce filtered turbulent flames. The objective of the work is to achieve high accuracy in pollutants formation prediction at low computational costs.

L'objectif de cette thèse est de proposer un procédé de recyclage de mélanges ABS-PC issus des Déchets d'Equipements Electriques et Electroniques (DEEE) réels capable de s'affranchir des contraintes liées au recyclage des polymères.Ces contraintes sont liées, entre autre, à la présence d'impuretés (autres polymères) après l'étape de tri et au procédé de remise en forme. L'influence de la présence d'impureté dans un alliage ABS-PC sur ces propriétés mécaniques (résistance au choc et traction) a donc été étudiée en s'appuyant sur des observations morphologiques. Il s'est avéré que la présence d'impureté non miscible conduit à la dégradation des propriétés mécaniques de l'ABS-PC. L'ajout de compatibilisants a été étudié afin de masquer l'effet de l'impureté. Il a ainsi été montré que l'amélioration de la résilience du mélange (ABS-PC/impureté) est intimement liée à la modification de la morphologie et à la nature de l'adhésion aux interfaces. Il a ensuite été constaté que l'optimisation des paramètres de mise en oeuvre engendre une modification de la morphologie. Cette modification peut entrainer une augmentation de la résistance au choc.Ces deux méthodes ont ensuite été appliquées à un mélange d'ABS-PC ignifugé issu des DEEE contenant une impureté. L'ajout de compatibilisant et de la modification des paramètres de mise en oeuvre améliore la résilience. En revanche, cela a un effet néfaste sur le comportement au feu de l'alliage ABS-PC ignifugé.

Le présent travail est une étude expérimentale sur l’interaction entre flamme et turbulence. L’effet de la pression sur le plissement de flammes turbulentes prémélangées est caractérisé à l’aide de diagnostics laser et fil chaud. Dans un premier temps, la caractérisation de la turbulence générée par un système multi-échelles a été réalisée. Il a été démontré que ce dispositif amplifie le taux de turbulence de 40% par rapport à un dispositif mono-grille de maille équivalente. De même, les petites échelles de turbulence sont trouvées expérimentalement plus petites et plus énergétiques pour le système multi-grilles. A partir de ces résultats, l’étude des interactions entre flamme prémélangée et turbulence a été effectuée. En utilisant le diagnostic par tomographie laser, le front de flamme de plusieurs prémélanges a été étudié. En modifiant les conditions de mélange, l’effet des paramètres comme le nombre de Lewis, les conditions de turbulence ou les petites échelles ont pu être observés. Le faible impact des instabilités thermodiffusives sur la courbure du front de flamme et sur la dynamique de la flamme a été démontré. En revanche, l’effet des conditions de turbulence a été démontré comme important sur les caractéristiques du front de flamme. De plus, les résultats obtenus ont montré l’impact majeur de l’échelle de Taylor sur le plissement du front de flamme pour les conditions expérimentales de la présente étude. / The present work is an experimental study on the interactions between flame and turbulence. The pressure effect on the flame front wrinkling is characterised using laser diagnostics and hot wire anemometry. To begin with, the turbulence generated by a multi-grid system is characterised. It is shown that the present system produces a higher turbulence rate by 40% than for an equivalent mesh single-grid system. Moreover, the small turbulence scales sizes are experimentally found smaller with the multi-grid system. From those results, the interactions between premixed flames and turbulence were studied. By using the laser tomography diagnostic, the flame front of several gases premixes was observed. By changing the mixing conditions, the effect of parameters such as the Lewis number, the turbulence conditions and the small scale was observed. The low impact of the thermodiffusives instabilities in our conditions was demonstrated. However, the important effect of the turbulence conditions on the flame front characteristics was observed. Moreover, the present results showed the major impact of the Taylor micro scale on the flame front wrinkling for these study experimental conditions.

Ce travail porte sur la stabilisation de flammes prémélangées et swirlées de mélanges combustibles méthane/hydrogène/air avec différents taux de dilution d’azote et de dioxyde de carbone. Une tige centrale permet de stabiliser des flammes pour de faibles nombres de swirl. Le sommet de la flamme interagît éventuellement avec les parois de la chambre de combustion. L’objectif ces travaux est d’améliorer la connaissance des mécanismes qui gouvernent la stabilisation et la topologie de ces flammes. Ces travaux démontrent que le nombre de swirl, la composition du mélange combustible, la géométrie de la chambre de combustion ainsi que les conditions aux limites thermiques ont une grande influence sur la forme prise par la flamme. Le dispositif expérimental permet de modifier la forme et la taille de la chambre de combustion, le diamètre du tube d’injection et le nombre de swirl. Des conditions opératoires propices aux transitions de forme de flamme sont ensuite étudiées pour différentes configurations de brûleur. Une caractérisation expérimentale fouillée d’un point de fonctionnement est réalisée grâce à la Fluorescence Induite par Laser sur le radical Hydroxyle (OH-PLIF), la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et la Phosphorescence Induite par Laser de phosphores sensibles à la température (LIP). Une base de donnée de l’écoulement et des conditions aux limites associées est obtenue sans et avec combustion. Les mécanismes qui contrôlent les transitions de formes de flamme sont ensuite analysés lorsque la flamme interagit avec les parois de la chambre de combustion. L’influence de la composition du mélange combustible, de la vitesse débitante et du nombre de swirl est caractérisée et il est démontré que la transition d’une flamme en V vers une flamme en M est déclenchée par un retour de flamme dans la couche limite le long d’une des parois latérales de la chambre de combustion. Les nombres sans dimension contrôlant ces transitions sont identifiés et un modèle de prévision de la forme de ces flammes est développé. La physique déterminant les transitions de forme de flammes est différente lorsque celles-ci n’interagissent pas avec les parois de la chambre de combustion. En utilisant le signal de chimiluminescence OH* et la OH-PLIF, il est montré que la teneur en hydrogène dans le combustible a une grande influence sur la forme de flamme. L’utilisation de la LIP et de thermocouples a également permis de montrer que les conditions aux limites thermiques jouent un rôle prépondérant sur la forme de flamme. Les effets combinés de l’étirement et des pertes thermiques sont examinés par l’utilisation conjointe de la PIV et de la OH-PLIF. Il est montré que les limites d’extinction de flammes pauvres prémélangées sont réduites par les pertes thermiques et que la transition d’une flamme en M vers une flamme en V est consécutive à l’extinction du front de flamme situé dans la couche de cisaillement externe du jet soumis à un étirement trop important. Ces expériences sont complétées par une analyse de la dynamique de ces flammes. Des modulations de la vitesse débitante à basse fréquence et à haute amplitude modifient la forme de flamme. La stabilisation de flammes CH4/H2/air diluées par du N2 ou du CO2 est finalement examinée. La zone de recirculation produite par la tige centrale permet d’alimenter la base de la flamme avec des gaz brûlés chauds et de stabiliser des flammes fortement diluées. Augmenter la fraction molaire de diluant dans le combustible réduit l’intensité de lumière émise par le radical OH*. Il est également montré que la composition du diluant a un impact sur le champ de température des gaz brûlés et des surfaces de la chambre de combustion. La dilution par du CO2 augmente les pertes thermiques par rayonnement des gaz brûlés. Cela réduit l’efficacité de la chambre de combustion équipée de quatre parois transparentes. [...] / This work deals with the stabilization of premixed turbulent swirling flames of methane/hydrogen/air combustible mixtures with different dilution rates of nitrogen and carbon dioxide. A central bluff body helps stabilizing the flames at low swirl numbers. The flame tip eventually impinges the combustor peripheral wall. The general objective is to gain understanding of the mechanisms governing the stabilization and the topology of these flames. It is found that the swirl number, the combustible mixture composition, the geometry of the combustor, and the thermal boundary conditions have a strong impact on the shape taken by these flames. The experimental setup used to characterize flames topologies is first described. Flames prone to topology bifurcations are selected and are studied for different arrangement of the combustor when the combustion chamber shape and size, the injection tube diameter, and swirl number are varied. One operating condition is fully characterized under non-reactive and reactive conditions using Planar Hydroxyl Laser Induced Fluorescence (OH-PLIF), Particle Imaging Velocimetry (PIV), and Laser Induced Phosphorescence of thermographic phosphors (LIP) to generate a detailed database of the flow and the corresponding boundary conditions. An analysis is then conducted to understand the mechanisms controlling shape bifurcations when the flame interacts with the combustor peripheral wall. Effects of the combustible mixture composition, the bulk flow velocity, and the swirl number are analyzed. It is shown that the transition from a V to an M flame is triggered by a flashback of the V flame tip in the boundary layer of the combustor peripheral wall. Dimensionless numbers controlling these transitions are identified and a simplified model is developed to help the prediction of the flame shapes. The physics of these shape bifurcations differs when the flame does not interact with the combustor wall. The large influence of the hydrogen enrichment in the fuel on the flame shape is analyzed using flame chemiluminescence and OH-PLIF. LIP and thermocouple measurements demonstrate that the thermal boundary conditions still have a strong impact on the flame topology. The combined effects of strain and heat losses are investigated using joint OH-PLIF and PIV experiments. It is shown that flammability limits of premixed flames are reduced due to heat losses and the transitions from M to V shaped flames is consecutive to localized extinctions of flame front elements located in the outer shear layer of the jet flow that are submitted to large strain rates. These experiments are completed by an analysis of the dynamics of methane/hydrogen/air flames. It is shown that low frequency and high amplitude velocity modulations generated by a loudspeaker alter the shape taken by these flames. The stabilization of methane/hydrogen/air flames diluted by nitrogen and carbon dioxide is finally examined. It was possible to stabilize swirled flames featuring important dilution rates due to the presence of the bluff body, installed on the axis of the injection tube. The recirculation zone behind this element supplies hot burnt gases to the flame anchoring point. Using OH* chemiluminescence imaging, it is shown than increasing the molar fraction of diluent in the fuel reduces the light emission from excited OH* radicals. The influence of dilution on the flame chemistry is emphasized with experiments conducted at a fixed thermal power and fixed adiabatic flame temperature. It is also demonstrated that the composition of the diluent has a strong influence on the temperature field of the burnt gases and of the combustor wall surfaces. Dilution with carbon dioxide increases radiative heat losses from the burnt gases in comparison to dilution with nitrogen. This penalizes the combustor efficiency equipped with four transparent quartz walls. [...]

L’objectif de cette thèse est de proposer un procédé de recyclage de mélanges ABS-PC issus des Déchets d’Equipements Electriques et Electroniques (DEEE) réels capable de s’affranchir des contraintes liées au recyclage des polymères.Ces contraintes sont liées, entre autre, à la présence d’impuretés (autres polymères) après l'étape de tri et au procédé de remise en forme. L’influence de la présence d’impureté dans un alliage ABS-PC sur ces propriétés mécaniques (résistance au choc et traction) a donc été étudiée en s’appuyant sur des observations morphologiques. Il s’est avéré que la présence d’impureté non miscible conduit à la dégradation des propriétés mécaniques de l’ABS-PC. L’ajout de compatibilisants a été étudié afin de masquer l’effet de l’impureté. Il a ainsi été montré que l’amélioration de la résilience du mélange (ABS-PC/impureté) est intimement liée à la modification de la morphologie et à la nature de l’adhésion aux interfaces. Il a ensuite été constaté que l’optimisation des paramètres de mise en oeuvre engendre une modification de la morphologie. Cette modification peut entrainer une augmentation de la résistance au choc.Ces deux méthodes ont ensuite été appliquées à un mélange d’ABS-PC ignifugé issu des DEEE contenant une impureté. L’ajout de compatibilisant et de la modification des paramètres de mise en oeuvre améliore la résilience. En revanche, cela a un effet néfaste sur le comportement au feu de l’alliage ABS-PC ignifugé. / The aim of this PhD work was to propose a recycling process method of PC-ABS blend from real Waste Electrical and Electronic Equipment deposit (WEEE) deposits. This recycling process has to be able to overcome the problematic related to polymer recycling.The main constraints about recycling process are the presence of polymeric impurities after sorting step as well as mechanical reprocessing (extrusion and injection molded). Firstly, the effect of impurities on the mechanical properties (tensile and impact strength) and morphology (SEM, TEM) of PC-ABS blends have been studied. The presence of immiscible impurity deteriorates the mechanical properties of PC-ABS. The addition of an appropriate compatibilizer enhances the interface between PC-ABS and the impurity. The compatibilizer improves the impact strength and changes the morphology of this blend. Secondly, the optimization of injection molding parameters generates a change in morphology. This change leads to an increase of the impact strength.Both methods were applied to a flame retardant PC-ABS from WEEE with an impurity. The addition of a compatibilizer and the modification of injection molding parameters improve the impact strength. The presences of an impurity and a compatibilizer have a negative effect on the flame retardant properties of the PC-ABS blend

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx . . . ) des foyers de combustion de turboréacteurs. L’étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d’azote via la modification de la variable d’avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d’espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l’aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l’implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d’interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés. / This thesis is focused on the prediction capabilities of pollution (CO, NOx especially) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on Large-Eddy Simulation methods coupled with a tabulated detailed chemistry approach. The PCM-FPI model, which stands for Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM, has been revised to take into account nitrogen chemistry through a modification of the progress variable. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Cabra and Sandia flames have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The role of CH2O as a marker of heat release is investigated, first in the frame of laminar premixed flames and then validated through LES runs. The challenges of the implementation of tabulated chemistry methods on massively parallel machines are discussed. Modifications are proposed regarding both the table structure and the interpolation methods leading to a mesh sensitivity review applied to the Sandia D flame. Difficulties arising when dealing with NOx chemistry in turbulent flows are presented : new Sub-Grid Scale models are introduced and investigated.

Les interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques sont le fil conducteur de ce travail. En effet, les flammes produisent de la chaleur, mais peuvent aussi être affectées par des transferts ou des sources de chaleur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est utilisée ici pour étudier ces interactions, en mettant l’accent sur deux sujets principaux: le transfert de chaleur aux parois et le contrôle de la combustion. Dans un premier temps, on étudie le transfert de chaleur aux parois dans un modèle de brûleur CH4/O2 de moteur-fusée. Dans un contexte deréutilisabilité et de réduction des coûts des lanceurs, qui constituent des enjeux majeurs, de nouveaux couples de propergols sont envisagés et les flux thermiques à la paroi doivent êtreprécisément prédits. Le but de ce travail est d’évaluer les besoins et les performances des SGEpour simuler ce type de configuration et de proposer une méthodologie de calcul permettant desimuler différentes configurations. Les résultats numériques sont comparés aux donnéesexpérimentales fournies par la Technische Universität München (Allemagne). Dans un deuxième temps, le contrôle de la combustion au moyen de décharges de plasma de type NRP (en anglaisNanosecond Repetitively Pulsed) est étudié. Les systèmes de turbines à gaz modernes utilisent en effet une combustion pauvre dans le but de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. Les flammes pauvres sont connues pour être sujettes à des instabilités et le contrôle de la combustion peut jouer un rôle majeur dans ce domaine. Un modèle phénoménologique qui considère les décharges de plasma comme une source de chaleur est développé et appliqué à un brûleur pauvre avec prémélange CH4/Air stabilisé par un swirler. LesSGE sont réalisées afin d’évaluer les effets des décharges NRP sur la flamme. Les résultats numériques sont comparés aux observations expérimentales faites à la King Abdulla University ofScience and Technology (Arabie Saoudite) / Interactions between flames and thermal phenomena are the guiding thread of this work. Flamesproduce heat indeed, but can also be affected by it. Large Eddy Simulations (LES) are used hereto investigate these interactions, with a focus on two main topics: wall heat transfer andcombustion control. In a first part, wall heat transfer in a rocket engine sub-scale CH4/O2 burner isstudied. In the context of launchers re-usability and cost reduction, which are major challenges,new propellant combinations are considered and wall heat fluxes have to be precisely predicted.The aim of this work is to evaluate LES needs and performances to simulate this kind ofconfiguration and provide a computational methodology permitting to simulate variousconfigurations. Numerical results are compared to experimental data provided by the TechnischeUniversität München (Germany). In a second part, combustion control by means of NanosecondRepetitively Pulsed (NRP) plasma discharges is studied. Modern gas turbine systems use indeedlean combustion with the aim of reducing fuel consumption and pollutant emissions. Lean flamesare however known to be prone to instabilities and combustion control can play a major role in thisdomain. A phenomenological model which considers the plasma discharges as a heat source isdeveloped and applied to a swirl-stabilized CH4/Air premixed lean burner. LES are performed inorder to evaluate the effects of the NRP discharges on the flame. Numerical results are comparedwith experimental observations made at the King Abdulla University of Science and Technology(Saudi Arabia).

Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur.