Les objectifs de ce travail portent sur le rôle de l'oxydation de biocarburants lignocellulosiques dans la cinétique de formation des oxydes d'azote. Le choix s’est porté sur le furane (F) et le tétrahydrofurane (THF). Cette thèse a permis d’acquérir une base de données expérimentales détaillée afin de tester des mécanismes cinétiques d'oxydation de ces biocarburants disponibles dans la littérature ainsi que d’évaluer leur aptitude à prévoir la formation de CH initiateur du NO précoce. Six flammes laminaires prémélangées à basse pression (5.3 kPa) ont été étudiées à deux richesses (1,0 et 1,2). Trois combustibles ont été considérés: (i) le méthane pur utilisé comme référence, (ii) un mélange F (50%)/méthane (50%), et (iii) un mélange THF (50%)/méthane (50%) pour évaluer l'impact de ces biocarburants sur la formation de NO. Les profils de fraction molaire des espèces sont été déterminés par chromatographie en phase gaz couplée à des détecteurs FID/TCD/MS. Les profils de fraction molaire du NO et du radical CH ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser (LIF). Les résultats expérimentaux montrent que la différence de structure moléculaire de ces éthers cycliques induit des différences significatives dans la formation des espèces intermédiaires issues de leur oxydation. Ainsi, l'oxydation de F favorise la formation de CH et donc la production de NO par rapport aux flammes de méthane et de THF. Les profils expérimentaux ont été comparés aux profils simulés par deux modèles cinétiques, indiquant que ces mécanismes nécessitent d’être optimisés sur la formation de CH avant d’envisager l’introduction d’un sous-mécanisme relatif à la chimie de l’azote. / The objective of this work is to investigate the role of oxidation of lignocellulosic biofuels in the formation of nitrogen oxides (NOx) in flames. The biofuels chosen are furan (F) and tetrahydrofuran (THF). This thesis enabled to acquire a detailed experimental database in order to test the kinetic mechanisms available in literature of the oxidation of these biofuels as well as to evaluate their ability to predict the formation of CH, the key species on the prompt-NO mechanism. Six premixed low-pressure laminar flames (5.3 kPa) were studied under two equivalent ratio conditions (1,0 et 1,2). Three fuels are considered: (i) pure methane, which is used as a reference flame, (ii) a F (50%)/methane (50%) mixture, and (iii) THF (50%)/methane (50%) in order to evaluate the impact of these biofuels on NOx formation. The structure of these flames was characterized by establishing the mole fraction profiles of stable intermediates and products using gas chromatography coupled with FID/TCD/MS detectors. The mole fraction profiles of NO and CH radical were detected by Laser Induced Fluorescence (LIF). The experimental results show that the different molecular structures of these cyclic ethers leads to significant differences in the formation of intermediate species and pollutants. Thus, F oxidation promotes the CH formation and then the NO with respect to methane and THF. The experimental profiles were compared with the simulated profiles using two detailed kinetic models. The preliminary modeling study indicates that the studied mechanisms require some improvements on the prediction of CH formation before to consider the introduction of a sub-mechanism on nitrogen Chemistry.

Ce manuscrit constitue la synthèse d'efforts visant à évaluer l'impact des composés oxygénés contenus dans des mélanges représentatifs de Biodiesel, sur leur tendance à la production de suie d'une part, et sur les propriétés physico-chimiques et la réactivité des suies d'autre part. Pour ce faire, une production stationnaire de particules de suie par un brûleur académique générant des flammes non-prémélangées a été mise en point. Dans un premier temps, nous avons montré que la teneur ainsi que la structure des additifs oxygénés à base d'ester méthylique affectent la formation de suie dans la flamme. Ainsi, les résultats ont démontré que l'efficacité d'un carburant à réduire la tendance à la production de suie en terme d'indice YSI est de plus en plus importante lorsque le contenu et/ou la longueur de la chaîne aliphatique carbonée de l'ester méthylique augmentent dans le carburant de référence. Dans un second temps, les suies " modèles " récupérées dans la région post-flamme ont été caractérisées puis comparées entre elles ainsi qu'avec une suie Biodiesel " réelle ". Les analyses ont montré que les suies issues des " surrogates " Biodiesel contenant la teneur en ester la plus élevée et la chaîne aliphatique carbonée la plus longue présentaient la distribution de taille la plus étroite, le diamètre des agrégats le plus petit, les teneurs en oxygène et en fraction organique soluble les plus faibles et étaient moins réactives. Enfin, nous avons observé que les suies " modèles " issue du brûleur académique de SANTORO et la suie " réelle " possèdent des propriétés physico-chimiques très proches et une réactivité similaire. / The aim of this work was to evaluate the effect of oxygenated compounds concentration and structure on sooting tendencies of surrogate Diesel and Biodiesel, and to investigate the properties and the oxidative reactivity of soot obtained by their combustion using an atmospheric axi-symmetric co-flow non-premixed flame burner. Results evidenced that ester functions contained in Biodiesel surrogates reduce soot production. This decrease was more pronounced when the concentration of the oxygenated additive investigated was higher. However, it has been determined that YSI decreases when the aliphatic carbon chain of the ester additive is longer. On the other hand, physico-chemical characterizations of the generated model soot revealed that oxygen and soluble organic fraction (SOF) content decreases when the amount of methyl ester based additives increases in the reference fuel. Moreover, the behavior towards oxidation indicated that the Biodiesel-derived soot was less reactive than the Diesel-derived one. Finally, it was noticed from the results obtained from laser granulometry and TPOs that the particle size distribution and the reactivity of model soot collected from the burner are in the same range of size and of maximum oxidation temperature as soot derived from a Diesel engine functioning under specific conditions and with different type of fuel blending.

La simulation numérique est l'un des outils les plus puissants pour concevoir etoptimiser les systèmes industriels. Dans le domaine de la Dynamique des FluidesNumériques (CFD, "Computational Fluid Dynamics"), la simulation auxgrandes échelles (LES, "Large Eddy Simulation") est aujourd'hui largementutilisée pour calculer les écoulements turbulents réactifs, où les tourbillons degrande taille sont calculés explicitement, tandis que l'effet de ceux de petitetaille est modelisé. Des modèles de sous-mailles sont requis pour fermer leséquations de transport en LES, et dans le contexte de la simulation de la combustionturbulente, le plissement de la surface de flamme de sous-maille doitêtre modélisé.En général, augmenter le plissement de la surface de flamme de sous-maille favorisela combustion. L'amplitude de la promotion est donnée par une fonctiond'efficacité, qui est dérivée d'une hypothèse d'équilibre entre la production etla destruction de la surface de flamme. Dans les méthodes conventionnelles,le calcul de la fonction d'efficacité nécessite une constante qui dépend de lagéométrie de la chambre de combustion, de l'intensité de turbulence, de larichesse du mélange de air-carburant etc, et cette constante doit être fixée audébut de la simulation. Autrement dit, elle doit être déterminé empiriquement.Cette thèse développe un modèle de sous-maille pour la LES en combustionturbulente, qui est appelé le modèle dynamique de flammelette épaissie (DTF,"dynamic thickened flamelet model"), qui détermine la valeur de la constanteen fonction des conditions de l'écoulement sans utiliser des données empiriques.Ce modèle est tout d'abord testé sur une flamme laminaire unidimensionnellepour vérifier la convergence de la fonction d'efficacité vers l'unité (aucun plissementde la surface de flamme de sous-maille). Puis il est appliqué en combinaisonavec le modèle dynamique de Smagorinsky (Dynamic Smagorinskymodel) aux simulations multidimensionnelles d'une flamme en V, stabilisée enaval d'un dièdre. Les résultats de la simulation en trois dimensions sont alorscomparés avec les données expérimentales obtenues sur une expérience de mêmegéométrie. La comparaison montre la faisabilité de la formulation dynamique.

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.

La simulation numérique est l’un des outils les plus puissants pour concevoir etoptimiser les systèmes industriels. Dans le domaine de la Dynamique des FluidesNumériques (CFD, "Computational Fluid Dynamics"), la simulation auxgrandes échelles (LES, "Large Eddy Simulation") est aujourd’hui largementutilisée pour calculer les écoulements turbulents réactifs, où les tourbillons degrande taille sont calculés explicitement, tandis que l’effet de ceux de petitetaille est modelisé. Des modèles de sous-mailles sont requis pour fermer leséquations de transport en LES, et dans le contexte de la simulation de la combustionturbulente, le plissement de la surface de flamme de sous-maille doitêtre modélisé.En général, augmenter le plissement de la surface de flamme de sous-maille favorisela combustion. L’amplitude de la promotion est donnée par une fonctiond’efficacité, qui est dérivée d’une hypothèse d’équilibre entre la production etla destruction de la surface de flamme. Dans les méthodes conventionnelles,le calcul de la fonction d’efficacité nécessite une constante qui dépend de lagéométrie de la chambre de combustion, de l’intensité de turbulence, de larichesse du mélange de air-carburant etc, et cette constante doit être fixée audébut de la simulation. Autrement dit, elle doit être déterminé empiriquement.Cette thèse développe un modèle de sous-maille pour la LES en combustionturbulente, qui est appelé le modèle dynamique de flammelette épaissie (DTF,"dynamic thickened flamelet model"), qui détermine la valeur de la constanteen fonction des conditions de l’écoulement sans utiliser des données empiriques.Ce modèle est tout d’abord testé sur une flamme laminaire unidimensionnellepour vérifier la convergence de la fonction d’efficacité vers l’unité (aucun plissementde la surface de flamme de sous-maille). Puis il est appliqué en combinaisonavec le modèle dynamique de Smagorinsky (Dynamic Smagorinskymodel) aux simulations multidimensionnelles d’une flamme en V, stabilisée enaval d’un dièdre. Les résultats de la simulation en trois dimensions sont alorscomparés avec les données expérimentales obtenues sur une expérience de mêmegéométrie. La comparaison montre la faisabilité de la formulation dynamique. / Numerical simulation is one of the most powerful tools to design and optimizeindustrial facilities. In the field of Computational Fluid Dynamics (CFD),Large Eddy Simulation (LES) is widely used to compute turbulent reactingflows, where larger turbulent motions are explicitly computed, while only theeffect of smaller ones is modeled. Subgrid models are required to close thetransport equations in LES, and in the context of the simulation of turbulentcombustion, the subgrid-scale wrinkling of the flame front must be modeled.In general, subgrid-scale flame wrinkling promotes the chemical reaction. Themagnitude of the promotion is given through an efficiency function derivedfrom an equilibrium assumption between production and destruction of flamesurface. In conventional methods, the calculation of the efficiency functionrequires a constant which depends on the geometry of the combustion chamber,turbulence intensity, the equivalence ratio of the fuel-air mixture, and so on;this constant must be prescribed at the beginning of the simulation. In otherwords, empirical knowledge is required.This thesis develops a subgrid-scale model for LES of turbulent combustion,called the dynamic thickened flamelet (DTF) model, which determines the valueof the constant from the flow conditions without any empirical input.The model is first tested in a one-dimensional laminar flame to verify the convergenceof the efficiency function to unity (no subgrid-scale flame front wrinkling).Then it is applied to multi-dimensional simulations of V-shape flamestabilized downstream of a triangular flame holder in combination with the dynamicSmagorinsky model. The results of the three-dimensional simulation arethen compared with the experimental data obtained through the experimentof the same geometry. The comparison proves the feasibility of the dynamicformulation.

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

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.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration des capacités de prédiction des émissions d'oxydes d'azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d'abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l'écriture d'un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l'approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l'avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l'équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d'azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d'un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d'une chambre de combustion aéronautique.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

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.