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.

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. [...]

Ce travail de thèse porte sur l’analyse des effets de la recirculation des gaz de combustion, via l’étude de la dilution par le dioxyde de carbone et plus particulièrement de la vapeur d’eau sur des flammes méthane/air enrichi en dioxygène, dans le cas d’une combustion prémélangée pressurisée rencontrée dans les turbines à gaz. Des mesures de vitesses de flammes CH4/O2/H2O/N2 laminaires pressurisées ont été obtenues à l’aide d’une flamme sphérique se propageant librement dans une enceinte close. L’analyse des résultats expérimentaux a permis de vérifier la validité du schéma cinétique GRIMech ?3.0 au travers des calculs numériques de flammes libres monodimensionnelles. Des calculs complémentaires ont permis l’établissement d’une base de données (vitesse de flamme laminaire, longueur de Markstein et nombre de Lewis, température adiabatique de combustion et épaisseur de flamme) en fonction des paramètres d’entrées de la combustion (température, pression, X(H2O), richesse et enrichissement en dioxygène. L’étude expérimentale complémentaire en régime turbulent des flammes diluées à l’H2O ou au CO2 a permis de mettre en avant l’effet de la vitesse laminaire de flamme sur les structures moyennes et la stabilité des flammes turbulentes. Elle a également permis d’analyser les paramètres (température adiabatique, X(H2O), X(CO2), X(N2), Vitesse de flamme laminaire) ayant un rôle important sur la production des polluants CO et NO. / This PhD thesis deals with the analysis of the effects of exhaust gas recirculation (EGR) through the study of the dilution by carbon dioxide and more particularly of the water steam on dioxygen enriched methane/air flames, in the case of a premixed pressurized combustion encountered in gas turbines. CH4/O2/H2O/N2 pressurized laminar burning velocity measurement were obtained using a spherical flame propagating freely in a closed chamber. The analysis of the experimental results made it possible to check the validity of the kinetic scheme GRIMech.3.0 through numerical calculations of one-dimensional free flames. Further calculations allowed the establishment of a database (laminar burning velocity, Markstein length and Lewis number, adiabatic combustion temperature and flame thickness) as a function of combustion input parameters (temperature, pressure, X(H2O), equivalence ratio and dioxygen enrichment). The additional experimental study under turbulent regime, the flames diluted with H2O and CO2 allowed to highlight the effect of the laminar burning velocity on the average structures and the stability of turbulent flames. It also allowed to analyze the parameters (adiabatic flame temperature, pressure, X(H2O), X(CO2), X(N2), laminar burning velocity) which have an important role in the production of CO pollutants and NO.