Ce travail de thèse expérimental vise à améliorer la compréhension des flammes turbulentes de prémélange méthane/air pour différents cas de pression et différents enrichissements en hydrogène. L'étude est effectuée à l'aide d'un brûleur de type Bunsen placé dans une chambre de combustion haute pression. Une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu est rendue possible par l'utilisation de diagnostics optiques. La structure macroscopique de la flamme est étudiée à l'aide du diagnostic de tomographie par plan laser, la structure interne de la flamme à l'aide du diagnostic de diffusion Rayleigh 2D. Ces informations sont largement utilisées pour tester différents modèles de combustion.

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'optimisation des systèmes d'allumage est un paramètre critique pour la définition des foyers de combustion industriels. Des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) d'un brûleur de type bluff-body non pré-mélangé ont été menées afin de comprendre l'influence de la position de la bougie sur la probabilité d'allumage. La prise en compte de la combustion est basée sur une méthode de tabulation de la chimie détaillée (PCM-FPI pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM). Les résultats de ces simulations ont été confrontés des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Dans un premier temps, les mesures de vitesse et du champ de richesse à froid sont comparées aux résultats de la simulation pour évaluer les capacités de prédiction en terme de structure de l'écoulement et de mélange turbulent. Un suivi temporel des vitesses et de la fraction de mélange est réalisé à différents points pour déterminer les fonctions de densité de probabilité (ou PDF)des variables caractéristiques de l'écoulement, à partir des champs résolus en LES. Les PDFs ainsi obtenues servent l'analyse des phénomènes d'allumages réussis ou déficients rencontrés expérimentalement. Des simulations d'allumage forcé ont été effectuées pour analyser les différents scénarios de développement de la flamme. Les corrélations entre les valeurs locales (fraction de mélange, vitesse) autour de la position d'allumage et les chances de succès de développement du noyau de gaz brûlés sont alors discutées. Enfin, une extension de la méthode PCM-FPI avec prise en compte des effets d'étirement est développée à l'aide d'une analyse asymptotique, puis confrontée aux résultats de mesures expérimentales.

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.

Ce travail de recherche est consacré à l'étude des processus d'allumage et de stabilisation des flammes turbulentes en configuration aéronautique. Cette thèse, entièrement expérimentale, se base dans une première partie sur l'étude et la compréhension de l'effet des paramètres locaux (vitesse et concentration en combustible) et de l'historique du noyau de flamme au cours de sa propagation sur les statistiques d'allumage. Pour expliquer ces statistiques, des scénarios sont proposés et validés pour différentes configurations opératoires. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'amélioration de la stabilité des flammes kérosène/air par dopage en hydrogène. Nous avons montré qu'à même structure de flamme, l'amplitude des fluctuations de pression était abaissée par la présence d'hydrogène. / This research is dedicated to the study of turbulent flames ignition and stabilization processes in representatives' aircraft combustion chambers. This PHD thesis, fully experimental, is based on studying and understanding local parameters (velocity and fuel concentration) and historical effects of the flame kernel's environment during its propagation on ignition statistics. To explain this statistics, various scenarios arre proposed and discussed. In this way, we justify the existence of high and low efficiency areas thanks to a time development criterion of the flame kernel. The second part of this thesis is dedicated to flame stabilization improvment by using H2 enrichment. Turbulent kerosene/air flames have been doped in gaseous hydrogen. We demonstrate a reduction of pressure oscillations' amplitude for the same flame structure.

L'optimisation des systèmes d'allumage est un paramètre critique pour la définition des foyers de combustion industriels. Des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) d'un brûleur de type bluff-body non pré-mélangé ont été menées afin de comprendre l'influence de la position de la bougie sur la probabilité d'allumage. La prise en compte de la combustion est basée sur une méthode de tabulation de la chimie détaillée (PCM-FPI pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM). Les résultats de ces simulations ont été confrontés des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Dans un premier temps, les mesures de vitesse et du champ de richesse à froid sont comparées aux résultats de la simulation pour évaluer les capacités de prédiction en terme de structure de l'écoulement et de mélange turbulent. Un suivi temporel des vitesses et de la fraction de mélange est réalisé à différents points pour déterminer les fonctions de densité de probabilité (ou PDF)des variables caractéristiques de l'écoulement, à partir des champs résolus en LES. Les PDFs ainsi obtenues servent l'analyse des phénomènes d'allumages réussis ou déficients rencontrés expérimentalement. Des simulations d'allumage forcé ont été effectuées pour analyser les différents scénarios de développement de la flamme. Les corrélations entre les valeurs locales (fraction de mélange, vitesse) autour de la position d'allumage et les chances de succès de développement du noyau de gaz brûlés sont alors discutées. Enfin, une extension de la méthode PCM-FPI avec prise en compte des effets d'étirement est développée à l'aide d'une analyse asymptotique, puis confrontée aux résultats de mesures expérimentales. / The optimization of the ignition process is a crucial issue in the design of many combustion systems. Large eddy simulation (LES) of a conical shaped bluff-body turbulent non-premixed burner has been performed to study the impact of spark location on ignition success. The chemistry part of the simulation is done using tabulated detailed chemistry approach. This burner was experimentally investigated by Ahmed et al at Cambridge (UK). The present work focuses on the case without swirl for which detailed measurements are available. First, cold fkow measurements of velocities and mixture fraction are compared with their LES counterparts, to assess the prediction capabilities of simulations in terms of flow and turbulent mixing. Time history of velocities and mixture fraction are recorded at selected spots, to probe the resolved probability density function (pdf) of flow variables, in an attempt to reproduce, from the knowledge of LES resolved instantaneous flow conditions, the experimentally observed reasons of success or failure of spark ignition. A flammability map is also constructed from the resolved mixture fraction pdf and compared with its experimental counterpart. LES of forced ignition is then performed using flamelet fully detailed tabulated chemistry combined with presumed pdfs (PCM-FPI). Various scenarios of flame kernel development are analyzed and correlated with typical flow conditions observed in this burner. The correlations between velocities and mixture fraction values at the sparking time and the success or failure of ignition are then further discussed and analysed. The rate of flame development during successful or unsuccessful ignition events are analysed and compared against experimental observations. Finally, from asymptotic flame analysis, a novel approach has been proposed to include flame straining effects in the PCM-FPI method developped at CORIA-CNRS. The new model overcomes the problem associated with classical PCM-FPI closure to model kernel quenching due to intense local turbulence. Computations are done including the flame straining effects and the effect brought by the new model on kernel development is analysed in detail.

Ce travail de recherche est consacré à l'étude des processus d'allumage et de stabilisation des flammes turbulentes en configuration aéronautique. Cette thèse, entièrement expérimentale, se base dans une première partie sur l'étude et la compréhension de l'effet des paramètres locaux (vitesse et concentration en combustible) et de l'historique du noyau de flamme au cours de sa propagation sur les statistiques d'allumage. Pour expliquer ces statistiques, des scénarios sont proposés et validés pour différentes configurations opératoires. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'amélioration de la stabilité des flammes kérosène/air par dopage en hydrogène. Nous avons montré qu'à même structure de flamme, l'amplitude des fluctuations de pression était abaissée par la présence d'hydrogène.

L'influence de l'ajout d'hydrogène sur les flammes de premelange pauvre methane-air est simulée dans cette étude. Le modèle de la chambre a haute pression Orleans - ICARE (France), a été développé. Les propriétés du front de flamme sont examinées par deux modèles de combustion turbulente prémélangée, à savoir Zimont et Flamme Cohérente Model (CFM) modèles.Toutes les études de modélisation sont effectués avec le logiciel Fluent et les résultats sont comparés aux expériences. En suite, l'influence de la pression sur les statistiques de la front de flamme prémélangée a été examinée. Les simulations montrent que l'augmentation du ratio d'équivalence a diminué la hauteur des flammes et l'épaisseur de la flamme du méthane/air flames. D'autre part, l’ajout d’hydrogene de mélange pauvre méthane-air a modifié les propriétés de la flamme prémélangée. Lorsque le pourcentage volumique de l'hydrogène dans le mélange est augmenté, la position en hauteur de la flamme est réduite et l'épaisseur de la flamme devient plus mince. En outre, il a été observé que les propriétés de la flamme prémélangée ont été modifiées avec l'opération à des conditions de pression plus élevée. / Hydrogenated premixed methane/air flames under lean conditions are simulated in this study. The model of the high pressure chamber setup of Orleans - ICARE (France) has been developed. The flame front properties are investigated by two turbulent premixed combustion models, Zimont and Coherent Flame Model (CFM) models. All modeling studies are performed with Fluent software and compared to experiments. The influence of the pressure on the premixed flame front statistics has been examined as well. The simulations show that increasing the equivalence ratio decreases the flame tip height and the flame brush thickness for methane/air flames. In addition, enriching the methane-air mixture with hydrogen modifies the premixed flame front properties. When the volumetric percentage of hydrogen in the mixture is increased, the flame-end position is reduced and flame brush thickness becomes thinner. It is also observed that the premixed flame properties have been modified with operation at higher pressure conditions.

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.