Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'émission de HAPs (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) et de particules carbonées produis lors de la combustion d'hydrocarbures ont un impact important à la fois sur l'environnement et sur la santé. En effet, les particules de suie, étant des particules ultra-fines sont facilement assimilées par le système respiratoire et provoquent des troubles de l'organisme. De plus, les HAPs que ce soit en phase gazeuse ou adsorbés à la surface des suies sont reconnus comme étant des composés mutagènes et cancérigènes. La limitation des émissions de ces espèces polluantes passe par une compréhension des mécanismes à l'origine de leur formation et nécessite donc la mise en place de techniques de plus en plus sensibles pour permettre leur détection dans des flammes où évoluent de nombreuses espèces chimiques en interaction les unes avec les autres. Ce travail de thèse a donc pour objectif de développer une nouvelle méthode de détection de HAPs sélective, sensible et quantitative reposant sur l'extraction des espèces de la flamme et à leur analyse par Fluorescence Induite par laser (LIF) après refroidissement au sein d'un jet supersonique. Cette stratégie conduit à l'obtention de spectres caractéristiques de HAPs spécifiques permettant ainsi leur mesure quantitative et sélective. Grâce au développement de cette méthode, la mesure de profils de fraction molaire de trois espèces clefs dans les mécanismes de formation des HAPs (benzène, naphtalène et pyrène) a pu être réalisée dans une flamme de prémélange CH4/O2/N2 stabilisée à basse pression pour différentes conditions de pression et de richesse. En parallèle, les profils de fraction volumique de suie ont été obtenus in situ par la technique d'Incandescence Induite par Laser (LII), ce qui a permis de dégager des corrélations entre concentrations de HAPs et de particules de suie. La base de données obtenue permettra d'affiner les modèles cinétiques de formation de HAPs et de suies dans les flammes.

L'objectif de cette thèse est l'étude de la formation de nanoparticules carbonées dans un plasma basse pression. Les poussières sont créées par pulvérisation d'une couche de polymère deposée sur l' électrode d'une décharge radio-fréquence à couplage capacitif. La présence des poudres perturbe et modifie les propriétés du plasma. La croissance des poudres peut notamment déclencher des instabilités basse fréquence qui évoluent avec la taille et la densité des poudres. Au centre du plasma, une région sans poudre, appelée void, est souvent observée. Cette région se caractérise en particulier par une forte luminosité. Différents diagnostics (mesures électriques, imagerie video rapide, Fluorescence Induite par Laser) sont utilisés afin d'analyser ces différents comportements résultant des interactions entre le plasma et les poussières. L'analyse approfondie des instabilités a permis de mettre en évidence plusieurs régimes et d'extraire leurs principales caractéristiques comme leur durée et l' évolution de leurs fréquences. Ces instabilités se traduisent par la formation de petites "boules" de plasma qui se déplacent et interagissent au sein de celui-ci. Des phénomènes particulièrement surprenants de fusion et de division de ces boules ont été mis en évidence. Concernant le void, nos travaux ont con firmé la forte excitation présente dans cette zone. Dans la dernière partie de la thèse, la dissociation de l'aluminium triisopropoxide (ATI) est étudiée dans un plasma à l'aide de la Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier. Ce diagnostic nous a permis de mettre en évidence l' évolution de la densité d'ATI en fonction des paramètres de la décharge. Nous avons également quantifié les différents composants hydrocarbonés formés par polymérisation.

Le vieillissement de la peau est l'un des signes extérieurs du passage du temps. Avec l’âge, la peau devient plus sèche et se ride suite à la dégradation des macromolécules de la matrice extracellulaire par des enzymes cutanées telles que l’élastase, l’hyaluronidase et la collagénase. L’objectif de ce travail de thèse est de développer des tests enzymatiques miniaturisés en électrophorèse capillaire pour cribler des extraits de plantes et identifier de nouveaux bioactifs pour la cosmétique et le bienêtre de la peau. Ces essais ont été développés soit en dehors du capillaire (qui sert uniquement de milieu de séparation) ou dans le capillaire (qui sert alors de nanoréacteur enzymatique), puis optimisés pour permettre la détermination des constantes cinétiques (Km, Vmax et IC₅₀). La diffusion transversale des réactifs (TDLFP) a été appliquée pour mélanger les créneaux de réactifs injectés dans le capillaire. Des détecteurs tels que la fluorescence induite par laser ou la spectrométrie de masse à haute résolution ont été couplés à l’électrophorèse capillaire afin d’atteindre de fortes sensibilités de détection et la possibilité d’identifier les produits de la réaction enzymatique. Ces essais miniaturisés ont été appliqués à des algues extraites par électroporation ou à des plantes régionales extraites par des technologies vertes afin d’évaluer leur activité biologique vis-à-vis des enzymes de la peau. Les essais développés sont fiables, robustes et économes en réactifs. Enfin, l’utilisation d’une nouvelle technique d’analyse, la thermophorèse à micro-échelle, s’est montrée très utile et pleine d’espoir pour l’étude des interactions enzyme-effecteur. / Skin aging is one of the exterior/external signs of the passage of time. With age, the skin becomes drier and gets wrinkled due to the degradation of macromolecules of the extracellular matrix by skin enzymes such as elastase, hyaluronidase and collagenase. The aim of this thesis is to develop miniaturized enzymatic assays by capillary electrophoresis to screen plant extracts and identify new bioactives for cosmetics and skin wellbeing. These assays were developed either outside the capillary (which serves only as a separation tool) or in the capillary (which then serves as an enzymatic nanoreactor) then optimized to allow the determination of kinetic constants (Km, Vmax and IC₅₀). Tranvserse diffusion of laminar flow profiles (TDLFP) was applied to mix the reactants injected into the capillary. Detectors such as laser-induced fluorescence or high-resolution mass spectrometry have been coupled to capillary electrophoresis to achieve high sensitivities of detection and the possibility of identifying the products of the enzymatic reaction. These miniaturized assays were applied to algae extracted by electroporation or to regional plants extracted by green technologies in order to evaluate their biological activity towards skin enzymes. The assays developed are reliable, robust and economic in reactants consumption. Finally, the use of a new analytical technique, microscale thermophoresis, was shown to be very useful and hopeful for the study of enzyme-effector interactions.

Les propulseurs électriques sont de plus en plus utilisés pour des missions de correction de trajectoire des satellites et pourront dans un avenir proche être utilisés pour le transfert d’orbite. Ces propulseurs constituent une excellente alternative aux propulseurs chimiques grâce à leur rendement élevé et une substantielle économie de carburant réalisée par rapport aux propulseurs chimiques. Les propulseurs à effet Hall créent la poussée par l’accélération d’ions positifs de xénon ou de krypton dans un plasma confiné par un champ magnétique. L’objet de ce manuscrit concerne principalement les caractéristiques de l’accélération des ions et des atomes dans un propulseur à effet Hall. Les influences de la largeur du canal de décharge, de la topologie magnétique et de la cathode sur l’efficacité d’accélération des ions sont étudiées. Des pistes d’optimisation de l’architecture du propulseur sont alors proposées qui pourraient être particulièrement avantageuses sur les propulseurs de petite taille, comme l’élargissement du canal et l’augmentation du champ magnétique près des parois du canal. L’influence de la position et du potentiel de la cathode sur la déviation du faisceau ionique est révélée. L’évolution temporelle basse fréquence du champ électrique est mesurée par comptage synchrone de photons et suggère que la température atomique joue un rôle important dans les oscillations basse fréquence de la décharge. Par ailleurs, l’influence du champ magnétique sur les performances d’un propulseur proche des modèles de vol a été mesurée grâce à l’utilisation d’un moteur doté d’une topologie magnétique flexible. Ceci a montré la difficulté de définir un paramètre numérique capable de synthétiser l’information complexe de la répartition spatiale du champ magnétique dans le canal de décharge. Les très faibles modifications des performances par le champ magnétique soulignent l’importance de la précision dans la mesure. / Electric propulsion systems are more and more often used for trajectory correction of satellites and may soon be used for orbit transfer. These devices represent a great alternative to classic chemical propulsion devices thanks to their high efficiency and propellant mass savings. Hall effect thruster provide thrust by the acceleration of xenon or krypton ions in a magnetized confined plasma. The study presented in this manuscript mainly addresses characteristics of ion and atom acceleration in a Hall effect thruster. Influence of channel width, magnetic topology and cathode parameters on ion acceleration efficiency is investigated. Ways to optimize thruster architecture are suggested that may be particularly relevant for low power thrusters, such as widening thruster channel and increasing magnetic field amplitude near channel walls. Influence of cathode position with respect to the thruster channel exit plane and its potential with respect to ground on ion beam deviation has been revealed with two thrusters. Low frequency time evolution of the accelerating electric field was measured using lock-in photon counting system. Results strongly suggest that the atom temperature plays a crucial role in low frequency time evolution of the whole plasma discharge. Measurement of performances as a function of the magnetic field demonstrated that numeric parameters are compulsory to carry on a relevant parametric study. These parameters would summarize the 2D information of magnetic topology. Weak influence of magnetic topology revealed that thrust measurement precision needs to be increased by at least one order of magnitude if one wants to reach a better understanding of plasma confinement in a Hall effect thruster.

La compréhension des phénomènes se déroulant lors de l’impact d’une goutte sur une paroi chaude est essentielle à l’optimisation des systèmes de refroidissement par sprays. Lorsque la température de paroi est élevée, un film de vapeur se forme quasi-instantanément entre la goutte et la paroi chaude. Ce film modifie le comportement hydrodynamique des gouttes et réduit considérablement les échanges de chaleur et de masse par rapport à un impact mouillant. La modélisation de ces phénomènes est complexe en raison des nombreux couplages entre les transferts de chaleur et de masse et la dynamique d’impact de la goutte. Pour aborder ce sujet, des techniques de mesure optiques ont été développées spécifiquement. L’imagerie de fluorescence induite par plan laser à deux couleurs permet de caractériser la distribution de la température à l’intérieur des gouttes. Des images du champ de température, résolues à la fois spatialement et temporellement, sont rendues possible grâce à l’utilisation d’un nouveau couple de colorants fluorescents conservant une grande sensibilité à la température quand ils sont excités par un laser pulsé nanoseconde d’une énergie de plusieurs centaines de mJ. En parallèle, la thermographie infrarouge a été utilisée pour déterminer la température de la surface d’impact en saphir. Pour cela, cette dernière est recouverte d’une couche de quelques centaines de nanomètres de TiAlN, émissif dans l’IR alors que le saphir est transparent. Les images haute cadence sont analysées par un modèle d’inversion, prenant en compte la conduction thermique dans le saphir, afin d’estimer la densité de flux thermique au niveau de la surface d’impact. L’épaisseur du film de vapeur est également déduite de ces mesures sous l’hypothèse, justifiée a posteriori, d’une conduction thermique prépondérante dans le film de vapeur. Une étude de l’impact de gouttes d’eau est réalisée en faisant varier la vitesse d’impact et la température des gouttes avant impact, ainsi que la température de paroi. Dans la plupart des cas, la chaleur extraite à la paroi est comparable à celle transférée au liquide pour l’échauffer. Lorsque la température de paroi se rapproche et dépasse la température de Leidenfrost, les transferts de chaleur deviennent de plus en plus sensibles au nombre de Weber, et de moins en moins dépendant de la température de paroi. L’épaisseur du film de vapeur est affectée par des instabilités, dont les caractéristiques (longueur d’onde, amplitude) sont étudiées à partir des images IR. Finalement, un modèle 1D semi empirique est proposé pour décrire l’échauffement des gouttes et la croissance du film de vapeur. La pression exercée par la goutte sur le film de vapeur se dissipe très vite à l’impact, si bien que la croissance du film de vapeur est gouvernée par la conduction de la chaleur vers la goutte et non par la dynamique de l’impact / The understanding of phenomena occurring at the impact of a droplet onto a hot wall is crucial for the optimization of spray cooling systems. When the temperature of the wall is high, a vapor layer appears quasi-instantaneously between the droplet and le wall. This film of vapor modifies the hydrodynamic behavior of the droplet and highly reduce the heat and mass transfers in comparison with a wetting impact. Modelling these phenomena is complex because of the numerous coupling between the heat and mass transfers and the fluids dynamic. To get some insights into this phenomenon, optical diagnostic techniques have been developed. Two color planar laser induced fluorescence imaging allows characterizing the distribution of the temperature inside the droplet. Images of the temperature fields, resolved both spatially and temporally, are recorded thanks to the use of a couple of fluorescent dyes keeping a high temperature sensitivity even when they are excited by a nanosecond pulsed laser with and an energy of hundreds m J. In parallel, the infrared thermography is used to determine the temperature of the impinged surface made of sapphire. For that, this surface is coated with a thin film (about 300 nanometers) of TiAlN, highly emissive in the IR domain as opposed to the sapphire which is transparent in it. High frame rate image sequences are analyzed thanks to an analytical inversion model, taking into account the thermal conduction in the sapphire, in order to estimate the heat flux density at the impact surface. The thickness of the vapor layer was also deduced from this measurements thanks to the hypothesis of a dominant thermal conduction in the vapor layer. A study of water drop impact was performed with different impact speeds, wall temperatures and different drop injection temperatures. In most of the cases, the heat flux extracted from the wall in close to the flux transferred to the liquid phase of the droplet. When the wall temperature approaches or exceeds the Leidenfrost temperature, the transfers become more sensitive to the Weber number and less sensitive to the wall temperature. The vapor layer thickness is affected by instabilities whose caracteristics (wavelengths, amplitude) were investigated from the IR images. Eventually, a 1-Dsemi-empirical model is given for describing the heating of the liquid part of the droplet and the growth of vapor layer. The effect of the pressure exerted by the droplet onto the vapor film rapidly decreases during the impact process, so that the growth of the vapor film is only driven by the heat transferred by conduction to the droplet and not by dynamical parameters such as the impact velocity

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. [...]

Les impacts de gouttes sur paroi chaude sont présents dans de multiples domaines, tels que l'injection de diesel sous forme de spray dans des moteurs à combustions internes, ou le traitement thermiques de l'acier dans le domaine de la sidérurgie. L'étude de l'interactions goutte/paroi permet de mieux comprendre les phénomènes thermiques mis en jeu, et ainsi d'aboutir à des économies d'énergies et d'eau. De nombreux travaux portent sur cette thématique, mais ils présentent des résultats divergents et uniquement basés sur l'étude de la paroi chaude. Cette thèse a pour but d'apporter des mesures expérimentales sur les caractéristiques inconnues en étudiant les gouttes. Pour cela, un dispositif expérimental a été mis au point afin de mener à bien l'ensemble des mesures souhaitées. Les diverses techniques de mesures de température utilisées sont présentées, et une attention plus particulière a été portée sur le développement de la technique de fluorescence induite par plan laser qui permet d'accéder au champ de température des gouttes durant leur impact. Cette méthode, combinée à une technique de thermographie par caméra infrarouge couplée à un modèle de conduction inverse, permet d'extraire les paramètres concernant l'aspect thermique, et de déterminer de nouvelles caractéristiques inédites, telles que l'échauffement des gouttes, l'évaporation relative de celles-ci ou encore l'efficacité de refroidissement. Les parts respectives jouées par la chaleur sensible et l'évaporation des gouttes sont tirées de cette dernière. Enfin, l'aspect dynamique est également abordé aboutissant au développement d'une technique d'ombroscopie rapide. Cette dernière a permis, grâce à la combinaison de mesures de diamètres précises et d'une fréquence d'acquisition élevée, d'extraire les paramètres dynamiques de l'impact tels que la vitesse et taille des gouttes, ou d'autres paramètres relatif au type d'impact rencontrés à l'aide d'un algorithme de suivi de particules développé durant la thèse / The droplet impact onto a heated wall interaction can be found in mutiples fields, such as internal combustion engines or the steel industry, specially in the thermal treatment of the steel where high energy dissipation rate is required. The study of this interaction should grant a better understanding of this phenomena, and thus, allow the enhancement of these processes and reduce the energy and water consumption. Several studies have already been carried out on this subjet but a great majority of them, whose results present great divergence, only consider the heated wall, neglecting the outgoing of the droplet. This thesis put the emphasis on the liquid phase where currently no data exist to our knowledge, with the help of multiples experimental technics that have been developped. A general experimental setup has been made in order to make all the wanted measurements. The measurement techniques used in this study are first presented, to begin with the planar laser induced fluorescence, which allow us to know the droplet temperature during the impact. Used with an infrared thermography technique coupled with an inverse conduction model, it is possible to extract some important parameter regarding the thermal aspect, such as the droplet heating, the relative evaporation ratio or the cooling efficiency. This latter can be written as the sum of the two major contributions of the cooling: the sensible heat and the evaporation of the droplet. Finally, a high speed shadow imagery technique is presented. It has been developped in order to study the dynamic aspect of the droplet impact. This technique can determine several dynamic parameters such as the droplet speed and diameter, or other parameter regarding the type of impact encountered

Les industries automobile et aéronautique sont confrontées dans le futur proche à une raréfaction des carburants fossiles, ainsi qu’au problème de pollution de l’environnement émis par les systèmes propulsifs. Pour s’affranchir de ces problèmes, l’utilisation de carburants alternatifs censés apporter rendement et préservation de l’environnement, s’est considérablement développée ces derniers temps. Cependant, leurs impacts sur la pollution, consommation et rendement de combustion ne sont toujours pas clairement établis. En particulier, il est nécessaire de quantifier leurs effets sur les phénomènes physiques clés à la base des processus que sont l’évaporation du carburant liquide et le mélange carburant vapeur/air. L’analyse expérimentale de ces processus physiques nécessite alors l’emploi de diagnostics lasers non-intrusifs et quantitatifs, permettant de mesurer des grandeurs physiques comme les distributions spatiales instantanées de température et de concentration du carburant en phase vapeur. Parmi les techniques optiques les plus attrayantes, l’imagerie de fluorescence induite par laser (PLIF) offre de nombreux avantages. L’objectif de la thèse a été, dans un premier temps, de caractériser les propriétés spectroscopiques de quatre carburants multi-composants, le kérosène (Jet A1), le Biomass-to-Liquid (BtL), le Diesel et l’Ester Méthylique Huile Végétale (EMHV) qui, mis à part le premier, possèdent des propriétés spectroscopiques encore peu connues. L’exploitation de leurs propriétés de fluorescence a ensuite permis d’évaluer leurs capacités à fournir des signaux autorisant la mesure de la température et de la concentration du carburant en phase vapeur. Dans un second temps, un étude exhaustive des propriétés de fluorescence de plusieurs cétones (3-pentanone, benzophénone) et aromatiques (fluoranthène, acénaphtène, naphtalène, 1,2,4-triméthylbenzène…) en fonction de la température et du quenching de l’oxygène moléculaire, a été réalisée à pression atmosphérique pour identifier les traceurs fluorescents potentiellement adaptés au dosage optique des quatre carburants. Les données photophysiques collectées ont ensuite été utilisées pour parfaire l’établissement des couples carburants/traceurs fluorescents ainsi que les stratégies de mesures de température et de concentration de carburant associées. L’exploitation des données acquises lors de différentes campagnes de mesures a ainsi mis en évidence la possibilité de détecter simultanément la fluorescence de plusieurs molécules aromatiques (mono-, di- et/ou tri-aromatique) naturellement présentes ou ajoutées artificiellement dans les carburants. Le cas du Diesel a nécessité le développement d’un carburant modèle pour permettre une étude de son évaporation. L’application de cette nouvelle approche PLIF a été validée sur un injecteur hélicoptère LPP de nouvelle génération fonctionnant avec trois carburants spécifiques que sont le Jet A1, le BtL et un mélange Jet A1/BtL / The automotive and aviation industries are presently confronted with the twin crises of fossil fuel depletion and environmental degradation. Research for alternative fuels, which promise a harmonious correlation with sustainable development, energy conservation, efficiency and environmental preservation, has become highly pronounced in the present context. However, their influence on pollution, consumption and combustion yield are not clearly defined yet. In particular, their effects on key physical processes that initiate these phenomena like fuel evaporation and mixing processes between fuel vapour and air have to be quantified. Experimental analysis of these processes requires the use of non-intrusive and quantitative laser diagnostics, allowing the measurement of key physical parameters like instantaneous spatial distribution of temperature and fuel vapour concentration. Among the optical techniques available thus far, planar laser-induced fluorescence (PLIF) offers many advantages for the study such processes in combustors. The objective of this thesis is then to propose and to develop innovative PLIF strategies to measure fuel distribution and mixture formation when fossil fuels and biofuels are used in aeronautical and automotive combustion chambers. In particular, the fluorescence of various fossil fuels like kerosene (Jet A1) and Diesel, the biodiesel fuel containing Esters (FAME) and the Biomass-To-Liquid fuel (BtL) are investigated. The exploitation of their fluorescence was then used to analyse their capacity to generate signals providing from fluorescent tracers (either present naturally in the fuel or chemically added) that could be used as probe molecules for the measurement of temperature and fuel vapour concentration. To select theses tracers, an exhaustive study of the fluorescence properties of various ketones (3-pentanone, benzophenone) and aromatic molecules (fluoranthene, acenapthene, naphthalene, 1,2,4-trimethylbenzene) with temperature and quenching with molecular oxygen was performed at atmospheric pressure. The photophysical data collected during these experiments have been then used to associate the various fuels with specific fluorescent tracers and to elaborate the strategies of measurement of temperature and fuel concentration associated. Exploitation of the data collected during this thesis thus highlighted the possibility to detect simultaneously the fluorescence of various aromatic molecules (mono-, di-, tri-aromatics) naturally present or artificially seeded in fuels. The specific case of Diesel required the development of a surrogate fuel which allows the study of its evaporation process. An application of these innovative strategies of PLIF measurements has been finally performed on a new generation LPP helicopter injection system running at atmospheric pressure with the following fuels: Jet A1, BtL and a mixture of Jet A1 and BtL. Results obtained allowed the validation of the PLIF strategies defined in this thesis.

La métrologie laser basée sur l’analyse de la fluorescence de traceurs moléculaires est devenue l’un des outils clefs pour l’étude expérimentale de la dynamique des fluides réactifs. Une étude spectroscopique des propriétés photophysiques de fluorescence dans le domaine spectral UV-visible de plusieurs molécules fluorescentes appartenant aux cétones aliphatiques et aux aromatiques mono- et bicycliques a permis d’approfondir la compréhension de l’influence de la température, de la pression et de la concentration d’oxygène sur leur fluorescence. Les résultats expérimentaux obtenus ont ensuite permis le développement d’un modèle de simulation du rendement de fluorescence pour les espèces aromatiques (naphtalène et toluène), qui fournit des résultats très proches de ceux mesurés.De ces résultats, le développement de la technique d’imagerie de fluorescence (PLIF) sur la phase vapeur d’un carburant multi-composant a conduit à étendre cette analyse spectrale de fluorescence au cas du kérosène (Jet A-1). La comparaison entre les propriétés de fluorescence du kérosène et des traceurs aromatiques étudiés a notamment permis d’établir une stratégie de mesure de la concentration de la phase vapeur du kérosène dans des environnements où la teneur en oxygène est variable. Les signaux de fluorescence provenant des espèces mono- et di-aromatiques contenues dans le kérosène soulignent des évolutions différentes avec les conditions de température et teneur en oxygène. L’utilisation de filtres optiques appropriés associés à deux caméras ICCD permet alors une mesure bidimensionnelle de la température et de la concentration de kérosène en phase vapeur. La thèse débouche finalement sur l’application de cette technique PLIF-kérosène en combinaison avec la technique PLIF du radical OH en sortie d’un système d’injection industriel multi-point de nouvelle génération intégré dans une chambre de combustion haute pression. / Planar laser-induced fluorescence (PLIF) diagnostic based on the optical excitation of fluorescence tracers has become a key tool for the experimental study of fluid dynamics in reactive flows. A spectroscopic fluorescence study of several organic molecules from aliphatic ketones and mono- and bi-cyclic aromatics in gas-phase was performed in a high-pressure high temperature optical cell. The experimental measurements allowed the understanding of the influence of temperature, pressure and oxygen concentration on the photophysics of these molecules in the UV/visible domain. These results were then used to successfully develop a model of fluorescence yield of the naphthalene and toluene aromatic molecules permitting the simulation of the fluorescence signals with temperature, pressure and species composition in large domains of temperature and pressure.This study has been extended to the case of a multi-component aeronautical fuel (kerosene – jet A1) containing natural aromatics. The comparison of the spectroscopic data recorded in the optical cell to those of the aromatic tracers initially probed has then permitted the definition of a kerosene-PLIF excitation/detection strategy for kerosene vapour concentration measurements in reactive gaseous flowfield containing variable oxygen concentration. Fluorescence signals from mono- and di-aromatic species in kerosene highlight significant differences in evolution with temperature and oxygen concentration. With appropriate optical filters applied to two ICCD cameras, the two-dimensional instantaneous distribution of temperature and concentration of kerosene vapour is then possible to measure in reactive flows. Finally, the kerosene-PLIF diagnostic has been applied at the exit of an innovative multi-point aeronautical injection system integrated to high-pressure kerosene/air combustor test rig. The kerosene-PLIF, combined with the radical OH-PLIF confirmed their implementation in realistic high-pressure flowfields and delivered experimental fruitful experimental information on the effect of the fuel/air mixing on the flame structure in the combustion chamber.