Les besoins énergétiques de la population mondiale ne cessent d’augmenter. Les prévisions indiquent par exemple une forte croissance de la demande du secteur du transport aéronautique. La recherche de systèmes toujours plus performants et moins polluants est nécessaire. Des nouveaux concepts pour la combustion ont été mis au point et appliqués aux turbines à gaz. Parmi eux il existe ceux basés sur la combustion en prémélange pauvre ou en prémélange pauvre pré-vaporisé dans le cas où le carburant utilisé est liquide. Les nouveaux systèmes énergétiques basés sur la combustion en régime pauvre sont prometteurs pour satisfaire les futures normes d’émissions polluantes, mais ils sont plus sensibles aux instabilités de combustion qui limitent leur plage de fonctionnement et peuvent détériorer irréversiblement ces systèmes. Dans ce domaine il reste des questions à aborder. En particulier celle du comportement des flammes tourbillonnaires en combustion diphasique soumises à des perturbations acoustiques. La plupart des moteurs aéronautiques utilisent des flammes de ce type, cependant leur dynamique et leurs interactions mutuelles, quand elles subissent les effets d’une perturbation acoustique, sont loin d’être bien comprises. Ce travail aborde ces questions et apporte des éléments de compréhension sur les mécanismes pilotant la réponse de l’écoulement diphasique et de la flamme, ainsi que des éléments de validation des modèles de prédiction des points de fonctionnement instables. TACC-Spray est le banc expérimental utilisé pour ce travail. Il a été conçu et développé au sein du laboratoire CORIA lors de ce doctorat qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR FASMIC. Le système d’injection qui équipe ce banc expérimental reçoit trois injecteurs tourbillonnaires alimentés en combustible liquide (ici n-heptane), développés par le laboratoire EM2C. Ils sont montés en lignes dans le banc, celui-ci représentant ainsi un secteur d’une chambre annulaire. Le montage étant complexe et nouveau, un travail de développement de solutions techniques a été fait pour rendre possible l’équipement du TACC-Spray avec des capteurs de pression, température, photomultiplicateur ainsi que des diagnostiques optiques performants (e.g. LDA, PDA, imagerie à haute cadence). Pour cette étude, le système énergétique, composé par l’écoulement diphasique et la flamme, a été soumis à l’impact d’un mode acoustique transverse excité dans la cavité acoustique. La réponse du système a été étudiée en fonction de son positionnement dans le champ acoustique. Trois bassins d’influence du champ acoustique sur le système énergétique ont été choisis, à savoir: (i) le ventre de pression acoustique caractérisé principalement par des fortes fluctuations de pression, (ii) le ventre d’intensité acoustique présentant de forts gradients de pression et vitesse acoustique, (iii) le ventre de vitesse acoustique avec de fortes fluctuations de vitesse où la fluctuation de pression est résiduelle. L’approche de cette étude a consisté à étudier en premier lieu le système de référence en absence de forçage acoustique, les résultats sont recueillis dans la Partie I de ce manuscrit. En deuxième lieu le système énergétique est placé à chacune des positions d’intérêt dans le champ acoustique et la réponse de l’écoulement d’air sans combustion, la réponse de l’écoulement diphasique avec combustion et finalement celle des flammes, sont étudiées systématiquement. Les résultats de l’étude avec forçage acoustique sont rassemblés dans la Partie II du manuscrit. / The energy needs of population around the word are continuously increasing. For instance, forecasts indicates an important grow of the request of the aeronautic transportation sector. It is necessary to continue the research efforts to get more performants and less contaminating systems. New concepts for combustion have been developed and introduced to the gas turbine industry. Among these concepts it is found technologies based on lean-premixed combustion or lean-premixed prevaporized combustion when liquid fuels are employed. These novel energetic systems, making use of lean combustion, are promising to meet the future norms about pollutant emissions, but this make them more sensitive to combustion instabilities that limit their operating range and can lead to irreversible damage. In this domain, many questions still need to be considered. In particular that of the behavior of two-phase flow swirling flames subjected to acoustic perturbations. Indeed most of aero-engines operate with this type of flames, but the dynamics and mutual interaction of these flames, as they are submitted to acoustic perturbation, are not yet well understood. This work addresses these issues and gives some understanding elements for the mechanisms driving the response of the flow and of the flame to acoustic perturbations and delivers data to validate models predicting unstable operating points.The experimental bench employed for this work is TACC-Spray. It has been designed and developed in the CORIA laboratory during this PhD thesis which is inscribed in the framework of the ANR FASMIC project. The injections system that equips this bench is composed by three swirled injectors fed with a liquid fuel (here n-heptane), developed by the EM2C laboratory. They are linearly arranged in the bench such that this represents an unwrapped sector of an annular chamber. The setup, being new and complex, needed technical solutions developed during this work and applied then in order to equip TACC-Spray with pressure and temperature sensors, a photomultiplier as well as adequate optic diagnostics (LDA, PDA, high speed imaging systems). In this study, the energetic system, composed by the two-phase swirling flow and the spray flame, has been submitted to the impact of a transverse acoustic mode excited within the acoustic cavity. The system response has been studied as a function of its location in the acoustic field. Three basins of influence of the acoustic field on the energetic system have been chosen, namely: (i) the pressure antinode characterized mainly by strong pressure fluctuations, (ii) the intensity antinode where important acoustic pressure and velocity gradients are present, (iii) the velocity antinode with strong velocity fluctuations where the acoustic pressure is residual. The approach of the study presented here is to investigate in first place the energetic system free of acoustic forcing. The results concerning this first study are presented in the Part I of this manuscript. In second place, the energetic system is placed in each of the location of interest within the acoustic field and the response of the air flow without combustion, that of the two-phase flow with combustion and finally that of the spray flames, are systematically investigated. The results of the study under acoustic forcing are shown in Part II of the manuscript.

Les jets annulaires turbulents sont des écoulements soumis à de fortes instabilités qui peuvent devenir un handicap pour certaines applications industrielles (procédés de fibrage du verre, ventilation individuelle, ventilation opérationnelle, brûleurs, neige de culture ...). Ces écoulements particuliers de jets axisymétriques sont complexes puisqu'ils regroupent des phénomènes de sillage et de mélange. L'objectif de cette étude est de déterminer des méthodes de contrôle de la zone initiale des jets annulaires d'air de très grand rapport de diamètres (r=0,91), pour des nombres de Reynolds élevés (Ree=5130, Ree=2565, Ree=1368, e étant l'épaisseur de l'anneau de jet de 2,565mm), afin de répondre aux attentes des industriels mais aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans la formation de l'écoulement. Deux méthodes ont été étudiées. Une voie de contrôle passif par modification de géométrie de l'obstacle central a permis d'agir sur le sillage et de modifier la morphologie du jet. Les jets annulaires basique, conique et sphéroïdal ont été comparés pour obtenir des jets plus efficaces pour certaines applications. Un contrôle actif par forçage acoustique a été appliqué au jet annulaire basique afin de réduire le battement du jet autour de son axe sans modifier la géométrie de la buse. Différents paramètres de forçage (fréquence, position de l'excitation, phase de l'onde) ont été observés pour déterminer une configuration efficace de contrôle des instabilités de l'écoulement. Les méthodes de diagnostic utilisées sont intrusives (anémométrie par fil chaud) ou non intrusives (Tomographie rapide, Vélocimétrie par Images de Particules, Anémométrie Doppler Laser 2D et 3D) et sont complétées par un post-traitement de Décomposition Orthogonales en Modes Propres (P.O.D.) pour analyser les structures cohérentes de l'écoulement et déterminer l'influence du contrôle passif ou actif sur ces structures de différentes échelles. Une Simulation Numérique Directe (D.N.S.) est enfin proposée pour modéliser le contrôle passif des écoulements de jets annulaires turbulents de très grands rapports de diamètres.

L’étude présentée dans cette thèse relève de la mécanique des fluides expérimentale et numérique appliquée aux écoulements pariétaux de refroidissement de chambres de combustion aéronautiques. En présence de phénomènes thermo-acoustiques, comme les instabilités de combustion, il est important d’évaluer si les capacités de l’écoulement pariétal à protéger les parois de chambre restent suffisantes. C’est ainsi que nous nous sommes intéressés aux écoulements de paroi multiperforée soumis à une excitation acoustique. Dans ce but, le banc d’essais MAVERIC a été amélioré grâce à l’installation d’un système qui permet de forcer acoustiquement l’écoulement transverse dans lequel les jets pariétaux débouchent. Nous avons pu alors mettre en évidence la forte sensibilité de ce type d’écoulements à l’excitation acoustique. Le bon accord entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques aux grandes échelles (LES) effectuées est très encourageant dans le cas d’un forçage par onde stationnaire. Le forçage par onde progressive, étudié uniquement par simulations numériques, s’est révélé être capable de modifier significativement la topologie de l’écoulement. Enfin, à partir de l’outil numérique AVBP-AVTP qui permet le couplage de calculs fluide-solide, nous avons réalisé une étude de l’influence de la présence d’une excitation acoustique sur le comportement thermique de l’écoulement autour d’une paroi multiperforée de chambre de combustion. / This experimental and numerical study in the field of fluid mechanics deals with jets-in cross flow configurations that are relevant for the cooling of aero engine combustion chambers. Indeed, in presence of instabilities it is important to determine to which extent the film cooling is able to do its job of preserving the combustion chamber walls from the thermal load. The test facility MAVERIC has been upgraded in order to acoustically force the crossflow in which the jets are discharging. The strong sensitivity of the overall flow unsteady properties to the presence of the acoustic forcing has been clearly evidenced. The agreement between the experimental results and large-eddy simulations proved to be quite encouraging for a stationary acoustic wave whereas the case of a propagating acoustic wave investigated only numerically reveals also quite a significant change of the flow topology. In this context, the effect of the acoustic forcing on the wall thermal behavior has been analyzed thanks to the use of the fluid-solid coupled AVBP-AVTP solver.