Les flammes turbulentes de prémélange pauvre ont un intérêt fondamental et pratique. Ce travail étoffe leur connaissance (changements de structure, richesse, paramètres de turbulence).<br />Nous décrivons macroscopiquement la flamme par imagerie Mie avec les iso-c, l'épaisseur turbulente, l'échelle de plissements et la densité de surface de flamme. Nous étudions la structure du front de flamme instantané, la statistique de la courbure du front, l'épaisseur du front de flamme par imagerie Rayleigh. Nous caractérisons les épaisseurs thermiques (zone de réaction et de préchauffage) et déterminons la corrélation entre l'épaisseur et la courbure du front de flamme.<br />Nous confrontons nos données aux modèles de combustion turbulente de prémélange (BML et ceux basés sur la dissipation scalaire). Nous étudions les distributions des longueurs d'entrecroisement, et le taux de combustion. Nous comparons nos résultats à ceux obtenus dans la littérature par d'autres techniques de mesure.

’explosion est un phénomène redouté dans les installations industrielles. Le risque d’explosions impliquant des poussières combustibles est présent dans un grand nombre d’industries d’activités différentes, compte tenu de la grande diversité de poussières combustibles : les poussières organiques (farine, charbon, sucre…) mais aussi les poussières métalliques (aluminium, magnésium…). En effet, toutes ces poussières combustibles si elles sont suffisamment fines, et si elles sont en suspension dans l’air, peuvent provoquer des explosions. Les industriels doivent donc quantifier et maîtriser ce risque au sein de leurs différentes installations. Dans le cas des explosions de gaz, l’état actuel des connaissances permet une compréhension et une modélisation précise du phénomène. Cependant, l’état des connaissances est plus limité dans le cas des explosions de poussières, notamment à cause de la plus grande difficulté à étudier ces dernières expérimentalement. Des modèles, basés sur les explosions de gaz, existent néanmoins dans le cas des explosions de poussières. Ces derniers semblent cohérents dans le cas d’explosions de poussières organiques mais inadaptés au cas des poussières métalliques.Ces travaux de thèse s’intéressent à l’étude expérimentale de la propagation de la flamme lors d’une explosion de poussières d’aluminium. Afin de modéliser une propagation éventuelle de flamme lors d’une explosion, une première approche expérimentale est nécessaire. Pour cette étude expérimentale des prototypes ont été spécialement conçus, puis améliorés, au cours des différents tests réalisés. La description de ces travaux est divisée en deux parties.Dans un premier temps, la mise en suspension de la poudre est étudiée. En effet, afin de pouvoir étudier ce phénomène d’explosion, un système de mise en suspension de la poudre a été élaboré. Une première partie de l’étude permet donc de s’assurer que la suspension obtenue est homogène en termes de concentration. Par la suite, le niveau de turbulence obtenue dans l’enceinte après la fin de la mise en suspension de la poudre est étudié. En effet, ce paramètre influe grandement sur la propagation de la flamme, augmentant ainsi les conséquences de l’explosion.Par la suite, la propagation de la flamme est étudiée. Pour cela, la suspension précédemment obtenue est enflammée à l’aide d’un arc électrique. Le phénomène est étudié au travers de la visualisation de la propagation de la flamme et par l’évolution de la pression dans le prototype. Deux principales méthodes optiques, l’une basée sur la visualisation de la lumière émise par la flamme et l’autre sur la visualisation de variations d’indice de réfraction (liées à des variations de température), sont utilisées. A partir de ces dernières la vitesse de propagation de la flamme dans le référentiel du laboratoire est étudiée. Cependant, cette vitesse dépend fortement du prototype utilisé pour son étude. Ainsi, une méthode est utilisée afin d’en déduire la vitesse de combustion, correspondant à la vitesse de consommation des réactifs par la flamme. Des limites potentielles de cette méthode sont par la suite exposées, et une nouvelle méthode de détermination de cette vitesse est alors proposée. / Explosions are one of the most feared events in the industry. Risk of explosions with combustible dusts can occur in a large variety of industry of different fields, because of the large amount of combustible dusts: organic dusts (flour, carbon, sugar…) but also metallic dusts (aluminum, magnesium…). All of these combustible dusts, if they are fine enough, and if they are dispersed in the air, can cause explosions. Companies have to quantify this risk present in their plant. Concerning gas explosions, the current state of knowledge allows an understanding and a precise modelling of the phenomenon. However, the state of knowledge about dust explosions is more limited, especially because of the difficulty to study the explosions experimentally. Some models, based on gas explosions, exist for the case of dust explosion. These models seem coherent in the case of organic dust explosions but less adapted for metallic dust.This PhD work focus on the experimental study of flame propagation during an aluminum dust explosion. To model an eventual propagation of the flame during the explosion, an experimental approach is required. For this experimental study, specific prototypes have been elaborated, and then improved, during the different tests. This work is mainly separated in two parts.In a first part the dispersion of the dust is studied. Indeed, to study the explosion phenomenon, a system has been elaborated to disperse the dust. A first part of study allows checking that the dispersion is well homogeneous in terms of concentration. Then, the turbulence level inside the prototype after the end of the dispersion is studied. Indeed, this parameters influence a lot the flame propagation, increasing the consequences of the explosion.Then, the flame propagation is studied. The dust dispersion, previously studied, is ignited by an electric spark. The phenomenon is studied thanks to visualization of the flame propagation and by the evolution of the pressure inside the prototype. Two main optical techniques, one based on the light emitted by the flame, the other one linked to refractive index variations (due to temperature variations) are used. Thanks to these methods, the propagation velocity in the laboratory referential is studied. However, this velocity depends mainly on the prototype used for his determination. A method is used to determine the burning velocity (consumption rate of the reactants by the flame front). Some potential limits of this method are then exposed, and a new method of determination of this burning velocity is proposed.

L'étude expérimentale porte sur l'influence de la haute-pression jusqu'à 0.9 MPa pour la combustion d'une flamme de prémélange méthane-air, pauvre, turbulente stabilisée sur un brûleur de type Bunsen. La vitesse débitante et la richesse sont fixées à 2.1 m/s et 0.6. Le champ de vitesses et les échelles de la turbulence sont déterminés à l'aide de l'anémométrie Laser Doppler. Les mesures de diffusion Rayleigh renseignent sur la fluctuation du scalaire. De l'imagerie de Mie deux dimensions sont obtenus la courbure, l'angle d'orientation, les longueurs de plissement et enfin, la densité de surface de flamme et l'intensité de combustion qui sont comparées avec les valeurs données par le modèle BML. Lorsque la pression augmente les échelles de Taylor et de Kolmogorov diminuent avec la viscosité cinématique, l'échelle intégrale et la vitesse fluctuante restent constantes, les structures du front de flamme deviennent plus petites et plus pointues, augmentant la densité de surface de flamme.

Ce travail est consacré à l’étude expérimentale et numérique de la propagation des feux de végétation à l’échelle du laboratoire. Une méthode de suivi de front de flamme par caméras visibles a été développée pour reconstruire et mesurer les propriétés du front au cours du temps. Les données recueillies comprennent la vitesse de propagation (Rate Of Spread), l’épaisseur du front, les longueurs du contour du front, les profils de hauteur et la puissance du feu. Une campagne expérimentale de 105 expériences de propagation sur de la frisure de bois a été réalisée sur la plateforme PROMETHEI (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) du laboratoire LEMTA. Elle contient notamment une étude de l’effet de la largeur et de la charge sur la dynamique de propagation (sur la vitesse et l’épaisseur). Une base de données (en libre accès sur internet) dédiée aux feux de végétation a été créée et fournit les positions du front de flamme (avant et arrière) pour 85 expériences. Un modèle de propagation Petit Monde à réseau de cellules hexagonales a été également développé en parallèle. Plusieurs approches sont proposées pour déterminer l’évolution de l’état des cellules : la première modélise le transfert radiatif alors que la deuxième se base sur une fonction de distribution identifiée. Un algorithme d’optimisation par essaims particulaires (PSO) est employé pour estimer les différents paramètres du modèle à l’aide des résultats expérimentaux. Le modèle Petit Monde est ensuite comparé à des expériences de propagation comprenant des coupures de combustible ou des rétrécissements/élargissements de la largeur du lit / This work is devoted to the experimental and numerical study of wildland fire spread at laboratory scale. A tracking fire front method using visible cameras was used in order to follow the fire front positions during the propagation and to evaluate some fire front properties. The data include the Rate Of Spread (ROS), the fire front width, the length of fire, the profile of flames and the Heat Release Rate. An experimental campaign of 105 fire spread tests with wood shaving as fuel was conducted on the PROMETHEI plateform (Plateforme de Recherche Opérationnelle en Métrologie Thermique dédiée aux Essais Incendies) of the laboratory LEMTA. This campaign was essentially focused on the effect of the fuel bed width and the fuel loading on the fire dynamics (particularly on the ROS and fire width). An open-source data base provides the positions of the front and backing fire as a function of time. A fire spread model based on the small world concept with a hexagonal cell network was developed. Two approaches were studied: the first one is based on a radiative transfer model for the definition of the cell states and the other one is based on an estimated distribution function. A particle swarm optimization (PSO) algorithm was used for the identification of the different parameters of the model using the experimental results. Then, the model was compared to other experiments included fuel breaks or narrowing/widening of the fuel bed width

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.

Depuis quelques années, les modèles 0D trouvent un regain d'intérêt auprès des motoristes. En effet, ces modèles, fournissant aisément un comportement thermodynamique du moteur, peuvent être couplés avec des outils de contrôle moteur. Néanmoins, leur précision doit être augmentée, pour répondre aux enjeux technologiques actuels. Dans les moteurs à allumage commandé, la flamme turbulente prémélangée est modélisée comme un ensemble de flammelettes cohérentes entre elles. Cette approche généraliste nécessite un traitement particulier en proche paroi, motivé par une modification de la structure de flamme due aux couches limites thermique et cinématique. Ce présent travail propose des approches de modélisations 0D de la combustion, en proche paroi et dans la zone réactionnelle de la flamme. Pour modéliser la combustion en proche paroi, la flamme est scindée en une contribution en propagation libre, et une contribution en interaction avec les parois. Chaque contribution est divisée en une zone de transport, dans laquelle l'entraînement des gaz frais est décrit, et une zone de réaction, dans laquelle la réaction de combustion est modélisée. L'ajout d'une zone de réaction en interaction avec les parois permet de modéliser un gradient de température et une réaction de combustion ralentie en proche paroi. Pour modéliser la zone réactionnelle, une discrétisation de la flamme en N zones de réaction indépendantes est proposée. Une plage de fonctionnement moteur a été simulée avec nos approches de modélisation, afin de quantifier la variabilité des paramètres de calibration. Pour ce faire, les modèles sont calibrés sur chaque point de fonctionnement, par une méthode de minimisation de l'erreur quadratique moyenne sur la loi de dégagement d'énergie. Des corrélations aisées de paramètres de calibration peuvent être établies, en fonction de paramètres moteurs. Les résultats de simulations, obtenus à partir de ces corrélations, sont satisfaisants. / Recently, the interest for zero-dimensional models has increased. Indeed, these models provide easily the engines thermodynamic behavior and can be coupled with control tools. However, their accuracy must be improved to meet the current technological challenges. In the spark ignition engines, the premixed turbulent flame is modeled as a set of coherent flamelets. This approach requires special treatment near the walls, motivated by the modifications of the flame structure due to boundary layers. The present work proposes 0D modeling of combustion near the walls and in the reaction zone of the flame. To combustion model near the walls, the flame is divided into a free propagation contribution, and an interacting contribution with the walls. Each contribution is divided into a convective zone, wherein the entrainment of fresh gas is described, and a reaction zone, wherein the combustion reaction is modeled. Adding a reaction zone near the walls allows modeling a thermal gradient and a slower combustion reaction near the walls. To model the reaction zone, a flame discretization is made into several reaction zones. An engine operating range is simulated with our models, for quantifying the calibration parameters variability. To do this, models are calibrated on each operating point, by a method of minimization of the quadratic error on the heat released rate. Linear correlations can be found, depending on engines parameters. A good agreement between experimental data and simulation results is obtained with these parameters correlations.