Le travail présenté concerne l'étude des instabilités thermo-acoustiques apparaissant dans une chambre de combustion aéronautique. Le montage expérimental permet de faire varier continument les fréquences de résonances et de passer pour une même condition d'écoulement, d'un régime de combustion stable à un régime instable. La caractérisation complète d'un cas instable comprend une mesure des conditions acoustiques aux limites du banc, une analyse du comportement des phases liquide et évaporée, de celui du dégagement de chaleur instationnaire et une mesure de la fonction de transfert de la flamme. Ces travaux ont mis en évidence trois phénomènes jouant sur l’injection cyclique de carburant liquide. Les temps caractéristiques des différents phénomènes intervenant dans le couplage thermo-acoustique et une distribution spatiale de l'indice de Rayleigh sont présentés. / The purpose of this experimental study was to further our understanding of the fuel spray behavior during combustion instability phenomena in combustion chambers. An aeronautical injection system with dual kerosene lines was mounted on the LOTAR setup, which was equipped with an adjustable exhaust length. Stability maps were generated by varying the global equivalent ratio and the fuel split parameter, for two Inner Exhaust Lengths (IEL). A non-unique multiphase flow condition was found to produce stable and unstable combustion for different IELs. Each configuration was fully characterized. Acoustic boundary conditions were measured using the 2-microphone technique. Different optical techniques were used toanalyze the unsteady behavior of the liquid phase, fuel vapor, and heat release. Moreover, two techniques were exploited to study the Flame Transfer Function using velocity measurement supstream and downstream of the injection device. Altogether, these results highlighted three atomization phenomena occurring during the cycles of thermo-acoustic instabilities. The phase-averaged analysis applied on the different measurements permitted to determine thetime scales associated with each process appearing in the thermo acoustic coupling. This cyclic injection of liquid fuel into the chamber was followed by a vapor phase increase corresponding to a wave of equivalent ratio. The delay between the two phenomena was of10°. In addition, OH* emissions showed a cyclic behavior following these waves. The delay between the wave of equivalent ratio and the unsteady heat release was approximately of 25°.Finally, spatial distribution of the Rayleigh index revealed that the inner recirculation zone contributed to sustain the combustion instability.

Le travail de cette thèse a pour but de fournir et valider des outils permettant d'étudier et de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l'injection d'un carburant dans un moteur à combustion interne, principalement axé sur l'écoulement intra-injecteur. Ces outils sont numériques et permettent de simuler la formation d'un spray. Une première partie est axée sur la modélisation 0D. Les modèles permettant de prédire des caractéristiques de spray comme son angle, sa pénétration ou encore la longueur du corps liquide, sont comparés à des données expérimentales. Les conclusions sont que la modélisation 0D permet d'obtenir de bons résultats. Par contre une meilleure connaissance de l'influence de la cavitation sur le spray, qui passe par la compréhension de l'écoulement intra-injecteur, pourrait être bénéfique pour la prédiction de ces modèles. Une seconde étude sur l'écoulement intra-injecteur est alors menée en utilisant un modèle à équation barotrope. Une validation de celui-ci est effectuée de façon à vérifier qu'il est capable de prédire correctement l'écoulement dans un injecteur. Le modèle offre de bons résultats et peut être utilisé pour l'étude suivante. Enfin, dans la dernière partie, le modèle de cavitation qui a été validé est utilisé. Une géométrie d'injecteur mono-trou est utilisée avec des pressions comparables à celles utilisées actuellement en automobile. L'étude consiste à étudier l'influence de plusieurs paramètres géométriques sur l'apparition de la cavitation. Le mouvement de l'aiguille est aussi étudié et est comparé, après avoir offert au code la possibilité de maillage mobile, à des résultats in-stationnaires pour plusieurs levées d'aiguille. / The work of this thesis aims to provide and validate tools useful to study and understand the phenomena involved in the injection of fuel, mainly focused on intra-flow injector. These tools are numeric and simulate the formation of a spray. A first part focuses on zero-dimensional modelling. Models which predict these following characteristics of spray like the spray angle, the spray penetration or the liquid length are compared with experimental data. The conclusions are that zero-dimensional modelling provides good results very quickly in some cases. Although, a better understanding of the influence of cavitation on the spray, which requires an understanding of the intra-flow injector, could be beneficial for the prediction of these models. A second study is carried out to select a model of multi-dimensional cavitation. The chosen model is a barotropic equation model. A validation of this model is then performed to ensure that it is able to predict the cavitating flow inside a nozzle. The model provides good results and can be used for the next step. Finally, in the third part, the cavitation model previously validated is used. Single-hole nozzle geometry is used with an injection pressure comparable to that used in internal combustion engines with direct injection system. The study is done to investigate the influence of several geometrical parameters on the onset of cavitation. The movement of the needle is also studied and compared, after offering to the code the possibility of moving mesh, to the results of several stationary needle lifts.

L’optimisation des chambres de combustion est généralement réalisée à l'aide d’outils desimulation numérique. Lorsque le carburant est injecté sous forme liquide, la qualité des simulationsdépend en partie de la définition des conditions aux limites imposées pour cette phase à proximité del'injecteur (diamètre, vitesse et flux volumique des gouttes, vitesse de glissement entre phases). Cesconditions aux limites sont généralement définies à partir d'une analyse expérimentale dans desconditions réalistes d’injection, qui fait appel, dans le meilleur des cas, à l’utilisation del’Anémogranulomètre Phase Doppler (PDA). Cependant, cette technique ponctuelle est coûteuse entemps pour une caractérisation globale de l’injecteur et fournit une mesure des flux volumiques avecdes limitations. Il est également difficile d’accéder à des grandeurs telles que la vitesse de la phasegazeuse en présence des gouttes. Pour répondre à cette problématique, il paraît judicieux de mettre enœuvre des techniques de diagnostic optique spatialement résolues. Cette étude consiste à développer des techniques optiques de champ couplant des approches basées sur la diffusion de Mie, sur l'émission fluorescente des gouttes ou de traceurs et utilisant des algorithmes de type PIV, pour caractériser de manière simultanée et quantitative la granulométrie, la vitesse et le flux volumique de la phase dispersée, ainsi que la vitesse de la phase continue dans les brouillards de gouttes au sein d’une configuration réaliste de foyer aéronautique. Une attentionparticulière est portée à l'étude de la précision de la mesure. Ainsi, des comparaisons sont effectuéesavec des bases de données complètes obtenues à l’aide du PDA. L'analyse de ces résultats estconfrontée aux modèles de l'optique physique régissant les phénomènes de fluorescence et dediffusion de la lumière par des particules à l’aide de simulations. Cette démarche nous permetd'interpréter efficacement les résultats obtenus par imagerie directe et de définir les paramètresd'acquisition et de traitement assurant une précision optimale des mesures. / The optimization of combustion chambers is generally carried out using numerical simulation tools.When fuel is injected in liquid form, the simulation quality depends on the boundary conditionsimposed to this phase close to the injector (diameter, velocity and volume flux of the droplets, slipvelocity between phases). These boundary conditions are usually set from an experimental analysisunder realistic conditions of injection, which in the best case uses Phase Doppler Anemo-granulometry(PDA). However, this point measurement technique is time consuming for an overall injectorcharacterization and provides a measurement of the volume flux with some limitations. It is alsodifficult to access variables such as the velocity of the gas phase in the presence of droplets. Toaddress this problem, it seems appropriate to implement spatially resolved optical diagnostictechniques. This study consists in the development of optical field techniques which combine approaches based onMie scattering, fluorescent emission from droplets or tracers and use PIV algorithms to characterizesimultaneously and quantitatively size, velocity and volume flux of the dispersed phase, and velocityof the continuous phase in droplet sprays in a realistic configuration of aeronautical injector. Aparticular attention is given to the study of the measurement accuracy. Thus, comparisons are carriedout with complete databases obtained with the PDA. The analysis of these results is faced withphysical optics models governing phenomena of fluorescence and light scattering by particles usingsimulations. This approach allows us to effectively interpret the results obtained by direct imaging anddefine acquisition and processing parameters ensuring optimum accuracy.

La spintronique utilisant des matériaux semi-conducteurs est un sujet de recherche très actif. Elle permet de combiner le potentiel des semi-conducteurs avec le potentiel des matériaux magnétiques. Le GaN pourrait être un bon candidat pour des applications en spintronique car le temps de relaxation de spin est très long. La spintronique organique est également un domaine de recherche en plein essor en raison de la longue durée de vie de spin des porteurs de charge ainsi que de leur coût relativement bas, de leur flexibilité et de leur diversité chimique. Dans un premier temps, nous montrerons que la polarisation circulaire de la lumière émise par une LED contenant une couche unique de points quantiques InAs / GaAs (QD) InAs / GaAs dopés p peut atteindre environ 18% sans champ magnétique extérieur. Une corrélation claire est établie entre le degré de polarisation de la lumière émise et l’aimantation perpendiculaire de l’injecteur. La polarisation atteint un maximum pour une polarisation appliquée de 2.5 V à 10 K, ce qui correspond à un courant injecté de 6 µA. En outre, nous observons un comportement remarquable de la polarisation pour un température comprise entre 60K et 80K. L’évolution de la polarisation en fonction de la température est discutée à la lumière de la compétition entre le temps de vie de recombinaison radiative τr et le temps de relaxation de spin τs. De plus, nous avons développé un injecteur de spin présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire sur GaN. Nous avons d’abord optimisé la croissance de MgO pour différentes températures du substrat. Nous avons ensuite étudié la croissance de Fe puis de Co sur MgO/GaN. L’injecteur de spin Co(0001)/MgO(111) a été retenu car celui-ci permet d’obtenir un anisotropie magnétique perpendiculaire. De plus, les calculs ab initio ont également montré que l’interface Co/MgO(111) présente une grande anisotropie magnétique. Finalement, nous étudions les MFTJ basés sur une barrière de PVDF organique dopée avec des nano-particules de Fe3O4. Nous avons fabriqué avec succès une multicouche de La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co, dans laquelle la barrière organique en poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) a été dopée avec des nanoparticules ferromagnétiques de Fe3O4. En modifiant la polarisation du PVDF, l’effet tunnel dans la jonction multiferroïque peut être commuté via la partie LSMO/PVDF/Co (polarisation positive) ou via la partie Fe3O4/PVDF/Co (polarisation négative). Cela correspond à une inversion de la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) de + 10% à -50%, respectivement. Notre étude montre que les jonctions tunnel multiferroïques organiques dopées avec des particules magnétiques pourraient créer de nouvelles fonctionnalités en jouant sur l’interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique. / Spintronics with semiconductors is very attractive as it can combine the potential of semiconductors with the potential of the magnetic materials. GaN has a long spin relaxation time, which could be of potential interest for spintronics applications. Organic spintronics is also very appealing because of the long spin lifetime of charge carriers in addition to their relatively low cost, flexibility, and chemical diversity. In this thesis, we investigate spin injection in spin LEDs containing either InAs/GaAs quantum dots or InGaN/GaN quantum wells. Moreover, we further study spin polarized transport in organic multiferroic tunnel junctions (OMFTJs). Firstly, we will show that the circular polarization of the light emitted by a LED containing a single layer of p-doped InAs/GaAs quantum dots (QDs) can reach about 18% under zero applied magnetic field. A clear correlation is established between the polarization degree of the emitted light and the perpendicular magnetization of the injector layer. The polarization reaches a maximum for an applied bias of 2.5V at 10K, which corresponds to an injected current of 6 µA. Also, we report a remarkable behavior of the polarization in the temperature region 60-80K. The interpretation of the bias and temperature dependence of the polarization is discussed in light of the competition between radiative recombination time τr and the spin relaxation time τs. In addition, significant efforts have been devoted to developing a perpendicular spin injector on GaN based materials to achieve spin injection without applying a magnetic field. Firstly, the growth of MgO has been investigated at various growth temperatures. Then, we studied the growth of either Fe or Co on MgO/GaN. In contrast to Fe/MgO, the Co/MgO spin injector yields a clear perpendicular magnetic anisotropy. In addition, ab-initio calculations have been performed to understand the origin of the perpendicular magnetic anisotropy at the Co/MgO(111) interface. Finally, we investigate multiferroic tunnel junctions (MFTJs) based on organic PVDF barriers doped with Fe3O4 nano particles. The organic MFTJs have recently attracted much attention since they can combine advantages of spintronics, organic and ferroelectric electronics. We report on the successful fabrication of La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co OMFTJ, where the poly(vinylidene fluoride) (PVDF) organic barrier has been doped with ferromagnetic Fe3O4 nanoparticles. By changing the polarization of the ferroelectric PVDF, the tunneling process in OMFTJ can be switched either through the LSMO/PVDF/Co part (positive polarization) or through the Fe3O4/PVDF/Co part (negative polarization). This corresponds to a reversal of tunneling magnetoresistance (TMR) from +10% to -50%, respectively. Our study shows that the doping of OMFTJs with magnetic nanoparticles can create new functionalities of organic spintronic devices by the interplay of nanoparticle magnetism with the ferroelectricity of the organic barrier.

Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide.

Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (« sprays ») sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d’un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d’air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d’un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d’injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d’un modèle de spray par l’approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d’échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d’injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar. / Over the years numerical modelling and simulation techniques have constantly been improved with the increase in their use. While keeping the computational resources in mind, numerical simulations are usually adapted to the required degree of accuracy and quality of results. The conventional Reynolds Average Navier Stokes (RANS) is a robust, cheap but less accurate approach. Large Eddy Simulation (LES) provides very detailed and accurate results to the some of the most complex turbulence cases but at higher computational cost. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is although the most accurate of the three approaches but at the same time it is computationally very expensive which makes it very difficult to be applied to the most of the complex industrial problems. The current work is aimed to develop a deeper understanding of multi-hole Gasoline Direct Injection (GDI) sprays which pose many complexities such as; air entrainment in the multi-hole spray cone, Jet-to-Jet interactions, and changes in the spray dynamics due to the internal flow of the injector. RANS approach is used to study multi-hole injector under cold, hot and superheated conditions. Whereas, LES is utilized to investigate the changes in the dynamics of the single spray plume due to the internal flow of the GDI injector. To reduce computational cost of the simulations, dynamic mesh refinement has been incorporated for both LES and RANS simulation. A thorough investigation of air entrainment in three and six hole GDI injectors has been carried out using RANS approach under non superheated and superheated conditions. The inter plume interactions caused by the air entrainment effects have been analysed and compared to the experimental results. Moreover, the tendencies of semi collapse and full collapse of multi-hole sprays under non superheated and superheated conditions have been investigated in detail as well. A methodology of LES has been established using different injection strategies along with various subgrid scale models for a single spray plume. In GDI multi-hole sprays, the internal flow of the injector plays a very crucial role in the outcome the spray plume. A separate already available internal flow LES simulation of the injector has been coupled with the external spray simulation in order to include the effect of nozzle geometry and the cavitation phenomenon which completely change the dynamics of the spray.

Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide. / Aeronautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flow field. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objectives of this thesis is to develop phenomenological models describing the liquid phase, in particular the film and its atomization at the injector atomizing lips, in the context of LES. These models are validated or calibrated on the academic experiment performed at Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and applied to a helicopter engine real configuration. In a first step, the thin liquid film is described by a Lagangian approach. Film particles represent an elementary volume of liquid at the wall surface. The equation of motion is given by integrating the Saint-Venant equations over the film thickness. The film dynamics derives from the pressure gradient, the interfacial shear and gravity. In a second step, the film breakup is characterized by the drop size distribution of the spray. The former one is described by a Rosin-Rammler distribution, whose coefficients depend on the gas velocity, the liquid surface tension and the atomizing edge thickness of the injector. The model, labelled PAMELA, is calibrated from the KIT-ITS experiment. The simulation of the KIT-ITS experiment allows to validate the film model, to check PAMELA robustness, and to compare qualitatively the spray angle. The application of these models in a real configuration allows to check PAMELA robustness without constants modification, and to study their impact on the flame structure, in comparison with usual methods of liquid injection.