Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d'échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d'une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s'entretenir. L'ajout d'une faible quantité d'hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C'est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l'ajout de l'hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l'iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l'ajout de l'hydrogène combiné à la dilution, en termes d'émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l'effet de l'hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l'air contenant différents pourcentages d'hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d'estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l'utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l'effet de l'hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d'accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé.

On se propose d'analyser le régime transitoire de décrochage à l'aide de la simulation numériqueinstationnaire de type DNS. Cette approche permet de reproduire avec fidélité l'écoulementdans la région critique de Bulbe de Décollement Laminaire au bord d'attaque, encoreimpossible à modéliser ou mesurer avec précision. Après une étape de validation, la sensibilitédu BDL au niveau de turbulence extérieure est étudiée et comparée favorablement à celleétablie récemment dans la littérature. La phase d'établissement du décollement massif depuisle BDL est reproduite en réalisant de petites variations d'incidence à travers l'angle critiqued'apparition du décrochage. Ce raisonnement "aux petites perturbations" permet de reproduirel'éclatement du BDL communément rattaché au décrochage statique. La déstabilisation de larégion de BDL est alors étudiée à l'aide d'une base de données instationnaires et moyennes quipermet pour la première fois de rendre compte des déformations 3D du BDL. Conservant ceprotocole, et faisant varier la vitesse du profil, on est en mesure d'évaluer l'influence de cettedernière sur le régime transitoire. Des mouvements de rotation de plus forte amplitude angulaireont permis de mettre en évidence un mécanisme de décrochage sensiblement différent duprécédent. La couche de mélange surplombant le BDL s'enroule alors pour donner naissance àun tourbillon énergétique (Leading Edge Vortex), communément associé au décrochage dynamique.Enfin, l'analyse du champ de vitesse moyen a permis de valider un critère empiriqued'apparition de l'éclatement du BDL, qui s'est révélé pertinent aussi bien pour les mouvementsde faible amplitude que ceux plus amples.

Thesis (Ph. D.)--Technische Hogeschool Delft, 1986. / Errata slip inserted. Summary in English and Dutch; acknowledgements in Dutch. Vita. Includes bibliographical references (p. 105-111).

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1979. N°: 48.

L'étude et la compréhension du comportement des flammes de diffusion sont nécessaires et ceci à cause de leur présence dans diverses applications industrielles. Dans la présente étude, cette flamme de diffusion laminaire est issue d'un jet circulaire de méthane et d'un jet coaxial d'air. Deux moyens sont proposés afin d'influencer cette flamme: l'application d'un champ magnétique non-homogène et l'enrichissement du jet d'air coaxial en oxygène. L'effet de ces deux facteurs est étudié au niveau des caractéristiques de la flamme hauteur de décrochage ou lift et la longueur de la flamme), son comportement, sa stabilité et les instabilités d'écoulement en amont de la flamme, de front de flamme et de sommet de la flamme (flickering). L'effet du champ magnétique dépend du signe de son gradient, et cet effet est dû à la génération d'une force magnétique et de la modification des courants de convection. L'enrichissement de l'air en oxygène a un effet stabilisant sur la flamme, une meilleure efficacité énergétique est remarquée. Le champ magnétique et l'enrichissement en oxygène modifient l'amplitude et la fréquence des instabilités évoquées. Un avantage majeur de ces moyens de contrôle pourrait être une stabilisation de la flamme décrochée a la sortie du brûleur. / Studying and understanding the behavior of diffusion flames becomes of great importance becauseof their presence in different industrial applications. In this study, the laminar diffusion flame isissued from a circular jet of methane and a coaxial jet of air. Two ways are proposed to influencethis flame: the application of a non-homogeneous magnetic field and enrichment of air with oxygen.The effect of these two factors is studied on the flame characteristics (lift-off height and flamelength), its behavior, stability and the instabilities of the upstream flow, the flame base and theflame top (flickering). The effect of the magnetic field depends on the sign of its gradient, and it'sdue to the generation of a magnetic force and the influence on the convection motion. Enrichmentof air with oxygen is having a stabilizing effect on the flame. Magnetic field and oxygen enrichmentcan modify the amplitude and the frequency of different kind of instabilities. The major advantageconsists in the stabilization of the flame on the burner rim.

Prévoir la transition laminaire-turbulent de la couche limite sur l'avant-corps d'un véhicule hypersonique est importantpour optimiser l'entrée d'air du superstatoréacteur qui lui est associé, mais reste très difficile après un demi-siècle derecherches intensives sur le sujet. Dans ce travail, les approches numériques et expérimentales sont mises en oeuvre etcomparées. Expérimentalement, la transition naturelle est détectée à Mach 4 et Mach 6 dans la soufflerie continue T-313de l'ITAM à Novossibirsk à l'aide de mesures de pression Pitot. Dans une autre soufflerie de l'ITAM, la AT-303 à rafale,on a détecté la transition naturelle à Mach 6 et la transition déclenchée par rugosités à Mach 8 à l'aide d'un procédéoptique basé sur l'emploi de peintures thermosensibles. Ces essais ont été réalisés sur maquette à échelle 1/3. Toutesles rugosités testées se sont montrées efficaces. La prévision théorique de la transition naturelle a été réalisée au moyende la théorie de la stabilité linéaire locale modale couplée à la méthode du eN. En vol, sur avant-corps à échelle 1, lesfacteurs N atteignent difficilement 8 à 9, ce qui est insuffisant pour assurer la transition avec certitude. Pour appliquer laméthode aux essais au sol, on a besoin de connaître les facteurs N de transition des souffleries, ce qui est réalisé à partird'essais de calibration sur plaque plane dans T-313. Un excellent accord théorie/expérience est obtenu à Mach 4. AMach 6, on doit prendre en compte la présence d'instabilité ‘’crossflow’’ inflexionnelle au nez de l'engin, moyennant quoil'accord est aussi très bon. Les calculs de stabilité ont été réalisés sur des solutions de base obtenues par simulationnumérique (CFD) des conditions de vol ou des essais au sol. Ces simulations ont également permis de bien comprendrela structure de l'écoulement autour de l'avant-corps et de concevoir en grande partie les moyens d'essai. / The prediction of the laminar-turbulent transition in the boundary layer on a hypersonic vehicle forebody is important tooptimize the air inlet of the associated scramjet engine, but is still very difficult after half a century of intensive research onthe subject. In this work, numerical and experimental approaches are applied and compared. Experimentally, the naturaltransition is detected at Mach 4 and Mach 6 in the blow down wind tunnel T-313 in ITAM Novosibirsk using Pitot pressuremeasurements. In the impulse AT-303 wind tunnel in ITAM, the natural transition at Mach 6 and the roughness inducedtransition at Mach 8 are detected using an optical method based on thermosensitive paints. These tests have beenperformed on a 1/3 scale model. All the trips tested have shown their effectiveness. The theoretical prediction of thenatural transition has been performed using the local modal linear stability theory coupled with the eN method. In flight, onthe full scale forebody, N factors hardly reach 8 to 9, which is insufficient for the transition. To apply the method to groundtests, the wind tunnels transition N factors are needed. They are obtained from calibration tests on a flat plate in T-313. Avery good agreement with experiments is found at Mach 4. At Mach 6, the presence of inflexional crossflow instabilitynear the nose of the body must be taken into account, which gives also a good agreement. Stability calculations havebeen done for mean flow solutions obtained by numerical simulations (CFD) of flight or ground tests conditions. Thesesimulations have also helped to understand the structure of the flow around the forebody and to design efficiently theexperimental setup.

L’optimisation des systèmes de production d’énergie par combustion requiert une connaissance précise de la cinétique de combustion. Cependant, la majorité des systèmes de production d’énergie par combustion fonctionnent à haute pression et il est reconnu que la pression a une influence sur la cinétique de combustion. En laboratoire, l’analyse de la structure de flamme laminaire se présente comme un outil puissant pour étudier la chimie de la combustion. A ce jour, la plupart des travaux menés ont été réalisés à des pressions inférieures ou égales à la pression atmosphérique. Au cours de cette thèse, un dispositif expérimental pour l’analyse de structure de flammes laminaires, à contre-courants et à haute pression a été mis en place. Il permet de stabiliser des flammes de CH4/air et CH4/CO2/air jusqu’à 0,7 MPa et l’étude de leur structure par diagnostics laser. Les profils de concentration de OH dans les flammes CH4/air et CH4/CO2/air à différentes richesses (=0,7-1,2) et différentes pressions (P=0,1-0,7 MPa) ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser et calibrés en concentration par absorption laser. Pour cela, la longueur du milieu absorbant a été déterminée par Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF). Une attention particulière a été portée aux corrections du signal de fluorescence prenant en compte l’élargissement de raie et le taux de collisions, qui augmentent avec la pression. Les profils expérimentaux obtenus ont été comparés à la modélisation à l’aide du code de calcul OPPDIF et des mécanismes cinétiques GRI-Mech3.0 et GDFKin®3.0. En parallèle, une analyse spectroscopique des flammes de CH4/air à haute pression a été entreprise. / The optimisation of practical combustion devices requires a detailed knowledge of the combustion kinetic. However, most practical combustion systems operate at high pressure and it is known that pressure has an influence on combustion kinetics. In laboratory, the analysis of laminar flame structure is a powerful tool for studying combustion chemistry. However, most of studies have been realised at pressures under or equal to atmospheric pressure. During this thesis, an experimental device has been implemented for the study of the structure of high pressure counterflow flames. It allows the stabilisation and the study of CH4/air and CH4/CO2/air flame structure through laser diagnostics until 0.7 MPa. CH4/air and CH4/CO2/air flames have been studied for a various range of stoichiometry (equivalence ratios from 0.7 to 1.2) and pressures (0.1 MPa to 0.7 MPa). Experimental OH concentration profiles have been measured by Laser Induced Fluorescence and calibrated by laser absorption. To do this, absorption path length has been determined by Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Great care has been attached to the determination of the fluorescence signal by taking into account the line broadening and de-excitation by quenching which both arise at high pressure. Experimental data were compared with modeling results obtained through the OPPDIF calculation code with GRI-Mech3.0 and GDFKin®3.0 kinetic mechanisms. In parallel, a spectroscopic analysis of the CH4/air flames has been undertaken.

La prise en compte de la transition laminaire-turbulent dans les codes Navier-Stokes demeure problématique d’un point de vue numérique dès lors qu’on s’intéresse à des géométries complexes tridimensionnelles tel qu’un étage de turbomachine. Le modèle à équations de transport Re se propose de résoudre ces difficultés et d’ouvrir la voie à la modélisation automatique du phénomène pour des simulations RANS. Le travail exposé dans ce mémoire de thèse a consisté à développer dans le code elsA le modèle de transition Re et à évaluer l’aptitude de ce modèle à capturer avec précision le phénomène de la transition laminaire-turbulent dans le cadre de simulations RANS en turbomachine. Après une étude bibliographique, l’implémentation du modèle dans le code elsA est décrite ainsi que des premières simulations validant les développements réalisés. Par la suite, des cas documentés relatifs à des applications en aérothermique sont traités. Les prévisions par CFD des flux de chaleur à la paroi sont en bon accord avec l’expérience, démontrant ainsi la capacité du modèle à capturer avec précision la nature de la couche limite. Dans une dernière partie, le modèle est appliqué à la prévision de la transition par bulbe de décollement sur des aubages de turbine basse pression. Les résultats obtenus indiquent que le modèle doit être amélioré afin de modéliser correctement le phénomène de transition par bulbe de décollement. Ces travaux ont permis de valider l’utilisation du modèle de transition Re dans le code elsA pour une large gamme d’applications en turbomachine, et laissent entrevoir la perspective d’utiliser ce modèle. / The modelisation of laminar to turbulent transition is still difficult in RANS computations while dealing with three dimensional computational domains like turbomachinery domains. The laminar to turbulent transition model Re has been proposed to solve these issues and permit the automatic modeling of laminar to turbulent transition in RANS codes. The Re model has been introduced into the code elsA and evaluated thanks to several computations relative to turbomachinery. After a bibliographical study, the implementation of the model into the code elsA and the inital results are described in this document. In a third part, aerothermal issues in turbomachinery are investigated. The estimations of the heat fluxes by CFD are in good agreement with the experimental data which demonstrate the capability of the model to capture laminar and turbulent regions. In a last part the phenomenon of separation induced transition occuring on low pressure turbine blade is studied. The results obtained while employing the Re model show that the model need to be refined for these applications. The studied performed have permited the validation the use of the laminar to turbulent transition model Re with the code elsA for very different applications in turbomachinery.

On se propose d’analyser le régime transitoire de décrochage à l’aide de la simulation numériqueinstationnaire de type DNS. Cette approche permet de reproduire avec fidélité l’écoulementdans la région critique de Bulbe de Décollement Laminaire au bord d’attaque, encoreimpossible à modéliser ou mesurer avec précision. Après une étape de validation, la sensibilitédu BDL au niveau de turbulence extérieure est étudiée et comparée favorablement à celleétablie récemment dans la littérature. La phase d’établissement du décollement massif depuisle BDL est reproduite en réalisant de petites variations d’incidence à travers l’angle critiqued’apparition du décrochage. Ce raisonnement ”aux petites perturbations” permet de reproduirel’éclatement du BDL communément rattaché au décrochage statique. La déstabilisation de larégion de BDL est alors étudiée à l’aide d’une base de données instationnaires et moyennes quipermet pour la première fois de rendre compte des déformations 3D du BDL. Conservant ceprotocole, et faisant varier la vitesse du profil, on est en mesure d’évaluer l’influence de cettedernière sur le régime transitoire. Des mouvements de rotation de plus forte amplitude angulaireont permis de mettre en évidence un mécanisme de décrochage sensiblement différent duprécédent. La couche de mélange surplombant le BDL s’enroule alors pour donner naissance àun tourbillon énergétique (Leading Edge Vortex), communément associé au décrochage dynamique.Enfin, l’analyse du champ de vitesse moyen a permis de valider un critère empiriqued’apparition de l’éclatement du BDL, qui s’est révélé pertinent aussi bien pour les mouvementsde faible amplitude que ceux plus amples. / High fidelity numerical simulation is used to study the transitory flow involved during the staIl ofan airfoil at high angle of attack. The nearly DNS resolution in the Laminar Separation Bubbleprovides the required accuracy to reproduce this complex flow that still represents a challenge forboth experimentation and modeling. The numerical procedure is comprehensively validated withparticular attention to the LSB region. The sensitivity of the LSB to an external disturbance ismonitored on the airfoil and is favorably compared with a recent study on flat plate in the literature.The destabilization of the LSB during staIl is reproduced with a small variation of the angle ofattack through the critical angle. The LSB bursting, typical of a static leading edge staIl, is thusreproduced. A comprehensive study of the unsteady events during the transitory flow is performedby means of a high frequency sampling of spanwise and short time averaged data base. Ofparticular interest is the 3D deformation of the flow captured by using a large spanwisecomputational domain (one chord length). The influence of the motion dynamic is then explored.The transitory is significantly affected by a high angular amplitude motion. The shear-Iayer in theLSB undergoes a roll-up which is found to be responsible for the formation of the Leading EdgeVortex, typical of a dynamic staIl configuration. An empirical criterion for the prediction of burstingis then assessed using the statistical data base. Results are found to surprisingly match the incipientof staIl in both static and dynamicaJ conditions.

Les suies se présentent sous la forme de fines particules carbonées de diamètres compris entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres. Dans l’atmosphère, elles entraînent des enjeux climatiques, de par leurs propriétés radiatives, mais aussi des enjeux sanitaires, du fait de leur faible taille : elles pénètrent facilement dans le système respiratoire et même, pour les plus fines, dans le système sanguin. L’objectif est de parfaire les connaissances sur les propriétés physiques des suies produites par différents systèmes de combustion. C’est dans le but de mieux comprendre l’influence des systèmes de combustion, faisant intervenir des temps de séjours différents, des propriétés de turbulence, d’oxydation et de pression distinctes que nous avons choisi d’étudier trois types de combustion spécifiques : d’une part, des flammes de diffusion laminaires à pression atmosphérique, initiées dans un brûleur développé au cours de ces travaux ; d’autre part, une flamme de diffusion laminaire sous atmosphère pressurisée (3 à 5 bars) ; enfin, une flamme turbulente produite par une chambre tubulaire, elle aussi sous atmosphère pressurisée (1.2 à 3 bar). Un autre enjeu de ce travail était d’approfondir les informations relatives à la combustion de carburants liquides, à savoir le kérosène et le diester. Les travaux effectués visent à déterminer les caractéristiques morphologiques (dimension fractale, diamètre des monomères...) et l’indice complexe m* des suies issues des différents systèmes de combustion. La technique employée pour la mesure de l’indice complexe de réfraction des suies, repose sur l’analyse d’une partie des fumées produites par les flammes. Ces fumées sont acheminées dans un banc d’analyse permettant la mesure de signaux d’extinction et de diffusion, ainsi que de distributions de taille des suies. Par ailleurs, des analyses de clichés obtenus par microscope en transmission d’électrons (TEM) permettent l’obtention d’informations sur la morphologie des agrégats de suies. L’utilisation de la théorie de la diffusion de la lumière pour des agrégats fractals dans la limite de Rayleigh (RDG-FA) permet d’estimer à partir de ces données deux fonctions de l’indice complexe E(m) et F(m), et ainsi de retrouver m*. / Soot are carbonaceous fine particles, which diameters are ranged from a few nanometres to a few micrometers. They have an impact on climate, due to their radiative properties, as well as on health, due to their small size. That’s why particulate matter is an important concern. In order to gain a better understanding of the influence of the combustion devices, which implies specific residence time and also specific turbulence, oxidation and pressure properties, we studied three specific kinds of combustion : first, laminar diffusion flames at atmospheric pressure ; then, a laminar diffusion flame a high pressures (3 to 5 bar) ; finally, a turbulent flame produced in a combustor at high pressures (1,2 to 3 bar). Another objective of this work was to improve the knowledge about soot produced by the combustion of liquid fuels, namely kerosene and biofuel. We studied morphological properties (fractal dimension, primary particle size…) and the refractive index m* of soot produced by these combustion systems. The technique employed to characterize the soot refractive index is based on the analysis of a part of smokes produced by flames. These are transported towards two optical cells, so that extinction and scattering coefficients can be measured, in addition to soot size distributions. Furthermore, a morphological characterization of the aggregates is conducted, using transmission electron microscopy (TEM) photographs. Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal aggregates is used to determine two functions of the refractive index E(m) and F(m), so that m* can be deduced.