Les mécanismes d’évolution spatio-temporelle des structures turbulentes instationnaires tridimensionnelles, et en particulier ceux rencontrés aux plus grandes échelles, sont à l’origine de phénomènes d’instabilité qui conduisent très souvent à une diminution de la performance des systèmes énergétiques. C’est le cas des variations cycle-à-cycle dans le moteur à combustion interne. Malgré les progrès substantiels réalisés par la simulation numérique en mécanique des fluides, les approches expérimentales demeurent essentielles pour l’analyse et la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu. Dans ce travail de thèse, deux types de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été appliqués et adaptés au banc moteur optique du laboratoire Coria pour étudier l’écoulement en fonction de six conditions de fonctionnement du moteur. La PIV Haute Cadence 2D2C a permis d’abord d’obtenir un suivi temporel de l’écoulement dans le cylindre durant un même cycle moteur ainsi qu’identifier ces variations cycliques. La PIV Tomographique 3D3C a permis ensuite d’étendre les données mesurées vers l’espace tridimensionnel. La Tomo-PIV fait intervenir 4 caméras en position angulaire visualisant un environnement de géométrie complexe, confinée, ayant un accès optique restreint et introduisant des déformations optiques importantes. Cela a nécessité une attention particulière vis-à-vis du processus de calibration 3D des modèles de caméras. Des analyses conditionnées 2D et 3D de l’écoulement sont effectuées en se basant principalement sur la décomposition propre orthogonale (POD) permettant de séparer les différentes échelles de structure et le critère Γ permettant l’identification des centres des tourbillons. / The unsteady evolution of three-dimensional large scale flow structures can often lead to a decrease in the performance of energetic systems. This is the case of cycle-to-cycle variations occurring in the internal combustion engine. Despite the substantial advancement made by numerical simulations in fluid mechanics, experimental measurements remain a requirement to validate any numerical model of a physical process. In this thesis, two types of particle image velocimetry (PIV) were applied and adapted to the optical engine test bench of the Coria laboratory in order to study the in-cylinder flow with respect to six operating conditions. First, the Time-Resolved PIV (2D2C) allowed obtaining a temporal tracking of the in-cylinder flow and identifying cyclic variabilities. Then tomographic PIV (3D3C) allowed extending the measured data to the three-dimensional domain. The Tomo-PIV setup consisted of 4 cameras in angular positioning, visualizing a confined environment with restricted optical access and important optical deformations. This required a particular attention regarding the 3D calibration process of camera models. 2D and 3D conditional analyses of the flow were performed using the proper orthogonal decomposition (POD) allowing to separate the different scales of flow structures and the Γ criterion allowing the identification of vortices centres.

La combustion diphasique implique de nombreux phénomènes physiques complexes, comprenant l'atomisation, la dispersion, l'évaporation et la combustion. Bien que la simulation numérique soit un outil performant pour aborder ces différentes interactions entre les phases liquides et gazeuses, la méthode doit être validée par des études expérimentales fiables. Par conséquent, des données expérimentales précises sur la structure de la flamme et sur les propriétés de la phase liquide et gazeuse le long des étapes d'évaporation et de combustion sont nécessaires. La complexité des configurations aéronautiques réelles implique d'étudier l'effet des propriétés locales sur la dynamique des flammes pour une configuration canonique. Ce travail, réalisé dans le cadre du projet ANR TIMBER, a pour objectif d'améliorer la compréhension de la combustion en flux diphasique, ainsi que de produire une base de données efficace et originale pour la validation des modèles utilisés dans les LES. / Liquid fuels are the primary energy source in a wide range of applications including industrial and residential furnaces, internal combustion engines and propulsion systems. Pollutant emission reduction is currently one of the major constraints for the design of the next generation combustion chamber. Spray combustion involves many complex physical phenomena including atomization, dispersion, evaporation and combustion, which generally take place simultaneously or within very small regions in the combustion chambers. Although numerical simulation is a valuable tool to tackle these different interactions between liquid and gas phases, the method needs to be validated through reliable experimental studies. Therefore, accurate experimental data on flame structure and on liquid and gas properties along the evaporation and combustion steps are needed and are still challenging. A joint effort between numerical and experimental teams is necessary to meet tomorrow's energy challenges and opportunities. The complexity of the real aeronautical configurations implies to study the effect of local properties in flame dynamics on a canonical configuration, which presents the essential feature of very well defined boundary conditions. This work, carried out within the framework of the ANR TIMBER project, aims to improve the understanding of two-phase flow combustion, as well as to produce an efficient and original database for the validation of the models used in LES.