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Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide. / A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.

Cette thèse est une contribution à l’étude des flammes de méthane turbulentes non prémélangées en rotation, dites swirlées, avec ou sans enrichissement en oxygène de l’oxydant. L’étude se focalise sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes et la dynamique du jet en non réactif et réactif. Notre dispositif expérimental se compose d’un brûleur à swirler coaxial avec injection radiale de méthane au voisinage de la sortie du brûleur. Ce dernier est confiné dans une chambre de combustion. La teneur en oxygène dans l’oxydant, le nombre de swirl géométrique et la richesse globale à l’injection sont les principaux paramètres qui peuvent être précisément contrôlés. La stabilité de la flamme est caractérisée par chimiluminescence OH*. Les émissions polluantes sont mesurées par des analyseurs en ligne via un prélèvement dans les gaz brûlés. La dynamique du jet est caractérisée principalement par PIV stéréoscopique dans un plan longitudinal et plusieurs plans transverses. La diffusion du méthane dans le jet swirlé est abordée qualitativement par fluorescence induite par laser de l’acétone dans un plan. À ce jour, peu de travaux portent sur la caractérisation notamment dynamique de ces flammes swirlées avec enrichissement en O2. La mise en rotation du jet est à l’origine d’une zone de recirculation centrale qui favorise la stabilisation de la flamme en régime pauvre et à grand nombre de Reynolds. L’étude des émissions polluantes montre que les régimes de combustion à l’air pour lesquels la flamme est liftée stable sont aussi ceux qui produisent du CO et du CH4 résiduel en des quantités non négligeables. L’enrichissement en oxygène permet alors de convertir les imbrûlés et ce pour de faibles enrichissements tout en améliorant la stabilité de flamme via une diminution de la hauteur d’accrochage et des fluctuations associées comme le confirment de précédentes études. L’augmentation des NOx par la voie thermique a été quantifiée pour des enrichissements en oxygène inférieurs à 30 % vol. L’étude systématique en non réactif et réactif apporte des détails sur la topologie tridimensionnelle du jet swirlé suivant les paramètres de l’étude. L’étude de la décroissance des vitesses et de la décroissance du nombre de swirl dans la direction de l’écoulement permetde mettre en évidence l’effet de la flamme sur le jet swirlé. Un couplage entre l’évolution du taux d’entraînement par la recirculation externe et les émissions polluantes est mis en évidence pour expliquer l’évolution des NOx suivant la richesse globale à l’injection. Nous avons proposé une modélisation des écoulements swirlés qui repose sur les écoulements à vorticité hélicoïdale afin d’identifier les caractéristiques principales des structures hélicoïdales au sein de l’écoulement. / This thesis is a contribution to the study of turbulent non-premixed swirling methane flames with or without oxygen addition in the oxidizer. The study deals with the flame stability, the pollutant emissions and the jet dynamic behaviour in non-reacting and reacting conditions. The burner, operating in a combustion chamber, consists of two concentric tubes with a swirler placed in an annular arrangement, which supplied the oxidant flow (air or oxygen-enriched air). The central pipe delivers fuel (methane) radially just below the burner exit plane. The oxygen content in the oxidizer, the geometric swirl number and the global equivalence ratio are the main parameters, which can be precisely set. OH* chemiluminescence imaging is used to characterize flame stability. Multi-gas analyzers are used to measure pollutant emissions in the exhaust gas. The flow is characterized using stereoscopic PIV measurements in different longitudinal and transverse planes. A qualitative study dealing with the methane diffusion imaging is also conducted by use of acetone planar laser-induced fluorescence. Up to now only few studies have examined the dynamic behavior of this type of swirled flames with oxygen addition. Introducing swirl allows creating a central recirculation zone which favors lean flame stabilization at higher Reynolds numbers. The mapping of the combustion regimes combined with the pollutant emission results show that the stable lifted flames are related to high CO and residual CH4 emission levels in the exhaust gas. Oxygen addition, even by a few percent, allows improving CO and unburned hydrocarbons conversion and increasing flame stability at the same time via a decrease of liftoff heights and the related fluctuations. The NOx emissions increase via the thermal pathway with increasing the oxygen-enrichment rate up to 30 % vol. A comparative study in non-reacting and reacting conditions is conducted to give insight into the tridimensional flow field topology varying the above-mentioned parameters. Mean streamwise velocity and swirl number decay rates show the flame effects on the flow dynamics. A coupling mechanism between the entrainment rate of the surroundings via the external recirculation and the pollutant emissions is proposed to explain the NOx emission trend with the global equivalence ratio. A model is also proposed based on the helical vortices to identify the main features of helix structures in the jet in non-reacting and reacting conditions.

Particle Image Velocimetry (PIV) is a powerful technique to measure the velocity at many points in a flow simultaneously by performing correlation analysis on images of particles being transported by the flow. These images are acquired by illuminating the flow with two light pulses so that each particle appears once on each image. <p> The spatial resolution is an important parameter of this measuring system since it determines its ability to resolve features of interest in the flow. The super-resolution technique maximises the spatial resolution by augmenting the PIV analysis with a second pass that identifies specific particles and measures the distance between them. <p> The accuracy of the procedure depends on both the success with which the proper pairings are identified and the accuracy with which their centre-to-centre distance can be measured. This study presents an analysis of both the systematic uncertainty and random uncertainty associated with this process. The uncertainty is analysed as a function of several key parameters that define the quality of the image. The uncertainty analysis is performed by preparing 4000 member ensembles of simulated images with specific setpoints of each parameter. <p> It is shown that the systematic uncertainty is negligible compared to the random uncertainty for all conditions tested. Also, the image contrast and the selection of a threshold for the particle search are the most critical parameters influencing both success rate and uncertainty. It is also shown that high image intensities still yield accurate results. The search radius used by the super-resolution algorithm is shown to be a critical parameter also. By increasing the search radius, the success rate can be increased although this is accompanied by an increase in random uncertainty.

Particle Image Velocimetry (PIV) is a powerful technique to measure the velocity at many points in a flow simultaneously by performing correlation analysis on images of particles being transported by the flow. These images are acquired by illuminating the flow with two light pulses so that each particle appears once on each image. <p> The spatial resolution is an important parameter of this measuring system since it determines its ability to resolve features of interest in the flow. The super-resolution technique maximises the spatial resolution by augmenting the PIV analysis with a second pass that identifies specific particles and measures the distance between them. <p> The accuracy of the procedure depends on both the success with which the proper pairings are identified and the accuracy with which their centre-to-centre distance can be measured. This study presents an analysis of both the systematic uncertainty and random uncertainty associated with this process. The uncertainty is analysed as a function of several key parameters that define the quality of the image. The uncertainty analysis is performed by preparing 4000 member ensembles of simulated images with specific setpoints of each parameter. <p> It is shown that the systematic uncertainty is negligible compared to the random uncertainty for all conditions tested. Also, the image contrast and the selection of a threshold for the particle search are the most critical parameters influencing both success rate and uncertainty. It is also shown that high image intensities still yield accurate results. The search radius used by the super-resolution algorithm is shown to be a critical parameter also. By increasing the search radius, the success rate can be increased although this is accompanied by an increase in random uncertainty.

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La thèse est une contribution à l’étude des tourbillons longitudinaux qui se développent sur la lunette arrière des véhicules automobiles, dans l’idée de provoquer leur éclatement afin de réduire la traînée aérodynamique. On conçoit tout d’abord un système d’acquisition dénommé A-SPIV, permettant de reconstruire le champ moyen de vitesse 3D d’un sillage turbulent à partir de plans stéréo-PIV acquis par translation du système caméras-laser, sans qu’il soit nécessaire de le recalibrer. En complément, on propose une méthode de reconstruction de la pression moyenne reposant sur les données A-SPIV et sur une mesure de la pression pariétale. L’ensemble forme un nouveau protocole expérimental, validé dans le sillage d’un corps d’Ahmed 25° et dont les résultats à haut Reynolds sont comparés à la littérature existante. L'analyse topologique des tourbillons longitudinaux suggère l’existence d’un éclatement tourbillonnaire spontané dans le sillage proche, malgré l’absence de point de stagnation. On démontre formellement l’existence de cet éclatement par deux critères théoriques qui considèrent ce phénomène, soit comme la conséquence d’une réorganisation de la vorticité, soit comme la résultante d’une accumulation, en un point critique, d’ondes inertielles se propageant le long du tourbillon. Les analyses sous-jacentes sont menées dans un repère cylindrique attaché à l’axe tourbillonnaire et prédisent une même position d’éclatement, en bon accord avec la position singulière issue des mesures A-SPIV. La thèse se conclut par une analyse de stabilité globale de l'écoulement moyen qui suggère un lien possible entre l’éclatement et une instabilité globale de l’écoulement tourbillonnaire. / This thesis is a contribution to the study of the longitudinal vortices developing in the near wake of ground vehicles, with the general purpose of reducing the aerodynamic drag by triggering the vortex breakdown phenomenon. We present a new data acquisition system called A-SPIV, allowing to reconstruct a 3D turbulent time-averaged velocity field from stereo-PIV planes measured by translation of the whole cameras-laser system, with no need to recalibrate. We also propose a method to reconstruct the mean pressure in the bulk from the A-SPIV data and from a dedicated wall static pressure measurement. This new overall experimental protocol is applied to a standard aerodynamic test-case, the 25° Ahmed body, all results being compared and validated at high turbulent Reynolds number against existing data from the literature. A thorough analysis of the longitudinal vortices suggests the occurrence of a spontaneous vortex breakdown in the near-wake, although there exist no stagnation point in the experimental data. Such vortex breakdown is therefore evidenced using two different theoretical criteria considering the phenomenon as the consequence of either a reorganization of the vorticity, or an accumulation of inertial waves propagating along the vortex core. The underlying analyses are carried out in a cylindrical system attached to the vortex axis and predict a single breakdown position, in good agreement with the singular position initially inferred from the A-SPIV data. The thesis ends with a global stability analysis of the turbulent mean flow suggesting a possible connection between the occurrence of vortex breakdown and a global instability of the longitudinal vortex.