Dans le contexte actuel, pour diminuer la consommation de fuel et les émissions de polluants comme le CO2 ou les NOx, les chambres de combustion aéronautiques de nouvelle génération sont basées sur la combustion partiellement prémélangée pauvre. La simulation numérique de ce type de chambre nécessite de prédire avec précision la température, la dynamique de flamme et la formation de polluants. Comme l’écoulement est fortement instationnaire, l’utilisation de la simulation aux grandes échelles s’avère nécessaire. C’est dans ce contexte que nous avons développé le modèle F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). Ce modèle se base sur un filtrage a priori de flammelettes calculées en prenant en compte les effets liés à la chimie détaillée. Il permet alors d’améliorer la prédiction des polluants et de la température tout en prenant en compte les contributions résolues et de sous maille de plissement, garantissant ainsi la bonne prédiction de la vitesse de propagation de la flamme. F-TACLES est appliqué à deux configurations d’injecteurs industriels étudiés expérimentalement : les chambres PRECCINSTA et MOLECULES. Sur le plan de la prédiction de la dynamique de flamme, le développement de F-TACLES a induit une réflexion plus générale sur la combustion en LES. En effet, l’ensemble des méthodes de simulation de la combustion introduisent un épaississement artificiel de la flamme afin de pouvoir la résoudre sur le maillage de calcul. L’impact de cet épaississement est étudié pour les approches TFLES (Thicken Flame for Large Eddy Simulation) et F-TACLES dans le cadre simplifié de la combustion prémélangée. Pour cela, une approche analytique ainsi que des simulations laminaires et turbulentes sont réalisées et comparées à des simulations directes (Direct Numerical Simulation) et à des données expérimentales. Pour finir, la chambre de combustion d’un hélicoptère est simulée avec l’approche F-TACLES pour reproduire et comprendre l’effet d’une modification géométrique observée expérimentalement. / In the present-day context, to reduce fuel consumption and emissions of pollutants such as CO2 or NOx, aeronautical combustion chambers of new generation are based on lean partially-premixed combustion. The numerical simulation of these configurations then requires to accurately predict the temperature, the flame dynamics and the pollutant formation. To capture flow instationnarities, Large Eddy Simulation (LES) is required. In this context, we have developed the model F-TACLES (Filtered tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). This modeled is based on an a priori filtering of flamelet that takes into account detailed chemistry effects. It lets to improve predictions of pollutants and temperature with the resolved and modelled contributions of the flame wrinkling, while guaranteeing a correct prediction of the flame propagation speed. F-TACLES is applied to two experimentallystudied industrial injectors : the PRECCINSTA and MOLECULES combustion chambers. In terms of flame dynamics prediction, the F-TACLES development induced a more general reflection on the combustion LES. Indeed, all methods of combustion simulation introduce an artificial thickening of the flame front for an appropriate resolution on the computational mesh. In the simplified framework of premixed combustion, the impact of this thickening is measured for two different approaches : TFLES (Thicken Flame for LES) and F-TACLES. For this purpose, an analytical model as well as laminar and turbulent simulations are compared to direct numerical simulation (DNS) or experimental data. Finally, a helicopter combustion chamber is simulated with the F-TACLES approach in order to attempt to reproduce the impact of a geometric modification on the combustion.

Dans un contexte où les questions environnementales et énergétiques ont une importance capitale, les constructeurs automobiles sont fortement poussés à développer des moteurs à combustion interne toujours plus économes et moins polluants. Pour le développement de procédés de combustion innovants et l'amélioration de leur compréhension, la simulation aux grandes échelles apparaît comme un outil prometteur. Ce travail de thèse traite du développement et de la validation d'un modèle pour la simulation aux grandes échelles de la combustion Diesel. Le modèle ADF-PCM, basé sur la tabulation de flammes de diffusion approchées auto-inflammantes étirées et permettant la prise en compte d'une cinétique chimique détaillée, est utilisé dans ces travaux. Le modèle ADF est tout d'abord introduit. Il permet d'approximer des flammes de diffusion laminaires à partir de flammelettes dont les termes chimiques proviennent de calculs de réacteurs homogènes. La première étape de ces travaux consiste à valider ces flammes de diffusion approchées dans des configurations proches de celles observées dans les moteurs Diesel. Le modèle ADF-PCM, initialement développé dans un formalisme RANS, est ensuite étendu à un formalisme LES pour des écoulements diphasiques et intégré dans le code LES compressible AVBP. Un modèle de stratification en température ainsi que les termes de couplage avec la phase liquide décrite par un formalisme Eulérien sont développés. Le modèle ADF-PCM est ensuite validé sur deux expériences de sprays Diesel en enceinte fermée. Il permet une bonne reproduction des résultats expérimentaux en termes de délai d'auto-inflammation, de dégagement de chaleur et de hauteur d'accrochage de la flamme. Les prédictions du modèle ADF-PCM sont ensuite comparées avec celles d'autres modèles faisant différentes hypothèses simplificatrices par rapport à la structure de flamme et la stratification en sous-maille de la fraction de mélange. Les résultats obtenus à l'aide de ces différents modèles soulignent la nécessité de la prise en compte de ces effets, même pour des résolutions spatiales fines. Finalement, des comparaisons entre les résultats expérimentaux et la simulation sont réalisées avec le modèle ADF-PCM pour différents taux de gaz recirculants. Celui-ci montre une reproduction qualitative de l'effet des gaz recirculants sur la combustion. / In a context where environmental and energetic issues are of major importance, car manufacturer are pushed toward developing more and more efficient vehicle with less pollutant emissions. To develop new combustion processes and improve their understanding, Large-Eddy Simulation appears as a promising tool. This thesis deals with the development and the validation of a model for Large-Eddy Simulation of Diesel combustion. The ADF-PCM model, based on the tabulation of strained approximated diffusion flames which allow to take into account detailed chemical schemes, is used. First, the ADF model is introduced. It approximates laminar diffusion flames by flamelets for which the chemical terms are extracted from a look-up table based on homogeneous reactors. The first step of this work consists in the validation of these approximated diffusion flames in Diesel conditions. The ADF-PCM model, initially formulated in a RANS formalism is extended to Large-Eddy Simulation of two phase flows and implemented in the AVBP LES compressible solver. A temperature stratification model is developed, as well as coupling terms for the liquid phase described by an Eulerian formalism. The ADF-PCM model is then assessed and validated on two experiments of Diesel liquid sprays injected into a constant volume chambers. It accurately predicts experimental _ndings in terms of auto-ignition delay, heat release rate and lift-off length. ADF-PCM results are then compared with those of other models considering different simplifying assumptions concerning flame structure or subgrid-scale mixture fraction stratification. The results indicate the necessity to consider these effects, even for fine grids. Finally, the capacity of the ADF-PCM approach to reproduce the influence of exhaust gas recirculation over combustion is assessed. Comparisons between experimental and simulation results indicate a qualitative reproduction of exhaust gas recirculation impact over combustion.

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.

L’allumage constitue une phase critique dans de nombreuses applications de combustion et plus particulièrement dans celles qui sont liées à la propulsion aéronautique et spatiale. Un des défis actuels a été de développer des simulations aux grandes échelles de ce phénomène transitoire dans des configurations réalistes comme celles trouvées dans les moteurs aéronautiques. A cet égard, le travail pionnier de Boileau et al. (2008)a indiqué que des calculs complets de ce processus pouvaient être réalisés dans des géométries complètes de chambre de combustion annulaire et que ces calculs pouvaient fournir des informations de première main sur le processus d’allumage circulaire. Il était toutefois important devoir si la simulation pouvait reproduiredes données expérimentales bien contrôlées.Ceci est accompli dans le présent travail qui utilise un dispositif expérimental nouveau désigné sous le nom de MICCA.La thèse décrit l’ensemble des données recueillies au cours d’essais systématiques sur MICCA, la méthode de calcul aux grandes échelles et sa validation dans une configuration de brûleur simplifiée, les résultats de simulations aux grandes échelles du processus d’allumage circulaire, une analyse détaillée des résultats numériques et enfin une modélisation simplifiée du processus d’allumage fondée sur des équations de bilan macroscopiques. / Ignition constitutes a critical phase in many combustion applications and specifically those related to aerospace propulsion. One of the current challenges has been to develop large eddy simulations of this transient phenomenon in realistic configurations like those found in aeroengines.In this respect, the pioneering work of Boileau et a. (2008) indicated that complete calculations of this process in a full annular combustor geometry could be carried out and that they provided first hand information on the light-round process.It was however important to see if the simulation can match well controlled experimental data. This is accomplished in the present work which uses a novel experimental device named MICCA. The thesis describes the experimental set of data,the calculation methodology and its validation in a single burner configuration,results of large eddy simulation of the full light round process, a detailed analysis of the numerical results and an attempt to build a simplified model of the process based on macroscopic balance equations.

Les préoccupations environnementales actuelles ont conduit les constructeurs automobiles à proposer de nouvelles technologies dans le but de réduire les émissions de CO2. Parmi ces technologies, le downsizing appliqué aux moteurs turbocompressés à allumage commandé est une des solutions privilégiées, car permettant d'atteindre des points de fonctionnement fortement chargés, avec un meilleur rendement thermique. Cependant, les fortes charges favorisent l'apparition de cliquetis, un phénomène potentiellement dommageable pour le moteur et qui l'empêche d'exploiter tout son potentiel. Du fait des variabilités cycliques de combustion dans le moteur, le cliquetis, qui dépend des conditions locales dans la chambre de combustion, peut apparaître uniquement sur quelques cycles, à différents endroits et instants. Dans cette thèse, une approche par Simulation aux Grandes Échelles (SGE) a été choisi, dans le but d'étudier et d'améliorer notre compréhension du cliquetis. L'étude se base sur la SGE d'un moteur industriel, le RENAULT 1.2 TCe 115. Un premier ensemble de 30 cycles a été simulé sur un point de fonctionnement de référence, correspondant à un point cliquetant dans la base de données banc d'essais fournie par RENAULT. Les résultats de simulation ont été comparés aux résultats expérimentaux, aussi bien en termes de variabilités cycliques de combustion que de cliquetis. A la suite, un balayage d'avance à l'allumage a été simulé pour étendre la base de données LES à des points plus faiblement et plus fortement cliquetants. La base de données résultante se compose de 150 cycles de combustion, utilisés pour développer des méthodologies et outils, dans le but de mieux caractériser le cliquetis et d'approfondir sa compréhension. L'accès numérique à toute grandeur dans la chambre de combustion, combiné à la description séparée dans cette simulation entre la flamme de pré-mélange initiée par la bougie et l'auto-inflammation dans les gaz frais, ont permis de caractériser le cliquetis en se focalisant sur son origine : l'auto-inflammation. A la suite, les méthodologies et outils développés ont soutenu une analyse détaillée des mécanismes qui contrôlent l'apparition du cliquetis. En particulier, le lien entre le cliquetis et les variabilités cycliques de combustion a été exploré. Les résultats mettent notamment en évidence l'impact des variabilités cycliques, aussi bien de la vitesse de propagation que de la forme de la flamme de pré-mélange, sur le cliquetis. / The rising concerns about the environment have led car manufacturers to come up with new engine technologies, in order to reduce the impact of internal combustion engines on CO2 emissions. In this context, downsizing of turbocharged spark-ignition engines has become a commonly used technology, the advantage of which is to operate the engine under thermally more efficient high loads. However, these high loads favour the appearance of potentially damaging knock phenomena, which prevent the engine to fully exploit its potential. Because of cyclic combustion variability (CCV) in the engine, knock, which depends on the local conditions inside the combustion chamber, can appear at different locations and timings and not in all engine cycles. In this thesis, a Large-Eddy Simulation (LES) approach was selected to investigate and further improve our understanding of the appearance of knock. The study is based on the LES of a production engine, the RENAULT 1.2 TCe 115. For this engine, a set of 30 cycles was initially simulated at a single operating point, corresponding to a knocking point in the test bench database from RENAULT. The results were compared to experimental findings, both in terms of CCV and knock. Subsequently, a spark-timing sweep was simulated in order to enlarge the LES database to also include weaker and stronger knock levels. The resulting LES, which consists of 150 combustion cycles, was used to develop methodologies and tools with the objective to better characterize and understand knock. The computational access to any quantity inside the combustion chamber, together with the separate description with the present LES approach between the spark-triggered premixed flame propagation and auto-ignition, were exploited to characterize knock focusing on its source: autoignition in the fresh gases. Then, the developed methodologies and tools supported a detailed analysis of the mechanisms that control the knock onset. In particular, its link with CCV was explored. The results point out the impact of the cyclic variability in the premixed flame propagation speed and shape on knock.

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l'air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l'environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d'étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l'air et du carburant. La prise en compte de l'aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l'apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d'injection, et d'évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d'une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l'écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d'essai Mercato. Ce banc est équipé d'un système d'injection d'air vrillé et d'un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l'injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d'un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d'obtenir des temps d'évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration MERCATO. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d'évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L'utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l'équation sur l'énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l'énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d'obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L'accès à l'évolution instationnaire de l'écoulement permet d'identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n'est pas résolue dans l'approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l'approche Euler-Lagrange malgré l'injection monodisperse.

Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s'avèrent de nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la consommation des énergies fossiles. Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbulents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulérienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance. Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques, permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d'effets polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées, afin d'en cerner les limites pour la simulation eulérienne d'une phase liquide. Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d'autres approches (FEM et approche lagrangienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l'expérience est montré pour toutes les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations. D'autres résultats expérimentaux s'avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene, autant en phase liquide qu'en phase gazeuse.

La prise en compte des traînées de condensations (contrails) dans les modèles de grande échelle requiert une paramétrisation. Cependant, les données actuelles sont insuffisantes pour cette paramétrisation. La simulation numérique détaillée d'un contrail complète les données et elle contribue à mieux définir ces paramétrisations. Les études des aéronefs ont mis en évidence le rôle de la turbulence atmosphérique dans la dynamique des tourbillons de sillage. Pourtant, la majorité des simulations numériques de contrails réalisées à ce jour utilisent une représentation simplifiée et paramétrée de cette turbulence, plutôt que de la résoudre explicitement. Le travail réalisé ici consiste à mettre en place une simulation de contrail avec une résolution tridimensionnelle de la turbulence atmosphérique. Dans un premier temps, une méthode de forçage stochastique a été mise en place pour engendrer des écoulements turbulents dans un milieu stratifié, et on montre la capacité de cette méthode à reproduire la turbulence de l'atmosphère. Dans un second temps, une simulation de contrail a été mise en place en utilisant la turbulence atmosphérique engendrée précédemment. Les effets du niveaux de turbulence, de la température et de la saturation en vapeur d'eau sur le contrail sont étudiés pour les quatre premières minutes : la turbulence contrôle la destruction des tourbillons de sillage, alors que la saturation et la température contrôlent la persistance et le taux de formation de glace. Les propriétés microphysiques et optiques obtenues sont en accord avec les observations et des lois sont proposées pour adapter ces propriétés aux paramétrisations des modèles de grande échelle.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.

Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail.