Dans le contexte aéronautique, cette thèse, financée par Safran Helicopter Engine, s’intéresse à l’application de l’approche Simulations aux Grandes Échelles (SGE) pour les systèmes de refroidissement de turbine. Le système de refroidissement industriel complexe est divisé en cas académiques plus simples donnant accès à des caractérisations expérimentales de la dynamique et de la thermique. Le jet impactant est traité en tant que système interne et l’écoulement de protection au bord de fuite en tant que système externe. Après une brève introduction du contexte lié au refroidissement de turbine et des objectifs scientifiques, ce manuscrit est divisé en 3 parties. La 1ère partie traite d’un écoulement de jet impactant sur plaque plane représentatif de l’impact à mi-corde. Elle se concentre sur la validation et la qualification des outils et modèles ainsi que sur l’analyse physique de l’écoulement. Les différentes instationarités de l’écoulement sont reliées à la thermique de paroi à l’aide de diagnostics statistiques et d’analyses modales. La 2ème partie s’intéresse à l’impact sur paroi concave représentatif de l’impact au bord d’attaque. Cette étude se concentre principalement sur la caractérisation de l’effet de courbure pour le jet impactant. Contrairement, au consensus actuel sur l’effet de courbure, la réduction des transferts thermiques est observée pour le cas d’étude de cette thèse. Au vu de ces résultats, une discussion est proposée pour tenter d’expliquer cet écart. Finalement, la 3ème partie de ce manuscrit contient une application de la SGE à un système de protection du bord de fuite par film isolant. Dans ce dispositif, des effets de groupe sont mis en évidence. L’impact des choix de modélisation tels que l’hypothèse de périodicité dans la direction de l’envergure est alors évalué. Il est montré que cette hypothèse de périodicité influe sur la prédiction locale de l’efficacité en forçant l’écoulement. En revanche, la prédiction de l’efficacité globale du système de protection n’est pas impactée.

La recherche en bruit de combustion est de nos jours majoritairement consacrée au développement d'outils de calcul du bruit rayonné par les flammes. Les méthodes actuelles de CFD telles que la LES ou la DNS sont capables de fournir le champ acoustique rayonné par des sources de bruit, mais elles sont cependant limitées à des domaines de faible taille, ceci dû à leur fort coût de calcul. Pour surmonter cette limitation, on a vu l'émergence de méthodes hybrides. Dans cette approche, les sources de bruit sont découplées du son rayonné. Les sources sont alors calculées par les méthodes de DNS et de LES tandis que l'analogie acoustique permet de calculer le son rayonné par des codes acoustiques, moins coûteux en temps de calcul.L'objet de cette étude est de développer un outil numérique sur la base de l'analogie acoustique de Phillips pour de faibles nombres de Mach. Il permet de prendre en compte l'impact des conditions limites sur le champ acoustique résultant. La LES et le code de calcul acoustique développé ont été utilisés pour évaluer le bruit produit par une flamme turbulente confinée. Les deux techniques donnent des résultats en accord tant que les bonnes quantités sont comparées: il a été observé que le signal de pression obtenu directement à partir de la LES contient une quantité non négligeable d'hydrodynamique, laquelle doit être négligée si on cherche à comparer seulement les champs acoustiques issus des deux codes.L'hypothèse d'un nombre de Mach faible est totalement réaliste si l'on considère l'écoulement présent dans une chambre de combustion. Elle conduit à des simplifications significatives lorsque les analogies acoustiques sont considérées. Cependant, cette hypothèse ne peut pas être utilisée pour l'écoulement en amont (entrée d'air, compresseur) ni en aval (turbine, tuyère) des chambres de combustion aéronautiques. Un outil numérique a été développé pour pallier ce problème. Il est basé sur les équations d'Euler Quasi-1D, qui prennent en compte des écoulements convectifs, non isentropiques et non isenthalpiques. Cet outil permet d'estimer les conditions limites acoustiques qui doivent être imposées sur les entrées/sorties d'une chambre de combustion pour prendre en compte la présence d'un écoulement de nombre de Mach non négligeable, alors que les calculs acoustiques sont eux effectués sous cette hypothèse fortement restrictive. / Today, much of the current effort in combustion noise is the development of efficient numerical tools to calculate the noise radiated by flames. Although unsteady CFD methods such as LES or DNS can directly provide the acoustic field radiated by noise sources, this evaluation is limited to small domains due to high computational costs. Hybrid methods have been developed to overcome this limitation. In these schemes, the noise sources are decoupled from the radiated sound. The sources are still calculated by DNS or LES codes whereas the radiated sound is evaluated by acoustic codes using an acoustic analogy.In the present study, a numerical tool based on the Phllips' analogy for low Mach numbers flows has been developed. This tool accounts for the role of the boundary conditions in the resulting acoustic field. Both LES and the acoustic code developed here are used to assess the noise produced by a turbulent confined flame of a turbulent swirled-stabilized staged combustor. Good agreements are obtained between both techniques as long as the good quantities are compared: the pressure signal obtained directly from LES contains a non negligible amount of hydrodynamics that must be removed when a suitable acoustics-acoustics comparison is sought. The low Mach number assumption is completely realistic when considering the flow within a combustion chamber; it also conducts to considerable simplifications when leading with acoustic analogies. However, it cannot be used for the upstream (air-intake, compressors) and downstream (turbines, nozzle) of an aeronautical combustion chamber. A numerical tool is developed based on the quasi-1D Linearized Euler Equations in order to account for convective, non-isentropic and non-isenthalpic flows. By means of this tool, it is possible to estimate the acoustic boundary conditions that should be imposed at the inlet/oultlet of a given combustion chamber when performing low-Mach number acoustic computations.

Le moteur à allumage commandé downsizé, couplé à une stratégie d’injection directe, est l’une des solutions privilégiées par les constructeurs automobiles afin de réduire les émissions polluantes et d’augmenter le rendement. Toutefois, l’augmentation de la pression d’injection visant à favoriser l’atomisation du spray et donc l’homogénéité du mélange peut engendrer une forte interaction entre le spray et les parois de la chambre de combustion. Cette interaction est à l’origine d’hétérogénéités locales susceptibles d’altérer la combustion. Du fait de son caractère instationnaire, l’interaction spray/paroi (formation et évaporation d’un film liquide) et plus généralement la préparation du mélange en moteur à injection directe essence sont des phénomènes difficiles à analyser expérimentalement. En effet, un moteur muni d’accès optiques ne peut pas fonctionner dans les conditions thermodynamiques réelles (pression, température...). Dans ce contexte, la modélisation et plus particulièrement la Simulation aux Grandes Echelles (“Large Eddy Simulation” LES) est un moyen d’analyse complémentaire et indispensable. L’objectif de cette thèse est de développer les modèles physiques nécessaires à la description de la phase liquide avec une approche Euler-Lagrange pour la simulation dans les moteurs à piston. Dans un premier temps, une modélisation des caractéristiques physiques du spray en sortie d’injecteur, nommée GDI, est proposée et validée par comparaison avec des mesures expérimentales. Les résultats montrent la capacité du modèle GDI à reproduire la dynamique générale d’un spray pour deux types d’injecteurs multi-trous. Dans un deuxième temps, deux modèles sont développés pour traiter respectivement l’interaction entre le spray et les parois et l’évaporation du film liquide. Les premières validations de ces modèles sont faites sur des expériences académiques dédiées, permettant des comparaisons précises avec les mesures. Finalement deux configurations moteur sont simulées. La première, sans combustion, permet d’évaluer l’impact d’une modélisation fine de l’interaction spray/paroi par rapport à une approche simplifiée. Les résultats montrent que la prise en compte de la formation et de l’évaporation du film liquide modifie significativement la formation du mélange, notamment le champ de richesse au Point Mort Haut. La seconde est utilisée pour analyser l’impact de la phase liquide sur le mélange et la combustion. Ces calculs sont comparés à des calculs réalisés sans injection liquide et à des mesures expérimentales. Les résultats mettent en évidence que les stratifications de richesse et de température, causées par l’évaporation du liquide, ont un effet de plissement sur la flamme et diminuent sa vitesse de propagation. / Downsized spark ignition engines coupled with a direct injection strategy, are more and more attractive for car manufacturers in order to reduce pollutant emissions and increase efficiency. However, the high pressure levels used to promote spray atomization and consequently mixing can generate a strong interaction between the spray and the combustion chamber walls. The combustion process may be affected by local heterogeneities caused by this interaction. Spray/walls interaction (formation and evaporation of the liquid film) and mixture preparation are unsteady phenomena, explaining why their experimental studies are limited. In fact, it is difficult to reproduce the thermodynamic conditions (pressure, temperature...) representative of an engine with optical accesses. In this context, numerical simulation, and in particular Large Eddy Simulation (LES) is a complementary mean of analysis. This work aims at developing the necessary models for the two-phase combustion simulation for engines, using an Euler-Lagrange approach. First, a modeling of the spray physics downstream to the injector exit is proposed and validated by comparison with experimental data. Second, two models are proposed and implemented to adress respectively the spray/wall interaction and the liquid film evaporation. These models are first validated on dedicated academics experiments, allowing an accurate comparison with experimental data. Then, two engine configurations are simulated. The first one, without combustion, allows the evaluation of an accurate spray/wall interaction modeling in comparison with a simplified approach. Results show that accounting for the formation and evaporation of the liquid film has a significant impact on the fuel/air mixing, especially on the equivalence ratio distribution at the Top Dead Center. The second one is used to analyze the impact of liquid on the mixing and the combustion. The simulations are compared to experiments data and to simulations assuming a perfect gaseous mixing (without liquid injection). Results show that the temperature and equivalence ratio heterogeneities, created by the liquid evaporation, have a wrinkling effect on the flame and reduce its propagation speed.

Dans le contexte aéronautique, cette thèse, financée par Safran Helicopter Engine, s’intéresse à l’application de l’approche Simulations aux Grandes Échelles (SGE) pour les systèmes de refroidissement de turbine. Le système de refroidissement industriel complexe est divisé en cas académiques plus simples donnant accès à des caractérisations expérimentales de la dynamique et de la thermique. Le jet impactant est traité en tant que système interne et l’écoulement de protection au bord de fuite en tant que système externe. Après une brève introduction du contexte lié au refroidissement de turbine et des objectifs scientifiques, ce manuscrit est divisé en 3 parties. La 1ère partie traite d’un écoulement de jet impactant sur plaque plane représentatif de l’impact à mi-corde. Elle se concentre sur la validation et la qualification des outils et modèles ainsi que sur l’analyse physique de l’écoulement. Les différentes instationarités de l’écoulement sont reliées à la thermique de paroi à l’aide de diagnostics statistiques et d’analyses modales. La 2ème partie s’intéresse à l’impact sur paroi concave représentatif de l’impact au bord d’attaque. Cette étude se concentre principalement sur la caractérisation de l’effet de courbure pour le jet impactant. Contrairement, au consensus actuel sur l’effet de courbure, la réduction des transferts thermiques est observée pour le cas d’étude de cette thèse. Au vu de ces résultats, une discussion est proposée pour tenter d’expliquer cet écart. Finalement, la 3ème partie de ce manuscrit contient une application de la SGE à un système de protection du bord de fuite par film isolant. Dans ce dispositif, des effets de groupe sont mis en évidence. L’impact des choix de modélisation tels que l’hypothèse de périodicité dans la direction de l’envergure est alors évalué. Il est montré que cette hypothèse de périodicité influe sur la prédiction locale de l’efficacité en forçant l’écoulement. En revanche, la prédiction de l’efficacité globale du système de protection n’est pas impactée. / This PhD thesis, funded by Safran Helicopter Engines, focuses on the application of the Large Eddy Simulation (LES) formalism to cooling systems present in high pressure turbine. The complex industrial problem is simplified into academic test cases for which experimental data are available for the validation process. The manuscript is divided into 3 parts dealing respectively with the impinging jet system on flat and concave plates and with the film cooling at the trailing edge equipped with a cutback on the pressure side. The 1st part deals with a jet impinging on a flat plate representing the impingement at mid-chord. This part focuses on the validation and qualification of the tools and models as well as on the physical analysis of the flow. The unsteadiness present in such an impinging jet flow are linked to the thermal behavior of the wall through the use of statistical analysis and modal decomposition of the flow field. The 2nd part is dedicated to the study of a jet impinging on a concave surface. This study aims at characterizing the effect of curvature for an impinging jet flow. The results found in this study disagreed with the current consensus attributing heat transfer enhancement on concave surface to Gortler instability. Hence, a discussion is proposed in an attempt to explain this discrepancy. Finally, the 3rd part reports an LES of the film cooling at the trailing edge. Group effects, due to the presence of internal ribs, are highlighted for the configuration studied here. These simulations use a spatial periodicity assumption to reduce the size of the computational domain. It is shown that this specific assumption is not suited as it forces the flow and modifies the group effect. The local results, in terms of adiabatic effectiveness, are found to be sensitive to such a forcing. However, the global behavior of the effectiveness is not impacted by this periodic boundary condition.

Le transport aérien est devenu un mode de déplacement primordial, et le nombre de passagers transportés chaque année est en rapide augmentation à travers le monde. La International Civil Aviation Organization estime que ce nombre est passé de 2.2 milliards en 2009 à 3.0 milliards en 2013, dû en partie à la croissance rapide de pays émergents comme la Chine. Les réglementations concernant les émissions polluantes et sonores s’adaptent et se durcissent, entraînant de nouveaux défis pour les constructeurs aéronautiques. Les chambres de combustion évoluent vers des technologies de combustion pauvre prémélangée prévaporisée pour améliorer l’efficacité et réduire la production de gaz néfastes. Malheureusement, cette technologie tend à réduire la robustesse des moteurs, en diminuant les marges de stabilité et de stabilisation de flamme. Des études récentes indiquent que cela pourrait aussi augmenter le bruit de combustion. Afin de poursuivre le design et l’optimisation des futurs moteurs, de nouvelles méthodes sont nécessaires pour décrire et comprendre les mécanismes en jeu, et d’opérer ces moteurs en toute sécurité tout en atteignant les objectifs de la réglementation. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) est une approche numérique de ces problèmes, qui a montré d’excellents résultats par le passé et qui est très prometteuse pour les designs futurs. La comprehension de ces systèmes énergétiquement denses, confinés et instationnaires passe par la description des interactions flamme-turbulence, de l’acoustique et des couplages multi-physiques. À mesure que la puissance de calcul augmente, la quantité de physique qui peut être modélisée croît également, tout comme la taille des domaines de calcul. Autrefois limités à la zone de fluide réactif, la zone de mélange entre l’air et le carburant a pu être incluse, puis des parois de la chambre et des contournement de flux secondaire, jusqu’à finalement les éléments en amont et en aval de la chambre de combustion. Dans cette thèse, un solveur SGE compressible nommé AVBP est utilisé pour décrire CESAM-HP, un banc d’essai académique situé au laboratoire EM2C: une chambre de combustion pressurisée, siège d’une flamme partiellement prémélangée stabilisée par un tourbillonneur, alimente une tuyère amorcée en fin de chambre. Ces calculs décrivent simultanément la chambre et la tuyère, tout en résolvant l’acoustique, ouvrant la voie à l’étude de la dynamique du système complet, et par là aux instabilités et au bruit de combustion. Cette étude montre enfin que la stabilisation de flamme est impactée par ce comportement dynamique, qui peut parfois entraîner des retours de flamme dans l’injecteur. Ce manuscrit est organisé de la manière suivante : dans une première partie, le contexte pour la chimie, le mouvement et l’acoustique dans un écoulement réactif multi-espèces est donné. L’état de l’art en matière de thermodynamique, de thermoacoustique, de bruit de combustion et de stabilisation de flamme dans les brûleurs tourbillonnaires est présenté. Des modèles simples et des cas test sont exposés pour valider la comprehension des phénomènes en jeu de manière isolée, et des confirmations numériques sont apportées. Dans une seconde partie, les détails pratiques de la mise en œuvre de tels calculs sont donnés. Enfin, la troisième partie décrit l’application de ces outils et méthodes au banc CESAM-HP. L’inclusion de la tuyère compressible dans le domaine fournit des résultats concernant trois sujets majeurs pour le brûleur: (1) la stabilité de la flamme, en lien avec les instabilités de combustion; (2) la stabilisation de la flamme, et l’apparition de retour de flamme dans l’injecteur; (3) le bruit de combustion produit par le brûleur, ainsi que l’identification de ses diverses contributions. / Air transportation is an essential part of modern business and leisure needs, and the number of passengers carried per year is rapidly increasing worldwide. The International Civil Aviation Organization estimates that this number went from 2.2 billion in 2009 to 3.0 billion in 2013, due in part to rapid growth in emerging countries such as China. Many challenges for aircraft designers arise from this increase in air traffic, such as meeting pollutant and noise emission regulations. The engines play a major part in these emissions, and combustor technology has evolved towards high-pressure Lean Prevaporized Premixed (LPP) combustion to increase efficiency and decrease pollutant emissions. Unfortunately, this technology tends to reduce engine robustness, with a decrease in flame stability and stabilization margins. Recent studies suggest that combustion noise could also be increased in these systems. New methods are needed to describe and understand the mechanisms at hand for future design and optimization in order to operate these engines safely while still achieving emission targets. Large Eddy Simulation (LES) is a numerical approach to these problems which has shown excellent results in the past and is very promising for future design. The description of unsteady phenomena in these power-dense, confined and unsteady systems is essential to describe flame-turbulence interactions, acoustics and multiphysic couplings. As computing power grows, so does the amount of physics which can be modeled. Computational domains can be increased, and have gone from including only the reacting zone, to adding the fuel-air mixing areas, the heat liners and secondary flows, and the upstream and downstream elements. In this Ph.D., a compressible LES solver named AVBP is used to describe an academic test rig operated at the EM2C laboratory named CESAM-HP, a pressurized combustion chamber containing a swirl-stabilized partially-premixed flame and ended by a choked nozzle with high-speed flow. This leads to an accurate description of the chamber outlet acoustic behavior, and offers the possibility to investigate the dynamic behavior of the full system, and the occurrence of flame-acoustic coupling leading to combustion instabilities. It also gives insight into the combustion noise mechanisms, which are known to occur both in the reacting zone and in the nozzle. As shown in this study, this behavior also has an impact on flame stabilization in this system. This manuscript is organized as follows. In a first part, the context for chemistry, motion and acoustics of reacting multi-species flow is given. State of the art theories on reacting multi-species flow thermodynamics, thermoacoustics, combustion noise and flame stabilization in swirled burners are presented. Basic toy models and test cases are derived to validate the understanding of direct and indirect combustion noise, and numerical validations are performed. In a second part, the practical details about numerical investigation of such systems are reported. Finally, the third part describes the application of these tools and methods to the CESAM-HP4 test rig. The inclusion of the compressible nozzle in the LES computation yields results concerning three major issues for the burner: (1) flame stability, related to thermoacoustic instabilities; (2) flame stabilization, and the occurrence of flame flashback into the system’s injection duct; (3) combustion noise produced by the system, and identification of its separate contributions.

La réduction des émissions de polluants et la diminution de la consommation sont deux challenges fortement liés auxquels les constructeurs automobiles doivent faire face tout en maintenant les performances des moteurs. Les nouvelles stratégies telle que la réduction de la cylindrée associée à une optimisation de la boucle d'air (forte suralimentation et recirculation de gaz brûlés) possèdent ce potentiel. Cependant elles affectent la stabilité du moteur en favorisant les variations cycle à cycle (VCC) qui correspondent à une fluctuation de la combustion d'un cycle sur l'autre. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) capable de prédire les VCC d'un moteur à allumage commandé. Les prédictions sont validées grâce à une base de données expérimentale conçue à l'IFP qui leur est dédiée. Une approche graduelle est employée : l'outil numérique est tout d'abord évalué sur une configuration simplifiée de moteur à piston sans combustion, puis appliqué à un moteur à allumage commandé entraîné pour valider la prédiction de l'aérodynamique interne. Sur cette dernière configuration le couplage avec le modèle de combustion DTFLES est rajouté pour simuler deux points de fonctionnement réactifs. Chacune de ces simulations intègre un ou plusieurs points de modélisation (les tétraèdres en maillage mobile, les modèles de choc et d'allumage, et la cinétique chimique) au préalable testés sur des configurations académiques. Ce travail de recherche montre que l'approche SGE, dans un contexte de calcul massivement parallèle, est un outil prometteur dans l'étude des VCC d'un moteur à allumage commandé de conception récente. / A major challenge for the development of internal combustion engines is to improve fuel economy and to reduce pollutant emissions while maintaining or enhancing engine performances. New strategies using downsizing with high levels of exhaust gas recirculation have this potential, but can impact on the combustion stability and trigger high cycle-to-cycle variations (CCV). The objective of this thesis is to set a methodology based on Large Eddy Simulation (LES) to study CCV of a Spark-Ignition (SI) engine. A gradual approach is used : the numerical tool is first evaluated on a motored axisymmetric piston-cylinder assembly, and then applied on a motored SI engine to validate the in-cylinder aerodynamic predictions. On this last configuration, the coupling with the turbulent combustion model DTFLES is added to simulate two operating points of the indirect injection engine mode. Each of these simulations takes into account one or several modeling key points (tetrahedra with moving mesh, the modelings of shock and ignition, and chemical kinetics) previously tested in academic configurations. This research work shows that LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the CCV of a realistic SI engine.

Une part importante du bruit généré par les moteurs d'avion est liée à la combustion. Afin de réduire cette source de bruit, une compréhension fine des phénomènes associés est nécessaire. Deux mécanismes générateurs de bruit, et ayant pour origine la combustion, ont été identifié dans les moteurs d'avions dans les années 1970: un premier mécanisme dit direct, qui est lié directement à un dégagement de chaleur instationnaire, et l'autre dit indirect qui est lié aux interactions entre les étages de turbine et les fluctuations de température en sortie de chambre, également produites par la combustion. Des méthodes analytiques et des simulations numériques sont utilisées ici à la fois pour montrer l'importance du bruit de combustion indirect par rapport au bruit direct, et pour donner des limites de validité des approches analytiques qui sont basées sur l'hypothèse de tuyère compacte. Trois configurations différentes sont étudiées dans un premier temps: une tuyère quasi-1-D, une tuyère axi-symétrique 2-D, ainsi qu'une aube de turbine 2-D. Finalement, un secteur de chambre de combustion 3-D réelle (SNECMA) est calculé à l'aide de la Simulation aux Grandes Echelles. Les fluctuations en sortie du brûleur sont utilisées pour évaluer le bruit total généré par la combustion (direct et indirect) à l'aide des approches analytiques précédemment étudiées. / An important part of the noise generated by aero-engines is caused by the combustion. To decrease this source of noise, a precise comprehension of the underlying phenomenon is required. Two different mechanisms generating noise in aero-engines because of the combustion have been identified in the 1970’s: the direct mechanism that is directly related to the unsteady heat release, and the indirect one that is caused by the interactions between the turbine stages and the temperature fluctuations also produced by the combustion. Analytical methods and numerical simulations are used here both to show the importance of the indirect combustion noise compared with the direct one, and to provide some validity limits of compact nozzles analytical approaches. Three different configurations dealing with indirect noise are investigated: quasi-1- D nozzle, axisymmetric 2-D nozzle and 2-D turbine blade. Finally, an actual 3-D combustion chamber sector (SNECMA) is addressed with Large-Eddy Simulation. Fluctuations at the outlet of the combustor are used to compute the overall noise caused by the combustion (direct and indirect), by means of the investigated analytical models.

Les réglementations toujours plus drastiques sur les émissions de polluants ont conduit au développement de systèmes de combustion opérant en régimes pauvres qui sont malheureusement sujet aux instabilités thermo acoustiques. La capacité de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) à simuler des turbines à gaz industrielles complexes de grande puissance est mise en évidence au cours de ce travail de thèse. Tout d’abord, la SGE est appliquée à un brûleur académique et validée par comparaison à des mesures effectuées à l’Université de Berlin ainsi qu’à des simulations SGE effectuées avec OpenFOAM chez Siemens. Afin de déterminer la stabilité de ce bruleur le couplage entre l’acoustique et la combustion est modélisé par l’approche de type fonction de transfert de flamme (FTF). Suite à ces calcules et l’évaluation de la FTF les fluctuations du nombre de swirl sont identifiées comme un paramètre à même de modifier cette réponse de flamme. Après cette première étape de validation, une turbine à gaz industrielle est simulée en SGE pour deux géométries différentes du brûleur et pour deux points de fonctionnement. La FTF issue de ces calculs est peu influencée par les deux points de fonctionnement. A l’inverse, des légères modifications de la géométrie du swirler modifient les caractéristiques de la FTF montrant que plusieurs mécanismes sont en jeu. Ces mécanismes sont identifiés comme étant la vitesse d’entrée, les fluctuations de swirl et les fluctuations de fraction de mélange. Cette dernière est causée par: 1) la pulsation du débit de carburant injecté et 2) la trajectoire fluctuante des jets de carburant. Bien que le swirler soit conçu pour fournir un mélange le plus homogène possible, d’importantes hétérogénéités de mélange à l’entrée de la chambre de combustion sont présentes. Les perturbations de mélange se combinent avec les fluctuations de vitesse (et donc avec les fluctuations de swirl) aboutissant à des résultats de FTF différents. Un modèle étendu pour la FTF reliant le dégagement de chaleur à la vitesse d’entrée et à la fluctuation de fraction de mélange (modèle MISO) se révèle être une bonne solution pour ces systèmes complexes. Une analyse non linéaire montre en outre que l’amplitude de forçage conduit non seulement à une saturation de la flamme, mais aussi à un changement de la réponse de flamme. La saturation de la flamme n’est vérifiée que pour la FTF globale et le gain augmente localement avec une amplitude croissante. Pour ce système on notera enfin que la flamme linéaire, comme la flamme non linéaire, ne sont pas compactes: certaines zones pourtant situées l’une à coté de l’autre, ont des différences significatives de délai de FTF, montrant que certaines parties de la flamme amortissent l’excitation alors que d’autres l’amplifient. / Modern pollutant regulation have led to a trend towards lean combustion systems which are prone to thermo-acoustic instabilities. The ability of Large Eddy Simulation (LES) to handle complex industrial heavy-duty gas turbines is evidenced during this thesis work. First, LES is applied to an academic single burner in order to validate the modeling against measurements performed at TU Berlin and against OpenFoam LES simulations done at Siemens. The coupling between acoustic and combustion is modeled with the Flame Transfer Function (FTF) approach and swirl number fluctuations are identified changing the FTF amplitude response of the flame. Then, an industrial gas turbine is analyzed for two different burner geometries and operating conditions. The FTF is only slightly influenced for the two operating points but slight modifications of the swirler geometry do modify the characteristics of the FTF showing that a simple model taking only into account the flight time is not appropriate and additional mechanisms are at play. Those mechanisms are identified being the inlet velocity, the swirl and the inlet mixture fraction fluctuations. The latter is caused by two mechanisms: 1) the pulsating injected fuel flow rate and 2) the fluctuating trajectory of the fuel jets. Although the diagonal swirler is designed to provide good mixing, effects of mixing heterogeneities at the combustion chamber inlet occur. Mixture perturbations phase with velocity (and hence with swirl) fluctuations and combine with them to lead to different FTF results. Another FTF approach linking heat release to inlet velocity and mixture fraction fluctuation (MISO model) shows further to be a good solution for complex systems. A nonlinear analysis shows that the forcing amplitude not only leads to a saturation of the flame but also to changes of the delay response. Flame saturation is only true for the global FTF and the gain increases locally with increasing forcing amplitude. Both, the linear and the nonlinear flames, are not compact: flame regions located right next to each other exhibited significant differences in delay meaning that at the same instant certain parts of the flame damp the excitation while others feed it.

L'allumage et le réallumage de haute altitude présentent de grandes difficultés dans le cadre des chambres de combustion aéronautiques. Le succès d'un allumage dépend de multiples facteurs, des caractéristiques de l'allumeur à la taille des gouttes du spray en passant par le niveau de turbulence au point d'allumage. Déterminer la position optimale de l'allumeur ou le potentiel d'allumage d'une source d'énergie donnée à une position donnée sont ainsi des paramètres essentiels lors du design de chambre de combustion. Le but de ces travaux de thèse est d'étudier l'allumage forcé des chambres de combustion aéronautiques. Pour cela, des Simulation numériques aux Grandes Echelles (SGE) d'écoulements diphasiques réactifs sont utilisées et analysées. Afin de les valider, des données expérimentales issues du banc MERCATO installé à l'ONERA Fauga-Mauzac sont utilisées. Cela permet dans un premier temps de valider la méthodologie ainsi que les modèles utilisés pour les SGE diphasiques évaporantes avant leur utilisation dans d'autres conditions d'écoulement. Le cas diphasique réactif statistiquement stationnaire est ensuite comparé aux données disponibles pour évaluer les modèles en condition réactives. Ce cas est étudié plus en détail à travers l'analyse de caractéristiques de la flamme. Celle-ci semble être le théâtre de régimes de combustion très différents. On note aussi que la détermination de la méthode numérique la plus appropriée pour le calcul d'écoulements diphasiques n'est pas évidente. De plus, deux méthodes numériques différentes peuvent donner des résultats en bon accord avec l'expérience et pourtant avoir des modes de combustion différents. Les capacités de la SGE à correctement calculer un écoulement diphasique réactif étant validé, des SGE du phénomène transitoire d'allumage sont effectuées. La sensibilité observée expérimentalement de l'allumage aux conditions initiales, i.e. à l'instant de claquage, est retrouvé par les SGE. L'analyse met en évidence le rôle prépondérant de la dispersion du spray dans le développement initial du noyau de flamme. L'utilisation des SGE pour calculer les séquences d'allumage fournie de nombreuses informations sur le phénomène d'allumage, cependant d'un point de vue industriel, cela ne donne pas de résultat optimal, à moins de ne tester toutes les positions, ce qui rendrait le coût CPU déraisonnable. Des alternatives sont donc nécessaires et font l'objet de la dernière partie de ces travaux. On propose de dériver un critère local d'allumage, donnant la probabilité d'allumage à partir d'un écoulement diphasique (air et carburant) non réactif instationnaire. Ce modèle est basé sur des critères liés aux différentes phases menant à un allumage réussi, de la formation d'un premier noyau à la propagation de la flamme vers l'injecteur. Enfin, des comparaisons avec des données expérimentales sur des chambres aéronautiques sont présentées et sont en bon accord, indiquant que le critère d'allumage proposé, couplé avec une SGE d'écoulement diphasique non réactif, peut être utilisé pour optimiser la puissance et la position du système d'allumage. / Ignition and altitude reignition are critical issues for aeronautical combustion chambers. The success of ignition depends on multiple factors, from the characteristics of the igniter to the spray droplet size or the level of turbulence at the ignition site. Finding the optimal location of the igniter or the potential of ignition success of a given energy source at a given location are therefore parameters of primary importance in the design of combustion chambers. The purpose of this thesis is to study forced ignition of aeronautical combustion chambers. To do so, Large Eddy Simulations (LES) of two-phase reacting flows are performed and analyzed. First, the equations of the Eulerian formalism used to describe the dispersed phase are presented. To validate the successive LES, experimental data from the MERCATO bench installed at ONERA Fauga-Mauzac are used. It allows to validate the two-phase evaporating flow LES methodology and models prior to its use to other flow conditions. The statistically stationary two-phase flow reacting case is then compared to available data to evaluate the model in reacting conditions. This case is more deeply studied through the analysis of the characteristics of the flame. This last one appears to experience very different combustion regimes. It is also seen that the determination of the most appropriate methodology to compute two-phase flow flame is not obvious. Furthermore, two different methodologies may both agree with the data and still have different burning modes. The ability of the LES to correctly compute burning two-phase flow being validated, LES of the transient ignition phenomena are performed. The experimentally observed sensitivity of ignition to initial conditions, i.e. to sparking time, is recovered with LES. The analysis highlights the major role played by the spray dispersion in the development of the initial flame kernel. The use of LES to compute ignition sequences provides a lot of information about the ignition phenomena, however from an industrial point of view, it does not give an optimal result, unless all locations are tested, which brings the CPU cost to unreasonable values. Alternatives are hence needed and are the objective of the last part of this work. It is proposed to derive a local ignition criterion, giving the probability of ignition from the knowledge of the unsteady non-reacting two-phase (air and fuel) flow. This model is based on criteria for the phases of a successful ignition process, from the first kernel formation to the flame propagation towards the injector. Then, comparisons with experimental data on aeronautical chambers are done and show good agreement, indicating that the proposed ignition criterion, coupled to a Large Eddy Simulation of the stationary evaporating two-phase non-reacting flow, can be used to optimize the igniter location and power.

Pour réduire la consommation en carburant et respecter des normes anti-pollution toujours plus sévères, les motoristes font de plus en plus appel à la combustion prémélangée pauvre. Cependant, ce Régime est enclin aux instabilités thermo-Acoustiques pouvant dégrader fortement le foyer. La Simulation aux Grandes Echelles (LES) est, à ce titre, un outil présentant un grand potentiel pour une meilleure compréhension de ces phénomènes, comme l'ont montré certains travaux réalisés jusqu' à présent. Dans la majorité des applications industrielles, le carburant est injecté sous forme liquide, ce qu'il faut prendre en compte dans les simulations numériques. Cette thèse présente donc une stratégie de description de la combustion diphasique turbulente en géométries complexes, basée sur le formalisme Eulérien mésoscopique pour la phase dispersée. La discrétisation des termes convectifs constitue un des points cruciaux pour assurer la qualité d'une LES. Une description détaillée de différents schémas numériques de convection (volumes finis cell-vertex, Taylor-Galerkin)<br />est tout d'abord fournie. On procède ensuite à une analyse théorique puis pratique des erreurs induites par ceux-ci et on propose des solutions pour les réduire. Une attention particulière est portée aux discrétisations aux bords du domaine de calcul ainsi qu'au type de conditions limites choisi. La chambre de combustion du banc expérimental MERCATO de l'ONERA sert à mettre en oeuvre, à valider et enfin à évaluer ces stratégies numériques. Enfin, trois méthodes de détermination des impédances acoustiques de conduits à section variable sont analysées et validées. Celles-ci permettent de caractériser les conditions limites d'entrée et de sortie des brûleurs industriels, en particulier pour les calculs de modes propres acoustiques.