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*.

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.

Microgravité éthylène laminaires couche limite flammes de diffusion générés par un brûleur poreux plat et caractérisées par les vitesses d'injection de carburant de 3 et 4 mm / s et une vitesse d'oxydation de 250 mm / s ont été simulées en utilisant un modèle de rayonnement précis, un mécanisme cinétique complète et un modèle de suie constitué de lancement par suite de la collision de deux molécules de pyrène, l'évolution de la surface hétérogène et oxydation suivant l'abstraction d'un atome d'hydrogène addition d'acétylène (HACA) mécanisme, la coagulation à particules de suie, et la condensation de la surface de l'HTAP. La distance d'écartement et la production de suie sont améliorées lorsque la vitesse du carburant augmente. H et des radicaux OH, responsables de la de-hydrogénation des sites dans le processus HACA, et le pyrène, de l'espèce pour la création de la suie et des processus de condensation HAP, se trouvent à être situé dans une région qui suit la distance stand-off. La suie est ensuite produite dans cette région et est transporté à l'intérieur de la couche limite par convection et thermophorèse. Perte radiatif est sensiblement plus élevé dans ces flammes que dans flammes de diffusion de gravité normales dues à beaucoup plus longues durées de séjour. Calculs effectués par négliger le rayonnement de la suie et en utilisant l'approximation optiquement mince (OTA) a révélé que la suie domine le transfert de chaleur par rayonnement dans ces flammes et que l'utilisation de l'OTA donne lieu à des écarts significatifs dans la fraction du volume température et la suie. / Microgravity ethylene laminar boundary layer diffusion flames generated by a flat porous burner and characterized by the fuel injection velocities of 3 and 4 mm/s and an oxidizer velocity of 250 mm/s have been simulated by using an accurate radiation model, a comprehensive kinetic mechanism, and a soot model consisting of inception as a result of the collision of two pyrene molecules, heterogeneous surface growth and oxidation following the hydrogen abstraction acetylene addition (HACA) mechanism, soot particle coagulation, and PAH surface condensation. Model predictions are in reasonable agreement with the experimental data in terms of the stand-off distance and soot volume fraction. The stand-off distance and soot production are enhanced as the fuel velocity increases. H and OH radicals, responsible of the de-hydrogenation of sites in the HACA process, and pyrene, of the species for soot inception and PAH condensation processes, are found to be located in a region that follows the stand-off distance. Soot is then produced in this region and is transported inside the boundary layer by convection and thermophoresis. Radiative loss is substantially higher in these flames than in normal gravity diffusion flames owing to much longer residence times. Calculations carried out by neglecting soot radiation and by using the optically-thin approximation (OTA) revealed that soot dominates the radiative heat transfer in these flames and that the use of OTA gives rise to significant discrepancies in temperature and soot volume fraction.

La réduction des émissions polluantes des foyers aéronautiques est un enjeu majeur pour les motoristes. Afin de les accompagner dans cette tâche, il est nécessaire de développer des outils de simulation numérique permettant de prédire avec précision les émissions d'espèces chimiques en sortie du foyer. Pour cela, une description détaillée des réactions chimiques est nécessaire. Celle-ci est néanmoins incompatible avec la simulation des foyers industriels, compte tenu des puissances de calcul actuelles. C'est pourquoi il est nécessaire de recourir à des méthodes de réduction de la chimie qui préservent la capacité de prédire la concentration des polluants. La démarche consistant à tabuler la chimie nous a semblé appropriée pour aborder ces problèmes et son développement a fait l'objet de cette thèse. Un premier travail a été effectué afin de sélectionner dans la littérature les modèles permettant de traiter des écoulements réactifs turbulents diphasiques avec une approche de chimie tabulée. Par rapport à l’existant, des améliorations ont été apportées à la génération des tables chimiques, afin de prendre en compte l'effet du temps de résidence des gaz brûlés dans le foyer sur la formation des oxydes d'azote. Le couplage de la méthode avec un modèle de formation des suies a également été réalisé. La chimie tabulée permet d’avoir accès à la concentration des précurseurs de suie et des espèces oxydantes, quantités sur lesquelles s’appuie le modèle de formation des suies. Le modèle de chimie tabulée développé dans le cadre de cette thèse a été appliqué à la simulation d'une configuration représentative des foyers aéronautiques. Les concentrations d'oxydes d'azote, de particules de suie, mais aussi de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures imbrûlés prédites par les calculs ont été comparées aux résultats expérimentaux. Un bon accord avec l'expérience est observé concernant la topologie du champ de suie et l'allure des profils de concentration de polluants en sortie. Néanmoins, les niveaux de concentration obtenus par les simulations diffèrent des résultats expérimentaux. Cela est imputable notamment à une erreur de prédiction du champ de température qui n'est pas due à l'approche de chimie-tabulée puisque une erreur similaire a été observée avec un autre modèle de combustion. / The reduction of pollutant emissions of aeronautical combustion chambers is a major issue for engine manufacturers. In order to support them in this task, it is necessary to develop numerical simulation tools able to predict accurately chemical species emissions at the chamber outlet. To achieve this, a detailed description of the chemical reactions is necessary. Nevertheless, considering the current computer capabilities, this description is not presently affordable. This is why the use of chemistry reduction methods preserving the capability to predict pollutants species is necessary. The method of tabulated chemistry is a good candidate to tackle these problems and therefore is used as the basis of model developments achieved in the framework of this PhD thesis. A preliminary work has been made to select in the literature tabulated chemistry methods applying to turbulent reactive two-phase flows. The technique to create the chemical tables has been improved in order to take into account the effect of the residence time of the burnt gases on nitrogen oxides formation. The coupling of the method with a soot model has also been achieved. The tabulated chemistry gives access to the concentration of soot precursors and oxidizers, quantities which are required by the model used for the soot prediction. The developed tabulated chemistry model has been applied to the simulation of a configuration representative of aeronautical combustors. The concentration of nitrogen oxides, soot particles, carbon monoxide and unburnt hydrocarbons predicted by the numerical simulations have been compared to experimental results. The topology of the soot volume fraction field and the shape of pollutant concentrations profiles at the outlet agree quite well with the experiments. Nevertheless, concentration levels obtained from the simulations differ from the experimental results. This can be imputed to the error in the prediction of the temperature field that is independent of the combustion model, since a similar error was observed with another combustion model.

Les suies de combustion sont principalement connues pour leur caractère nocif, dans le cas des feux de forêt, de fumées de cheminées ou d'émissions polluantes d'un tuyau d'échappement. Cependant, le noir de carbone, un produit industriel de combustion d'hydrocarbures largement utilisé dans notre vie quotidienne. La surface d'une particule de suies ou de noir de carbon joue un rôle important tant au niveau de son utilisation que de son effet nocif. Il est donc important de connaître la masse, le volume ainsi que la morphologie des suies. En particulier, la surface des particules est un paramètre important pour prédire leur utilisation ainsi que leur effet nocif. Les suies sont généralement des agrégats présentant une structure fractale constituée d'éléments de forme sphérique, appelés particules primaires. Il est possible de connaître la surface des agrégats à partir de la distribution en taille de particules primaires (PPSD-Primary particules size distribution). Compte tenu de l'intérêt grandissant pour la surface des particules et leurs évolutions, il est aujourd’hui nécessaire d'étendre les modèles numériques pour la prévision de la PPSD. De plus, comme la taille des la particules primaires influence les processus chimiques et les processus de collision, la prise en compte de ce paramètre peut améliorer les prévisions des modèles. Les flammes multidimensionnelles laminaires, comme les flammes de diffusion, sont moins complexes que les flammes rencontrées dans les systèmes de combustion industriels. Cependant, les processus de formation de suies sont analogues dans les deux cas, ce qui rend l'étude de ces flammes intéressante. Afin d'obtenir une description détaillée des processus chimiques ayant lieu dans ces flammes tout en maintenant le coût de calcul à un niveau abordable, l'utilisation de modèles sectionnels discrets chimiques (CDSchemical discret sectional methods) est un choix approprié. Le développement de modèles CDS est au coeur de cette thèse. D'abord, une stratégie numérique pour déterminer la taille des particules primaires est présentée dans le contexte des modéles CDS. Elle repose sur la résolution d'une équation de transport pour la densité en nombre de particules primaires pour chaque section d'agrégats considérée. Pour valider la taille des particules primaires déterminée numériquement, les résultats doivent être comparés avec des données expérimentales obtenues via la technique d'Incandescence Induite par Laser résolue temporellement (TiRe-LII). Cette comparaison, dite inverse, est affectée par les incertitudes expérimentales et les hypothèses sous-jacentes au post-traitement du signal TiRe-LII pour obtenir la PSD. Pour améliorer la stratégie de validation, une nouvelle approche, dite directe, est proposée pour la validation de la PPSD à partir des données obtenues par TiRe-LII. Elle est basée sur la reconstruction numérique de l'évolution temporelle du signal d'incandescence à partir des résultats numériques et de sa comparaison avec le signal mesuré. L'efficacité de l'approche proposée est démontrée a priori en évaluant l'erreur potentiellement évitée par la nouvelle stratégie. Le modèle proposé pour le suivi des particules primaires est ensuite validé en utilisant à la fois les approches ’directe’ et ’inverse’ sur les flammes cibles issues de l'International Sooting FlameWorkshop (ISF): une flamme pré-mélangée éthylèneair et une flamme de diffusion coflow avec deux dilutions différentes. Le caractère général du modèle est discuté en effectuant une étude de sensibilité des résultats aux paramètres du modèle même. Enfin, le modèle est utilisé pour comprendre l'effet de la dilution du combustible sur la taille des particules primaires dans les flammes de diffusion en examinant les corrélations possibles entre phase gazeuse et phase solide ainsi que l'évolution temporelle des particules le long de leur trajectoires. / An image appearing when the phrase soot is heard is the smoke emitted by an exhaust pipe. The imperfect combustion of hydrocarbon fuels is a source of this harmful pollutant. The industrially controlled combustion of hydrocarbons can provide the carbon black, an industrial product widely used in our everyday life. For both its utilization and its harming effect, the surface of these combustion generated particles plays an important role, therefore, it is of interest to possess information on the particle morphology beside its mass or volume. Soot particles were found, at various conditions, to have a fractal-like structure built up from spherical shape building blocks, socalled primary particles. This increased interest in the particle surface and its evolution gives the motivation to extend numerical models to provide related information, i.e. particle surface or primary particle size. Furthermore, as the primary particle size influences the chemical and collisional processes, accounting for this parameter can improve the model predictions. The requirements for numerical models are various depending on the purpose of the simulation. Multidimensional laminar flames, like a laminar coflow diffusion flame, are less complex than flames of industrial combustion systems. However, the soot formation processes are analogous in the two cases, therefore, the investigation of these flames are of interest. In order to obtain a detailed description of the chemical processes, while keeping the computational cost in these flames at an affordable level, using chemical discrete sectional models is a suitable choice. As in their current version, these models do not provide information on the primary particle size their development in this direction is of interest. Guided by the above motivation, a numerical strategy to determine the primary particle size is presented in the context of the chemical sectional models. The proposed strategy is based on solving the transport equation of the primary particle number density for each considered aggregate section. In order to validate numerical primary particle size, the comparison to experimental data is required. Due to its numerous advantages, the Time-Resolved Laser-Induced Incandescence (TiRe-LII) technique is a nowadays popular experimental method. However, the comparison of the numerically and the experimentally obtained primary particle size may be charged with uncertainties introduced by the additional measurements or assumptions of the numerous parameters required to derive primary particle size from the detected signal. In order to improve the validation strategy, an additional approach for primary particle size distribution validation with TiRe-LII is proposed. This is based on the reconstruction of the temporal evolution of incandescence from the numerical results and its comparison with the measured signal. The effectiveness of this ’forward’ method is demonstrated a priori by quantifying the errors potentially avoided by the new strategy. The validity of the proposed primary particle tracking model is tested by both the traditional ’inverse’ and the ’forward’ method on target flames of the International Sooting Flame (ISF) Workshop. In particular a laminar premixed ethylene flame is considered first. Then, two laminar coflow ethylene flames with different dilutions are put under the scope. The sensitivity to the model parameters, such as accounting for the surface rounding and the choice of smallest aggregating particle size, is explored in both the premixed flame and in the coflow flame with highest ethylene content. To understand the effect of the fuel stream dilution on the primary particle size in the coflow flame, first, the flame-flow interaction and the effect of the dilution on the flame structure is investigated. [...]

Dans ce travail de thèse, des méthodes de simulation numérique ont été utilisées afin de modéliser, à l’échelle moléculaire,l’interaction entre des aérosols carbonés et diverses molécules de l’atmosphère.L’objectif était de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces aérosols, qui jouent un rôle majeur dans le climat, en particulier via leur capacité à former des noyaux de condensation pour les molécules d’eau. En premier lieu, les techniques de la dynamique moléculaire ont été appliquées à la détermination de l’organisation d’agrégats d’acide carboxylique sur lesquels sont adsorbées des molécules d’eau. Les résultats montrent une influence à la fois de la température, du taux d’humidité et du type d’acide considéré sur le comportement global des agrégats. Par contre, il a été montré qu’un mélange binaire d’acides n’a que peu d’influence sur ce comportement. En second lieu, des techniques de simulation moléculaires quantiques, à la fois statiques et dynamiques, ont été appliquées à l’étude de la chloration de surfaces de suie, modélisées par de grands HAP, ainsi qu’à la caractérisation de leur affinité pour les molécules d’eau. Les résultats ont montré une forte propension de Cl, Cl2 et HCl à former des HAP chlorés à la faveur de la présence de défauts structurels. Ces structures chlorées présentent une forte hydrophilicité, ce qui pourrait expliquer la nature fortement hygroscopique de suies émises lors d’incendies industriels. / In this PhD work, molecular simulation methods have been used in order to model, at the molecular scale, the interaction between carbonaceous aerosols andvarious atmospheric species. The aim wasto characterize the physico-chemical properties of these aerosols, which play a major role in climate forcing, in particular through their ability to act as cloud condensation nuclei.First, molecular dynamics techniques have been applied to determine the structure of carboxylic acid aggregates on which water molecules are adsorbed. The results of our simulations show an influence of the temperature, of the humidity and of the type of carboxylic acid considered on the global behavior of the aggregates. By contrast,a mixture of different types of acid molecules has no influence on this behavior. Secondly, quantum molecular simulation techniques have been applied to study the chlorination of soot surfaces, modeled by large PAHs, and their behavior with respect to water molecules adsorption. The results show a strong propensity of Cl, Cl2and HCl species to form chlorinated PAHsthanks to the presence of structural defects.These chlorinated structures show as trong hydrophilicity, which may explain the strong hygroscopic nature of soots emitted by industrial fires.

Le carbone-suie, ou "black carbon" (BC), est considéré comme le deuxième plus grand contributeur d'origine anthropique au changement climatique, après le dioxyde de carbone, en raison de son importante capacité à absorber la lumière (Bond et al., 2013). Malgré son influence sur le système climatique, les observations pluriannuelles des teneurs atmosphériques de BC demeurent rares, particulièrement en Europe. Cette étude propose une reconstruction nouvelle de la variabilité passée du BC atmosphérique à partir de l'analyse d'une carotte de glace forée au glacier de l'Elbrus (ELB), situé dans le Caucase en Russie. Un analyseur de carbone-suie SP2 (Single Particle Soot Photometer) a été exploité pour l'analyse du BC réfractaire (rBC) sur 153m de carotte de glace couvrant les derniers 140 ans. Un nouveau système analytique couplant un nébuliseur APEX-Q et le SP2, intégré au sein d'un système d'Analyse en Flux Continu, a été développée et a permis d'obtenir un enregistrement unique quasi-continu du rBC. La glace de l'Elbrus révèle une augmentation marquée des teneurs en rBC entre les années 1870 et 1980, suivie d'une diminution des concentrations jusqu'en 2000 environ. Au cours de la dernière décennie, les concentrations en rBC demeurent stables. Parallèlement, une augmentation des niveaux de fond jusqu'en 1980 indique clairement un impact non négligeable des émissions anthropiques sur la charge en BC atmosphérique à des échelles spatiales très larges, et notamment dans la troposphère libre. Une étude fine des inventaires d'émissions de BC disponibles et la modélisation FLEXPART viennent confirmer que l'augmentation forte de rBC depuis 1920 est principalement due aux émissions anthropiques de BC. Une analyse du gradient est-ouest des dépôts de rBC à haute altitude au cours de la dernière décennie a été réalisée, en comparant l'archive récente (10 ans) de l'Elbrus avec deux autres enregistrements provenant du Col du Dôme (CDD, France) et du Colle Gnifetti (CG, Italie). Les concentrations à l'Elbrus se révèlent deux à trois fois supérieures à celles des autres sites, une différence liée à l'intensité plus forte des sources en Europe de l'Est et confirmée par la modélisation FLEXPART. Les combustions de biomasse se trouvent identifiées comme la principale cause de variabilité interannuelle à l'Elbrus en été. Sur les derniers 10 ans, une diminution statistiquement significative des concentrations en rBC dans la neige est détectée au CDD, un résultat qui s'oppose aux observations réalisées à l'Elbrus où une tendance à l'augmentation au cours des périodes estivales est identifiée. Ces tendances, aussi bien CDD et ELB, sont relativement cohérentes avec les inventaires d'émissions de BC anthropiques disponibles. Ces enregistrements nouveaux et continus de rBC dans plusieurs carottes de glace européennes viennent faire progresser notre compréhension des évolutions passées des sources et de la charge atmosphérique du BC en Europe. Ces enregistrements peuvent participer à une meilleure évaluation de l'efficacité des politiques passées et actuelles de réduction des émissions de BC, ainsi qu'à une amélioration des inventaires d'émission. / Black carbon (BC) is considered as the second largest man-made contributor to global warming after carbon dioxide due to its highly light-absorbing ability (Bond et al., 2013). Despite its climatic role, multi-year observations of ambient BC concentrations are scarce, in particular over Europe. In this thesis, we reconstructed past variability of atmospheric BC using an ice core from the Elbrus glacier (ELB), Caucasus in Russia. We have used a single particle soot photometer (SP2) to retrieve refractive BC (rBC) along 153 m of ice core covering the last 140 years. We have developed and validated a novel analytical system coupling of APEX-Q nebulization to SP2 in a Continuous-flow Analysis system to derive a unique quasi-continuous record of rBC. Results reveal a substantial rBC increase since 1870s lasting until 1980, followed by a decrease until ~2000. In the last decade, rBC concentrations remained constant. In parallel, an increase in background concentration until 1980 clearly highlights that anthropogenic BC emissions have substantially affected the atmospheric BC loading on a very large spatial scale, particularly in the free troposphere. A comparison with the estimated BC reaching the ELB site using a BC emission inventory/FLEXPART modeling confirms that the strong rBC increase since around 1920 is mainly due to anthropogenic BC emissions. Analysis of the East-West gradient of rBC deposited in snow over the last decade is investigated comparing the recent archive (10-year) at ELB with two other records from Col du Dôme (CDD), France, and Colle Gnifetti (CG), Italy. Concentrations at ELB are 2-3 times higher than at other sites, which is linked to source intensity in the Eastern part of Europe, as confirmed by the FLEXPART modelling. Biomass burning is identified as a main cause of inter-annual variability at ELB during summer time. Over the last decade, a statistically significant reduction of rBC concentration in snow is found at CDD, opposite to what is found at ELB with an increasing trend observed for summer periods. These trends are also fairly consistent with anthropogenic BC emissions inventories. Availability of continuous records of rBC in European ice cores improved our understanding of past evolution of atmospheric BC over Europe. They can be used to assess efficiency of past and current emission reduction policies and improve emission inventories.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale et numérique des processus de formation des particules de suie au sein des flammes laminaires non-pré-mélangées et partiellement prémélangées sous l'influence d'un champ magnétique ou d'une stimulation acoustique. Dans une premiére étape, la capacité du code CIAO à prédire la fraction volumique de suie dans une flamme axisymétrique est étudiée. Par la suite, deux flammes subissant une stimulation acoustique ont été étudiées. Les résultats peuvent être utilisés pour améliorer les modèles de suie futurs, en particulier concernant les différentes échelles temporelles de la chimie en phase gazeuse, et la formation d'hydrocarbures polyaromatiques (PAH) et de suie couplée avec des flux transitoires. Pour étudier la formation des particules de suie sous l'influence de gradients de champ magnétique, un brûleur de type Santoro est utilisé. Les techniques de mesure utilisées dans le cadre de cette thèse sont l'imagerie directe à haute cadence, la technique Background Oriented Schlieren (BOS) et la méthode d'Absorption/Emission Modulée (MAE). Une augmentation de la fraction volumique de suie intégrée a été mise en évidence lorsque le gradient de champ magnétique est ascendant. Une analyse de stabilité linéaire locale appliquée à l'écoulement non-visqueux est présentée pour une flamme sous l'influence de la perturbation magnétique envisagée. Le gradient de champ magnétique provoque alors une réduction du taux d'amplification. De fait, l'étude est complété par l'identification d'un domaine où les flammes qui oscillent naturellement peuvent être stabilisées et contrôlées par des gradients de champ magnétique. / In this thesis light is shed on the soot formation processes in laminar coflow flames influenced by magnetic field gradients and acoustic forcing. Both influences have been assessed experimentally and numerically. First, the CIAO in-house code's ability to predict soot volume fraction fields in a steady coflow flame is studied. Then, two acoustically forced cases were studied. These findings are used to improve future soot models, especially, concerning the different time scales of gas phase chemistry and the formation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and soot coupled with unsteady flows. To investigate soot formation under magnetic field gradients, a Santoro type burner is used. The measurement techniques applied in the course of this thesis are high-speed luminosity measurements, Background Oriented Schlieren (BOS) and one- and two-color Modulated Absorption/Emission (MAE) techniques. The magnetic field impact on soot formation was first studied experimentally in steady laminar flames. A scaling of soot production similar to the increased integrated soot volume fraction with increased oxygen content in the coflow was documented. A local inviscid stability analysis is presented for an ethylene coflow flame to investigate the flame's response to small perturbations of the mean velocity, temperature, fuel, and oxygen massfraction under magnetic field exposure. The magnetic field is found to reduce the perturbations' growth rate. The magnetic field study is completed by identifying a domain where naturally oscillating flames can be stabilized and controlled by magnetic field gradients.

Les travaux s'inscrivent dans le développement de catalyseurs conducteurs ioniques à base de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (YSZ) pour l'oxydation des suies dans les filtres à particules (FAP) qui équipent les véhicules Diesel. L'oxydation de la suie sur YSZ a été observée à l'échelle nanométrique par microscopie électronique en transmission environnementale. La réaction d'oxydation se déroule à l'interface (20-40 nm) entre le catalyseur et la suie, l'activité étant liée au nombre de points de contact. Nous avons associé un vecteur d'oxygène mobile, l'argent, à YSZ. Les résultats montrent une synergie entre YSZ et les nanoparticules d'argent qui promeut l'activité notamment en cas de contact grossier avec la suie. Des expériences isotopiques d'échanges et d'oxydation ont démontré que l'argent active l'intégration de l'oxygène gazeux dans le réseau de YSZ. La caractérisation des propriétés physicochimiques des nanoparticules d'argent dispersées sur différents oxydes (une autre zircone yttriée aux propriétés différentes : YSZb, ZrO2, CeZrO2, SiO2) a permis de relier les performances catalytiques avec la teneur d'argent métallique en surface. Des tests de vieillissement hydrothermal ont montré que la formulation supportée sur YSZb présente une activité maintenue en contact médiocre avec la suie et une faible perte en argent. Des mini-FAPs imprégnés de catalyseur ont ensuite été testés sur un banc de gaz synthétiques capable de produire des particules de suie en suspension. L'activité des formulations catalytiques une fois mises en forme ainsi que leur capacité de filtration ont été évaluées. Un mini-FAP contenant la formulation Ag/YSZb oxyde les suies dès 350°C et s'auto-régénère (oxydation des suies plus rapide que leur collecte) dès 450°C / This study deals with the development of ionic conductive catalysts based on yttria-stabilized zirconia for soot oxidation in Diesel Particle Filter (DPF). Soot oxidation was observed at the nanoscale using Environmental Transmission Electron Microscopy. Reaction was shown to occur at the interface between YSZ and soot, ranging from 20 to 40 nm, and activity was related to the number of contact points between soot and catalyst. In order to promote activity, we associated to YSZ an oxygen carrier: silver, under the form of silver nanoparticles (AgNPs) scattered over YSZ surface. Results display a synergy between YSZ and AgNPs, allowing for the promotion of soot oxidation under poor contact conditions. Isotopic exchange and oxidation experiments demonstrated AgNPs promote oxygen integration into YSZ lattice. Characterizations of supported AgNPs over different oxides such as YSZb (displaying different properties than YSZ), ZrO2, SiO2, CeZrO2, indicate that the soot oxidation activity is related to the amount of metallic silver species on the oxide surface. Hydrothermal ageing tests indicate that Ag/YSZb formulation displays a stable activity in poor contact conditions and a low silver loss. Baby-DPF (1 inch diameter, 3 inches length) were impregnated with silver-supported catalysts and tested on a synthetic gas bench producing a gas stream containing suspended soot particles. Soot oxidation activity and filtration efficiency were measured. A baby-FAP containing the Ag/YSZb formulation was shown to oxide soot at a temperature as low as 350°C and to induce self-regeneration (soot oxidation overcoming the collection) at 450°C

L’objectif de cette étude était de développer une nouvelle génération de catalyseurs, dits électrochimiques, capables d’abaisser la température de régénération des filtres à particules, et de diminuer les coûts du post-traitement des moteurs Diesel, en évitant notamment une surconsommation en carburant. Pour cela, un banc de mesure a été développé où de forts moyens analytiques pour les phases gazeuses (GC et analyseur de NOx), particulaires (spectromètre de masse à aérosols AMS) et de caractérisations physiques des aérosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) ont été couplés. Le catalyseur électrochimique développé est composé d’un catalyseur oxyde de type pérovskite La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (noté LSAM), en contact avec un électrolyte solide conducteur par les ions O2-, la zircone dopée à l’oxyde d’yttrium (YSZ). L’enduction de ce catalyseur électrochimique directement dans les canaux d’un filtre à particule (FAP) en céramique (SiC) a montré des performances permettant d’abaisser la température de régénération des FAP de 100°C voire de 260°C selon le flux de régénération. Ces performances sont le résultat d’un effet de synergie entre les phases de la pérovskite LSAM et du conducteur ionique YSZ / The aim of this study was to develop a new generation of catalysts, called electrochemical, which can lower the regeneration temperature of the particulate filter, and reduce post-treatment costs of Diesel engines, especially avoiding over-consumption of fuel. For this, a test bench has been developed where strong analytical analyzer for gas phases (GC and Nox analyzer), for particles (aerosol mass spectrometer AMS) and for physical characterization of aerosols (SMPS, Scanning Mobility Particle Sizer) have been coupled. The electrochemical catalyst developed is composed of a perovskite catalyst La0.5Sr0.23Ag0.27MnO3±δ (denoted LSAM), in contact with a solid electrolyte conductor by O2-ions, yttria stabilised zirconia (YSZ). The coating of the electrochemical catalyst directly into the channels of a particulate filter (DPF) showed performance to lower the DPF regeneration temperature of 100°C or even 260°C depending of the regeneration flow. These performances are the result of a synergistic effect between the phases of the perovskite LSAM and YSZ ionic conductor