La conception des chambres de combustion industrielles (chambres de combustion aéronautiques, fours industriels, etc.) requiert une prédiction fine des phénomènes physiques dominants. En particulier, l’interaction flamme turbulence aux échelles résolues et non-résolues, l’impact de la composition et du mélange des réactifs, l’impact des pertes thermiques et de la diffusion différentielle doivent être capturés fidèlement. C’est dans ce contexte que le modèle de combustion turbulente F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistryfor Large Eddy Simulation) a été développé afin de coupler une méthode de chimie tabulée (FPI) avec le formalisme de la simulation aux grandes échelles(LES).Dans cette thèse, le modèle F-TACLES, initialement développé pour des écoulements adiabatiques, est étendu à la prise en compte des pertes thermiques. Un formalisme adapté à l’utilisation de bases de chimie tabulée calculées avec la diffusion différentielle est aussi proposé. Ces développements sont validés sur deux configurations : le brûleur TSF et le brûleur SWB.La modélisation de l’interaction flamme-turbulence est ensuite étudiée. Une étude de sensibilité du modèle de plissement de sous-maille de Charlette et al. (2002) à ses paramètres et sous-modèles est réalisée sur le brûleur SWB.En particulier, une méthode d’estimation dynamique des paramètres est aussi évaluée et montre d’excellents résultats. Une généralisation du formalisme de la LES pour les écoulements réactifs est ensuite proposée afin de prendre en compte explicitement les deux filtres mis en jeu dans les simulations : le filtre associé à l’écoulement et le filtre associé à la flamme. Deux stratégies de fermetures sont proposées en se basant sur des modèles existants (F-TACLES et TFLES). Le modèle obtenu, appelé modèle F2-TACLES, est ensuite validé et comparé avec F-TACLES sur la configuration semi-industrielle PRECCINSTA.Pour terminer, la capacité du modèle F-TACLES à capturer l’impact des pertes thermiques et de la composition des gaz frais sur la topologie de flammes est évaluée. Cette étude est réalisée sur une série de flammes CH4-H2-Air turbulentes en giration et prenant des formes différentes en fonction du niveau de pertes thermiques et de la composition des réactifs. / The design of industrial combustion chambers (aeronautical engines, industrial furnaces, etc.) require a fine prediction of the different governing phenomena. Flame-turbulence interaction at resolved and unresolved scales, impact of reactants composition and mixing process, impact of heat losses and differential diffusion have to be correctly captured in such configurations. For that purpose,the turbulent combustion model F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry forLarge Eddy Simulation) has been developed to couple tabulated chemistry with large eddy simulation (LES) formalism.In this thesis, the F-TACLES model, initially developed for unity Lewis number and adiabatic flows, is extended to account for heat losses. A formalism allowing the use of chemical databases (1-D premixed flames) computed with differential diffusion is also proposed. The extended model is validated on two different configurations: the TSF burner and the SWB burner. Modeling of flame-turbulence interaction is then studied. For unresolved flame turbulence interactions, a sensitivity analysis of the Charlette et al. (2002) sub-grid scale wrinkling model to its own parameters and sub-models is performed on the SWB burner. A dynamic estimation of the model parameter is also assessed and showed very promising results. For resolved flame-turbulence interactions, a generalized formalism of the LES of reactive flows is proposed in order to account explicitly for both flame and flow filters. Two closure strategies are proposed based on the F-TACLES and TFLES models. The F2-TACLESmodel is then validated and compared to the original formulation of the FTACLES model. This study is performed on the lean premixed semi-industrial PRECCINSTA burner.The ability of the extended F-TACLES model to capture the impact of both heat losses and fresh gas composition on the flame topology is assessed. This study is conducted on a CH4-H2-Air turbulent and swirling flame series. These flames exhibit very different shapes depending on the level of heat losses and fuel composition.

Cette thèse se situe dans le cadre de la simulation numérique de la combustion turbulente à l’aide de méthodes de tabulation de la cinétique chimique. En approximant la structure fine des flammes turbulentes, ces méthodes prennent en compte des effets fins de cinétique chimique pour un faible coup dans les calculs numériques. Ceci permet de prédire les champs de température et d’espèces chimiques incluant les polluants. Le champ d’application de la chimie tabulée a d’abord été réservé à la simulation des écoulements moyens (RANS) dans une hypothèse de faible nombre de Mach pour une combustion dite "conventionnelle". Cependant, le développement actuel de nouvelles technologies de combustion ainsi que celui de modèles numériques plus avancés que les approches RANS nécessite d’étendre ce champ d’application. Les travaux de cette thèse ont mené au développement de nouveaux modèles de chimie tabulée afin de répondre à ces nouvelles exigences. L’émergence de nouvelles technologies comme la combustion sans flamme nécessite le développement de modèles dédiés. Ce mode de combustion présente en effet des structures de flamme mixtes. C’est pourquoi un modèle de tabulation de la cinétique chimique nommé UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) est proposé pour prédire la combustion diluée à haute température qui caractérise la combustion sans flamme. Le modèle est basé sur la tabulation de solutions instationnaires de flammelettes non-prémelangées qui s’auto-allument. Les pertes thermiques et la dilution variable des gaz brûlés sont négligés dans le cadre de cette thèse par soucis de simplification et de clarté de la validation du modèle. Le modèle est appliqué au cas d’un jet de combustible dilué dans un environnement de gaz vicié qui favorise l’auto-allumage comme moyen de stabilisation d’une flamme liftée. Plusieurs simulations RANS sont réalisées en faisant varier le combustible utilisé. Enfin, une simulation aux grandes échelles (LES) est aussi conduite pour le mélange méthane/air. Plusieurs codes numériques dédiés à la LES sont basés sur une formulation compressible des équations de Navier-Stokes. Cependant les méthodes de tabulation ne permettent pas directement de prendre en compte les effets acoustiques. Un modèle appelé TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) a été créé afin d’introduire les méthodes de chimie tabulée dans les codes numériques compressibles. Pour cela, le calcul de la température est reformulé ainsi que le traitement des conditions aux limites à l’aide d’ondes caractéristiques. Enfin, l’application de modèle RANS de tabulation de la cinétique chimique à la LES est souvent faite sans tenir compte des spécificités de la simulation aux grandes échelles. Ainsi, les fonctions de densité de probabilités de type ß qui traduisent l’interaction de la combustion avec la turbulence en RANS sont utilisées telles quelles en LES. Nous montrerons que cette hypothèse est mauvaise car elle ne conserve pas l’intégrale du terme source dans une flamme prémélangée. Un nouveau modèle de chimie tabulée nommé F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation) est alors développé spécifiquement pour la simulation aux grandes échelles de la combustion parfaitement prémélangée. Le modèle est basé sur le filtrage de flammes laminaires de prémélange mono-dimensionelles. / The thesis subject is located in the domain of numerical simulation of turbulent combustion through tabulated chemistry methods. These methods allow to include detailed chemistry effects at low cost in numerical simulation by approximating the fine scales structure of turbulent flames. Prediction of temperature and chemical species including pollutants becomes then possible. Tabulated chemistry models were first dedicated to low Mach-number RANS approaches for "conventional" combustion applications. However, the current uprising of new combustion configurations and of more precise numerical modeling than RANS approach requires to widen these range of applications. For that purpose, this thesis led to the development of new tabulated chemistry models. Flameless combustion is one of these new combustion technology that requires dedicated models. Indeed, complex flame structures are encountered in this combustion mode. That is why a tabulated chemistry model called UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) is derived to simulate high temperature diluted combustion which characterizes flameless combustion. The model lies on the tabulation of laminar unsteady non-premixed flamelets that auto-ignite. Heat losses and variation of dilution with burnt gases are neglected in the topic of this thesis for brevity and simplification of the model validation. The investigated configuration is a fuel jet diluted in a vitiated coflow. The hot coflow promotes auto-ignition in the lifted flame stabilization mechanism. Several RANS computations are performed by changing the fuel composition. Finally, a Large Eddy Simulation (LES) is also realized using a methane/air mixture as the impinging fuel stream. Several numerical codes for LES use a fully compressible formulation of Navier-Stokes equations. However, tabulated chemistry techniques do not take into account acoustic perturbations. A model called TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) formalism is therefore developed in order to include tabulated chemistry in compressible CFD codes. TTC formalism consists in reformulating both temperature computation inside the numerical code and the characteristic boundary treatment. Finally, application of tabulated chemistry model to LES is usually done by a straightforward derivation from its RANS version without taking into account LES requirements. Indeed, ß-probability density functions which accounts for turbulence-chemistry interaction in RANS are used in LES although this technique does not conserve the source terms integral in premixed flames. A new model, F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation), is then derived specifically for LES of perfectly premixed combustion. This model is based on filtering of 1D laminar premixed flamelets.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

Les diagnostics lasers ont prouvé leur potentiel pour l'analyse des écoulements et des phénomènes de combustion par la mesure de champs de vitesses, de concentration d'espèces et de température. La diffusion Raman spontanée (DRS) est une des rares méthodes permettant de mesurer la température et la concentration de manière in-situ avec la possibilité de sonder plusieurs espèces simultanément. L'analyse des flammes turbulentes par DRS est difficile en raison de la nécessité de mesures mono-coup avec de fortes résolutions spatiales et temporelles et de la présence de lumière parasite. L'originalité de notre nouveau dispositif de mesure réside dans l'utilisation d'un obturateur électro-optique à base de cellule de Pockels (OCP), permettant d'éliminer les lumières non polarisées de fond de flamme, compatible avec une mesure 1D. Une réduction significative de l'émission de flamme et une amélioration du rapport signal sur bruit des espèces Raman actives ont été obtenues. La capacité de la DRS en tant que méthode de thermométrie mono-coup a été testée avec succès dans le cas d'une flamme de prémélange et de diffusion laminaire fuligineuse. L'écart relatif entre les températures moyennes mesurées dans les gaz brûlés et celles données par la modélisation de flamme est inférieur à 1 %. L'analyse de la thermométrie Raman à basse température a montré qu'une meilleure précision était obtenue avec la modélisation de 02 comparée à celle N2. Par la suite, le potentiel de la DRS à fournir des mesures simultanées de concentrations instantanées de N2, 02 et CO dans les flammes a été validé. Une évaluation des performances de différents détecteurs CCD accompagnés de l'OCP a également été réalisée. Les résultats obtenus avec la BI-CCD et la BI-EMCCD pour la température, le gradient de température et la forte densité sont en bon accord avec les calculs laminaires 1D de flamme adiabatique fournis par COSILAB. La BI-EMCCD a montré qu'elle est le détecteur le plus sensible pour la détection des espèces à faibles concentrations comme le CO. Enfin, des mesures par DRS ont été obtenues dans une flamme-jet de diffusion turbulente, en présence des suies illustrant le potentiel de cette technique pour construire une base de données importante pour la modélisation numérique des flammes / Laser diagnostics have been proven to be an indispensable tool to analyze the flow and combustion phenomena by allowing non-intrusive measurements of the velocity field, concentration and temperature. Spontaneous Raman Scattering (SRS) is one of the few methods providing simultaneously in-situ temperature and multi-species concentrations. Measurement in turbulent flames by SRS is still challenging due to the emission background and the requirement of single-shot measurements with high spatial and temporal resolutions. The originality of the present approach consists in use of a large aperture Pockels cell based electro-optical shutter (PCS), that allows removing unpolarised background flame emission and compatible with a 1D measurement. A significant reduction of flame emission was observed and consequently signal to noise ratio was enhanced. The ability of SRS in terms of thermometric single-shot method was demonstrated successfully in premixed laminar flames and sooty laminar diffusion flames. The measured temperature in burnt gases and those calculated by adiabatic flame modelling was within 1 %. Thermometric Raman analysis for low temperatures demonstrates the reliability of measurements, with a better accuracy for 02 compared to N2. Subsequently, the ability of SRS technique to simultaneously measure instantaneous concentrations of N2, 02 and CO was demonstrated. The ability to measure single-shot scalar values accurately is assessed by comparing different CCD detectors with the PCS. The results obtained from the BI-CCD and the BI-EMCCD concerning temperature, temperature gradient and high density were in good agreement with the COSILAB calculation for 1D laminar adiabatic flame. The BI-EMCCD observed to be the most sensitive in detecting low concentration elements like CO. Finally, SRS technique was applied to a turbulent sooting jet flame, illustrating the potentiel of this technique to build an important database for flame modelling

Les progrès technologiques des dispositifs expérimentaux ainsi que les récentes avancées pour la simulation des spectres Raman à haute température rendent aujourd’hui possible la mise en oeuvre d’une technique de mesures multi-espèces de température et de concentration uniquement fondée sur l’ajustement des spectres mono-coups de diffusion Raman spontanée collectés au sein des flammes turbulentes. Dans cette étude, cette stratégie de post-traitement, associée à une chaîne de mesure spécifique, est développée selon plusieurs axes pour permettre l’extension des mesures à des cas de flammes ordinairement hostiles aux mesures classiques Rayleigh/Raman résolues par inversion matricielle ou par méthode hybride. Dans une flamme diphasique d’éthanol, une thermométrie fondée sur l’ajustement des spectres de N2 a été mise en place afin de s’affranchir des contraintes liées à la diffusion de Mie des gouttes. L’intégration d’une thermométrie Raman à partir du spectre du méthane ainsi que d’une procédure de minimisation de l’émission de C2 dans le post-traitement des spectres ont permis la réalisation de cartographies multi-scalaires (température et toutes espèces majoritaires) dans toute la zone de recirculation d’une flamme turbulente légèrement fuligineuse générée par un brûleur bluff-body. Une thermométrie fondée sur la minimisation du spectre Raman de CO2 a également été développée et éprouvée au cours d’une campagne de mesures dans une installation d’échelle semi-industrielle reproduisant les conditions d’oxycombustion des cycles de turbines à gaz dans l’objectif de la capture et de la séquestration du CO2. / Recent progress in experimental devices and simulation of high-temperature Raman spectra enable the implementation of a spectral fitting method to solve single-shot Spontaneous Raman Scattering spectra collected in turbulent flames. In this study, this post-processing method, associated to a specific experimental set-up, has been developed to extend measurements to several cases of non-Raman friendly flames where matrix inversion or hybrid methods are usually limited. In a two-phase flame, N2 Raman thermometry has been used to overcome issues from Mie scattering of droplets. The implementation of a CH4 Raman thermometry and a minimization procedure of C2 emission in the data post-processing allowed the achievement of multi-scalar cartographies (temperature and all major species) throughout the recirculation zone of a slightly sooting turbulent flame stabilized on a bluff-body burner. A thermometry based on the minimization of CO2 Raman spectrum has also been developed and tested during a measurement campaign in a semi-industrial scale installation designed for the study of oxyfuel gas turbine cycle in the aim of carbon capture and sequestration.

La nature conflictuelle des contraintes de performances, d'opérabilité et de respect des normes environnementales conduit les motoristes à optimiser finement la géométrie du brûleur afin d'identifier le meilleur design.La Simulation aux Grande Echelles (SGE) est aujourd'hui un outil performant et est déployé de manière courante dans les Bureaux d'Etudes pour la prédiction des propriétés macroscopiques de l'écoulement.Toutefois, de nombreux phénomènes influencés par les effets de chimie complexe, tels que la stabilisation, l'extinction de flamme et la formation des polluants, reste un problème crucial.En effet, la description des effets de chimie complexe nécessite l'utilisation de modèles cinétiques détaillés imposant des coûts de calculs prohibitifs, des problèmes de raideurs numérique et des difficultés de couplage avec les échelles non résolues turbulentes.Afin d'inclure une description des processus chimiques, dans les simulations numériques de chambres de combustion réelles, des modèles réduits doivent être proposés.Dans cette thèse, une méthode originale, appelée chimie virtuelle optimisée, est développée.Cette stratégie a pour objectif la description de la structure chimique de la flamme et la formation des polluants dans des configurations de flamme représentatives.Les schémas cinétiques virtuels optimisés, composés de réactions virtuelles et d'espèces virtuelles, sont construits par optimisation des paramètres réactionnels et des propriétés thermochimiques des espèces virtuelles afin de capturer les propriétés de flamme d'intérêt. / The conflicting nature of performance, operability and environmental constraints leads engine manufacturers to perform a fine optimization of the burner geometry to find the best design compromise.Large Eddy Simulation (LES) is an attractive tool to achieve this challenging task, and is routinely used in design office to capture macroscopic flow features.However, the prediction of phenomena influenced by complex kinetic effects, such as flame stabilization, extinction and pollutant formation, is still a crucial issue.Indeed, the comprehensive description of combustion chemistry effects requires the use of detailed models imposing prohibitive computational costs, numerical stiffness and difficulties related to model the coupling with unresolved turbulent scales.Reduced-cost chemistry description strategies must then be proposed to account for kinetic effects in LES of real combustion chambers.In this thesis an original modeling approach, called virtual optimized chemistry, is developed.This strategy aims at describing the chemical flame structure and pollutant formation in relevant flame configurations, at a low computational cost.Virtual optimized kinetic schemes, composed by virtual reactions and virtual species, are built through optimization of both kinetic rate parameters and virtual species thermo-chemical properties so as to capture reference target flame quantity.

[pt] Chamas pré-misturadas em escoamentos turbulentos com rotação são encontradas em diversos sistemas de engenharia, como turbinas a gás e motores a jato. Neste trabalho, regimes de chamas característicos de tais sistemas são estudados numericamente num queimador de escala laboratorial. O estado da arte dos estudos numéricos de tais chamas é revisado, com respeito a simulações de grandes escalas, bem como o de modelos computacionais baseados em médias de Reynolds. Um estudo isotérmico é feito no escoamento turbulento, num domínio computacional que consiste de um swirler radial e uma câmara de combustão. O impacto de diferentes modelos de turbulência, níveis de refinamentos de malha e condições de contorno no número de swirl e na estrutura do escoamento é investigado. Os resultados revelam que os três modelos de turbulência propostos resultam em campos de escoamento e número de swirl similares, enquanto o nível de refinamento de malha e a condição de contorno de parede deslizante alteram o número de swirl significativamente. Utilizando as equações de média de Reynolds, com o fechamento do modelo k − E realizável, acoplado a um modelo de duas equações para chamas pré-misturadas de metano e ar, dois regimes de chamas são analisados. Estes regimes correspondem à chama de recirculação externa (chama tipo M) e um regime de instabilidade, que ocorre na transição entre a chama tipo V e chama tornado. A estrutura do escoamento é caracterizada em termos de velocidade e propriedades de turbulência e combustão. Uma comparação entre variáveis de progresso também é feita, utilizando resultados experimentais prévios, levando a boa concordância qualitativa para os dois regimes estudados. / [en] Lean premixed turbulent swirling flames are found in many engineering systems, such as gas turbines and jet engines. This work aims to numerically study flame regimes, representative of such systems, stabilized in a laboratory scale burner. The state of the art of the numerical studies concerning these types of flames is reviewed, with respect to Reynolds-Averaged NavierStokes and Large Eddy Simulations. A turbulent, isothermal flow study is performed within the radial swirler and the combustion chamber. The impact of different turbulence models (realizable k − E, RNG k − E and SST k−W), mesh refinement levels and boundary conditions on the swirl number and overall flow structure is investigated. The results show that the three tested turbulence models yield similar results, with respect to the obtained flow field, whereas the mesh refinement level and slip wall boundary condition alter the swirl number significantly. Using Reynolds-Averaged NavierStokes transport equations, closed by the realizable k − E model, coupled with a two-equation premixed combustion model for methane/air mixtures, two combustion regimes are analyzed. These regimes correspond to the outer recirculation zone flame (M-shaped flame) and an unstable regime, which occurs at the transition between the V-shaped flame and tornado-flame. The flow structure is characterized in terms of velocity fields, turbulence and combustion properties. A reaction progress variable comparison is also performed, using existing experimental results, yielding qualitatively similar results for both studied regimes.

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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. / In order to simulate major pollutant formation inside realistic aeronautical combustion chambers, a detailed chemistry reduction technique (FPI), based on the construction of databases from elementary laminar premixed flame calculations, is adapted and coupled to the ONERA household CFD code : CEDRE. After a short validation of this model based on the numerical simulation of simplified laminar flames, the chemistry turbulence interactions are modeled under the laminar flamelet hypothesis, by assuming the shape of the FPI progress variable PDFs using beta functions. This comprehensive approach is then applied to the numerical simulation of the flow inside a realistic geometry :the PRECCINSTA combustion chamber. This well-known configuration has enabled the evaluation of the model’s abilities within an industrial framework using numerical/experimental results comparisons. It has especially allowed to test an extension of the model to partially premixed combution. Furthermore, the use of a tabulated chemistry model turns out to be particularly appropriate to predict pollutant species formation such as CO. However, when considering the formation of nitrogen oxides,FPI cannot be applied directly because of the slow dynamics of the chemical processes involved. Toovercome these limitations, two approaches allowing NO production modeling within complexe flowsare proposed, derived from the use of the tabulated data. The capacities of these models are finally analysed using computations performed on the PRECCINSTA chamber.

<div>Studies of turbulent combustion in the past mainly focus on problems with single-regime combustion. In practical combustion systems, however, combustion rarely occurs in a single regime, and different regimes of combustion can be observed in the same system. This creates a significant gap between our existing knowledge of combustion in single regime and the practical need in multi-regime combustion. In this work, we aim to extend the traditional single-regime combustion models to problems involving different regimes of combustion. Among the existing modeling methods, Transported Probability Density Function (PDF) method is attractive for its intrinsic closure of treating detailed chemical kinetics and has been demonstrated to be promising in predicting low-probability but practically important combustion events like local extinction and re-ignition. In this work, we focus on the model assessment and advancement of the Large Eddy Simulation (LES)/ PDF method in predicting turbulent multi-regime combustion.</div><div><br></div><div><div>Two combustion benchmark problems are considered for the model assessment. One is a recently designed turbulent piloted jet flame that features statistically transient processes, the Sydney turbulent pulsed piloted jet flame. A direct comparison of the predicted and measured time series of the axial velocity demonstrates a satisfactory prediction of the flow and turbulence fields of the pulsed jet flame by the employed LES/PDF modeling method. A comparison of the PLIF-OH images and the predicted OH mass fraction contours at a few selected times shows that the method captures the different combustion stages including healthy burning, significant extinction, and the re-establishment of healthy burning, in the statistically transient process. The temporal history of the conditional PDF of OH mass fraction/temperature at around stoichiometric conditions at different axial locations suggests that the method predicts the extinction and re-establishment timings accurately at upstream locations but less accurately at downstream locations with a delay of burning reestablishment. The other test case is a unified series of existing turbulent piloted flames. To facilitate model assessment across different combustion regimes, we develop a model validation framework by unifying several existing pilot stabilized turbulent jet flames in different combustion regimes. The characteristic similarity and difference of the employed piloted flames are examined, including the Sydney piloted flames L, B, and M, the Sandia piloted flames D, E, and F, a series of piloted premixed Bunsen flames, and the Sydney/Sandia inhomogeneous inlet piloted jet flames. Proper parameterization and a regime diagram are introduced to characterize the pilot stabilized flames covering non-premixed, partially premixed, and premixed flames. A preliminary model assessment is carried out to examine the simultaneous model performance of the LES/PDF method for the piloted jet flames across different combustion regimes.</div><div><br></div><div>With the assessment work in the above two test cases, it is found that the LES/PDF method can predict the statistically transient combustion and multi-regime combustion reasonably well but some modeling limitations are also identified. Thus, further model advancement is needed for the LES/PDF method. In this work, we focus on two model advancement studies related to the molecular diffusion and sub-filter scale mixing processes in turbulent combustion. The first study is to deal with differential molecular diffusion (DMD) among different species. The importance of theDMD effects on combustion has been found in many applications. However, in most previous combustion models equal molecular diffusivity is assumed. To incorporate the DMD effects accurately, we develop a model called Variance Consistent Mean Shift (VCMS) model. The second model advancement focuses on the sub-filter scale mixing in high-Karlovitz (Ka) number turbulent combustion. We analyze the DNS data of a Sandia high-Ka premixed jet flame to gain insights into the modeling of sub-filter scale mixing. A sub-filter scale mixing time scale is analyzed with respect to the filter size to examine the validity of a power-law scaling model for the mixing time scale.</div></div>