L’un des défis majeurs pour la conception des capsules de rentrée concerne la modélisation des transferts convectifs et radiatifs à la surface du véhicule. A certains points des trajectoires de rentrée super-orbitale, jusqu’à 40% du flux radiatif total émane du domaine spectral VUV (vacuum ultraviolet), or c’est dans ce domaine que les incertitudes sont les plus fortes. Ce haut niveau d’incertitudes est dû en particulier à un manque de données expérimentales fiables. Le rayonnement VUV est en effet difficile à mesurer en raison de la forte absorption de l’air et des optiques utilisées pour sa mesure. Des difficultés d’analyse supplémentaires sont causées par le fort degré d’auto-absorption et par l’élargissement spectral des raies dans le VUV. L’objectif central de cette étude était d’obtenir des spectres d’émission expérimentaux calibrés dans le VUV afin d’étudier les processus physico-chimiques dans la couche de choc qui contrôlent le flux radiatif. Plus précisément, les objectifs étaient de comparer les spectres observés parallèlement et perpendiculairement à la couche de choc, d’étudier les effets sur l’intensité des raies spectrales émises dans le VUV de l’auto-absorption et de l’élargissement spectral en fonction de la profondeur de champ radiatif (épaisseur optique). Les mesures effectuées perpendiculairement et parallèlement à la surface d’une maquette placée dans l’écoulement représentent un premier jeu de données expérimentales calibrées dans le VUV qui seront utiles pour valider les codes de calcul destinés à prédire le flux radiatif incident. Les mesures obtenues pour différentes profondeurs de champ radiatif représentent quant à elles un ensemble de données expérimentales uniques pour la validation des modèles de transport radiatif et des coefficients d’élargissement des raies. Cette étude s’appuie également sur des simulations numériques afin d’évaluer les prédictions d’un solveur d’écoulement couplé à deux schémas cinétiques à travers la comparaison des spectres mesurés avec les spectres simulés par le code radiatif Specair. Pour atteindre ces objectifs, un banc optique a été conçu et mis en place pour mesurer l’intensité du rayonnement VUV produit autour d’une maquette bidimensionnelle émoussée, avec une résolution spatiale suffisante pour résoudre le profil d’émission dans la couche de choc. La résolution spatiale a été choisie de façon à pouvoir effectuer des mesures du rayonnement dans les zones d’équilibre et hors équilibre de la couche de choc. Un deuxième système a été conçu pour obtenir des mesures du rayonnement VUV incident sur la surface de la maquette. Ce système est constitué d’un hublot placé sur la surface de la maquette et d’un miroir logé à l’intérieur de la maquette pour transmettre le rayonnement vers le système de détection. La profondeur du champ radiatif peut être variée en modifiant la longueur de la maquette, ce qui change l’épaisseur de la couche de choc observée. Le tunnel à détente X2 a été utilisé pour créer les écoulements à haute enthalpie nécessaires pour produire les couches de choc émissives. Deux conditions d’écoulement ont été générées pour cette étude de façon à reproduire des vitesses équivalentes de vol de 10 et 12.2 km/s. Le système spectroscopique utilisé pour ces études comprend un spectromètre McPherson NOVA 225 sous vide couplé à une caméra ICCD Andor iStar de réponse renforcée dans le VUV. Un tube optique scellé par une fenêtre en fluorine a été installé pour prolonger le trajet optique sous vide jusqu’à la maquette de façon à éliminer l’absorption par l’oxygène moléculaire. Le système spectroscopique a été calibré in situ avec une lampe à deutérium placée à l’endroit de la couche de choc rayonnante. L’intensité spectrale incidente sur la surface de la maquette, intégrée entre 115 et 180 nm, est de 0,744 W/cm²sr pour une vitesse d’écoulement de 10 km/s et 12,3 W/cm²sr à 12.2 km/s. [...] / A major design challenge for re-entry capsules lies in the modelling of convective and radiative heat transfer to the surface of the vehicle. At certain points on superorbital re-entry trajectories, up to 40% of the total radiative heat flux is contributed by the vacuum ultra-violet (VUV) spectral range and it is in this spectral range that the largest uncertainties lie. The high level of uncertainty in the VUV is a result of a lack of published experimental data due to difficulties encountered in measuring radiation in the VUV, such as strong absorption by most optical materials and air. Additional complexities of the VUV spectral range include its strongly self-absorbing nature and spectral line broadening. The primary goal of this study was to obtain calibrated spectral measurements in the VUV that enable the investigation of physical processes occurring in the shock layer that influence the incident radiative heat flux. In particular, the issues to be investigated were the variation in spectral radiance observed across a shock layer compared to the spectral radiance measured through the surface, the effects of self-absorption on spectral line intensity and the broadening of spectral lines in the VUV as a function of depth of radiating flow field. The measurements made across and through the surface of a model provide the first set of calibrated experimental results for the validation of computational codes used to predict incident radiative heat flux. Measurements made with a varying depth of radiating flow field provide a unique set of experimental data for the validation of radiation transport models and broadening coefficients. This study also used computational simulations to investigate the accuracy of a flow field solver coupled with two reaction rate schemes and compared the spectra produced using Specair with experimentally measured values. To achieve these goals, an optical system was designed to measure the VUV radiative emission produced around a blunt two-dimensional model in a spatially resolved manner across the shock layer. Spatial resolution allowed for spectral measurements to be made in both the equilibrium and non-equilibrium parts of the shock layer. A second optical system was designed to obtain measurements of VUV radiation incident on the surface of the model. This system incorporated a window in the surface with a mirror housed within the model to deflect the radiation out of the test section and into the detection system. To effectively vary the depth of the radiating flow field, the length of a two-dimensional model was varied, changing the depth of the shock layer being observed. The X2 expansion tube was used to create the high enthalpy flows required to produce radiating shock layers. Two flow conditions were created for this study that represented flight equivalent velocities of 10.0 km/s and 12.2 km/s. The spectroscopy system utilized for this study consisted of an evacuated McPherson NOVA 225 spectrometer coupled to an Andor iStar VUV enhanced intensified charge coupled device. An evacuated light tube sealed with a magnesium fluoride window was required to extend the evacuated light path to the model and avoid any absorption by molecular oxygen. An in-situ calibration of the VUV spectroscopy system was conducted using a deuterium lamp located in the position of the radiating shock layer. The integrated incident spectral radiance measured through the surface of the model between 115 nm and 180 nm was 0.744 W/cm2 sr for the 10.0 km/s condition and 12.3 W/cm2sr for the faster 12.2km/s condition. [...]

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique et d'épuisement des ressources énergétiques fossiles conventionnelles, la production d'énergie à partir de combustibles renouvelables (biomasse et déchets) présente un intérêt croissant. Cependant les brûleurs industriels conventionnels sont mal ou pas adaptés pour la valorisation énergétique de combustibles pauvres qui sont pourtant peu couteux et largement disponibles. Les électro-brûleurs, basés sur une assistance à la combustion par plasma thermique, sont alors une solution pour ce type de combustible. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une torche à plasma triphasée d'une puissance de 100 kW, fonctionnant à l'air et facilement intégrable dans un électro-brûleur industriel. Le premier challenge consiste à rendre possible le fonctionnement à l'air en réduisant autant que possible l'érosion à l'air des électrodes en graphite. Pour cela, des solutions de gainage des électrodes à l'azote ou au méthane, de contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air et d'injection de particules de carbone ont été étudiées. Le deuxième challenge est l'optimisation des transferts de masse et de chaleur, ce qui a été réalisé en améliorant l'écoulement du gaz plasmagène et en choisissant les matériaux adéquats pour l'isolation thermique. Une double approche théorique et expérimentale a été adoptée. Au niveau théorique, un modèle d'écoulement turbulent de plasma a été développé avec une modélisation de l'arc électrique par une source stationnaire de chaleur et de quantité de mouvement. Un modèle de rayonnement à bandes du plasma ainsi qu'un modèle de cinétique chimique ont été intégrés. Les résultats de la simulation montrent le rôle important du rayonnement, la limitation du gainage à l'azote et le potentiel intéressant du gainage au méthane. La simulation a permis aussi de valider le design de la nouvelle torche avant les essais. Au niveau expérimental, une nouvelle conception de torche a été proposée et testée. Les essais réalisés montrent que la protection des électrodes par injection de particules de carbone ne suffit pas pour créer une atmosphère neutre autour des électrodes mais que le contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air permet un meilleur contrôle de l'érosion des électrodes. Des essais préliminaires de combustion assistée par plasma de biomasse solides ont été ensuite réalisés et analysés. / Energy production from renewable combustibles like biomass and organic wastes presents an increasing interest with the urgent need to reduce greenhouse gas emissions and the depletion of conventional fossil energy resources. Meanwhile, standard industrial burners are not adequate for the energetic valorization of renewable poor LHV combustibles despite their low price and their abundance in nature. Electro-burners, with plasma assisted combustion technology, are a promising solution for this type of combustible. In this PhD dissertation is detailed the development of a 100 kW plasma torch working in air and embeddable in an industrial electro-burner. It consists firstly, in making possible an operation in oxidizing environment by reducing as much as possible the air erosion of the graphite electrodes. For this purpose, multiple solutions are tested such as sheathing with nitrogen and methane, aerodynamic control of air flow and injection of carbon black particles. The second challenge is the optimization of heat and mass transfers by improving the plasma flow and by choosing the appropriate materials for thermal insulation. Theoretically, a turbulent model of plasma flow is developed with the modeling of the electric arc column as a stationary source of heat and momentum. A multi-band radiation model and a reactional kinetic model are also integrated. The results show the important role of radiation, the limitation of the nitrogen sheathing and the potential of methane injection in reducing electrode erosion. They allowed also validating the design of the plasma torch before the tests. Experimentally, the new torch design is built and tested. It comes out that reducing the electrode erosion by carbon powder injection is not efficient to achieve a neutral environment around the electrodes whereas a control of the nearby air flow appears to be beneficial. Finally, tests of plasma assisted combustion of some biomasses are performed and analyzed.