Les simulations sont utilisées pour concevoir des chambres de combustion industrielles robustes et peu polluantes. Parmi les polluants, l’émission de particules de suies constitue une question sociétale et une priorité politico- industrielle, en raison de leurs impacts néfastes sur la santé et l'environnement. La taille des particules de suies joue un rôle important sur ces effets. Il est donc important de prévoir non seulement la masse totale ou le nombre de particules générées, mais également leur distribution en taille (PSD). De plus, les suies peuvent jouer un rôle important dans le rayonnement thermique. Dans des configurations confinées, la prédiction des transferts de chaleur est une question clé pour augmenter la robustesse des chambres de combustion. Afin de déterminer correctement ces transferts, les flux radiatifs et de conducto-convectifs aux parois doivent être pris en compte. Enfin, la température pariétale est aussi contrôlée par les transferts conjugués de chaleur entre les domaines fluides et solides. L’ensemble de ces transferts thermiques impactent la stabilisation de la flamme, la formation de polluants et la production de suies elle-même. Il existe donc un couplage complexe entre ces phénomènes et la simulation d'un tel problème multiphysique est aujourd'hui reconnu comme un important défi. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une modélisation multiphysique permettant la simulation de flammes suitées turbulentes avec le rayonnement thermique et les transferts conjugués de chaleur associés aux parois. Les méthodes retenues sont basées sur la Simulation aux Grandes Échelles (LES), une description en taille des suies, des transferts conjugués et un code Monte Carlo pour le rayonnement. La combinaison de telles approches est réalisable grâce aux ressources de calcul aujourd’hui disponibles afin d’obtenir des résultats de référence. Le manuscrit est organisé en trois parties. La première partie se concentre sur le développement d'un modèle détaillé pour la description de la production de suies dans les flammes laminaires. Pour cela, la méthode sectionnelle est retenue ici car elle permet la description de la PSD. La méthode est validée sur des flammes laminaires éthylène/air. Dans la deuxième partie, un formalisme LES spécifique à la méthode sectionnelle est développé et utilisé pour étudier deux flammes turbulentes : une flamme jet non-prémélangée et une flamme swirlée pressurisée confinée. Les champs de température et de fraction volumique de suies sont comparés aux données expérimentales. De bonnes prédictions sont obtenues et l’évolution des particules de suies dans de telles flammes est analysée à travers l'étude de l’évolution de leur PSD. Dans ces premières simulations, les pertes de chaleur aux parois reposent sur des mesures expérimentales de la température aux parois, et un modèle de rayonnement simple. Dans la troisième partie, une approche Monte Carlo permettant de résoudre l'équation de transfert radiatif avec des propriétés radiatives détaillées des phases gazeuse et solide est utilisée et couplée au solveur LES. Cette approche est appliquée à l'étude de la flamme jet turbulente. La prédiction des flux thermiques est comparée aux données expérimentales et la nature des transferts radiatifs est étudiée. Ensuite, une modélisation couplée de la combustion turbulente prenant en compte la production de suies, les transferts conjugués de chaleur et le rayonnement thermique est proposée en couplant les trois codes dédiés. Cette stratégie est appliquée pour la simulation du brûleur pressurisé confiné. L'approche proposée permet à la fois de prédire la température des parois et la bonne stabilisation de la flamme. Les processus de formation de suies se révèlent être affectés par la modélisation des transferts thermiques. Ceci souligne l’importance d’une description précise de ces transferts thermiques dans les développements futurs de modèles de production de suies et leur validation. / Numerical simulations are used by engineers to design robust and clean industrial combustors. Among pollutants, soot control is an urgent societal issue and a political-industrial priority, due to its harmful impact on health and environment. Soot particles size plays an important role in its negative effect. It is therefore important to predict not only the total mass or number of emitted particles, but also their population distribution as a function of their size. In addition, soot particles can play an important role in thermal radiation. In confined configurations, controlling heat transfer related to combustion is a key issue to increase the robustness and the life cycle of combustors by avoiding wall damages. In order to correctly determine these heat losses, radiative and wall convective heat fluxes must be accounted for. They depend on the wall temperature, which is controlled by the conjugate heat transfer between the fluid and solid domains. Heat transfer impacts the flame stabilization, pollutants formation and soot production itself. Therefore, a complex coupling exists between these phenomena and the simulation of such a multi-physics problem is today recognized as an extreme challenge in combustion, especially in a turbulent flow, which is the case of most industrial combustors. Thus, the objective of this thesis is to develop a multi-physics modeling enabling the simulation of turbulent sooting flames including thermal radiation and wall heat transfer. The retained methods based on Large-Eddy Simulation (LES), a soot sectional model, conjugate heat transfer, a Monte Carlo radiation solver are combined to achieve a stateof- the-art framework. The available computational resources make nowadays affordable such simulations that will yield present-day reference results. The manuscript is organized in three parts. The first part focuses on the definition of a detailed model for the description of soot production in laminar flames. For this, the sectional method is retained here since it allows the description of the particle size distribution (PSD). The method is validated on laminar premixed and diffusion ethylene/air flames before analyzing the dynamics of pulsed diffusion flames. In the second part, an LES formalism for the sectional method is developed and used to investigate two different turbulent flames: a non-premixed jet flame and a confined pressurized swirled flame. Predicted temperature and soot volume fraction levels and topologies are compared to experimental data. Good predictions are obtained and the different soot processes in such flames are analyzed through the study of the PSD evolution. In these first simulations, wall heat losses rely on experimental measurements of walls temperature, and a coarse optically-thin radiation model. In the third part, to increase the accuracy of thermal radiation description, a Monte Carlo approach enabling to solve the Radiative Transfer Equation with detailed radiative properties of gaseous and soot phases is used and coupled to the LES solver. This coupled approach is applied for the simulation of the turbulent jet flame. Quality of radiative fluxes prediction in this flame is quantified and the nature of radiative transfers is studied. Then, a whole coupled modeling of turbulent combustion accounting for soot, conjugate heat transfer and thermal radiation is proposed by coupling three dedicated codes. This strategy is applied for a high-fidelity simulation of the confined pressurized burner. By comparing numerical results with experimental data, the proposed approach enables to predict both the wall temperature and the flame stabilization. The different simulations show that soot formation processes are impacted by the heat transfer description: a decrease of the soot volume fraction is observed with increasing heat losses. This highlights the requirement of accurate description of heat transfer for future developments of soot models and their validation.

Le présent travail de recherche concerne l'étude de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique doté d'un fond en substrat solide. Le substrat solide est chauffé sur sa face inférieure par un flux de chaleur localisé. L'étude comporte deux parties : La première partie du travail consiste en une modélisation physique du problème associée à des simulations numériques. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues en 3D par une méthode de volumes finis. Un transfert de chaleur conjugué solide-liquide est considéré. Des morphologies originales de cellules (type et nombre) sont observées, elles dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels qui régissent la physique de l'écoulement (nombre de Prandtl, de Rayleigh et de Marangoni ainsi que du rapport des conductivités thermiques du substrat solide et du fluide). Les transferts de chaleur sont aussi évalués pour chaque cas d'étude. Dans la deuxième partie, nous allons détaillons une étude expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans la même configuration que celle étudiée numériquement. Les structures convectives et leurs évolutions sont étudiées à partir d’images relevées par thermographie infra-rouge. Différents modes d'organisation des cellules convectives ont pu être mis en évidence pour ce type de chauffage à flux thermique imposé non uniforme. / The present research work concerns the study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with a solid substrate base. This solid substrate is heated by a localized heat flux on its underside. The study is divided into two parts : The first part of the work consists of a physical modelling of the problem associated with numerical simulations. The Navier-Stokes and energy equations are solved by using a 3D finite volume method. A conjugate solid-liquid heat transfer is considered. Original morphology of cells (type and number) are observed, they are linked to the geometrical conditions, the dimensionless numbers which govern the physical problem (Prandtl, Rayleigh and Marangoni numbers and the ratio of solid substrate to liquid thermal conductivities). The heat transfers are also evaluated in each case. In the second part of the work, we present an experimental study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in the same configuration as that studied numerically. Convective structures and their evolutions are studied from images recorded by infrared thermography. Different modes of organization of convective cells have been highlighted for this type of heating with imposed non-uniform heat flux.

Un modèle semi-analytique permettant de simuler le transfert thermique conjugué dans un mini/macro canal plan soumis à des sources de chaleur surfaciques localisées sur les faces externes et variantes en fonction du temps, a été présenté et vérifié. Plus le diamètre hydraulique du canal est petit, plus la caractérisation expérimentale interne (mesure des températures et des flux) en régime thermique permanent ou transitoire à l'aide des capteurs internes est délicate. Une méthode non-intrusive permettant d'estimer les conditions internes à partir des mesures de température par thermographie infrarouge sur les faces externes et d'un modèle semi-analytique, a été effectuée. Comme le coefficient de transfert convectif forcé classique perd son sens en régime instationnaire, une approche alternative basée sur une fonction de transfert, valable pour un système linaire et invariant dans le temps a été mise en œuvre. Cette fonction peut être calculée analytiquement (uniquement pour une géométrie simple) ou estimée expérimentalement (géométrie complexe). Grâce au caractère intrinsèque de cette fonction de transfert, deux capteurs virtuels ont été conçus : capteur virtuel de température et détecteur d'encrassement permettent respectivement d'estimer les températures internes et de détecter l'encrassement qui peut avoir lieu dans l'échangeur à partir des mesures de températures sur les faces externes / A semi-analytical model allowing to simulate the transient conjugate heat transfer in mini/macro plane channel subject to a heat source(s) localized on the external face(s), was presented and verified. The developed model takes into account advection-diffusion in the fluid and conduction in the solid. As the hydraulic diameter of the channel becomes small, the internal experimental characterization (measurement of temperature and heat flux) using internal sensors become tricky because internal sensors located may compromise the structural integrity of the whole system. A non-intrusive method for estimating the internal conditions from infrared temperature measurements on the external faces using the semi-analytical model was performed. Since the classic convective heat transfer coefficient loses its meaning in transient state, an alternative approach based on a transfer function, valid for Linear Time-Invariant (LTI) systems, was highlighted. This function can be calculated analytically only for a simple geometry. For complex geometries it can be estimated experimentally. Thanks to intrinsic character of this function, two characterization methods were designed. The first to estimate the temperature at a point from a measurement at another point in the system (virtual temperature sensor). The second method concerns the detection of fouling layers that may appear in the heat exchanger from temperature measurements on the external faces