Combustion instabilities, induced by the resonant coupling of acoustics and combustion occur in many practical systems such as domestic boilers, gas turbine and rocket engines. They produce pressure and heat release fluctuations that in some extreme cases can provoke mechanical failure or catastrophic damage. These phenomena have been extensively studied in the past, and the basic driving and coupling mechanisms have already been identified. However, it is well known that most systems behave differently at cold start and in the permanent regime and the coupling between the temperature of the solid material and combustion instabilities still remains unclear. The aim of this thesis is to study this mechanism. This work presents an experimental investigation of combustion instabilities for a laminar premixed flame stabilized on a slot burner with controlled wall temperature. For certain operating conditions, the system exhibits a combustion instability locked on the Helmholtz mode of the burner. It is shown that this instability can be controlled and even suppressed by changing solely the temperature of the burner rim. A linear stability analysis is used to identify the parameters playing a role in the resonant coupling and retrieves the features observed experimentally. Detailed experimental studies of the different elementary processes involved in the thermo-acoustic coupling are used to evaluate the sensitivity of these parameters to the wall temperature. Finally a theoretical model of unsteady heat transfer from the flame root to the burner-rim and detailed experimental measurements permit to establish the physical mechanism for the temperature dependance on the flame response.

Les instabilités de combustion induites par le couplage combustion-acoustique se produisent dans de nombreux systèmes industriels et domestiques tels que les chaudières, les turbines à gaz et les moteurs de fusée. Ces instabilités se traduisent par des fluctuations de pression et un dégagement de chaleur qui peuvent provoquer une défaillance mécanique ou des dégâts désastreux dans certains cas extrêmes. Ces phénomènes ont été largement étudiés par le passé, et les mécanismes responsables du couplage ont déjà été identifiés. Cependant, il apparaît que la plupart des systèmes se comportent différemment lors du démarrage à froid ou en régime permanent. Le couplage entre la température des parois et les instabilités de combustion reste encore méconnu et n’a pas été étudié en détail jusqu’à présent. Dans le cadre de ces travaux de thèse, on s’intéresse à ce mécanisme. Ces travaux présentent une étude expérimentale des instabilités de combustion pour une flamme laminaire de pré-mélange stabilisée sur un brûleur à fente. Pour certaines conditions de fonctionnement, le système présente un mode instable autour du mode de Helmholtz du brûleur. Il est démontré que l’instabilité peut être contrôlée, et même supprimée, en changeant uniquement la température de la surface du brûleur. Une analyse de stabilité linéaire peut être mise en œuvre afin d’identifier les paramètres jouant un rôle dans les mécanismes d’instabilité, et il est possible de modéliser analytiquement les phénomènes observés expérimentalement. Des études expérimentales détaillées de différents processus élémentaires impliqués dans le couplage thermo-acoustique ont été menées pour évaluer la sensibilité de ces paramètres à la température de la paroi. Enfin un modèle théorique du couplage entre le transfert de chaleur instationnaire à la paroi et la fluctuation du pied de flamme a été proposé. Par ailleurs, d’autres mesures expérimentales ont permis de comprendre les mécanismes physiques responsables de la dépendance de la réponse de la flamme à la température de paroi. / Combustion instabilities, induced by the resonant coupling of acoustics and combustion occur in many practical systems such as domestic boilers, gas turbine and rocket engines. They produce pressure and heat release fluctuations that in some extreme cases can provoke mechanical failure or catastrophic damage. These phenomena have been extensively studied in the past, and the basic driving and coupling mechanisms have already been identified. However, it is well known that most systems behave differently at cold start and in the permanent regime and the coupling between the temperature of the solid material and combustion instabilities still remains unclear. The aim of this thesis is to study this mechanism. This work presents an experimental investigation of combustion instabilities for a laminar premixed flame stabilized on a slot burner with controlled wall temperature. For certain operating conditions, the system exhibits a combustion instability locked on the Helmholtz mode of the burner. It is shown that this instability can be controlled and even suppressed by changing solely the temperature of the burner rim. A linear stability analysis is used to identify the parameters playing a role in the resonant coupling and retrieves the features observed experimentally. Detailed experimental studies of the different elementary processes involved in the thermo-acoustic coupling are used to evaluate the sensitivity of these parameters to the wall temperature. Finally a theoretical model of unsteady heat transfer from the flame root to the burner-rim and detailed experimental measurements permit to establish the physical mechanism for the temperature dependance on the flame response.

La thèse est portée essentiellement sur la stabilisation indirecte d’un système de deux équations des ondes couplées et sur la stabilisation frontière de poutre de Rayleigh.Dans le cas de la stabilisation d’un système d’équations d’onde couplées, le contrôle est introduit dans le système directement sur le bord du domaine d’une seule équation dans le cas d’un domaine borne ou à l’intérieur d’une seule équation mais dans le cas d’un domaine non borné. La nature du système ainsi couplé dépend du couplage des équations et de la nature arithmétique des vitesses de propagations, et ceci donne divers résultats pour la stabilisation polynomiale ainsi la non stabilité.Dans le cas de la stabilisation de poutre de Rayleigh, l’équation est considérée avec un seul contrôle force agissant sur bord du domaine. D’abord, moyennant le développement asymptotique des valeurs propres et des vecteurs propres du système non contrôlé, un résultat d’observabilité ainsi qu’un résultat de bornétude de la fonction de transfert correspondant sont obtenus. Alors, un taux de décroissance polynomial de l’énergie du système est établi. Ensuite, moyennant une étude spectrale combinée avec une méthode fréquentielle, l’optimalité du taux obtenu est assurée. / The thesis is driven mainly on indirect stabilization system of two coupled wave equations and the boundary stabilization of Rayleigh beam equation. In the case of stabilization of a coupled wave equations, the Control is introduced into the system directly on the edge of the field of a single equation in the case of a bounded domain or inside a single equation but in the case of an unbounded domain. The nature of thus coupled system depends on the coupling equations and arithmetic Nature of speeds of propagation, and this gives different results for the polynomial stability and the instability. In the case of stabilization of Rayleigh beam equation, we consider an equation with one control force acting on the edge of the area. First, using the asymptotic expansion of the eigenvalues and vectors of the uncontrolled system an observability result and a result of boundedness of the transfer function are obtained. Then a polynomial decay rate of the energy of the system is established. Then through a spectral study combined with a frequency method, optimality of the rate obtained is assured.

De nouveaux concepts d’imagerie permettent aux systèmes optiques d’être plus compacts et plus performants. Parmi ces nouvelles techniques, les systèmes d’imagerie hybrides par codage de pupille allient un système optique comprenant un masque de phase et un traitement numérique. La fonction de phase implantée sur le masque rend l’image insensible à un défaut du système optique, qui peut être une aberration ou de la défocalisation. Cet avantage est obtenu au prix d’une déformation connue de l’image qui est ensuite corrigée par un traitement numérique.L’étude des propriétés de ces systèmes a été effectuée en cherchant à augmenter la profondeur de champ d’un système d’imagerie. Un gain sur ce paramètre permet déjà d’envisager le relâchement de contraintes de conception optique telles que la courbure de champ, la défocalisation thermique, le chromatisme… Dans ces techniques d’imagerie, la prise en compte du bruit du capteur constitue l’un des paramètres critiques pour le choix et l’utilisation de méthodes de traitement d’image.Les travaux menés durant cette thèse ont permis de proposer une approche originale de conception conjointe de la fonction de phase du masque et de l’algorithme de restauration d’image. Celle-ci est basée sur un critère de rapport signal à bruit de l’image finale. Contrairement aux approches connues, ce critère montre qu’il n’est pas nécessaire d’obtenir une stricte invariance de la fonction de transfert du système optique. Les paramètres des fonctions de phase optimisés grâce à ce critère sont sensiblement différents de ceux usuellement proposés et conduisent à une amélioration significative de la qualité de l’image.Cette approche de conception optique a été validée expérimentalement sur une caméra thermique non refroidie. Un masque de phase binaire qui a été mis en œuvre en association avec un traitement numérique temps réel implémenté sur une carte GPU a permis d’augmenter la profondeur de champ de cette caméra d’un facteur 3. Compte-tenu du niveau de bruit important introduit par l’utilisation d’un capteur bolométrique, la bonne qualité des images obtenues après traitement démontre l’intérêt de l’approche de conception conjointe appliquée à l’imagerie hybride par codage de pupille. / New imaging techniques allow better and smaller systems. Among these new techniques, hybrid imaging systems with wavefront coding includes an optical system with a phase mask and a processing step. The phase function of the mask makes the system insensitive to a fault of the optical system, such as an aberration or a defocus. The price of this advantage is a deformation of the image acquired by a sensor, which is then processed. The study of the properties of these hybrid imaging systems has been completed by increasing the depth of field of an imaging system, which allows to relax some design constraints such as field curvature, thermal defocus, chromaticism… In these imaging techniques, the consideration the noise of the sensor is one the critical parameters when choosing the image processing method.The work performed during this thesis allowed to proposed an original approach for the cross-conception of the phase function of the mask and the processing step. This approach is based on a signal-to-noise criterion. Unlike known approaches, this criterion shows that a strict insensitivity of the modulation transfer function of the optics is not required. The parameters of the phase functions optimized thanks to this criterion are noticeably different from those usually proposed and lead to a significant increase of the image quality.This cross-conception approach has been validated experimentally on an uncooled thermal camera. A binary phase mask associated with a real-time processing implemented on a GPU allowed to increase the depth of field of this camera by a factor 3. Considering the important level of noise introduced by the use of a bolometric sensor, the good quality of the processed image shows the interest of the cross-conception for hybrid imaging system with wavefront coding.