Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitesses fondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant la stabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d'étirements subits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L'approche ici développée a tout d'abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive des résultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX, OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l'approche proposée. Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencées dans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force de thermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses de flammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges a été conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contre-courant, les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultats obtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l'étirement des flammes de syngas a été caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges (5/95 to 50/50 % H2/CO).

Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’évaluation du risque d’accélération de flamme en situation accidentelle. La méthodologie développée dans le cadre de l’évaluation du risque hydrogène dans l’industrie nucléaire a permis de proposer un critère permettant d’évaluer le risque d’accélération des flammes de prémélange hydrogène/air/diluants, sur la base des propriétés du mélange. L’objectif de cette étude est l’acquisition de données fondamentales relatives aux mélanges gaz naturel/air et gaz de synthèse/air puis l’extension de la méthodologie appliquée aux mélanges hydrogène/air à ces mélanges. Ainsi, trois mélanges gazeux ont été choisis et ont fait l’objet de cette étude. Il s’agit du G27 (82%CH4/18%N2), du G222 (77%CH4/23%H2), et du H2/CO (50%H2/50%CO). Au cours de ce travail les limites d’inflammabilités des mélanges ont été déterminées pour une température initiale de 300 K et une pression de 1 et 2 bars. Les vitesses fondamentales de flamme et les longueurs de Markstein ont été mesurées à différentes températures initiales (300, 330 et 360 K) et à deux pressions initiales (1 et 2 bar) pour chacun des mélanges. Une modélisation cinétique de la vitesse de flamme a été réalisée et a permis l’évaluation de l’énergie d’activation globale sur la base du modèle cinétique présentant le meilleur accord avec l’expérience. La propension des mélanges a s’accélérer fortement en présence d’obstacles a ensuite été caractérisée au cours de l’étude de l’accélération de flamme. Cette étude de l’accélération de flamme a permis de mettre en évidence que différents critères d’accélération s’appliquent selon que la flamme soit stable ou pas. Un critère permettant de prédire l’accélération de flamme a été proposée dans les deux cas. / The context of the current study is the assessment of the occurrence of flame acceleration in accidental situations. The methodology developed for the assessment of hydrogen hazard in the nuclear industry led to the definition of a criterion for the prediction of the acceleration potential of a hydrogen/air/dilutant mixture based on its properties. This study aims to extend this methodology to gaseous mixtures that can be encountered in the classical industry. Therefore, three mixtures were chosen: the first two are representatives of a natural gas/air mixture: G27 (82%CH4/18%N2) and G222 (77%CH4/23%H2). The third one is a H2/CO (50%H2/50%CO) mixture and represents the Syngas. During this work, flammability limits were measured at 300 K and two initial pressures (1 and 2 bar) for each mixture. Fundamental flame speeds and Markstein lengths were also measured at three initial temperatures (300, 330, 360 K) and 2 initial pressures (1 and 2 bar) for each mixtures. A kinetic modeling was performed based on three detailed kinetic models and allowed the calculation of the global activation energy on the basis of the kinetic model which showed the best agreement with the experimental data. The acceleration potential for each mixture in presence of obstacles has then been investigated. It was found that different criteria were to be applied depending on whether the flame is stable or not. A predicting criterion was proposed in both case.

Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitessesfondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie deParticules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant lastabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d’étirementssubits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L’approche ici développée atout d’abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive desrésultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX,OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l’approche proposée.Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencéesdans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force dethermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses deflammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges aété conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contrecourant,les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultatsobtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l’étirement des flammes de syngas aété caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges(5/95 to 50/50 % H2/CO). / In the context of CO2 emission reduction, the present study is devoted to the development of alaminar flame speed measurement methodology, using the Digital Particle Image Velocimetry (DPIV)diagnostic. The latter is applied to stagnation flow flames, seen to have considerable assets for suchstudies. Indeed, flames stabilized in these diverging flows are planar, steady and in near-adiabaticconditions, while subtraction of strain effects on flame is intrinsically allowed. The methodology developedherein has been applied to the well-characterized methane/air mixtures for validation. An extensivecomparison with the literature datasets has been provided. Both 1D (PREMIX, OPPDIF) as well as 2D(Fluent©) numerical tools have been used to confirm the reliability and accuracy of the developed approach.A particular attention has been given to the characterization of the seeding particle motion within thediverging flow, with consideration of the often-neglected thermophoretic force. Fundamental flame velocitiesof various syngas (H2+CO) mixtures have been investigated using multiple experimental approachesincluding the aforementioned counterflow methodology as well as spherical and conical flameconfigurations. Performed measurements from the different approaches have been confronted and flamesensitivities to stretch have been characterized for a wide range of equivalence ratios (E.R.=0.4 to 5.0) andmixture compositions (5/95 to 50/50 % H2/CO).

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la sûreté de l’installation ITER. En effet, des études d’accidentologie concernant cette installation ont permis de mettre à jour un risque d’explosion de mélanges à base d’hydrogène et de poussières. L’objectif de la thèse est d’acquérir les données fondamentales caractérisant l’explosion de ces mélanges diphasiques permettant ainsi d’évaluer les pressions générées par une éventuelle explosion des poussières qu’elle soit concomitante on non à celle de l’hydrogène. Pour se faire, des expériences, en bombe sphérique, ont été réalisées concernant des mélanges gazeux hydrogène - oxygène - azote. Les expériences ont été accomplies pour des températures de 303 et 343 K et des pressions de 50 et 100 kPa pour différentes concentrations en hydrogène et différents rapports N2/O2 dans le mélange. Les paramètres de caractérisation de l’explosion de ces mélanges ont été déterminés tels que la pression maximale de combustion (PMAX), l’indice de déflagration (KG ou KST), le temps de combustion (tC), la vitesse fondamentale de flamme (SL°) et la longueur de Markstein (LB). Une modélisation cinétique de la vitesse de flamme utilisant le code COSILAB a été réalisée, permettant de déduire la vitesse fondamentale de flamme sur la base de trois mécanismes cinétiques détaillés de la littérature. Celle-ci a permis l’évaluation de l’énergie d’activation globale sur la base du modèle cinétique présentant le meilleur accord avec l’expérience. De plus des calculs thermodynamiques à l’équilibre ont été réalisés afin de comparer les pressions maximales de combustion aux valeurs théoriques. Pour les mélanges diphasiques, un nouveau système d’introduction des poussières a été mis en place et des expériences caractérisant les paramètres d’explosion de ces mélanges ont été réalisées dans la bombe sphérique. Celles-ci ont permis de mettre en exergue le fait qu’une explosion de poussières, sous certaines conditions peut-être concomitante à une explosion d’hydrogène. / The context of the study is the safety of the ITER installation. Indeed, studies have shown that it exists a risk for two-phase mixtures of hydrogen and dust can explode and create a safety risk for the ITER installation. This aims to obtain the fundamental data which characterize the explosion of these mixtures and to evaluate the pressure loads they can generate. To do so, experiments in spherical bomb have been carried out for hydrogen - oxygen - nitrogen mixtures at two initial temperatures (303 and 343 K) and pressures (50 and 100 kPa) for different hydrogen concentrations and different N2/O2 ratios. Explosion parameters like maximum combustion pressures (PMAX), deflagration indexes (KG or KST), combustion times (tC), fundamental flame speeds (SL°) and Markstein lengths have been determined. A kinetic modelling of the flame speed, using the COSILAB software was performed based on three detailed kinetic models available in the literature and allowed the calculation of the global activation energy on the basis of the kinetic model which showed the best agreement with the experimental data. Moreover equilibrium calculations were achieved to compare PMAX to the theoretical values. For two-phase mixtures, a new introduction device was tested and set up and experiments characterizing the explosions parameters of the two-phase mixtures have been performed in the spherical bomb. They were able to stress out the fact that, under some circumstances, dust explosion can be concomitant to a hydrogen explosion.