L'allumage par choc est une approche récente à la fusion par confinement inertiel où les phases de compression et d'allumage par un choc fort sont séparées. Ce schéma est prometteur dans la mesure où il peut générer des gains élevés et être testée sur des installations laser existantes. Par ailleurs, il nécessite des vitesses d'implosions plus faibles permettant ainsi de comprimer une plus grande quantité de combustible et limitant l'impact des instabilités hydrodynamiques. Malgré tout, la physique liée à cette approche reste très largement inconnue surtout du point de vue expérimental. En effet, même si la phase de compression est dans un régime dit collisionnel bien connu (I<1014W=cm2), l'allumage fait intervenir un spike d'une intensité supérieure à 1015W=cm2, régime très fortement non-linéaire où apparaissent des instabilités paramétriques. Ces instabilités peuvent diminuer l'absorption et générer des électrons suprathermiques pouvant préchauffer le coeur de la cible et donc empêcher son allumage. Un deuxième problème est la possibilité de générer un choc fort en présence d'un plasma de couronne qui pourrait, entrer autre, détériorer le couplage laser-cible. Néanmoins, des considérations théoriques tendent à montrer que si on génère des électrons chauds modérément énergétiques (<100keV), non seulement ils ne sont pas dangereux vis-à-vis du préchauffage mais, en plus, ils peuvent améliorer le couplage en déposant leur énergie dans le front de choc et amplifier sa pression. Le travail réalisé dans cette thèse consiste à tester la possibilité de générer un choc fort dans les conditions de l'allumage par choc i.e. en présence d'un plasma de couronne mais aussi d'étudier l'effet des électrons chauds sur le choc en quantifiant leur énergie et leur abondance. / Shock ignition is a novel approach for inertial confinement fusion where the compression and the ignition phases by a strong shock are separated. The scheme is promising to the extent that it can generate very high gains and can be tested on already existing lasers systems. In addition, this concept requires lower implosion velocities that allows for compressing more massive targets which limits the impact of hydrodynamic instabilities. However, the physic issues related to shock ignition are still largely unexplored especially experimentally. Indeed, even if the compression phase takes place in the well-known collisional regime (I<1014W=cm2), ignition requires a spike which intensity exceeds 1015W=cm2.This regime is strongly non-linear with the onset of parametric instabilities. These instabilities may decrease the absorption and can also generate suprathermal electrons that can preheat the central part of the fuel and make the compression less efficient. Another key issue is the capability of launching a strong shock in presence of a plasma corona which can deteriorate the laser-target coupling and produce lamentation. Nevertheless, theoretical considerations tend to show that if the energy of fast electrons is moderate (<100keV), they could improve the coupling, deposit their energy in the shock front and hence amplify it. The work presented in this thesis consists in testing these two issues : launching a strong shock in the conditions corresponding to shock ignition i.e. in presence of a plasma corona and study the effect of hot electrons on the shock strength by measuring their energy and their quantity.

Dans un contexte de recherche de nouveaux modes de combustion propres, la combustionhomogène à allumage par compression HCCI s’inscrit comme une stratégie prometteuse.Cependant, cette combustion est limitée par un niveau élevé de bruit. La recherche descarburants permettant de relaxer cette contrainte constitue l’objectif global de cette étude.Particulièrement, on s’intéresse ici à l’influence de l’Indice de Cétane, de la volatilité et de lacomposition chimique des carburants sur les Délais d’Auto-Inflammation et sur les vitesses decombustion globales évaluées par les taux maximaux d’accroissement de la pression et dudégagement d’énergie apparente. L’étude se base dans un premier temps sur l’analyse d’essaissur banc moteur dans lesquels on a testé plusieurs carburants de synthèse à l’état pur et enmélange avec un Gazole conventionnel. Dans un deuxième temps des essais ont été préparés etréalisés sur Machine à Compression Rapide avec deux configurations en injection directe et enmélange homogène. Les essais Moteur ont permis d’orienter les paramètres expérimentauxciblés sur ce dispositif. D’autre part, pour étudier les régimes de combustion, des mesures dechamps de température locale ont été réalisées en mélange inerte (N2, CO2, Ar) par FluorescenceInduite par Laser avec un traceur Toluène. L’étude montre les limites des paramètres habituelspour caractériser l’adéquation carburant combustion HCCI et propose un nouveau critère basésur la dépendance des délais d’auto-inflammation à la température et à la richesse. / Advanced combustion strategies such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI)usually enable cleaner combustion with less NOx and Particulate Matter emissions comparedto conventional Diesel combustion. However, these strategies are difficult to implement due todifficulties related to combustion timing and burn rate control. Lately various studies have beenfocusing on extending advanced combustion functioning with new technologies and withsearching fuels properties to enable such combustion modes. This study is focused on theimpact of fuel Cetane Number, volatility and chemical composition on Ignition Delay, HeatRelease Rate and Pressure Rise Rate. The study is based on three complementary experiments.First, several synthetic fuel was tested on a research engine and analysis was focused on theHeat Release Rate. Secondly, experiments on a Rapid Compression Machine were performedto study the auto-ignition phenomena at homogeneous conditions with surrogate fuels (blendsof n-Heptane and Methyl-Cyclohexane). Analysis of the combustion regimes was supported bya study of the temperature field based on a Toluene Laser Induced Fluorescence experiment ininert (N2, CO2, Ar) mixture. Finally, the RCM was adapted to allow direct injection of fuel tostudy the auto-ignition at less homogeneous conditions. Results showed the limits of theconventional fuels properties to describe an adequate fuel formulation for the HCCI combustionmode. A new criterion based on the dependency of ignition delays to temperature and air fuelratio variations is proposed.

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.

Le schéma d'allumage par choc est une approche prometteuse pour obtenir de l'énergie à grande échelle. Cependant, ce schéma requière des pressions d'ablation laser de l'ordre de 300-400 Mbar pour atteindre l'allumage. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la physique sous-jacente de la génération de ces pressions très élevées par les mécanismes du transport de l'énergie par les électrons énergétiques dans un régime d'intensité laser entre un et dix petawatt par cm2. Au cours de cette thèse il a été établi un modèle permettant de calculer la pression du choc induit par les électrons chauds et le temps de sa formation pour une distribution en énergie d'électrons et un profil de densité de plasma arbitraire. Nous montrons que la distribution en énergie d'électrons plus étendue conduit à un dépôt en énergie plus homogène ce qui implique un temps de formation du choc plus long et une diminution de la force du choc. Ces conséquences sont à prendre en compte pour le design des cibles pour l'allumage par choc. L'extension de ce modèle au cas d'un plasma inhomogène montre que la couronne de faible densité diminue l'énergie des électrons rapides et donc la quantité d'énergie déposée dans la cible comprimée. Ceci conduit à une réduction du temps nécessaire à la formation du choc, de la pression du choc et de l'efficacité de la conversion de l'énergie des électrons vers l'onde de choc. Ce modèle théorique nous permet d'interpréter l'expérience de la génération d'un choc sphérique sur l'installation laser OMEGA. Grâce à la comparaison des simulations numériques d'un tir représentatif aux résultats expérimentaux nous avons caractérisé la source d'électrons ainsi que la pression et la dynamique du choc. Enfin, nous proposons un design préliminaire de l'expérience sur le rôle des électrons chauds dans la création d'un choc plan sur l'installation LMJ-PETAL. / The Shock Ignition (SI) scheme is a promising approach to obtaining energy on alarge scale. However, this scheme needs ablation pressures in the range of 300-400Mbar to reach ignition. The objective of this thesis is therefore to better understandthe underlying physics of high pressure generation by energetic electrons in a regimeof intensity between one and ten petawatt per cm2. In this thesis, a model hasbeen established for calculating the shock pressure generated by hot electrons andthe time of its formation for an arbitrary electron energy distribution and plasmadensity profile. It is shown that a broader electron energy distribution leads to amore homogeneous energy deposition which implies a longer shock time formationand a reduction of the shock strength. These consequences should be taken intoaccount in shock ignition target design. The extension of this model to the case ofa inhomogeneous plasma shows that the low density corona decreases fast electrons energy and then the amount of energy deposited in the compressed target. This leads to a reduction of the time needed for the shock formation, of the shock pressure and the energy invested in the shock. This theoretical model allows us to interpret the experiment performed in spherical geometry on the OMEGA laser facility. The comparison between numerical simulations and experimental results allow us to characterize the electron source as well as shock pressure and dynamic. Finally, we propose a preliminary design of an experiment to explore the hot electron role in shock generation in planar geometry on the LMJ-PETAL laser facility.

L'objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes d'allumage d'un noyau de flamme en écoulements laminaires et turbulents. Dans un premier temps, une étude préliminaire est consacrée à l'analyse du dispositif d'allumage par étincelle induite par laser et à l'étude de l'initiation du noyau de flamme en écoulement laminaire prémélangé. Dans un second temps, l'étude de l'allumage est réalisée en écoulement turbulent prémélangé, afin de mettre en évidence l'effet des fluctuations turbulentes de vitesse sur l'initiation de noyau de flamme. Enfin, dans le cas d'un écoulement turbulent nonprémélangé, l'influence du champ local et instantané de fraction de mélange sur l'allumage et le développement du noyau de flamme est analysée. / The aim of the Ph-D thesis is to study ignition mechanisms of a flame kernel in laminar and turbulent flows. First, a preliminary study is devoted to the analysis of the laser-induced spark ignition system and to the study of the flame kernel initiation in premixed laminar flow. Then, the study of the ignition is performed in turbulent premixed flow, to highlight the influence of velocity turbulent fluctuations on the flame kernel initiation. Finally, in turbulent non-premixed flows, the effect of the local and instantaneous mixture fraction on the flame kernel initiation and development is analyzed.

Ce manuscrit présente trois expériences menées dans le cadre de la fusion nucléaire par confinement inertiel. La première expérience porte sur l'étude la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans un plasma pré-comprimé dans le cadre du schémas d'allumage rapide. Deux expériences sur la génération d'onde de choc dans des plasmas ont été menées dans le cadre du schéma d'allumage par choc. La première expérience a été consacre à l'étude le la propagation d'un faisceau d'électrons rapides dans une cible comprimée. L'implosion de la cible avec une géométrie cylindrique a été menée avec l'installation laser GEKKO XII (ILE Osaka, Japon). Le faisceau d'électrons rapides a été injecté en utilisant l'installation laser LFEX (_1019W/cm2). et sa propagation à travers le cylindre comprimé a été observée avec plusieurs diagnostics X. Cette expérience a démontré l'effet d'un guidage du faisceau d'électrons rapides résultant du champ magnétique auto-généré. Par ailleurs, les résultats de cette expérience ont été en bon accord avec deux des simulation numériques. Cette étude a fait l'objet de la publication Approach to the study of fast electron transport in cylindrically imploded targets, Laser and particle Beams, 33, 525-534, (2015). Deux autres expériences ont été réalisées pour l’étude de la propagation de chocs forts créés par laser dans un plasma. Celles-ci ont été réalisées avec différentes installations laser.Dans la première expérience avec le laser Gekko Xll, nous avons observé la création et la propagation de deux ondes de choc successives dans des plasmas d’ablation de CH et de Be. L’objectif de caractériser l’amplification d’un choc transmis par la collision des deux chocscontre propagatifs a été partiellement réalisé. La comparaison des résultats expérimentauxà des simulations hydrodynamiques a permis d’établir une amplification du choc d’unfacteur 2 en pression pour les conditions expérimentales réalisées. Les tirs sur une cible deBe a permis de développer et valider les outils d’exploitation de la propagation de deuxchocs par radiographie X. La deuxième expérience a été réalisée avec laser PHELIX de GSI(Darmstadt, Allemagne). Le but de cette expérience était d’étudier la génération de chocsforts qui ont été utilisés pour étudier l’équations d’état du carbone dans le domaine WDMpertinent pour le planétologie. Les conditions de pression et de densité pour le carboneont été obtenues en déduisant la pression et la vitesse de l’onde de choc des diagnosticschronométriques employés dans cette expérience. Des états du diamant en phase liquidemétallique pour des pressions de l’ordre de 7 Mbar et des températures de 15,000 degrésont été obtenus. / This manuscript presents three experiments conducted as part of a nuclear fusion byinertial confinement. The first experiment is the study of the fast electron beam propagationin a pre-compressed plasma in the fast ignition scheme. Two other experiments about theshock wave generation in plasmas were conducted in the ignition shock pattern.The first experiment was devoted to the study of the fast electron beam transport in a compressed target. The implosion of the target with a cylindrical geometry was carriedout with the GEKKO XII laser facility (ILE Osaka, Japan). The fast electron beam wasgenerated by the LFEX laser ( 1019W/cm2) and its propagation through the compressedcylinder was observed with several X-ray diagnostics. This experiment showed the guidingeffect of the electron beam resulting from self-generated magnetic fields. Furthermore, theresults of this experiment were in good agreement with numerical simulations. This studywas the subject of the publication Approach to the study of fast electron transport incylindrically imploded targets, Laser and Particle Beams, 33,525-534,(2015). Two other experiments were performed to study the propagation of strong shockscreated by lasers in a plasma. These were carried out with different laser systems. In the firstexperiment with the Gekko XII laser, we observed the creation and the propagation of twosuccessive shock waves in an ablation plasma in CH and Be. The objective to characterizethe amplification of a transmitted shock by the collision of two counter propagatingshocks has been partially realized. The comparison of the experimental results with thehydrodynamic simulations enabled us to confirm an amplification of the shock by a factor2 in pressure in the condition of this experiment. The shot with a Be target allowed todevelop and to validate the diagnostic method of X-ray radiography for shock propagation.The second experiment was performed with laser PHELIX GSI (Darmstadt, Germany).The purpose of this experiment was to study the generation of strong shocks. They wereapplied to study the equation of state of carbone in WDM state for the planetology. Thecondition of pressure and density for the carbon were obtained by deducting the pressureand the velocity of the shock wave chronometric diagnostics employed in this experiment.In this experiment, diamond was at the metallic liquid phase with the pressure of 7 Mbarand the temperature of 15,000 degrees

Le moteur essence à allumage par compression (GCI), reposant sur la combustion partiellement prémélangée de l'essence (GPPC), peut potentiellement assurer des opérations efficaces et propres. Le moteur GCI s'est avéré efficace à forte charge, mais l'indice d'octane élevé de l'essence limite considérablement les opérations à faible charge. Le présent travail étudie le potentiel de l'utilisation de l'ozone, fort agent oxydant, pour améliorer la réactivité de l'essence et permettre le fonctionnement à faible charge de GCI. L'ozone peut être produit on board en équipant le moteur d'un générateur d'ozone, sans impact dramatique sur le coût du moteur et sur la complexité du contrôle du moteur. Les essais effectués avec un moteur monocylindre ont montré que l'ozone favorise la combustion HCCI de l'essence, permettant d'étendre la limite d’auto-inflammation et de réduire la température minimale nécessaire de celle-ci. Les diagnostics optiques ont montré que ces propriétés sont liées à une prolifération radicale accrue, amenées par des réactions à basse température induites par l'ozone. En parallèle, le processus de combustion GCI a été étudié dans des conditions de faible charge. Sans ozone, la température d'admission doit être considérablement augmentée pour permettre l'auto-inflammationdes mélanges essence-air pauvres. De plus, les résultats indiquent que le monoxyde d’azote (NO) contenu dans les gaz brûlés résiduels peut, dans certaines conditions, favoriser fortement la combustion GCI. Ensuite,l'effet de l'ozone a été étudié dans des conditions d'injection directe GCI. Les résultats démontrent qu’une stratégie avec double injection est nécessaire pour maximiser l’effet promoteur de l’ozone et pour contrôler le processus de combustion GCI. Enfin, l'utilisation d’une forte concentration d’ozone a permis d’atteindre des opérations à faible charge en mode GCI, avec des faibles émissions de NOx et de suie, et cela, sans avoir besoin d'augmenter la température ou la pression d'admission. / Gasoline Compression Ignition (GCI) engine, relying on Gasoline Partially Premixed Combustion (GPPC) has potential for efficient and clean operations. GCI engine showed to be effective at high load, however, the highoctane number of gasoline dramatically limits low load operations. The present work investigates the potential of using ozone, a strong oxidizing agent, to improve gasoline reactivity and enabling low load GCI operation.Ozone can be produced in-situ and on-demand by equipping the engine with an ozone generator, without a dramatic impact on the engine cost and the engine control complexity. Experiments in a single cylinder engine showed that ozone promotes gasoline HCCI combustion, making possible to extend the lean limit and reducing the minimum temperature needed for autoignition. Optical diagnostics showed that these properties are related to an increased radical proliferation related to ozone-induced low temperature reactions. In parallel, GCI combustion process was investigated under low load conditions. Without ozone, the intake temperature should be considerable increased to enable auto ignition of lean gasoline-air mixtures. Moreover, results indicated that the NO contained into residual burnt gases can strongly promote GCI low load combustion. Finally, the effect of ozone was investigated under GCI direct-injection conditions, demonstrating that low load GCI operation with low NOx and Soot emission can be achieved by seeding the intake of the engine with ozone without needing of increasing the intake charge temperature or boosting the intake pressure.

Les turbomachines actuelles ont atteint un niveau de maturité technique très élevé. De nouvelles architectures reposant sur des cycles thermodynamiques basés sur une combustion à gain de pression, comme la combustion à volume constant (CVC), ont le potentiel d’augmenter leur efficacité. Dans cette étude,une solution qui repose sur l’intégration dans une turbomachine de chambres de combustion à volume constant sans piston (CVCSP) est considérée. Les objectifs de ces travaux de thèse sont doubles : dans un premier temps de développer et de caractériser extensivement un nouveau dispositif (CV2) dédié à la Combustion à volume constant sans piston sur un cas de référence et, dans un second temps, de proposer à travers plusieurs études, une analyse de l’influence de l’aérodynamique et de la dilution sur les processus d’allumage et, plus généralement de combustion. Le dispositif CV2 permet la combustion aérobie en allumage commandé d’un mélange de propane ou de n-décane, injecté directement dans la chambre. Un point de référence est caractérisé en détail via : des mesures de champs de vitesse par PIV, de chimiluminescence pendant la combustion, une analyse 0D développée dans cette étude. La caractérisation détaillée de ce point de référence montre que le dispositif CV2 reproduit correctement une combustion à volume constant turbulente dans un mélange faiblement hétérogène en température et stratifié en composition, et ce sur un nombre de cycles permettant d’établir une convergence statistique raisonnable. Ces diagnostics et analyses sont employés dans 2 cas d’études pour caractériser successivement : l’influence de l’aérodynamique, via une variation de l’instant d’allumage, l’influence des gaz brûlés résiduels sur la combustion en allumage commandé et la stabilité cyclique, via une variation de la pression d’échappement.Dans un fonctionnement sans balayage, on montre que cette variabilité cyclique est liée au premier ordre à la variation de la dilution en gaz brûlé résiduel du mélange et à la vitesse locale. On montre notamment que, pour un mélange donné, il existe une corrélation statistique entre une vitesse statistique limite et la probabilité d’allumage moyenne. Pour représenter l’effet de pression dans un plénum en amont d’une turbine, on réalise une étude paramétrique sur la pression d’échappement. La dilution résultante, croissant avec la pression d’échappement, diminue la vitesse fondamentale de flamme et ralentit donc la combustion. Les niveaux de températures des gaz brûlés résiduels résultent des échanges de chaleur qui ont lieu sur toute la durée du cycle, de l’allumage du cycle N à celui du cycle N+1 suivant. Des extrapolations sur des cycles à température de paroi plus élevée et à échappement plus court montrent que l’adiabaticité du cycle est améliorée (de 20 %) et que l’effet de dilution en température est alors favorable à une vitesse de flamme turbulente qui est alors plus élevée. Un phénomène d’allumage par gaz brûlé résiduel est observé sur certains cycles de combustion. Ce phénomène est caractérisé dans des conditions favorables, i.e. faible richesse (0.66), allumage tardif et cycle plus court. Lors d’un allumage par gaz brûlés résiduels, un noyau de flamme se développe dans les zones présentant des gaz brûlés résiduels chauds et à basse vitesse autour du jet d’admission et se propage ensuite au reste du mélange identiquement à celui qui serait généré par allumage commandé.Ce travail prend place dans le cadre de la chaire industrielle CAPA sur la combustion alternative pour la propulsion aérobie financée par SAFRAN Tech, MBDA et l’ANR. / Current turbomachines have reached a very high level of technical maturity. Thermodynamic cycles based on pressure-gain combustion, such as constant volume combustion (CVC), feature a clear potential for efficiency improvement. The present study considers the integration in a turbomachine of piston-lessCVC chambers. The thesis work is twofold. First, a new experimental setup (CV2) dedicated to cyclic piston-less CVC is developed and thoroughly characterized on a reference operating point. Second, the influence of the aerodynamics and dilution on the processes of ignition and, in a larger sense, on combustion is discussed through dedicated studies. The CV2 device allows for the spark-ignited air-breathing combustion of a mixture of either propane orn-decane, directly injected into the chamber. A reference condition is characterized in details using: PIV velocity field measurements, chemiluminescence of combustion and a 0D modeling of the device. This detailed characterization evidenced that the CV2 combustion chamber successfully replicates, on a number of cycles allowing a reasonable statistical convergence, a turbulent deflagrative constant-volume combustion in a mixture stratified in composition. Those diagnostics and analyses are applied to 2 cases of study to characterize successively : the influence of the aerodynamics, through a variation of the ignition timing, the influence of the residual burnt gases on spark-ignited combustion and the cyclic stability, through a variation of the exhaust backpressure.Operating the device without scavenging of the combustion chamber, we show that the cyclic variability correlates strongly with both the variation of residual burnt gases dilution and the local velocity. Particularly, we show that for a given mixture, a correlation exists between a statistical velocity limit and the average probability of ignition. The effect of a plenum backpressure upstream of a turbine, downstream of the combustion chamber, is simulated by varying the exhaust system backpressure. The resulting dilution, which increases with the exhaust backpressure, diminishes the fundamental flame velocity of the mixture and slows down the combustion. The residual burnt gases temperature results from the integrated heat exchanges that happen during the total cycle duration starting from the end of combustion of cycle N, to the ignition of cycle N+1. Enhanced cycles, with an increased wall temperature and reduced exhaust duration, are extrapolated by 0D analysis. Those cycles evidence a reduction of the cumulated heat exchanges of up to 20 %. The resulting dilutionis more favorable to higher turbulent flame velocity thus to shorter combustion duration. A phenomenon of ignition induced by the residual burnt gases is observed on certain combustion cycles. This phenomenon is characterized in favorable conditions, i.e. fuel-lean equivalence ratio (0.66), late ignition and shortcycles. During an ignition by residual burnt gases, a flame kernel is ignited in areas where the still hot residuals burnt gases meet fresh gases in low-velocity areas around the intake jet. The ignition kernel then propagates to the rest of the mixture in a similar manner as if it was spark-ignited.This work is part of the CAPA Chair research program on Alternative Combustion modes for Air-breathing Propulsion supported by SAFRAN Tech, MBDAFrance and ANR (French National Research Agency).

Du fait de sa faible efficacité, la diffusion Raman spontanée reste une méthode encore peu utilisée pour l'analyse des écoulements réactifs, en particulier s'ils sont instationnaires comme la combustion turbulente ou les décharges impulsionnelles. Pour de telles situations, une chaîne de mesure a été développée, associée à des procédures d'analyse spécifiques. Cette chaîne de mesure a été évaluée dans deux situations : une flamme de prémélange et une décharge nanoseconde envisagée comme nouveau procédé d'allumage. Les mesures réalisées démontrent la richesse et la nouveauté des résultats que peut apporter la diffusion Raman spontanée pour l'analyse d'écoulements réactifs complexes. La décharge est générée en configuration pointe-plan dans l'air et dans un mélange pauvre de propane-air grâce à l'application à la pointe d'une haute de tension positive de 25 KV d'amplitude et 25 ns de largeur à mi-hauteur à la fréquence de 10 Hz. La modélisation des spectres expérimentaux de diffusion Raman spontanée par les spectres synthétiques minimisés, en prenant en compte le hors-équilibre vibrationnel et les couplages rotation-vibration, a permis d'obtenir les températures de vibration et rotation de N2 et O2 durant la post-décharge d'air et propane-air. L'étude du dépôt d'énergie effectuée à partir des mesures de températures et de densités d'espèces majoritaires a permis de caractériser les différents processus de transferts d'énergie qui se produisent lors de l'allumage par décharge nanoseconde. La faisabilité des mesures de températures instantanées pour la combustion turbulente par diffusion Raman spontanée a ensuite été explorée sur des flammes laminaires de méthane-air obtenues sur un brûleur de type bec Bunsen. Dans les gaz brûlés de la flamme la température instantanée est obtenue avec une très bonne précision. Dans les deux situations étudiées, la qualité de la mesure de température est obtenue grâce notamment à une procédure de détermination in-situ de la fonction d'appareil et évaluée par une méthode de détermination des incertitudes. Les résultats permettent d'envisager des mesures simultanées de températures instantanées et de densités d'espèces majoritaires avec le même dispositif expérimental ouvrant ainsi des perspectives intéressantes pour l'analyse d'autres écoulements réactifs.

Aujourd’hui, les constructeurs automobiles continuent de chercher les technologies renouvelables face à la pénurie d’énergie et les problèmes d’émission de polluants. Un moyen important pour optimiser l’économie de carburant et réduire les émissions polluantes des moteurs à allumage commandés est le concept ‘downsizing’. Cependant, ce concept est limité par le phénomène de cliquetis dû aux conditions de haute température et haut pression. Dans cette étude, le contrôle de la concentration d’oxygène dans l’air est proposé. Car d’une part, la combustion enrichie en oxygène permet d’améliorer la densité de puissance de moteur avec le même niveau de pression d’admission. Cela permet soit de ‘booster’ la combustion pour augmenter la puissance du moteur ou de l’activer lorsque le moteur fonctionne à faible charge ou dans des conditions de démarrage à froid. D’autre part, une faible concentration en oxygène dans l’air (ou dilution de N2) par un système membranaire peut être considérée comme une alternative à la recirculation des gaz d’échappement. Les expériences ont été effectuées dans un moteur monocylindre ‘downsizing’ avec différents taux d’oxygène et richesse. L’étude de l’impact du contrôle de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de combustion et d’émissions a été effectuée pour plusieurs charges en fonctionnement optimum pour limiter la consommation spécifique de carburant. L’effet de la concentration en oxygène sur les caractéristiques de combustion du moteur a été simulé en utilisant le logiciel commercial AMESim avec le modèle de combustion développé par IFP-EN. En mettant en oeuvre des corrélations de la vitesse de combustion laminaire, déterminées au préalable durant ce travail, et délai d’auto-inflammation, les pressions dans les cylindres sont parfaitement calibrés avec une erreur maximale inférieure à 2% et l’intensité du cliquetis a pu être prédite. / Nowadays, car manufacturers continue to lead researches on new technologies facing to the energy shortage and pollutant emission problems. A major way to optimise fuel economy and reduce pollutant emissions for Spark-Ignition (SI) engines is the downsizing concept. However, this concept is unfortunately limited by ‘knock’ phenomena (abnormal combustion) due to high temperature and high pressure in-cylinder conditions. In the present study, control the oxygen concentration in air is proposed. Indeed, on the one hand, oxygen-enriched combustion can improve engine power density with the same intake pressure level. Thus, oxygen-enriched combustion can be used either as a booster to increase engine output or as a combustion enhancer when the engine operates at low loads or in cold start conditions. On the other hand, low oxygen concentration in air (or N2 dilution) can be considered as an alternative to exhaust gas recirculation (EGR). The experiments were carried out in a downsized single-cylinder SI engine with different rates of oxygen and equivalence ratios. The study of the impact of controlling oxygen concentration on the combustion characteristics and emissions was performed at several loads by optimizing the spark advance and the intake pressure to maintain the load and obtain a minimum value of indicated Specific Fuel Consumption (SFC). The effect of oxygen concentration on the engine combustion characteristics was simulated by using the commercial software AMESim, with the combustion model developed by IFP-EN. By implementing correlations for the laminar burning velocity, determined previously during this study, and auto-ignition delay data base, the in-cylinder pressures were perfectly calibrated with a maximum pressure relative error less than 2%, and the knock intensity was predicted.