Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D'un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s'agit, d'une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d'autre part, le code PPMBFS développé à l'Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l'approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d'un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l'hypothèse de l'Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d'écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l'accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d'un canal industriel (en l'occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d'écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques.

L'objectif de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension du devenir atmosphérique des Composés Organiques Volatils d'origine Biogénique (COVB), émis par la végétation. La dégradation d'une série de COVB (myrcène, ocimène, a-farnesène, linalool, 6-méthyl-5-heptène-2-ol et 3-méthyl-1-pentène-3-ol), par les oxydants atmosphériques (OH, O3 et NO2), a été étudiée en utilisant différentes installations expérimentales (chambres de simulation atmosphérique et réacteur à écoulement à aérosol). Les paramètres cinétiques et mécanistiques qui ont été obtenus pour l'ensemble des réactions étudiées ont permis d'estimer les durées de vie atmosphérique des COVB (de quelques minutes à quelques heures). Des produits d'oxydation ont été identifiés et quantifiés, mais le bilan total en carbone en fin de réaction reste incomplet indiquant que d'autres produits sont formés mais non-identifiés. Les rendements de formation des aérosols organiques secondaires (AOS) ont été également mesurés pour les réactions avec OH et O3. L'analyse chimique des AOS (issus de la réaction avec O3) a mis en évidence la présence d'acides dicarboxyliques et de composés oligomères, démontrant l'implication des intermédiaires de Criegee dans la formation des AOS. Le réacteur à écoulement à aérosols, développé dans le cadre de ce travail, a permis de préciser les seuils de nucléation des AOS formés à partir de l'ozonolyse de certains monoterpènes. Enfin, la réactivité des COVB (principalement les diènes conjugués) avec NO2, a été trouvée assez lente et ne représente qu'un puits mineur de ces composés dans l'atmosphère. Toutefois, la mise en évidence de la formation de HONO comme produit de réaction pourrait rendre l'implication atmosphérique de ce processus non négligeable. Les résultats obtenus ont permis de discuter de l'impact de la dégradation de ces COVB dans l'atmosphère.

Thèse (M.A.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2005. / Bibliogr.: f. 54. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thesis (doctoral)--University of Göteborg, 1997. / Added t.p. with thesis statement inserted.

L’objectif de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension du devenir atmosphérique des Composés Organiques Volatils d’origine Biogénique (COVB), émis par la végétation. La dégradation d’une série de COVB (myrcène, ocimène, a-farnesène, linalool, 6-méthyl-5-heptène-2-ol et 3-méthyl-1-pentène-3-ol), par les oxydants atmosphériques (OH, O3 et NO2), a été étudiée en utilisant différentes installations expérimentales (chambres de simulation atmosphérique et réacteur à écoulement à aérosol). Les paramètres cinétiques et mécanistiques qui ont été obtenus pour l’ensemble des réactions étudiées ont permis d’estimer les durées de vie atmosphérique des COVB (de quelques minutes à quelques heures). Des produits d’oxydation ont été identifiés et quantifiés, mais le bilan total en carbone en fin de réaction reste incomplet indiquant que d’autres produits sont formés mais non-identifiés. Les rendements de formation des aérosols organiques secondaires (AOS) ont été également mesurés pour les réactions avec OH et O3. L’analyse chimique des AOS (issus de la réaction avec O3) a mis en évidence la présence d’acides dicarboxyliques et de composés oligomères, démontrant l’implication des intermédiaires de Criegee dans la formation des AOS. Le réacteur à écoulement à aérosols, développé dans le cadre de ce travail, a permis de préciser les seuils de nucléation des AOS formés à partir de l’ozonolyse de certains monoterpènes. Enfin, la réactivité des COVB (principalement les diènes conjugués) avec NO2, a été trouvée assez lente et ne représente qu’un puits mineur de ces composés dans l’atmosphère. Toutefois, la mise en évidence de la formation de HONO comme produit de réaction pourrait rendre l’implication atmosphérique de ce processus non négligeable. Les résultats obtenus ont permis de discuter de l’impact de la dégradation de ces COVB dans l’atmosphère. / The aim of this work was to contribute to a better understanding of the atmospheric fate of Biogenic Volatil Organic Compounds, emitted by vegetation. The degradation of a series of BVOC (myrcene, ocimene, a-farnesene, linalool, 6-methyl-5-heptene-2-ol and 3-methyl-1-pentene-3-ol) through reactions with atmospheric oxidants (OH, O3 and NO2) has been investigated using different experimental facilities (atmospheric simulation chambers and aerosol flow tube). First, atmospheric lifetimes of these BVOCs were determined and found varying from few minutes to hours. In addition, gas phase oxidation products were identified and quantified. However carbon budget is still incomplete, indicating that others products are formed but remain unidentified. Secondary organic aerosol yield were also measured in the reactions of the studied BVOCs with OH and O3. Chemical analysis of SOA (from O3 reaction) showed the presence of dicarboxylic acids and oligomer compounds, indicating the possible involvement of the Criegee intermediate in the SOA formation. The new aerosol flow tube, developed in this work, allowed to precise nucleation threshold of SOA formed from the ozonolysis of series of monoterpenes. The reactivity of BVOC (conjugated dienes mainly) with NO2, is found to be slow process, hence, representing only a minor sink for these compounds in the atmosphere. However, the identification of HONO as a reaction product may indicate that this process could be of importance as OH radical source in the atmosphere under certain conditions. The results obtained allowed to discuss the impact of the degradation of these BVOC in the atmosphere.

Les turbines à gaz modernes deviennent de plus en plus compactes, ce qui augmente les interactions entre leurs différents composants. Les interactions chambre de combustion-turbine sont particulièrement critiques car elles peuvent changer le champ aérothermique dans la turbine et réduire la durée de vie du moteur. Aujourd’hui, ces deux composants sont traités de façon indépendante, ce qui ne permet pas de prendre en compte leurs interactions. Cette thèse propose une approche couplée, basée sur les Simulations aux Grandes Échelles (SGE), une technique qui permet de prendre en compte toutes les interactions chambre de combustion-turbine. Dans la première partie de cette thèse, une méthode, compatible avec le code SGE AVBP, est proposée pour traiter les configurations rotor/stator de manière rigoureuse. Une série de cas test académiques vient prouver que l’interface respecte les propriétés des schémas numériques du code. Cette étude est suivie par une validation de l’approche dans le cas d'une turbine haute-pression mono-étage. Les résultats sont comparés avec des mesures expérimentales et l’influence des différents paramètres et modèles est établi. La deuxième partie de cette travail est dédiée à la prédiction des interactions chambre de combustion-turbine en utilisant les méthodes précédemment décrites et validées. Le premier type d’interaction étudié est la génération du bruit de combustion indirect dans une turbine haute pression. Ce bruit est créé lorsque des hétérogénéités de température, générées dans la chambre de combustion, sont accélérées dans la turbine. Pour simplifier les calculs, les hétérogénéités sont modélisées par des fluctuations de température sinusoïdales, injectées dans la turbine par les conditions limites. Les mécanismes de génération de bruit sont mis en évidence et le bruit de combustion indirect est mesuré et comparé avec une théorie analytique et des prédictions 2D. La deuxième application est un calcul couplé chambre de combustion-turbine qui analyse les interactions entre ces deux composants d’un point de vue aérothermique. Les caractéristiques instationnaires de l’écoulement à l’entrée de la turbine et la migration des hétérogénéités de température dans la turbine sont étudiées. Un calcul de la turbine seule est aussi effectué pour comparaison avec le calcul couplé. / Modern gas turbines are characterized by compact designs that enhance the interactions between its different components. Combustion chamber-turbine interactions, in particular, are critical as they may alter the aerothermal flow field of the turbine which can drastically impact the engine life duration. Current state-of-the-art treats these two components in a decoupled way and does not take into account their interactions. This dissertation proposes a coupled approach based on the high-fidelity Large Eddy Simulation (LES) formalism that can take into account all the potential paths of interactions between components. In the first part of this work, an overset grid method is proposed to treat rotor/stator configurations in a rigorous fashion that is compatible with the LES solver AVBP. This interface treatment is shown not to impact the characteristics of the numerical schemes on a series of academic test cases of varying complexity. The approach is then validated on a realistic high-pressure turbine stage. The results are compared against experimental measurements and the influence of different modeling and simulation parameters is evaluated. The second part of this work is dedicated to the prediction of combustion chamber-turbine interactions using the developed methodologies. The first type of interactions evaluated is the indirect combustion noise generation across a high-pressure turbine stage. This noise arises when combustor-generated temperature heterogeneities are accelerated in the turbine. To simplify the simulations the heterogeneities are modeled by sinusoidal temperature fluctuations injected in the turbine through the boundary conditions. The noise generation mechanisms are revealed by such LES and the indirect combustion noise is measured and compared to an analytical theory and 2D predictions. The second application is a fully-coupled combustor-turbine simulation that investigates the interactions between the two components from an aerothermal point of view. The rich flow characteristics at the turbine inlet, issued by the unsteady combustion in the chamber, are analyzed along with the migration of the temperature heterogeneities. A standalone turbine simulation serves as a benchmark to compare the impact of the fully coupled approach.

Les instabilités thermo-acoustiques présentes dans les chambres de combustion sont générées par des interactions entre une flamme et l’acoustique du foyer. Ces oscillations auto-entretenues peuvent être observées dans de nombreux systèmes industriels tels que des chaudières domestiques, des fours industriels, des turbines à gaz ou des moteurs fusée. Bien que ce phénomène ait fait l’objet de nombreux travaux, il n’existe toujours pas de cadre d’étude assez général et robuste pour prédire le déclenchement de ces oscillations auto-entretenues et pour déterminer l’évolution des variables de l’écoulement à l’intérieur de la chambre de combustion. Ce travail s’appuie à la fois sur des modèles et des expériences. L’objectif est d’améliorer la description de la réponse de flammes coniques laminaires prémélangées à des perturbations de l’écoulement et les prédictions d’instabilités thermo-acoustiques dans des foyers alimentés par des flammes coniques. Dans la première partie du manuscrit, une revue des modèles décrivant la dynamique de flammes coniques est entreprise et un cadre général d’étude pour la modélisation de la Fonction de Transfert de Flamme (FTF) est présenté. Le dispositif expérimental ainsi que les diagnostics utilisés sont ensuite décrits. Ces systèmes sont utilisés pour mesurer la FTF de flammes coniques laminaires prémélangées soumises à des perturbations harmoniques de l’écoulement. Une nouvelle technique expérimentale est proposée pour contrôler les perturbations de l’écoulement à la sortie du brûleur. Elle est utilisée pour moduler l’écoulement avec un bruit blanc aléatoire et déterminer la FTF avec une résolution fréquentielle bien meilleure. Pour de faibles niveaux d’excitation, les résultats obtenus avec cette technique sont en accord avec ceux obtenus par la méthode classique utilisant des perturbations harmoniques. Les limites de cette technique sont décrites lorsque le niveau de perturbation augmente. Plusieurs expressions analytiques de la FTF de flammes coniques sont établies dans la seconde partie de cette thèse en introduisant progressivement plus de phénomènes physiques dans le modèle. Les modèles basés sur des perturbations convectées par l’écoulement sont étendus en tenant compte de la nature incompressible du champ de perturbation de vitesse. La prévision de la phase de la FTF de flamme conique est améliorée et présente un bon accord avec les mesures. Ensuite, une étude détaillée des interactions de la base de la flamme avec le bord du brûleur est conduite en tenant compte des pertes thermiques instationnaires de la flamme vers le brûleur. Ce mécanisme contrôle le mouvement de la base de la flamme et la dynamique de flamme à haute fréquence. Cette contribution à la FTF détermine le comportement haute fréquence de la FTF ainsi que l’évolution non-linéaire de la FTF lorsque le niveau de perturbation augmente. Enfin, une analyse de la dynamique des flammes coniques est entreprise pour des flammes placées dans des tubes de différents diamètres. Il est montré que les effets de confinement doivent être pris en compte lorsque les gaz brûlés ne peuvent se dilater complètement. Des différences importantes sont observées entre des FTF mesurées pour des tubes de confinement de diamètres différents. Un nouveau nombre sans dimension est établi pour prendre en compte ces effets. Ces différents modèles sont ensuite utilisés pour modéliser la réponse d’une collection de petites flammes coniques stabilisées sur une plaque perforée. Il est montré qu’une combinaison de ces modèles permet de capturer le comportement de ces flammes ainsi que l’évolution de la phase de la FTF couvrant le spectre fréquentiel pertinent pour la prédiction d’instabilités thermo-acoustiques. / Thermo-acoustic instabilities in combustion chambers are generated by the interactions between a flame and the combustor acoustics, leading to a resonant coupling. These self-sustained oscillations may be observed in many practical systems such as domestic boilers, industrial furnaces, gas turbines or rocket engines. Although this phenomenon has already been the topic of many investigations, there is yet no generalized robust framework to predict the onset of these self-sustained oscillations and to determine the evolution of the flow variables within the combustor during unstable operation. This work builds on previous models and experiments to improve the description of the response of laminar conical flames to flow perturbations and the prediction of thermoacoustic instability in burners operating with conical flames. In the first part of the manuscript, an extensive review of conical flame dynamics modeling is undertaken and a general framework for the modeling of their Flame Transfer Function (FTF) is presented. The experimental setup and the diagnostics used to characterize their response to flow disturbances are then described. They are used to measure the FTF when the flames are submitted to harmonic flow perturbations. A novel experimental technique is also proposed to control the flow perturbation level at the burner outlet. It enables to modulate the flow with random white noise perturbations and to measure the FTF with a better frequency resolution. Results with this alternative technique compare well with results from the classical method using harmonic signals for small disturbances. Limits of this technique are also highlighted when the perturbation level increases. Different analytical expressions for the FTF of conical flames are derived in the second part of the thesis by progressively introducing more physics into the models. Models based on convected flow disturbances are extended by taking into account the incompressible nature of the perturbed velocity field. It is shown that the prediction of the FTF phase lag of a conical flame is greatly improved and collapses well with measurements. Then, a thorough investigation of the flame base dynamics interacting with the anchoring device is conducted by considering unsteady heat loss from the flame to the burner. This mechanism is shown to drive the motion of the flame base and the flame dynamics at high frequencies. It is also shown that this contribution to the FTF rules the high frequency behavior of the FTF as well as the nonlinear evolution of the FTF when the perturbation level increases. Finally, an analysis is conducted on the dynamics of a single conical flame placed into cylindrical flame tubes featuring different diameters. It is shown that confinement effects need to be taken into account when the burnt gases cannot fully expand. Large differences are observed between FTF measured for different confinement tube diameters. A new dimensionless number is derived to take these effects into account and make all the FTF collapse on a single curve. These different models are then used to model the response of a collection of small conical flames stabilized on a perforated plate. It is shown that by sorting out the different contributing mechanisms to the FTF, the expressions proposed in this work may be combined to capture the main behavior and correct phase lag evolution of these flames in the frequency range of interest for thermo-acoustic instability prediction.

Devant les processus de décomposition, les sociétés humaines réagissent en pratiquant interventions culturelles de 'thanato-métamorphose' sur les cadavres, comme la momification. En Sicile nous trouvons une pratique de momification toute originelle (XVIe ÷ XIXe siècles), pratiquée par les moines des congrégations religieuses, qui se développe selon une série de variations locales. Elle est le fruit d’une longue et non définitive expérimentation, consistant dans une méthode empirique de dessiccation des dépouilles mortelles. Le procédé de conservation se déroulait dans les chambres souterraines annexées aux églises, pourvues des égouttoirs.  La momification reflétait des fonctions et idéologies précises, vivement lié aux possibilités économiques des individus, nécessaires pour maintenir le status économique et social d’appartenance. La lente disparition de la pratique de momification des corps remonte au l’édit de Saint-Cloud du 1804, qui marque l’interdiction législative d’inhumation des cadavres dans les églises et l’apparition des premiers cimetières extra moenia. Cependant, beaucoup d'éléments de la séculaire pratique de la momification survécurent. Les données recueillies nous poussent à penser que la momification fût une pratique bien enracinée dans le monde sicilien, et qu’après et malgré les décrets législatifs du 1804, elle ait 'survécu', en influençant l'enterrement et la relation avec la Mort jusqu'à nos jours. / Having to do with the processes of decomposition, the human societies react by practicing cultural interventions of 'thanato-metamorphosis' on bodies, as the mummification. In Sicily we find a practice of mummification really original (XVI th ÷ XIX th centuries), practiced by the monks of the religious congregations, which develops according to a series of local variations. This practice is the fruit of long and not definitive experimentation, consisting in an empirical method of dehydration of human remains. The process of conservation of bodies took place in the subterranean rooms annexed to churches, provided with colanders. The mummification reflected particulars functions and ideologies, deeply tied to the economic possibilities of the individuals, necessaries to maintain the economic and social status of belonging. The slow disappearance of the mummification’s practice goes up to the edict of Saint-Cloud of the 1804, which marks the legislative interdiction of burial’s bodies in churches and the appearance of first cemeteries extra moenia. However, many elements of secular practice of mummification have survived. By the informations gathered on mummification’s practice we think that the practice was well rooted in the sicilian world, after the legislative decree of the 1804, and that it has survived, by influencing to bury and the relation with the Death until our days.

La maîtrise effectuée au laboratoire de Combustion de l'Université Laval s'est inscrite dans un projet de conception d'un nouveau système de combustion pour de petites turbines à gaz, intégrant un atomiseur rotatif dénommé atomiseur fronde ou plus communément slinger. Ce projet est proposé et en partie financé par Pratt & Whitney Canada (P&WC). L'objectif final est de fournir un système d'injection de carburant simple, peu coûteux, léger et efficace, grâce à la suppression - permise par l'atomiseur rotatif centrifuge - de la pompe à carburant à haute pression. La maîtrise se situant dans la première phase du projet, les travaux réalisés se sont donc concentrés au niveau de la section interne de l'atomiseur où le carburant est encore sous forme de jet puis de film liquide, c'est-à-dire avant sa désintégration dans la zone primaire de la chambre de combustion. Les objectifs propres à cette maîtrise comprenaient : (1) la modélisation analytique du système d'alimentation du carburant dans la cavité au regard des phénomènes physiques s'y déroulant (chute de pression, écoulement transversal), (2) la modélisation par Mécanique des Fluides Numérique (MFN) du film liquide sur la paroi de l'atomiseur en rotation dans le but d'évaluer l'épaisseur de film (paramètre influençant directement la qualité de Tatomisation et dès lors la future combustion) avant Tatomisation. Concernant le système d'alimentation en carburant, une configuration optimale en termes de nombre, de diamètre et de forme de trous a été déterminée en garantissant théoriquement un jet jusqu'à impact sur l'atomiseur. Quant aux simulations numériques exécutées avec le code de calcul FLUENTMD, elles ont abouti à la validation du code vis-à-vis de la prédiction de l'épaisseur de film liquide se développant sur un disque plat rotatif. Une légère sous-estimation systématique a été observée due à la non prise en compte de l'effet de glissement dans le code. Enfin, diverses simulations sur la géométrie réelle simplifiée proposée par P&WC ont servi à déceler certaines limitations du code, reliées à l'effort numérique conséquent imposé par le modèle multiphase Volume de Fluide (VOF ou Volume of Fluid). Le présent mémoire se termine sur une série de recommandations pour les futures recherches, dans l'optique d'obtenir à terme un outil numérique fiable à l'égard de la prédiction de l'épaisseur de film liquide sur la surface rotative de l'atomiseur fronde.

Les chambres de réverbération, originellement conçues pour la compatibilité électromagnétique, connaissent un nouvel essor depuis quelques années. Elles sont de plus en plus utilisées pour simuler des canaux de communication. L'objectif fondamental de ce travail de recherche est la conception et la fabrication d 'une chambre de réverbération de faible encombrement pour récréer de manière physique des canaux de communi~ation à partir de 800 MHz. Un tel dispositif est un atout précieux pour l'étude et le développement de systèmes de communication mobiles, car il permet dans un laboratoire de confronter le système de communication à des conditions comparables aux conditions réelles et facilement reproductibles. L'utilisation d 'une chambre de réverbération permet de s'affranchir des défauts des générateurs de canaux électroniques dont le débit est souvent limité et dont le caractère aléatoire est souvent très discutable. La chambre de réverbération devient donc un outil de choix pour le développement de systèmes mobiles à haut débit. Ce mémoire présente succinctement les canaux de communications multitrajets et les chambres de réverbération et aborde la conception de notre chambre de réverbération à travers des considérations théoriques et des simulations numériques. Finalement les performances de notre chambre de réverbération sont présentées et analysées.