La stratégie de combustion par auto-inflammation d'une charge homogène en composition s'intègre dans une démarche deréduction des émissions de particules et de NOx, tout en conservant les rendements thermiques élevés des moteurs Diesel classiques. Pour contrôler ce nouveau mode de combustion, une compréhension fine des mécanismes de couplage entre l'aérodynamique et la thermochimie est nécessaire.Des simulations numériques directes d'un écoulement homogène, turbulent, réactif et subissant une compression, ont été effectués. Duex régimes d'auto-inflammation ont ainsi pu être définis. Le premier, dit quasi-homogène, est caractérisé par une auto-inflammation en masse d'un volume important du mélange réactif et s'accompagne de fortes ondes de pression. Dans le second régime, dit localisé, les noyaux s'initient de manière plus sporadique dans l'espace et dans le temps et aucune onde de pression significative n'est générée lors de l'auto-allumage.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration des capacités de prédiction des émissions d'oxydes d'azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d'abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l'écriture d'un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l'approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l'avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l'équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d'azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d'un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d'une chambre de combustion aéronautique.

La conception des chambres de combustion industrielles (chambres de combustion aéronautiques, fours industriels, etc.) requiert une prédiction fine des phénomènes physiques dominants. En particulier, l’interaction flamme turbulence aux échelles résolues et non-résolues, l’impact de la composition et du mélange des réactifs, l’impact des pertes thermiques et de la diffusion différentielle doivent être capturés fidèlement. C’est dans ce contexte que le modèle de combustion turbulente F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistryfor Large Eddy Simulation) a été développé afin de coupler une méthode de chimie tabulée (FPI) avec le formalisme de la simulation aux grandes échelles(LES).Dans cette thèse, le modèle F-TACLES, initialement développé pour des écoulements adiabatiques, est étendu à la prise en compte des pertes thermiques. Un formalisme adapté à l’utilisation de bases de chimie tabulée calculées avec la diffusion différentielle est aussi proposé. Ces développements sont validés sur deux configurations : le brûleur TSF et le brûleur SWB.La modélisation de l’interaction flamme-turbulence est ensuite étudiée. Une étude de sensibilité du modèle de plissement de sous-maille de Charlette et al. (2002) à ses paramètres et sous-modèles est réalisée sur le brûleur SWB.En particulier, une méthode d’estimation dynamique des paramètres est aussi évaluée et montre d’excellents résultats. Une généralisation du formalisme de la LES pour les écoulements réactifs est ensuite proposée afin de prendre en compte explicitement les deux filtres mis en jeu dans les simulations : le filtre associé à l’écoulement et le filtre associé à la flamme. Deux stratégies de fermetures sont proposées en se basant sur des modèles existants (F-TACLES et TFLES). Le modèle obtenu, appelé modèle F2-TACLES, est ensuite validé et comparé avec F-TACLES sur la configuration semi-industrielle PRECCINSTA.Pour terminer, la capacité du modèle F-TACLES à capturer l’impact des pertes thermiques et de la composition des gaz frais sur la topologie de flammes est évaluée. Cette étude est réalisée sur une série de flammes CH4-H2-Air turbulentes en giration et prenant des formes différentes en fonction du niveau de pertes thermiques et de la composition des réactifs. / The design of industrial combustion chambers (aeronautical engines, industrial furnaces, etc.) require a fine prediction of the different governing phenomena. Flame-turbulence interaction at resolved and unresolved scales, impact of reactants composition and mixing process, impact of heat losses and differential diffusion have to be correctly captured in such configurations. For that purpose,the turbulent combustion model F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry forLarge Eddy Simulation) has been developed to couple tabulated chemistry with large eddy simulation (LES) formalism.In this thesis, the F-TACLES model, initially developed for unity Lewis number and adiabatic flows, is extended to account for heat losses. A formalism allowing the use of chemical databases (1-D premixed flames) computed with differential diffusion is also proposed. The extended model is validated on two different configurations: the TSF burner and the SWB burner. Modeling of flame-turbulence interaction is then studied. For unresolved flame turbulence interactions, a sensitivity analysis of the Charlette et al. (2002) sub-grid scale wrinkling model to its own parameters and sub-models is performed on the SWB burner. A dynamic estimation of the model parameter is also assessed and showed very promising results. For resolved flame-turbulence interactions, a generalized formalism of the LES of reactive flows is proposed in order to account explicitly for both flame and flow filters. Two closure strategies are proposed based on the F-TACLES and TFLES models. The F2-TACLESmodel is then validated and compared to the original formulation of the FTACLES model. This study is performed on the lean premixed semi-industrial PRECCINSTA burner.The ability of the extended F-TACLES model to capture the impact of both heat losses and fresh gas composition on the flame topology is assessed. This study is conducted on a CH4-H2-Air turbulent and swirling flame series. These flames exhibit very different shapes depending on the level of heat losses and fuel composition.

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.

La stratégie de combustion par auto-inflammation d’une charge homogène en composition s’intègre dans une démarche de réduction des émissions de particules et de NOx, tout en conservant les rendements thermiques élevés des moteurs Diesel classiques. Pour contrôler ce nouveau mode de combustion, une compréhension fine des mécanismes de couplage entre l'aérodynamique et la thermochimie est nécessaire. Des simulations numériques directes d'un écoulement homogène, turbulent, réactif et subissant une compression, ont été effectués. Deux régimes d'auto-inflammation ont ainsi pu être définis. Le premier, dit quasi-homogène, est caractérisé par une auto-inflammation en masse d'un volume important du mélange réactif et s'accompagne de fortes ondes de pression. Dans le second régime, dit localisé, les noyaux s'initient de manière plus sporadique dans l'espace et dans le temps et aucune onde de pression significative n'est générée lors de l'auto-allumage. / Combustion by autoignition of a homogeneous charge aims at reducing particulate matter as well as NOx emissions, while maintaining higher thermal efficiency of conventional diesel engines. To control this new mode of combustion, a fine understanding of the mechanisms of coupling between aerodynamics and thermochemistry is required. Direct Numerical Simulations of a turbulent reactive flow, undergoing a compression, have been performed. This study led to identification of two regimes. The first, known as quasi-homogeneous, is characterized by volumetric autoignition of large zones of the reactive mixture and results in the generation of strong pressure waves, which are potentially dangerous for the structure of engines. In the second regime, called localized, hot spots are initiated more sporadically in space and time, and their topology is such that no significant pressure wave is generated.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

Malgré l'augmentation constante des ressources informatiques dédiées au calcul scientifique, simuler des écoulements réactifs mettant en jeu une chimie complexe reste aujourd'hui encore un véritable challenge. L'objectif de cette thèse est le développement de la méthode Hybrid Transported-Tabulated Chemistry (HTTC), destinée aux simulations DNS/LES de flammes avec des mécanismes cinétiques détaillés, en offrant un temps de calcul acceptable. Cette nouvelle approche consiste à transporter les espèces majoritaires de l'écoulement, tandis que les espèces minoritaires sont extraites d'une table chimique. La méthode HTTC a été implémentée dans un code DNS/LES et validée sur des flammes 1D de méthane et de kérosène, mettant en évidence une réduction extrêmement importante du temps de calcul, comparé aux solveurs classiques de chimie détaillée. HTTC a ensuite été mis en œuvre avec succès sur des flammes triples de méthane en présence de forts gradients de fraction de mélange. L'impact des méthodes choisies pour prolonger la table chimique et pour calculer les variables de contrôle, utilisées pour paramétrer la table, a été étudiée avec une attention particulière. Un très bon accord a été trouvé avec les résultats de référence, obtenus avec un solveur de chimie détaillée. / Even if significant progress is being made to improve the power of high-performance computers, the numerical simulation of reactive flows involving complex chemistry is still a challenging task. The objective of this work is the development of the Hybrid Transported-Tabulated Chemistry method (HTTC), designed for the DNS/LES simulations of flames with detailed kinetic mechanisms, with an acceptable cost. This novel approach combines the transport of the main species in the flow with the tabulation of the radical species. It has been implemented in a DNS/LES code and validated on 1D methane and kerosene flames. The cost of the simulations has been considerably decreased, compared to classic detailed chemistry solvers. Then, simulations of methane edge flames, featuring large gradients of mixture fraction, have been performed with HTTC. In particular, the impact of the methods used to extend the chemical tables and to compute the control variables have been analyzed in details. A very good agreement has been found by comparison with detailed chemistry.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx . . . ) des foyers de combustion de turboréacteurs. L’étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d’azote via la modification de la variable d’avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d’espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l’aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l’implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d’interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés. / This thesis is focused on the prediction capabilities of pollution (CO, NOx especially) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on Large-Eddy Simulation methods coupled with a tabulated detailed chemistry approach. The PCM-FPI model, which stands for Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM, has been revised to take into account nitrogen chemistry through a modification of the progress variable. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Cabra and Sandia flames have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The role of CH2O as a marker of heat release is investigated, first in the frame of laminar premixed flames and then validated through LES runs. The challenges of the implementation of tabulated chemistry methods on massively parallel machines are discussed. Modifications are proposed regarding both the table structure and the interpolation methods leading to a mesh sensitivity review applied to the Sandia D flame. Difficulties arising when dealing with NOx chemistry in turbulent flows are presented : new Sub-Grid Scale models are introduced and investigated.

La conception de chambres de combustion aéronautiques requiert un compromis entre les différents phénomènes physiques présents, comme les interactions entre la flamme et la turbulence, les pertes thermiques, la dynamique de flamme ou l'évaporation du carburant et son mélange. De nombreux outils numériques existent dans la littérature pour prédire ce genre d'écoulements réactifs turbulents. Les modèles de turbulence instationnaires, par exemple LES (Large Eddy Simulation), sont un excellent compromis pour la prédiction du mélange dans des configurations réalistes. L'approche de chimie tabulée représente un équilibre attrayant entre coût de calcul et précision pour la prédiction de structure de flamme. Dans cette thèse, des modèles de turbulence avancés et de chimie tabulée sont appliqués à des configurations complexes afin d'évaluer leur capacité à prédire la structure de flammes turbulentes. La prédiction de la FDF (Flame Describing Function) par le modèle F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) est comparé à des données expérimentales pour une flamme swirlée, prémélangée et non-adiabatique. La FDF est bien prédite pour une large plage de fréquences et deux niveaux de fluctuations de vitesse. L'origine des différences est analysée. La première application du modèle F-TACLES à un brûleur diphasique est proposée. Le brûleur choisi est la flamme jet diphasique KIAI, récemment étudié au CORIA. Une comparaison détaillée avec l'expérience est faite et montre que F-TACLES est capable de prédire la bonne forme de flamme. Le modèle ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) est étudié dans la configuration TLC, un injecteur aéronautique réaliste. En non-réactif, la ZDES est validée par rapport aux mesures de vitesse expérimentales et comparée à des résultats de LES. En conditions réactives, la prédiction des profils de température dans la chambre de combustion est grandement améliorée en ZDES. / The design of aeronautical combustion chambers requires a precise balance between the different physical phenomena involved, such as flame-turbulence interaction, heat losses, flame dynamics or fuel evaporation and mixing. Numerous numerical tools exist in the literature to predict these kinds of turbulent reacting flows. The unsteady turbulence models, for example LES (Large Eddy Simulation), represent an excellent compromise for the prediction of the mixing in realistic configurations. The tabulated chemistry approach is an attractive trade-off between computation cost and accuracy for predicting the structure of flames. In this thesis, advanced turbulence and tabulated chemistry models are applied to complex configurations in order to assess their ability to predict the structure of turbulent flames. The prediction of the FDF (Flame Describing Function) by the F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) model is compared to experimental data for a non-adiabatic premixed swirled flame. The FDF is well predicted for a wide range of frequencies and two velocity fluctuation levels. The origin of the discrepancies is analyzed. The first application of the F-TACLES model in a two-phase burner is proposed. The chosen burner is the KIAI spray jet flame, recently studied at CORIA. A detailed comparison with the experiments is performed and shows that F-TACLES is able to predict the correct flame shape. The ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) model is studied in a realistic aeronautical injector, the TLC configuration. In cold conditions, the ZDES is validated against velocity measurements and compared to LES results. In reacting conditions, the prediction of temperature profiles in the combustion chamber is greatly improved in the ZDES.