La réduction des émissions de polluants et l’augmentation du rendement des moteurs ont conduit à une large utilisation de régimes de combustion pauvres en carburant dans les foyers de type moteurs aéronautiques et turbines à gaz. Des phénomènes de bruit et d’instabilités de combustion peuvent alors apparaître. Des fluctuations cycliques auto-entretenues de la pression au sein d’un foyer peuvent conduire à une limitation des régimes de fonctionnement ou une usure rapide et indésirable des installations et dans certains cas une destruction du système. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier les mécanismes responsables du bruit de combustion et des instabilités dans un foyer turbulent prémélangé swirlé. L’étude repose sur une analyse du champ de pression au sein du foyer, de la dynamique de la combustion et une caractérisation détaillée des conditions limites en amont, aval et dans les lignes d’alimentation en combustible et en comburant. Le banc expérimental CESAM ("Combustion Étagée Swirlée Acoustiquement Maîtrisée") est utilisé au cours de ce travail. Basée sur des observations expérimentales, une étude théorique de l’acoustique du foyer est tout d’abord réalisée grâce à un modèle à deux cavités couplées qui modélisent le tube de prémélange et la chambre de combustion de ce banc. Les fréquences et les structures spatiales des modes propres du foyer sont examinées, et des comparaisons sont menées avec les résultats expérimentaux. La condition limite au fond du tube de prémélange est mesurée, et utilisée comme entrée dans le modèle. L’effet de cette condition sur la prévision des fréquences des modes propres est examiné. Par la suite, le code de calcul AVSP est utilisé pour valider les résultats obtenus avec le modèle couplé. L’interaction entre ces modes acoustiques et la flamme est mise en évidence en caractérisant la dynamique de l’écoulement réactif. La vélocimétrie par images de particules (PIV) à haute cadence est utilisée. Une première étude est menée sur les champs de vitesse moyens et fluctuants puis on s’intéresse à l’analyse spectrale des champs de vitesse instantanés, rendue possible par la haute cadence du diagnostic. Un post-traitement faisant intervenir une méthode de détection des tourbillons est ensuite mis en oeuvre en utilisant le critère _2. Des structures cohérentes sont convectées le long du front de flamme à la fréquence du second mode instable du foyer. Le chapitre précédent ayant permis de montrer que ce mode acoustique était essentiellement associé au tube de prémélange, le mécanisme de couplage est clairement identifié. Par la suite, un traitement en moyenne de phase est appliqué aux champs de vitesse axiale. Des mouvements de battements des bras de la flamme dans les directions longitudinale et transverse sont mis en évidence aux fréquences des modes instables. L’émission naturelle de la flamme est également mesurée avec une caméra rapide. Une analyse spectrale et un traitement en moyenne phase avec transformée d’Abel sont appliqués aux images pour caractériser les régions de la flamme présentant une forte réponse aux fréquences des modes acoustiques du foyer. Les mécanismes à l’origine du bruit sont analysés en corrélant les mesures optiques et acoustiques. Au cours de cette étude, des fonctions de transfert de flamme FTF sont également caractérisées aux fréquences des modes propres du foyer, liant perturbations amont et réponse de flamme. La vitesse acoustique est reconstruite dans le tube de prémélange à partir des mesures des microphones. La FTF est calculée grâce aux mesures de vitesse par PIV, à l’émission des radicaux OH* et CH* et à l’émission naturelle de la flamme obtenue par caméra rapide. La caractérisation et la modélisation du système composé du tube de prémélange et de la chambre de combustion montrent qu’il est nécessaire de s’intéresser à l’influence des conditions aux limites sur les propriétés de la flamme et la stabilité du brûleur. / Lean premixed combustion is widely used to limit pollutant emissions and improve efficiency. However in this situation combustion instabilities and associated noise may occur. The growth of self-sustained pressure fluctuations within the combustor may limit the operating conditions and eventually damage the installation. The objective of this work is to study the mechanisms induced in combustion noise and instabilities in a turbulent premixed swirled burner. The study is based on a detailed analysis of the pressure field of the combustor, the flame dynamics and a characterization of the upstream and downstream acoustic boundary conditions and in the air and fuel feeding lines. Based upon experimental investigations, a theoretical study of the burner acoustics is carried out using a low-order model with two coupled cavities. The eigenfrequencies and spatial distribution of the pressure field are obtained, allowing comparisons with experimental results. The impact of the inlet acoustic impedance on the prediction of the eigenmodes is examined through the use of the measured impedance in the model. Thereafter calculations with the AVSP Helmholtz code are carried out to confirm the results obtained with the loworder model. The interactions between the burner acoustic modes and the flame are investigated and the reacting flow dynamics is characterized, using High Speed Particle Image Velocimetry HSPIV at 15 kHz. A first analysis concerns the mean and fluctuating velocity fields and a spectral analysis of the collection of instantaneous velocity fields is carried out. Then a method based on the _2 criterion is used to detect vortices, showing that coherent structures are convected through the flame front at the frequency of the second unstable combustor mode. It is shown in the previous chapter that this mode is essentially associated with the premixer acoustics, allowing a clear coupling scenario between the acoustics and the flame. A phase locked averaging method is applied to the axial velocity fields. Flapping motions of the flame branches are highlighted in longitudinal and transverse directions at the unstable modes frequencies. The natural light emission from the flame is also measured using a fast camera. Spectral analysis and phase locked averaging with Abel transform are applied to images in order to determine the flame regions where a strong response is visible at the acoustic modes. Mechanisms underlying combustion noise are analyzed by correlating the optical and acoustic measurements. Flame transfer functions FTF are also characterized between upstream disturbances and the flame response at the combustor eigenfrequencies. Acoustic velocity is reconstructed in the premixer using microphones measurements. The FTF is calculated using PIV velocity fields, OH* or CH* intensities and flame natural light emissions measurements. Measurements and modeling show that boundary conditions play a crucial role in the burner stability. The acoustic impedance at the premixer inlet can be modified using an impedance control system (ICS). Thus, the pressure field and flame dynamics are characterized for different boundary conditions imposed by the ICS. The acoustic boundary conditions in the feeding lines are characterized using an Impedance Measurement Device (IMD) equipped with microphones and mounted within the supplies.

Cette thèse se concentre sur l’étude des instabilités de combustion dans un brûleur prémélangé. Les instabilités sont généralement issues d’un couplage entre la combustion et les modes propres du système. La mise en résonance qui en résulte peut avoir des conséquences qui sont souvent dommageables, entraînant des vibrations, une fatigue des matériaux soumis à des charges acoustiques élevées et une intensification des flux de chaleur vers les parois de la chambre. Un premier objectif de cette thèse est de poursuivre le développement de méthodes de prévision des instabilités et des phénomènes non-linéaires qui en résultent comme par exemple le développement de cycles limites, les processus de déclenchement (“triggering”), la commutation de modes. Le cadre général adopté est celui de «°l’équivalent harmonique » bien connu dans le domaine du contrôle et qui a été exploré dans le domaine des instabilités de combustion dans des travaux récents du laboratoire EM2C, CNRS. Par le biais de ce concept il est possible de tenir compte de l’´evolution de la réponse de la flamme suivant l’amplitude à laquelle elle est soumise. Cette réponse de flamme en fréquence et amplitude généralise la notion de fonction de transfert et elle est désignée sous le nom de “Flame Describing Function” (FDF). Le système est ouvert à son extrémité aval. Cette géométrie permet de simplifier l’analyse et d’obtenir une large gamme de configurations au moyen d’une variation continue de la longueur du conduit d’alimentation qui est limité en amont par un piston. On peut aussi échanger le tube à flamme et utiliser des longueurs différentes de cet élément. Une étude exhaustive est réalisée pour répertorier les oscillations observées et déduire leurs propriétés. On montre que les cycles limites qui possèdent une amplitude constante sont bien décrits par la méthode unifiée fondée sur la FDF. Pour certaines configurations l’expérience fait apparaître des cycles limites dont l’amplitude et la fréquence ne se stabilisent pas au cours du temps. On observe notamment des oscillations plus complexes couplées par plusieurs modes pouvant soit donner lieu à des variations régulières ou à des fluctuations plus irrégulières avec un caractère “galopant” dans le temps. Pour ces oscillations particulières, la FDF fournit des indications sur les domaines d’apparition mais n’est pas en mesure de décrire complètement ces cycles limites complexes. Il faut dans ce cas recourir à une représentation temporelle qui n’est pas développée dans ce document. La base de données expérimentales pourra être utilisée pour guider ultérieurement ce type d’analyse. Le deuxième grand objectif de cette thèse est de rechercher des méthodes de contrôle des instabilités. On considère plus particulièrement des systèmes dynamiques utilisant des plaques perforées polarisées par un écoulement (BFP : “bias flow perforate”). Ces systèmes sont particulièrement intéressants pour atténuer les oscillations basse fréquence qui sont difficiles à réduire par des systèmes passifs. La conception de ces BFPs est fondée sur des travaux récents menés au laboratoire EM2C, CNRS avec notamment l’objectif de robustesse, c’est-à-dire la possibilité de couvrir une large bande de fréquences. L’´etude expérimentale et les calculs fondés sur la FDF menés en parallèle permettent de voir les possibilités de tels systèmes et de comprendre les conditions nécessaires à leur efficacité. Cette étude peut permettre de guider les applications qui pourraient être envisagées en pratique. / This thesis is concerned with an investigation of combustion instabilities in premixed combustors. This problem has been the subject of a continuous effort in relation with the many issues encountered in practical systems like those used in propulsion and energy production. Combustion instabilities usually arise from the coupling between combustion and acoustic eigenmodes of the system. In most cases such resonances lead to vibrations, structural fatigue and intensified heat fluxes to the chamber walls. The first part of this thesis pursues the development of prediction methods for combustion instabilities and the associated nonlinear phenomena such as limit cycles establishment, triggering, mode switching and hysteresis. The aim is to delineate physical mechanisms and develop analytical methods dedicated to prediction. The theoretical framework relies on the “harmonic balance” formalism well known in the domain of control and which has been adopted more recently in combustion instability studies carried out at EM2C, CNRS laboratory. Through this concept, it is possible to take into account the evolution of the flame response as a function of amplitude. This flame response, depending on frequency and amplitude, extends the flame transfer function principle and is designated as the “Flame Describing Function” (FDF). The development of the FDF framework is pursued in the present study. The experimental setup which exemplifies combustion instabilities and serves to validate the method has generic features as it comprises in an idealized version, all the parts found in practical systems : a feeding manifold delivering a mixture of methane and air, a multipoint injector made of a perforated plate anchoring a collection of small laminar conical flames and a flame tube made of quartz which confines the combustion zone. The downstream boundary of the system is open. This device allows a simplified analysis and provides a wide variety of configurations through the continuous modification of the feeding manifold length which is bounded by a piston on the upstream and through changes of the flame tube lengths. Systematic comparison between theoretical results and well controlled experiments is undertaken. Depending on the geometry, the setup exhibits a large variety of unstable modes which are classified in terms of their limit cycle behavior using tools from dynamical system theory. It is shown that limit cycles with constant amplitude are well predicted by the unified FDF methodology. For some configurations, the experiment reveals limit cycles characterized by time variable amplitude and frequency. One finds situations where the oscillation is coupled by multiple modes leading either to regular amplitude variations or more irregular evolutions with a “galloping” pattern as a function of time. For this special type of limit cycle, the FDF indicates the range of the onset, but is not able to fully describe these complex limit cycles. These oscillations require a time domain state space analysis which is not addressed in this manuscript. The experimental database may be of value for further work in this direction. The second part of this thesis deals with control methods for instabilities. One specifically considers damping systems relying on perforated plates biased by a flow (BFP : “Bias Flow Perforate”). These systems are particularly interesting because they can be used to cancel low frequency oscillations which are otherwise difficult to reduce through passive control methods. This BFP design relies on recent work carried out at EM2C, CNRS laboratory which extends the frequency range where the system is effective. The experimental study and the associated FDF calculations are used to delineate the possibilities of such systems and uncover conditions required for an effective damping of oscillations. This study provides indications on the practical application of BFPs.

Modern gas turbine designs often include lean premixed combustion for its emissions benefits; however, this type of combustion process is susceptible to self-excited combustion instabilities that can lead to damaging heat loads and system vibrations. This study focuses on identifying a mechanism of combustion instability of a reacting jet in cross flow, a flow feature that is widely used in the design of gas turbine combustion systems. Experimental results from a related study are used to validate and complement three numerical tools that are applied in this study – self-excited Large Eddy Simulations, 3D thermoacoustic modeling, and 1D instability modeling. Based on the experimental and numerical results, a mechanism was identified that included a contribution from the jet in cross flow impedance as well as an overall jet flame time lag. The jet impedance is simply a function of the acoustic properties of the geometry while the flame time lag can be separated into jet velocity, equivalence ratio, and strain fluctuations, depending on the operating conditions and setup. For the specific application investigated in this study, it was found that the jet velocity and equivalence ratio fluctuations are important, however, the effect of the strain fluctuations on the heat release are minimal due to the high operating pressure. A mathematical heat release model was derived based on the proposed mechanism and implemented into a 3D thermoacoustic tool as well as a 1D instability tool. A three-point stability trend observed in the experimental data was correctly captured by the 3D thermoacoustic tool using the derived heat release model. Stability maps were generated with the 1D instability tool to demonstrate regions of stable operation that can be achieved as a function of the proposed mechanism parameters. The relative effect of the reacting jet in cross flow on the two dominant unstable modes was correctly captured in the stability maps. While additional mechanisms for a reacting jet in cross flow are possible at differing flow conditions, the mechanism proposed in this study was shown to correctly replicate the stability trends observed in the experimental tests and provides a fundamental understanding that can be applied for combustion system design.

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La conception d'un statoréacteur bénificie aujourd'hui des progrès divers des outils numériques permettant par la même occasion d'alléger les différentes étapes préliminaires de tests en géométrie réelle nécessaires au développement de telle configuration. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) afin de contribuer à la validation de ce nouvel outil numérique pour la simulation de statoréacteur et ainsi de contribuer à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans ces chambres de combustion. L'outil numérique est tout d'abord adapté pour la simulation des écoulements réactifs fortement turbulents avec un accent mis sur la gestion des chocs avec des schémas centrés et la discrétisation de la convection pour la simulation Eulérienne de la phase dispersée. La configuration cible est le "Statoréacteur de Recherche'' étudié expérimentalement par l'ONERA. Sa simulation est réalisée de manière graduelle. Tout d'abord, il est montré que la simulation de la totalité de la configuration, y compris les diffuseurs d'entrée où se positionne un réseau de choc, est essentielle afin de considérer une géométrie acoustiquement close pour reproduire correctement les modes d'oscillation du statoréacteur. La pertinence du schéma cinétique est aussi étudiée et il est montré l'importance de bien reproduire l'évolution de la vitesse de flamme adiabatique pour une plage de richesse grande, en raison du régime de combustion partiellement prémélangé. Finalement, trois cas à richesse différente sont simulés et un excellent accord est trouvé avec l'expérience. La phénoménologie et les mécanismes pilotant la combustion sont alors étudiés pour ces trois cas. / Design of ramjets benefits today from the progress of numerical tools which relieve the various test stages of real engines that remain necessary for the development of such a kind of configuration. The objective of this dissertation is to develop a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) to contribute to the validation of this new type of advanced numerical tool for the simulation of ramjets and improve the understanding of combustion in these devices. The numerical tool is first adapted for the simulation of highly turbulent reacting flows with emphases on the management of shocks with centered schemes and the discretization of convection for the Eulerian simulation of the dispersed phase. The target configuration is the “Research ramjet” experimentally studied by ONERA. Simulation is carried out gradually. First, it is shown that the simulation of the entire configuration, including diffusers at the inlets where shocks appear is essential to consider an acoustically close geometry to properly reproduce the oscillation modes of combustion. The relevance of the kinetic scheme is also studied. It is shown that reproducing the evolution of the adiabatic flame speed for a wide range of equivalence ratio is critical because of the partially premixed combustion regime involved in this configuration. Finally, three different cases are simulated and excellent agreement is found with experimental data. The phenomenology and the different mechanisms governing combustion are studied for these three cases.

Manufacturers of commercial, power-generating, gas turbine engines continue to develop combustors that produce lower emissions of nitrogen oxides (NOx) in order to meet the environmental standards of governments around the world. Lean, premixed combustion technology is one technique used to reduce NOx emissions in many current power and energy generating systems. However, lean, premixed combustors are susceptible to thermo-acoustic oscillations, which are pressure and heat-release fluctuations that occur because of a coupling between the combustion process and the natural acoustic modes of the system. These pressure oscillations lead to premature failure of system components, resulting in very costly maintenance and downtime. Therefore, a great deal of work has gone into developing methods to prevent or eliminate these combustion instabilities. This dissertation presents the results of a theoretical and experimental investigation of a novel Fuel System Tuner (FST) used to damp detrimental combustion oscillations in a gas turbine combustor by changing the fuel supply system impedance, which controls the amplitude and phase of the fuel flowrate. When the FST is properly tuned, the heat release oscillations resulting from the fuel-air ratio oscillations damp, rather than drive, the combustor acoustic pressure oscillations. A feasibility study was conducted to prove the validity of the basic idea and to develop some basic guidelines for designing the FST. Acoustic models for the subcomponents of the FST were developed, and these models were experimentally verified using a two-microphone impedance tube. Models useful for designing, analyzing, and predicting the performance of the FST were developed and used to demonstrate the effectiveness of the FST. Experimental tests showed that the FST reduced the acoustic pressure amplitude of an unstable, model, gas-turbine combustor over a wide range of operating conditions and combustor configurations. Finally, combustor acoustic pressure amplitude measurements made in using the model combustor were used in conjunction with model predicted fuel system impedances to verify the developed design rules. The FST concept and design methodology presented in this dissertation can be used to design fuel system tuners for new and existing gas turbine combustors to reduce, or eliminate altogether, thermo-acoustic oscillations.

Une large gamme de problèmes physiques, des petites molécules aux étoiles géantes, contiennent des symétries de rotation et sont sujets à des oscillations azimutales ou transverses. Quand cette symétrie est rompue, le système peut devenir instable. Dans cette thèse, les brisures de symétries sont étudiées dans les chambres de combustion annulaires, sujettes à des instabilités thermo-acoustiques azimutales. En premier lieu, deux types de brisures sont obtenus analytiquement : la première en répartissant des bruleurs différents le long de la chambre et la seconde provoquée par le champ moyen lui-même. Ces ruptures de symétries entraînent une séparation des fréquences, fixe la structure du mode et peut déstabiliser le système. De plus, une approche Quantification d’Incertitudes (UQ) permet d’évaluer l’effet de la rupture de symétries provoquée par les incertitudes sur la description ou le comportement des flammes. Pour compléter cette théorie, des Simulations aux Grandes Echelles (SGE) sont réalisées sur un mono-secteur ainsi que sur une configuration complète 360° de l’expérience annulaire de Cambridge. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales et montrent un bon accord. En particulier, un mode instable à 1800 Hz croît dans les deux cas. Cependant, la SGE, limitée par son coût important, ne permet pas l’étude du cycle limite s’établissant après plusieurs centaines de millisecondes. Pour pallier à ce problème, une nouvelle approche, appelée AMT, est développée : les résultats d’une théorie ou d’un solveur acoustique sont injectés dans une simulation SGE. Cette approche permet d’étudier les brisures de symétries, la nature et la dynamique des modes acoustiques, ainsi que d’évaluer l’amortissement dans des configurations réalistes. / A large range of physical problems, from molecules to giant stars, contains rotating symmetry and can exhibit azimuthal waves or vibrations. When this symmetry is broken, the system can become unstable with chaotic behaviors. Symmetry breaking is investigated in annular combustors prone to azimuthal thermo-acoustic instabilities. First, theories reveal that two types of symmetry breaking exist : due to different burner types distributed along the chamber or due to the flow itself . It leads to frequency splitting, fixes the mode structure and can destabilize the configuration. A UQ analysis is also performed to quantify the symmetry breaking effect due to uncertainties of flame descriptions or behaviors. To complete theory, Large Eddy Simulations are performed on a single-sector as well as on a complete 360° configuration of the annular experiment of Cambridge. Numerical results are compared to experimental data showing a good agreement. In particular, an unstable azimuthal mode at 1800 Hz grows in both LES and experiment. However, LES cannot investigate the limit cycle because of its extreme cost. To tackle this problem, a new methodology is developed, called AMT, where theory or Helmholtz solver predictions are injected into LES or DNS. This method allows to study symmetry breaking, mode nature and dynamics as well as evaluating damping in realistic annular configurations.

Les systèmes de combustion sont sujets aux instabilités de combustion (IC). Elles résultent d'un couplage constructif entre le taux de dégagement de chaleur instationnaire et des modes acoustiques du système. Les IC peuvent mettre en danger la performance et l'intégrité des systèmes de combustion. Même si ces phénomènes sont connus depuis plus d'un siècle, éviter quelles aient lieux dans les chambres de combustions industrielles reste difficile. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : (1) étudier la dynamique des modes acoustiques, (2) analyser la réponse de flamme d'un moteur de fusée à propergol liquide H2/O2 (appelé "BKD"), sujet aux IC, à l'aide de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) et (3) dériver, utiliser et étudier des conditions limites permettant d'imposer des impédances acoustiques complexes en SGE. / Combustion devices are prone to combustion instabilities. They arise from a constructive coupling between the unsteady heat release rate of the flame and the resonant acoustic modes of the entire system. The occurence of such instabilities can pose a threat to both performance and integrity of combustion systems. Although these phenomena have been known for more than a century, avoiding their appearance in industrial engines is still challenging. The objective of this thesis is threefold: (1) study the dynamics of the resonant acoustic modes, (2) investigate the flame response of a liquid rocket engine under unstable conditions using Large Eddy Simulation(LES) and (3) derive, use and study Time Domain Impedance Boundary Conditions (TDIBCs), i.e. boundary conditions modeling complex acoustic impedances.

Many industries have entered a new global phase which takes the environment in mind. The gas turbine industry is no exception, where the utilization of green fuels is the future to spare the environment from carbon dioxide and NOx emissions. Hydrogen has been identified as a fuel which can fulfil the global requirements set by governments worldwide. Combustion instabilities are not inevitable during gas turbine operations, especially when using a highly reactive and diffusive fuel as hydrogen. These thermoacoustics instabilities can damage mechanical components and have economic consequences in terms of maintenance and reparation. Understanding these thermoacoustic instabilities in gas turbine burners is of great interest. COMSOL Multiphysics offers a robust acoustic module compared to other available acoustic simulation programs. In this thesis, an Acoustic finite element model was built representing an atmospheric combustion rig (ACR), used to test the burners performance and NOx emissions. Complementary computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed for 100 % hydrogen as fuel by using the Reynolds average Navier-Stokes (RANS) lag EB k - epsilon turbulence model. Necessary data was successfully imported to the Acoustic finite element model. Different techniques of building the mesh were used in COMSOL Multiphysics and NX. Similar results were obtained, proving that both mesh tools work well in acoustic simulations. Two different ways of solving the eigenvalue problem in acoustics were implemented, the classic Helmholtz equation and Linearized Navier-Stokes equations, both in the frequency domain. The Helmholtz equation proved to be efficient and detected multiple modes in the frequency range of interest. Critical modes which lived in the burner and the combustion chamber were identified. Defining a hard and soft wall boundary condition at the inlets and outlet of the atmospheric combustion rig gave similar eigenfrequencies when comparing the two boundary conditions. The soft wall boundary condition was defined with a characteristic impedance, giving a high uncertainty whether the results were trustworthy or not. A boundary condition study revealed that the boundary condition at the outlet was valid for modes living in the burner and combustion chamber. Solving the eigenvalue problem with the Linearized Navier-Stokes equations proved to be computationally demanding compared to the Helmholtz equation. Similar modes shapes were found at higher frequencies, but pressure perturbations were observed in the region where the turbulence was dominant. A prestudy for a stability analysis was established, where the ACR and the flame was represented as a generic model. Implementing a Flame Transfer Function (FTF), more specifically a linear n - tau model, showed that the time delay tau is most sensible for a parametric change and hence needs to be chosen cautiously

Les réglementations toujours plus drastiques sur les émissions de polluants ont conduit au développement de systèmes de combustion opérant en régimes pauvres qui sont malheureusement sujet aux instabilités thermo acoustiques. La capacité de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) à simuler des turbines à gaz industrielles complexes de grande puissance est mise en évidence au cours de ce travail de thèse. Tout d’abord, la SGE est appliquée à un brûleur académique et validée par comparaison à des mesures effectuées à l’Université de Berlin ainsi qu’à des simulations SGE effectuées avec OpenFOAM chez Siemens. Afin de déterminer la stabilité de ce bruleur le couplage entre l’acoustique et la combustion est modélisé par l’approche de type fonction de transfert de flamme (FTF). Suite à ces calcules et l’évaluation de la FTF les fluctuations du nombre de swirl sont identifiées comme un paramètre à même de modifier cette réponse de flamme. Après cette première étape de validation, une turbine à gaz industrielle est simulée en SGE pour deux géométries différentes du brûleur et pour deux points de fonctionnement. La FTF issue de ces calculs est peu influencée par les deux points de fonctionnement. A l’inverse, des légères modifications de la géométrie du swirler modifient les caractéristiques de la FTF montrant que plusieurs mécanismes sont en jeu. Ces mécanismes sont identifiés comme étant la vitesse d’entrée, les fluctuations de swirl et les fluctuations de fraction de mélange. Cette dernière est causée par: 1) la pulsation du débit de carburant injecté et 2) la trajectoire fluctuante des jets de carburant. Bien que le swirler soit conçu pour fournir un mélange le plus homogène possible, d’importantes hétérogénéités de mélange à l’entrée de la chambre de combustion sont présentes. Les perturbations de mélange se combinent avec les fluctuations de vitesse (et donc avec les fluctuations de swirl) aboutissant à des résultats de FTF différents. Un modèle étendu pour la FTF reliant le dégagement de chaleur à la vitesse d’entrée et à la fluctuation de fraction de mélange (modèle MISO) se révèle être une bonne solution pour ces systèmes complexes. Une analyse non linéaire montre en outre que l’amplitude de forçage conduit non seulement à une saturation de la flamme, mais aussi à un changement de la réponse de flamme. La saturation de la flamme n’est vérifiée que pour la FTF globale et le gain augmente localement avec une amplitude croissante. Pour ce système on notera enfin que la flamme linéaire, comme la flamme non linéaire, ne sont pas compactes: certaines zones pourtant situées l’une à coté de l’autre, ont des différences significatives de délai de FTF, montrant que certaines parties de la flamme amortissent l’excitation alors que d’autres l’amplifient. / Modern pollutant regulation have led to a trend towards lean combustion systems which are prone to thermo-acoustic instabilities. The ability of Large Eddy Simulation (LES) to handle complex industrial heavy-duty gas turbines is evidenced during this thesis work. First, LES is applied to an academic single burner in order to validate the modeling against measurements performed at TU Berlin and against OpenFoam LES simulations done at Siemens. The coupling between acoustic and combustion is modeled with the Flame Transfer Function (FTF) approach and swirl number fluctuations are identified changing the FTF amplitude response of the flame. Then, an industrial gas turbine is analyzed for two different burner geometries and operating conditions. The FTF is only slightly influenced for the two operating points but slight modifications of the swirler geometry do modify the characteristics of the FTF showing that a simple model taking only into account the flight time is not appropriate and additional mechanisms are at play. Those mechanisms are identified being the inlet velocity, the swirl and the inlet mixture fraction fluctuations. The latter is caused by two mechanisms: 1) the pulsating injected fuel flow rate and 2) the fluctuating trajectory of the fuel jets. Although the diagonal swirler is designed to provide good mixing, effects of mixing heterogeneities at the combustion chamber inlet occur. Mixture perturbations phase with velocity (and hence with swirl) fluctuations and combine with them to lead to different FTF results. Another FTF approach linking heat release to inlet velocity and mixture fraction fluctuation (MISO model) shows further to be a good solution for complex systems. A nonlinear analysis shows that the forcing amplitude not only leads to a saturation of the flame but also to changes of the delay response. Flame saturation is only true for the global FTF and the gain increases locally with increasing forcing amplitude. Both, the linear and the nonlinear flames, are not compact: flame regions located right next to each other exhibited significant differences in delay meaning that at the same instant certain parts of the flame damp the excitation while others feed it.