Ce travail de recherche est consacré à l'étude des processus d'allumage et de stabilisation des flammes turbulentes en configuration aéronautique. Cette thèse, entièrement expérimentale, se base dans une première partie sur l'étude et la compréhension de l'effet des paramètres locaux (vitesse et concentration en combustible) et de l'historique du noyau de flamme au cours de sa propagation sur les statistiques d'allumage. Pour expliquer ces statistiques, des scénarios sont proposés et validés pour différentes configurations opératoires. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'amélioration de la stabilité des flammes kérosène/air par dopage en hydrogène. Nous avons montré qu'à même structure de flamme, l'amplitude des fluctuations de pression était abaissée par la présence d'hydrogène.

La combustion stratifiée, qui consiste à brûler un mélange carburant/oxydant inhomogène, et la combustion diluée, consistant à ajouter une quantité limitée de gaz brûlés, sont deux technologies utilisées dans les moteurs à piston pour réduire leur consommation. Cette thèse est dédiée à l'étude de l'allumage dans ces deux types de milieux en régimes laminaire et turbulent. Un nouveau schéma cinétique pour la combustion propane/air a été dérivé et combiné à deux approches de modélisation différentes : la chimie complexe et une approche de chimie tabulée de type FPI. Dans le cas laminaire, les deux approches de modélisation donnent des résultats similaires et un modèle simple a mis en évidence l'importance de la dynamique des gaz frais et des gaz brûlés sur le développement du noyau. Dans le cas turbulent, plusieurs techniques d'analyse ont montré la dépendance de la vitesse absolue de la flamme au champ de vitesse moyen et la décorrélation des fluctuations locales de richesse.

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.

Le monoxyde d’azote (NO) est un polluant atmosphérique responsable d’effets nuisibles sur l’environnement et la santé. Afin de mieux contrôler ces émissions, il est indispensable de comprendre et de maîtriser leur formation,en particulier lors de la combustion à haute pression, domaine d’application industrielle (cas des turbines à gaz,des moteurs…). On distingue quatre voies principales de formation de NO : la voie thermique, la voie du NO précoce, la voie NNH et la voie N2O. L’objectif de cette thèse à caractère expérimentale est de compléter la base de données expérimentale déjà existante nécessaire à la compréhension et à l’identification de la contribution de chaque voie à la formation du NO à haute pression.Dans cette thèse, un dispositif de brûleurs à contre-courants a été utilisé pour étudier la structure de flammes laminaires, prémélangées à haute pression. Les profils de concentration de NO dans les flammes CH4/O2/N2 à différentes richesses (Фc =0,7-1,2) et différentes pressions (P=0,1-0,7 MPa) ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser. L’effet de l’ajout d’hydrogène (80%CH4/20%H2 : Application Hythane®) sur la formation de NO a également été étudié dans les flammes pauvres CH4/O2/N2. Le mécanisme cinétique GDF-Kin®3.0_NCN a été comparé aux mesures de NO disponibles dans la littérature ainsi qu’aux simulations des mécanismes cinétiques du Gaz Research Institute (version 2.11 et 3.0). Ces trois mécanismes ont été ensuite comparés aux mesures expérimentales réalisées dans ces travaux de thèse. / The nitric oxide (NO) is a pollutant responsible of detrimental effects on the environment and health. To better control these emissions, it’s crucial to understand and to control their formation, in particular during the combustion process at high pressure, area of industrial applications (gas turbines, engines…).There are four major routes of the NO formation: the thermal route, the prompt-NO route, the NNH route and theN2O route. The aim of this experimental thesis is to complete the existing experimental database which isnecessary to the understanding and the identification of the contribution from each route to the NO formation at high pressure.In this thesis, a facility of two twin counter-flow burners was used to study the structure of the laminar, premixed flames at high pressure. Experimental NO concentration profiles have been measured in CH4/O2/N2 flames for arange of equivalence ratio (from 0.7 to 1.2) and pressures (from 0.1 to 0.7 MPa) by Laser Induced Fluorescence.The effect of adding hydrogen (80%CH4/20%H2: Hythane® application) on the NO formation has been also studied in lean CH4/O2/N2 flames. The GDF-Kin®3.0_NCN kinetic mechanism has been compared to experimental data from the literature and also compared to the simulations from the Gas Research Institute mechanisms (version 2.11 and 3.0). These three mechanisms have been finally compared to the experimental data from this thesis.

Les énergies fossiles sont largement utilisées depuis les années 1900 pour satisfaire l’augmentation mondiale de la demande d’énergie. Cependant, la combustion est un procédé qui libère des polluants comme le CO2 et les NOx. Un des principaux challenges du 21ème siècle est de réduire ces émissions et les constructeurs automobiles sont impliqués dans cette course. Pour augmenter le rendement des moteurs à pistons, des solutions techniques, tels que le "downsizing", sont développées. Cette technique consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en maintenant leurs performances grâce à un turbocompresseur qui permet d’augmenter la masse enfermée dans la chambre de combustion. Malheureusement, l’augmentation de la pression dans les cylindres induite par le turbocompresseur est à l’origine de combustions anormales : des variations cycles à cycles importantes apparaissent, les gaz frais peuvent s’auto-allumer (allumage avant le claquage de la bougie) entrainant des phénomènes de cliquetis ou de rumble. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) a déjà prouvé qu’elle était un outil fiable pour prédire ces combustions anormales. Cependant ces calculs reposent sur des modèles pour prédire la propagation de la flamme dans la chambre de combustion. Ces modèles sont généralement issus de corrélations réalisées dans des cas où la turbulence est supposée homogène et isotrope. Définir théoriquement ou numériquement une telle turbulence est relativement simple mais expérimentalement la tâche est plus délicate. Cette thèse s’intéresse à un dispositif classiquement utilisé: une enceinte fermée dans laquelle la turbulence est générée par des ventilateurs. L’objectif de ce travail est donc double: 1. caractériser la turbulence générée dans ce type d’enceinte pour vérifier si elle est homogène et isotrope. 2. caractériser finement la combustion, laminaire et turbulente, afin d’enrichir les connaissances dans ce domaine et ainsi améliorer les modèles utilisés. Une première étude sur la propagation des flammes laminaires a été menée. Elle présente les effets de l’étirement et du confinement sur la vitesse de flamme laminaire. La principale difficulté pour la simulation de l’enceinte complète consiste à trouver une méthode numérique permettant de reproduire précisément l’écoulement généré par un ventilateur mais aussi d’en gérer plusieurs simultanément. Deux méthodes ont alors été testées. Premièrement, une méthode type Frontières Immergées a été implémentée dans le code de calcul AVBP. Malgré les bons résultats obtenus sur des cas tests simples, cette méthode ne s’est pas montrée adaptée pour reproduire précisément l’écoulement généré par un seul ventilateur. Une autre approche, provenant du monde du calcul des turbomachines, et basée sur le couplage de codes (appelée MISCOG), a quant à elle démontré ses capacités à le faire et est donc utilisée pour calculer l’écoulement généré par les six ventilateurs à l’intérieur de l’enceinte. L’écoulement non réactif est d’abord analysé: les résultats montrent qu’il existe une zone d’environ 6 cm de diamètre au centre de l’enceinte dans laquelle la vitesse moyenne de l’écoulement est proche de zéro et dans laquelle la turbulence est quasiment homogène et isotrope. Enfin, le pré-mélange de gaz frais est allumé en déposant un noyau de gaz chauds au centre de l’enceinte et la phase de propagation turbulente est analysée. En particulier, il est montré que la température des gaz brulés déposés au moment de l’allumage est un paramètre critique. / Fossil energy is widely used since the 1900s to satisfy the global increasing energy demand. However, combustion is a process releasing pollutants such as CO2 and NOx. One of the major challenges of the 21th century is to reduce these emissions and car manufacturers are involved in this race. To increase fuel efficiency of piston engines, some technical solutions are developed such as ‘downsizing’. It consists in reducing the engine size while maintaining its performances using a turbocharger to increase the trapped mass in the combustion chamber. Unfortunately, downsizing can lead to abnormal combustions: intense cycle to cycle variations can appear, the fresh mixture can auto-ignite (ignition before spark-plug ignition) leading to knock or rumble. Large Eddy Simulation has proven to be a reliable tool to predict these abnormal combustions in real engines. However, such computations are performed using models to predict the flame propagation in the combustion chamber. Theses models are generally based on correlations derived in cases where turbulence is assumed to be homogeneous and isotropic. Defining theoretically or numerically such a turbulence is a simple task but experimentally it is more challenging. This thesis focuses on a apparatus used in most experimental systems: fans stirred vessel. The objective of this work is twofold: 1. characterize the turbulence generated inside the vessel to check wether it is homogeneous and isotropic or not, 2. finely characterize laminar and turbulent combustion in this setup in order to increase the knowledge in this field, and thereby improve models used. First, a laminar flame propagation study has been conducted to address both confinement and curvature effects on the laminar flame speed in a spherical configuration. The main difficulty to perform the simulation of the whole configuration consists in finding a numerical method able to compute accurately the flow generated by one fan and able to handle six fans simultaneously too. Two numerical methodologies have been tested. First an Immersed Boundaries method was implemented. Despite good results obtained on academic test cases, this method was shown to be unadapted to compute accurately the flow generated by one fan. On the other hand, a numerical approach, coming from turbomachinery calculations and based on code coupling (called MISCOG), demonstrates its ability to do it and it is used to compute the flow generated by the six fans inside the closed vessel. Non-reacting flow is first analyzed and reveals a zone at the vessel center of around 6 cm of diameter where mean velocity is near zero and turbulence is almost homogeneous and isotropic. After that, the premixed fresh mixture is ignited depositing a hot gases kernel at the vessel center and the turbulent propagation phase is analyzed. In particular, it is shown that the amount of energy deposited at ignition is a critical parameter.

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.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs. / We study premixed flame dynamics using DNS and EEM approaches. DNS solves compressible Navier-Stokes equations with simplified chemistry. To reduce computational costs and increase efifciency, we analyse and develop a modified staggered scheme. Treatment of acoustic waves at boundaries is known to slightly square cylindrical flames. We try to explain these unphysical distortions by highlighting the poor modeling of fluid acceleration when mainstrean is transverse to outow. A parametric and statistical study of expanding flames is carried out in 2D and also for an expanding (3cm)3 flame. The EEM approach models the flame as an infinitely thin interface. This perturbative strategy dramatically decreases cpu costs. Simulations are carried out and compared to DNS results to check the ability of EEM modeling to give quantitative results.

La combustion stratifiée, qui consiste à brûler un mélange carburant/oxydant inhomogène, et la combustion diluée, consistant à ajouter une quantité limitée de gaz brûlés, sont deux technologies utilisées dans les moteurs à piston pour réduire leur consommation. Cette thèse est dédiée à l’étude de l’allumage dans ces deux types de milieux en régimes laminaire et turbulent. Un nouveau schéma cinétique pour la combustion propane/air a été dérivé et combiné à deux approches de modélisation différentes : la chimie complexe et une approche de chimie tabulée de type FPI. Dans le cas laminaire, les deux approches de modélisation donnent des résultats similaires et un modèle simple a mis en évidence l’importance de la dynamique des gaz frais et des gaz brûlés sur le développement du noyau. Dans le cas turbulent, plusieurs techniques d’analyse ont montré la dépendance de la vitesse absolue de la flamme au champ de vitesse moyen et la décorrélation des fluctuations locales de richesse. / Stratified combustion, which consists in burning an inhomogeneous fuel/air mixture, and diluted combustion, which consists in adding a limited quantity of burnt gases, are two technologies used in internal combustion engines to reduce fuel consumption. This Ph.D is devoted to the study of ignition in these two types of combustion in laminar and turbulent regimes. A new kinetic scheme for propane/air combustion has been derived and combined to two modeling approaches: finite-rate chemistry and an FPI tabulated chemistry approach. In the laminar case, both approaches give similar results and a simplified model has highlighted the importance of fresh and burnt gases dynamics on the kernel development. In the turbulent case, several techniques of analysis have shown the dependency of absolute flame speed on the mean fluid velocity and the lack of correlation to the local equivalence ratio.

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.

Les besoins énergétiques de la population mondiale ne cessent d’augmenter. Les prévisions indiquent par exemple une forte croissance de la demande du secteur du transport aéronautique. La recherche de systèmes toujours plus performants et moins polluants est nécessaire. Des nouveaux concepts pour la combustion ont été mis au point et appliqués aux turbines à gaz. Parmi eux il existe ceux basés sur la combustion en prémélange pauvre ou en prémélange pauvre pré-vaporisé dans le cas où le carburant utilisé est liquide. Les nouveaux systèmes énergétiques basés sur la combustion en régime pauvre sont prometteurs pour satisfaire les futures normes d’émissions polluantes, mais ils sont plus sensibles aux instabilités de combustion qui limitent leur plage de fonctionnement et peuvent détériorer irréversiblement ces systèmes. Dans ce domaine il reste des questions à aborder. En particulier celle du comportement des flammes tourbillonnaires en combustion diphasique soumises à des perturbations acoustiques. La plupart des moteurs aéronautiques utilisent des flammes de ce type, cependant leur dynamique et leurs interactions mutuelles, quand elles subissent les effets d’une perturbation acoustique, sont loin d’être bien comprises. Ce travail aborde ces questions et apporte des éléments de compréhension sur les mécanismes pilotant la réponse de l’écoulement diphasique et de la flamme, ainsi que des éléments de validation des modèles de prédiction des points de fonctionnement instables. TACC-Spray est le banc expérimental utilisé pour ce travail. Il a été conçu et développé au sein du laboratoire CORIA lors de ce doctorat qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR FASMIC. Le système d’injection qui équipe ce banc expérimental reçoit trois injecteurs tourbillonnaires alimentés en combustible liquide (ici n-heptane), développés par le laboratoire EM2C. Ils sont montés en lignes dans le banc, celui-ci représentant ainsi un secteur d’une chambre annulaire. Le montage étant complexe et nouveau, un travail de développement de solutions techniques a été fait pour rendre possible l’équipement du TACC-Spray avec des capteurs de pression, température, photomultiplicateur ainsi que des diagnostiques optiques performants (e.g. LDA, PDA, imagerie à haute cadence). Pour cette étude, le système énergétique, composé par l’écoulement diphasique et la flamme, a été soumis à l’impact d’un mode acoustique transverse excité dans la cavité acoustique. La réponse du système a été étudiée en fonction de son positionnement dans le champ acoustique. Trois bassins d’influence du champ acoustique sur le système énergétique ont été choisis, à savoir: (i) le ventre de pression acoustique caractérisé principalement par des fortes fluctuations de pression, (ii) le ventre d’intensité acoustique présentant de forts gradients de pression et vitesse acoustique, (iii) le ventre de vitesse acoustique avec de fortes fluctuations de vitesse où la fluctuation de pression est résiduelle. L’approche de cette étude a consisté à étudier en premier lieu le système de référence en absence de forçage acoustique, les résultats sont recueillis dans la Partie I de ce manuscrit. En deuxième lieu le système énergétique est placé à chacune des positions d’intérêt dans le champ acoustique et la réponse de l’écoulement d’air sans combustion, la réponse de l’écoulement diphasique avec combustion et finalement celle des flammes, sont étudiées systématiquement. Les résultats de l’étude avec forçage acoustique sont rassemblés dans la Partie II du manuscrit. / The energy needs of population around the word are continuously increasing. For instance, forecasts indicates an important grow of the request of the aeronautic transportation sector. It is necessary to continue the research efforts to get more performants and less contaminating systems. New concepts for combustion have been developed and introduced to the gas turbine industry. Among these concepts it is found technologies based on lean-premixed combustion or lean-premixed prevaporized combustion when liquid fuels are employed. These novel energetic systems, making use of lean combustion, are promising to meet the future norms about pollutant emissions, but this make them more sensitive to combustion instabilities that limit their operating range and can lead to irreversible damage. In this domain, many questions still need to be considered. In particular that of the behavior of two-phase flow swirling flames subjected to acoustic perturbations. Indeed most of aero-engines operate with this type of flames, but the dynamics and mutual interaction of these flames, as they are submitted to acoustic perturbation, are not yet well understood. This work addresses these issues and gives some understanding elements for the mechanisms driving the response of the flow and of the flame to acoustic perturbations and delivers data to validate models predicting unstable operating points.The experimental bench employed for this work is TACC-Spray. It has been designed and developed in the CORIA laboratory during this PhD thesis which is inscribed in the framework of the ANR FASMIC project. The injections system that equips this bench is composed by three swirled injectors fed with a liquid fuel (here n-heptane), developed by the EM2C laboratory. They are linearly arranged in the bench such that this represents an unwrapped sector of an annular chamber. The setup, being new and complex, needed technical solutions developed during this work and applied then in order to equip TACC-Spray with pressure and temperature sensors, a photomultiplier as well as adequate optic diagnostics (LDA, PDA, high speed imaging systems). In this study, the energetic system, composed by the two-phase swirling flow and the spray flame, has been submitted to the impact of a transverse acoustic mode excited within the acoustic cavity. The system response has been studied as a function of its location in the acoustic field. Three basins of influence of the acoustic field on the energetic system have been chosen, namely: (i) the pressure antinode characterized mainly by strong pressure fluctuations, (ii) the intensity antinode where important acoustic pressure and velocity gradients are present, (iii) the velocity antinode with strong velocity fluctuations where the acoustic pressure is residual. The approach of the study presented here is to investigate in first place the energetic system free of acoustic forcing. The results concerning this first study are presented in the Part I of this manuscript. In second place, the energetic system is placed in each of the location of interest within the acoustic field and the response of the air flow without combustion, that of the two-phase flow with combustion and finally that of the spray flames, are systematically investigated. The results of the study under acoustic forcing are shown in Part II of the manuscript.