Pour mieux contrôler l’émission des particules de suies et minimiser leurs impacts sur l’environnement et la santé publique, il est crucial de mieux comprendre leurs mécanismes de formation, en particulier dans les processus de combustion des hydrocarbures. La première étape de formation de ces matières carbonées est la formation de leurs précurseurs appelés HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques), suivie de l’étape de nucleation des suies. La première partie de ce travail de recherche est focalisée sur le développement d’un nouveau schéma cinétique détaillé, décrivant avec précision non seulement l’auto-inflammation et la combustion basse et haute températures des carburants liquides de transport et ceux du laboratoire, mais aussi la formation des HAP jusqu’au coronène car ces HAP sont suspectés d’être les principaux précurseurs de suies. Dans la deuxième partie de ce travail, un modèle sectionnel de suies est utilisé avec le présent schéma cinétique afin d’investiguer les mécanismes de formation des particules de suies en reproduisant les tendances des données expérimentales (fractions volumiques de suies, diamètres des particules). Ce modèle de suies décrit la nucleation, la condensation, la croissance en surface, la coagulation et l’oxydation des particules de suies. Le couple “schéma cinétique-modèle sectionnel de suies” a été validé sur les flammes prémélangées laminaires de methane, d’éthylène et de n-butane à différentes richesses. Les dimérisations homomoléculaire et hétéromoléculaire des HAP de taille modérée (du pyrène au coronène) ont été considérées pour la modélisation de la nucleation des particules de suies. / To better control soot particles emission and minimize their health and environmental effects, it is crucial to better understand their formation mechanisms in particularly combustion processes. The first step of these particulates matter formation is their precursors PAH (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) formation, followed by the nucleation process which links the gas-phase (PAH chemistry) and solid-phase (particles). In the first part of this work, we developed a new detailed chemical kinetic mechanism describing accurately both low and high-temperature ignition and combustion of a wide range of liquid transportation and laboratory fuels as well as the formation of PAH up to coronene, suspected to be major soot precursors. In the second part of this work, a sectional soot model is used with the developed kinetic mechanism in order to investigate soot particles nucleation mechanisms in reproducing experimental data tendencies (soot volume fractions and particles diameters). This couple of kinetic and soot models is run on the detailed kinetic solver Cantera in order to solve both the gas and disperse solid phases in steady laminar flame conditions. The soot model used with the developed detailed kinetic mechanism is validated over premixed laminar methane, ethylene and n-butane flames at various equivalence ratios. Homomolecular and Heteromolecular dimerizations of modest size of PAHs from pyrene to coronene (mass of monomer ranging from 200 to 300 amu) have been considered for particle nucleation modeling.

Cette- étude a pour but de valoriser la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène, combustible alternatif qui permettrait de réduire les émissions polluantes. L'objectif est d'acquérir des données cinétiques détaillées (température, concentrations d'espèces chimiques) sur la combustion de différents mélanges gaz naturel/hydrogène dans des flammes. L'influence de la quantité d'hydrogène, de la richesse et de la pression sur la cinétique chimique de combustion du gaz naturel a été examinée. Dix-huit flammes laminaires prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2 opérant à basse pression (0,079 atm) et à pression atmosphérique ont été étudiées. Les profils d'évolution des espèces moléculaires sont obtenus après prélèvement par microsonde et analyse par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse couplée à la spectroscopie d'absorption infrarouge. Les profils de température sont mesurés par thermocouple recouvert. Cette base de données expérimentales a été utilisée pour développer le mécanisme chimique GDF-Kin® qui comporte 192 espèces impliquées dans 1287 réactions dont la plupart sont réversibles. Le mécanisme prédit de façon satisfaisante les profils de fraction molaire des espèces hydrocarbonées analysées, l'effet de l'hydrogène sur la cinétique d'oxydation du gaz naturel ainsi qu'un grand nombre de données globales et détaillées de la littérature (délais d'auto-inflammation, vitesses de flamme ... ). L'effet de 1 'hydrogène dépend fortement de sa quantité initiale et de la richesse, mais peu de la pression. L'hydrogène modifie les voies réactionnelles principales d'oxydation du gaz naturel, en particulier les réactions de métathèse par les atomes d'hydrogène. / This study aims to promote the combustion of natural gas/hydrogen mixtures, an alternative fuel promising to reduce pollutants emission. The goal is to obtain detailed kinetic data (temperature, chemical species concentrations) on the combustion of natural gas/hydrogen blends in flames. The influence of hydrogen proportion, equivalence ratio and pressure on the natural gas combustion kinetics has been investigated. Eighteen laminar premixed CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2 flames operating at low pressure (0.079 atm) and at atmospheric pressure have been studied. Evolution profiles of molecular species are obtained after microprobe sampling and analysis by gas chromatography and mass spectrometry coupled with infrared spectroscopy. Temperature profiles are measured with a coated thermocouple. This experimental database is used to develop a chemical mechanism GDF-Kin® which includes 192 species involved in 1287 reactions, most of them being reversible. The mechanism predicts with a good accuracy mole fraction profiles of hydrocarbons species analysed, the effect of hydrogen on the kinetic of gas natural oxidation as well as a large number of global and detailed data from literature (ignition delays, flame burning velocity ... ). The effect of hydrogen depends strongly on its initial concentration and on equivalence ratio but not much on pressure. Hydrogen affects main reaction paths of natura! gas oxidation, particularly abstraction reaction by hydrogen atoms.

Les objectifs de ce travail portent sur le rôle de l'oxydation de biocarburants lignocellulosiques dans la cinétique de formation des oxydes d'azote. Le choix s’est porté sur le furane (F) et le tétrahydrofurane (THF). Cette thèse a permis d’acquérir une base de données expérimentales détaillée afin de tester des mécanismes cinétiques d'oxydation de ces biocarburants disponibles dans la littérature ainsi que d’évaluer leur aptitude à prévoir la formation de CH initiateur du NO précoce. Six flammes laminaires prémélangées à basse pression (5.3 kPa) ont été étudiées à deux richesses (1,0 et 1,2). Trois combustibles ont été considérés: (i) le méthane pur utilisé comme référence, (ii) un mélange F (50%)/méthane (50%), et (iii) un mélange THF (50%)/méthane (50%) pour évaluer l'impact de ces biocarburants sur la formation de NO. Les profils de fraction molaire des espèces sont été déterminés par chromatographie en phase gaz couplée à des détecteurs FID/TCD/MS. Les profils de fraction molaire du NO et du radical CH ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser (LIF). Les résultats expérimentaux montrent que la différence de structure moléculaire de ces éthers cycliques induit des différences significatives dans la formation des espèces intermédiaires issues de leur oxydation. Ainsi, l'oxydation de F favorise la formation de CH et donc la production de NO par rapport aux flammes de méthane et de THF. Les profils expérimentaux ont été comparés aux profils simulés par deux modèles cinétiques, indiquant que ces mécanismes nécessitent d’être optimisés sur la formation de CH avant d’envisager l’introduction d’un sous-mécanisme relatif à la chimie de l’azote. / The objective of this work is to investigate the role of oxidation of lignocellulosic biofuels in the formation of nitrogen oxides (NOx) in flames. The biofuels chosen are furan (F) and tetrahydrofuran (THF). This thesis enabled to acquire a detailed experimental database in order to test the kinetic mechanisms available in literature of the oxidation of these biofuels as well as to evaluate their ability to predict the formation of CH, the key species on the prompt-NO mechanism. Six premixed low-pressure laminar flames (5.3 kPa) were studied under two equivalent ratio conditions (1,0 et 1,2). Three fuels are considered: (i) pure methane, which is used as a reference flame, (ii) a F (50%)/methane (50%) mixture, and (iii) THF (50%)/methane (50%) in order to evaluate the impact of these biofuels on NOx formation. The structure of these flames was characterized by establishing the mole fraction profiles of stable intermediates and products using gas chromatography coupled with FID/TCD/MS detectors. The mole fraction profiles of NO and CH radical were detected by Laser Induced Fluorescence (LIF). The experimental results show that the different molecular structures of these cyclic ethers leads to significant differences in the formation of intermediate species and pollutants. Thus, F oxidation promotes the CH formation and then the NO with respect to methane and THF. The experimental profiles were compared with the simulated profiles using two detailed kinetic models. The preliminary modeling study indicates that the studied mechanisms require some improvements on the prediction of CH formation before to consider the introduction of a sub-mechanism on nitrogen Chemistry.

Les phénomènes physiques pilotant la stabilisation des flammes laminaires partiellement prémélangées sont étudiés à l'appui d'un brûleur domestique modèle. La structure et l'aérodynamique de la flamme sont caractérisées par Fluorescence Induite par Laser sur le radical OH et par Vélocimétrie par Images de Particules. Cette flamme est considérée comme deux flammes doubles adjacentes, chacune constituées d'une extrémité de flamme. La flamme double supérieure a un comportement similaire à une flamme d'un brûleur Bunsen : elle est stabilisée par un mécanisme d'accroche-flamme sur le brûleur et le sommet du cône est stabilisé par l'équilibre de la vitesse du front de flamme et de la vitesse de l'écoulement. La flamme double inférieure se stabilise au croisement de la ligne stœchiométrique et de la ligne iso-vitesse, correspondante à la vitesse de flamme plane stœchiométrique. Cette base inférieure est soufflée lorsque ces deux lignes n'ont plus de point commun.

Les suies de combustion sont principalement connues pour leur caractère nocif, dans le cas des feux de forêt, de fumées de cheminées ou d'émissions polluantes d'un tuyau d'échappement. Cependant, le noir de carbone, un produit industriel de combustion d'hydrocarbures largement utilisé dans notre vie quotidienne. La surface d'une particule de suies ou de noir de carbon joue un rôle important tant au niveau de son utilisation que de son effet nocif. Il est donc important de connaître la masse, le volume ainsi que la morphologie des suies. En particulier, la surface des particules est un paramètre important pour prédire leur utilisation ainsi que leur effet nocif. Les suies sont généralement des agrégats présentant une structure fractale constituée d'éléments de forme sphérique, appelés particules primaires. Il est possible de connaître la surface des agrégats à partir de la distribution en taille de particules primaires (PPSD-Primary particules size distribution). Compte tenu de l'intérêt grandissant pour la surface des particules et leurs évolutions, il est aujourd’hui nécessaire d'étendre les modèles numériques pour la prévision de la PPSD. De plus, comme la taille des la particules primaires influence les processus chimiques et les processus de collision, la prise en compte de ce paramètre peut améliorer les prévisions des modèles. Les flammes multidimensionnelles laminaires, comme les flammes de diffusion, sont moins complexes que les flammes rencontrées dans les systèmes de combustion industriels. Cependant, les processus de formation de suies sont analogues dans les deux cas, ce qui rend l'étude de ces flammes intéressante. Afin d'obtenir une description détaillée des processus chimiques ayant lieu dans ces flammes tout en maintenant le coût de calcul à un niveau abordable, l'utilisation de modèles sectionnels discrets chimiques (CDSchemical discret sectional methods) est un choix approprié. Le développement de modèles CDS est au coeur de cette thèse. D'abord, une stratégie numérique pour déterminer la taille des particules primaires est présentée dans le contexte des modéles CDS. Elle repose sur la résolution d'une équation de transport pour la densité en nombre de particules primaires pour chaque section d'agrégats considérée. Pour valider la taille des particules primaires déterminée numériquement, les résultats doivent être comparés avec des données expérimentales obtenues via la technique d'Incandescence Induite par Laser résolue temporellement (TiRe-LII). Cette comparaison, dite inverse, est affectée par les incertitudes expérimentales et les hypothèses sous-jacentes au post-traitement du signal TiRe-LII pour obtenir la PSD. Pour améliorer la stratégie de validation, une nouvelle approche, dite directe, est proposée pour la validation de la PPSD à partir des données obtenues par TiRe-LII. Elle est basée sur la reconstruction numérique de l'évolution temporelle du signal d'incandescence à partir des résultats numériques et de sa comparaison avec le signal mesuré. L'efficacité de l'approche proposée est démontrée a priori en évaluant l'erreur potentiellement évitée par la nouvelle stratégie. Le modèle proposé pour le suivi des particules primaires est ensuite validé en utilisant à la fois les approches ’directe’ et ’inverse’ sur les flammes cibles issues de l'International Sooting FlameWorkshop (ISF): une flamme pré-mélangée éthylèneair et une flamme de diffusion coflow avec deux dilutions différentes. Le caractère général du modèle est discuté en effectuant une étude de sensibilité des résultats aux paramètres du modèle même. Enfin, le modèle est utilisé pour comprendre l'effet de la dilution du combustible sur la taille des particules primaires dans les flammes de diffusion en examinant les corrélations possibles entre phase gazeuse et phase solide ainsi que l'évolution temporelle des particules le long de leur trajectoires. / An image appearing when the phrase soot is heard is the smoke emitted by an exhaust pipe. The imperfect combustion of hydrocarbon fuels is a source of this harmful pollutant. The industrially controlled combustion of hydrocarbons can provide the carbon black, an industrial product widely used in our everyday life. For both its utilization and its harming effect, the surface of these combustion generated particles plays an important role, therefore, it is of interest to possess information on the particle morphology beside its mass or volume. Soot particles were found, at various conditions, to have a fractal-like structure built up from spherical shape building blocks, socalled primary particles. This increased interest in the particle surface and its evolution gives the motivation to extend numerical models to provide related information, i.e. particle surface or primary particle size. Furthermore, as the primary particle size influences the chemical and collisional processes, accounting for this parameter can improve the model predictions. The requirements for numerical models are various depending on the purpose of the simulation. Multidimensional laminar flames, like a laminar coflow diffusion flame, are less complex than flames of industrial combustion systems. However, the soot formation processes are analogous in the two cases, therefore, the investigation of these flames are of interest. In order to obtain a detailed description of the chemical processes, while keeping the computational cost in these flames at an affordable level, using chemical discrete sectional models is a suitable choice. As in their current version, these models do not provide information on the primary particle size their development in this direction is of interest. Guided by the above motivation, a numerical strategy to determine the primary particle size is presented in the context of the chemical sectional models. The proposed strategy is based on solving the transport equation of the primary particle number density for each considered aggregate section. In order to validate numerical primary particle size, the comparison to experimental data is required. Due to its numerous advantages, the Time-Resolved Laser-Induced Incandescence (TiRe-LII) technique is a nowadays popular experimental method. However, the comparison of the numerically and the experimentally obtained primary particle size may be charged with uncertainties introduced by the additional measurements or assumptions of the numerous parameters required to derive primary particle size from the detected signal. In order to improve the validation strategy, an additional approach for primary particle size distribution validation with TiRe-LII is proposed. This is based on the reconstruction of the temporal evolution of incandescence from the numerical results and its comparison with the measured signal. The effectiveness of this ’forward’ method is demonstrated a priori by quantifying the errors potentially avoided by the new strategy. The validity of the proposed primary particle tracking model is tested by both the traditional ’inverse’ and the ’forward’ method on target flames of the International Sooting Flame (ISF) Workshop. In particular a laminar premixed ethylene flame is considered first. Then, two laminar coflow ethylene flames with different dilutions are put under the scope. The sensitivity to the model parameters, such as accounting for the surface rounding and the choice of smallest aggregating particle size, is explored in both the premixed flame and in the coflow flame with highest ethylene content. To understand the effect of the fuel stream dilution on the primary particle size in the coflow flame, first, the flame-flow interaction and the effect of the dilution on the flame structure is investigated. [...]

Nous abordons le développement d'une nouvelle génération de méthodes numériques pour la résolution des EDP évolutives qui modélisent des phénomènes multi-échelles en temps et en espace issus de divers domaines applicatifs. La raideur associée à ce type de problème, que ce soit via le terme source chimique qui présente un large spectre d'échelles de temps caractéristiques ou encore via la présence de fort gradients très localisés associés aux fronts de réaction, implique en général de sévères difficultés numériques. En conséquence, il s'agit de développer des méthodes qui garantissent la précision des résultats en présence de forte raideur en s'appuyant sur des outils théoriques solides, tout en permettant une implémentation aussi efficace. Même si nous étendons ces idées à des systèmes plus généraux par la suite, ce travail se focalise sur les systèmes de réaction-diffusion raides. La base de la stratégie numérique s'appuie sur une décomposition d'opérateur spécifique, dont le pas de temps est choisi de manière à respecter un niveau de précision donné par la physique du problème, et pour laquelle chaque sous-pas utilise un intégrateur temporel d'ordre élevé dédié. Ce schéma numérique est ensuite couplé à une approche de multirésolution spatiale adaptative permettant une représentation de la solution sur un maillage dynamique adapté. L'ensemble de cette stratégie a conduit au développement du code de simulation générique 1D/2D/3D académique MBARETE de manière à évaluer les développements théoriques et numériques dans le contexte de configurations pratiques raides issue de plusieurs domaines d'application. L'efficacité algorithmique de la méthode est démontrée par la simulation d'ondes de réaction raides dans le domaine de la dynamique chimique non-linéaire et dans celui de l'ingénierie biomédicale pour la simulation des accidents vasculaires cérébraux caractérisée par un terme source "chimique complexe''. Pour étendre l'approche à des applications plus complexes et plus fortement instationnaires, nous introduisons pour la première fois une technique de séparation d'opérateur avec pas de temps adaptatif qui permet d'atteindre une précision donnée garantie malgré la raideur des EDP. La méthode de résolution adaptative en temps et en espace qui en résulte, étendue au cas convectif, permet une description consistante de problèmes impliquant une très large palette d'échelles de temps et d'espace et des scénarios physiques très différents, que ce soit la propagation des décharges répétitives pulsées nanoseconde dans le domaine des plasmas ou bien l'allumage et la propagation de flammes dans celui de la combustion. L'objectif de la thèse est l'obtention d'un solveur numérique qui permet la résolution des EDP raides avec contrôle de la précision du calcul en se basant sur des outils d'analyse numérique rigoureux, et en utilisant des moyens de calculs standard. Quelques études complémentaires sont aussi présentées comme la parallélisation temporelle, des techniques de parallélisation à mémoire partagée et des outils de caractérisation mathématique des schémas de type séparation d'opérateur.