Ce travail s'intéresse à la compréhension du comportement des flammes non-prémélangées issues d'un jet de méthane assisté par un coflow d'air dilué avec du CO2, ou d'autres gaz chimiquement inertes pour discriminer les différents phénomènes impliqués dans la dilution. Les phénomènes transitionnels, décrochage et extinction, quantifiés par des limites de stabilité, sont analysés à l'aide de grandeurs physiques représentatives. Le domaine de stabilité de flamme est limité par des surfaces 3D dans le domaine physique ( Qdiluant/Qair (taux de dilution), Uair (vitesse d'air), UCH4 (vitesse de méthane)), révélant un effet compétitif entre l'aérodynamique et la dilution. Des cartographies génériques de décrochage et d'extinction communes à tous ces diluants sont proposées. Des grandeurs liées à la stabilisation sont toutes soumises à des lois d'évolution auto-simlilaires. Il en ressort que la vitesse de propagation de flamme est l'élément clé du mécanisme de stabilisation lors de la dilution.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.

La simulation aux grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non mélangés de chambres de combustion modèles. La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air / carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'à pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.

Dans beaucoup de situations réelles, qui vont du domaine des transports (moteurs fusée, avions et automobiles), en passant par la production d'électricité (centrale thermique) ou encore de la thermique (chaudière, fours industriels, foyers domestiques...), le prémélange turbulent entre l'air et la combustible conduit généralement à une hétérogénéité du mélange. En conséquence, la richesse du mélange est variable à la fois dans le temps et dans l'éspace, produisant une combustion sous la forme de flamme partiellement prémélangées, loin des cas classiques prémélangé et de diffusion. Dans cette thèse, on s'intéresse plus particulièrement aux effets des hétérogénéités de richesse sur la structure locale (en terme de courbure, d'épaisseur, d'étirement, de plissement, de fraction molaire de combustible) de ce type de flamme. Deux configurations expérimentales, stationnaire et instationnaire (présentant chacune leurs avantages) sont alors étudiées. Une méthode expérimentale est proposée afin de mesurer simultanément la température de la flamme et la fraction molaire, dont son originalité repose sur sa capacité à corriger l'influence de la température sur l'efficacité des mesures de PLIF sur acétone. L'étude des flammes laminaires montre que la flamme est fortement influencée par la stratification, notamment en terme de configuration géométrique pour la flamme instationnaire. Mais aussi du point de vue de l'épaisseur pour la flamme stationnaire. L'évolution de l'épaisseur en fonction de l'étirement présente une modification notable avec un changement de pente en fonction du nombre de Lewis. De plus, il est montré que la flamme se propage dans un milieu très pauvre (en dessous des limites d'inflammabilités) du fait du soutien de la flamme dû au réservoir chimique et thermique induit.<br />L'étude du comportement est poursuivie dans la seconde partie, pour deux turbulences de grilles données, où la comparaison est effectuée entre des flammes de prémélanges homogènes et hétérogènes, et ce pour différentes fractions molaires de combustible et niveaux de fluctuations. Elle montre qu'il existe une modification de la structure de la flamme non seulement par l'étirement local mais aussi par les variations de la vitesse de flamme avec la composition du mélange. Ceci introduit un étirement additionnel Kpp non négligeable notamment lorsque la richesse le long du front de flamme est faible.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d’aérothermochimie CEDRE de l’ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l’hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d’entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l’écoulement au sein d’une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l’évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l’approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l’utilisation d’un modèle de chimie réduite s’avère particulièrement appropriée pour prédire l’émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l’on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d’écoulements complexes sont proposées, fondées sur l’utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l’aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA. / In order to simulate major pollutant formation inside realistic aeronautical combustion chambers, a detailed chemistry reduction technique (FPI), based on the construction of databases from elementary laminar premixed flame calculations, is adapted and coupled to the ONERA household CFD code : CEDRE. After a short validation of this model based on the numerical simulation of simplified laminar flames, the chemistry turbulence interactions are modeled under the laminar flamelet hypothesis, by assuming the shape of the FPI progress variable PDFs using beta functions. This comprehensive approach is then applied to the numerical simulation of the flow inside a realistic geometry :the PRECCINSTA combustion chamber. This well-known configuration has enabled the evaluation of the model’s abilities within an industrial framework using numerical/experimental results comparisons. It has especially allowed to test an extension of the model to partially premixed combution. Furthermore, the use of a tabulated chemistry model turns out to be particularly appropriate to predict pollutant species formation such as CO. However, when considering the formation of nitrogen oxides,FPI cannot be applied directly because of the slow dynamics of the chemical processes involved. Toovercome these limitations, two approaches allowing NO production modeling within complexe flowsare proposed, derived from the use of the tabulated data. The capacities of these models are finally analysed using computations performed on the PRECCINSTA chamber.

Le moteur essence à allumage par compression (GCI), reposant sur la combustion partiellement prémélangée de l'essence (GPPC), peut potentiellement assurer des opérations efficaces et propres. Le moteur GCI s'est avéré efficace à forte charge, mais l'indice d'octane élevé de l'essence limite considérablement les opérations à faible charge. Le présent travail étudie le potentiel de l'utilisation de l'ozone, fort agent oxydant, pour améliorer la réactivité de l'essence et permettre le fonctionnement à faible charge de GCI. L'ozone peut être produit on board en équipant le moteur d'un générateur d'ozone, sans impact dramatique sur le coût du moteur et sur la complexité du contrôle du moteur. Les essais effectués avec un moteur monocylindre ont montré que l'ozone favorise la combustion HCCI de l'essence, permettant d'étendre la limite d’auto-inflammation et de réduire la température minimale nécessaire de celle-ci. Les diagnostics optiques ont montré que ces propriétés sont liées à une prolifération radicale accrue, amenées par des réactions à basse température induites par l'ozone. En parallèle, le processus de combustion GCI a été étudié dans des conditions de faible charge. Sans ozone, la température d'admission doit être considérablement augmentée pour permettre l'auto-inflammationdes mélanges essence-air pauvres. De plus, les résultats indiquent que le monoxyde d’azote (NO) contenu dans les gaz brûlés résiduels peut, dans certaines conditions, favoriser fortement la combustion GCI. Ensuite,l'effet de l'ozone a été étudié dans des conditions d'injection directe GCI. Les résultats démontrent qu’une stratégie avec double injection est nécessaire pour maximiser l’effet promoteur de l’ozone et pour contrôler le processus de combustion GCI. Enfin, l'utilisation d’une forte concentration d’ozone a permis d’atteindre des opérations à faible charge en mode GCI, avec des faibles émissions de NOx et de suie, et cela, sans avoir besoin d'augmenter la température ou la pression d'admission. / Gasoline Compression Ignition (GCI) engine, relying on Gasoline Partially Premixed Combustion (GPPC) has potential for efficient and clean operations. GCI engine showed to be effective at high load, however, the highoctane number of gasoline dramatically limits low load operations. The present work investigates the potential of using ozone, a strong oxidizing agent, to improve gasoline reactivity and enabling low load GCI operation.Ozone can be produced in-situ and on-demand by equipping the engine with an ozone generator, without a dramatic impact on the engine cost and the engine control complexity. Experiments in a single cylinder engine showed that ozone promotes gasoline HCCI combustion, making possible to extend the lean limit and reducing the minimum temperature needed for autoignition. Optical diagnostics showed that these properties are related to an increased radical proliferation related to ozone-induced low temperature reactions. In parallel, GCI combustion process was investigated under low load conditions. Without ozone, the intake temperature should be considerable increased to enable auto ignition of lean gasoline-air mixtures. Moreover, results indicated that the NO contained into residual burnt gases can strongly promote GCI low load combustion. Finally, the effect of ozone was investigated under GCI direct-injection conditions, demonstrating that low load GCI operation with low NOx and Soot emission can be achieved by seeding the intake of the engine with ozone without needing of increasing the intake charge temperature or boosting the intake pressure.

La propagation de flammes turbulentes dans des milieux réactifs inhomogènes concerne un grand nombre d’applications pratiques, y compris celles qui reposent sur des cycles de combustion à volume constant. Les hétérogénéités de composition (richesse, température,dilution par des gaz brûlés, etc.) sont issues de plusieurs facteurs distincts tels que la dispersion du spray de gouttelettes de combustible et son évaporation, la topologie de l’écoulement ainsi que la présence éventuelle de gaz brûlés résiduels issus du cycle précédent. La structure des flammes partiellement prémélangées qui en résultent est significativement plus complexe que celles des flammes plus classiques de diffusion ou de prémélange. L’objectif de ce travail de thèse est donc de contribuer à l’amélioration de leur connaissance, en s’appuyant sur la génération et l’analyse de base de données de simulations numériques directes ou DNS (Direct Numerical Simulation). Celles-ci sont conduites avec le code de calcul Asphodele qui est basé sur l’approximation de faible nombre de Mach. Le combustible de référence retenu est l’iso-octane.La base de données est structurée suivant cinq paramètres qui permettent de caractériser l’écoulement turbulent ainsi que l’hétérogénéité de composition du milieu réactif. Dans un premier temps, des configurations bidimensionnelles ont été considérées en raison du coût élevé induit par la description détaillée de la cinétique chimique. L’étude des ces différents cas de calcul a permis de mettre en lumière plusieurs mécanismes fondamentaux de propagation dans les milieux hétérogènes en composition. Une réduction significative des coûts de calcula pu ensuite être obtenue grâce au développement d’un modèle chimique simplifié optimisé.Son utilisation a permis d’étendre les analyses à de / The propagation of turbulent flames in non-homogeneous reactive mixtures of reactants concerns a large number of practical applications, including those based on constant volume combustion cycles. The composition heterogeneities (equivalence ratio, temperature, dilution by burnt gases, etc.) result from several distinct factors such as the dispersion of the spray of fuel droplets and its evaporation, the flow field topology as well as the possible presence of residual burnt gases issued from the previous cycle. The resulting partially premixed flames structure is significantly more complex than the one of more conventional diffusion or premixed flames.The aim of this thesis work is therefore to contribute to the improvement of their understanding, by proceeding to the generation and analysis of a new set of direct numerical simulations (DNS) databases. The present computations are performed with the low-Mach number DNS solver Asphodele. The database is structured according to five parameters that characterize the turbulent flow as well as the composition heterogeneity of the reactive mixture. First, because of the high numerical costs induced by the detailed description of chemical kinetics, two-dimensional configurations were considered. The study of these various simulations highlights several fundamental mechanisms of flame propagation in heterogeneous mixtures. Then, a significant computational cost saving has been achieved through the development of an optimized simplified chemistry model. The use of the latter allowed to overcome the major bottleneck of high CPU costs related to chemical kinetics description and thus to extend the analysis to three-dimensional configurations. Some of the conclusions obtained previously were reinforced.

Ce travail s'intéresse à la compréhension du comportement des flammes non-prémélangées issues d'un jet de méthane assisté par un coflow d'air dilué avec du CO2, ou d'autres gaz chimiquement inertes pour discriminer les différents phénomènes impliqués dans la dilution. Les phénomènes transitionnels, décrochage et extinction, quantifiés par des limites de stabilité, sont analysés à l'aide de grandeurs physiques représentatives. Le domaine de stabilité de flamme est limité par des surfaces 3D dans le domaine physique ( Qdiluant/Qair (taux de dilution), Uair (vitesse d'air), UCH4 (vitesse de méthane)), révélant un effet compétitif entre l'aérodynamique et la dilution. Des cartographies génériques de décrochage et d'extinction communes à tous ces diluants sont proposées. Des grandeurs liées à la stabilisation sont toutes soumises à des lois d'évolution auto-simlilaires. Il en ressort que la vitesse de propagation de flamme est l'élément clé du mécanisme de stabilisation lors de la dilution. / This work focuses on the understanding of the behaviours of non-premixed methane flame inside an air coflow diluted by carbon dyoxide (CO2) or by other chemically inert diluents in order to discriminate different phenomena involved in dilution. Transitional phenomena (liftoff and extinction) quantified trough the stability limits, are analyzed trough representative physical quantities. The flame stability domain is limited by 3D-surfaces (liftoff and extinction) in the physical domain (Qdiluant/Qair (dilution level), Uair (air velocity), UCH4 (methane velocity)) revealing a competitive effect between aerodynamics and dilution. Generic diagrams of flame liftoff and extinction are proposed for all the diluents. Physical quantities related to flame stabilization process are all submitted to, regardless of diluent, self-similar laws. This is explained by flame burning velocity which is considered as the key element in the flame stabilization mechanism with air-side dilution.

La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme. / Large Eddy Simulation (LES) is considered as the next generation tool for the development of turbomachinery combustion chambers. In this specific context, reactive flows are of very complex nature and, as a validation goal, LES needs to prove its capabilities on academic configurations. This dissertation aims at demonstrating LES capabilities for the simulation of non-premixed reactive flows that can be found in swirled academic combustion chambers. - LES is first applied to a turbulent reacting configuration with a perfect premixing assumption. Chemical kinetics, turbulent combustion models and their internal parameters are studied. For this flow condition, each model shows his advantages and disadvantages. - Then, the perfect premixed hypothesis is removed, allowing the evaluation of mixing, thermal losses and acoustic boundary conditions for this swirled injector. - Finally, a non premixed combustion chamber is simulated with the dynamically thickened flame model, which was not developped for this kind of reactive flow. However, results are encouraging and demonstrate that the flame localisation is well represented by LES.