Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d'émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L'une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c'est l'approche de l'éco-suralimentation ou " downsizing ". L'une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d'un fonctionnement de type " downsizing ". Le but de ce travail de thèse est donc d'étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l'utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d'admission à l'aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d'un mécanisme cinétique réduit. L'utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d'admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l'évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d'un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies.

Dans l'industrie de fabrication mécanique et notamment pour l'utilisation des centres d'usinage haute vitesse, la connaissance des propriétés dynamiques du système broche-outil-pièce en opération est d'une grande importance. L'accroissement des performances des machines-outils et des outils de coupe a œuvré au développement de ce procédé compétitif. D'innombrables travaux ont été menés pour accroître les performances et les remarquables avancées dans les matériaux, les revêtements des outils coupants et les lubrifiants ont permis d'accroître considérablement les vitesses de coupe tout en améliorant la qualité de la surface usinée. Cependant, l'utilisation rationnelle de cette technologie est encore fortement pénalisée par les lacunes dans la connaissance de la coupe, que ce soit au niveau microscopique des interactions fines entre l'outil et la matière coupée, aussi bien qu'au niveau macroscopique intégrant le comportement de la cellule élémentaire d'usinage, si bien que le comportement dynamique en coupe garde encore une grande part de questionnement et exige de l'utilisateur un bon niveau de savoir-faire et parfois d'empirisme pour exploiter au mieux les capacités des moyens de production. Le fonctionnement des machines d'usinage engendre des vibrations qui sont souvent la cause des dysfonctionnements et accélère l'usure des composantes mécaniques (roulements) et outils. Ces vibrations sont une image des efforts internes des systèmes, d'où l'intérêt d'analyser les grandeurs mécaniques vibratoires telle que la vitesse ou l'accélération vibratoire. Ces outils sont indispensables pour une maintenance moderne dont l'objectif est de réduire les coûts liés aux pannes

Une des solutions pour diminuer les émissions polluantes émises par un moteur à combustion interne est de réinjecter une partie des gaz d’échappement (Exhaust Gas Recirculation, EGR) à l'admission. Cependant, dans le cas d’une dilution du mélange air-carburant trop importante, la combustion est plus instable voire ne pas s’entretenir. L’ajout d’une faible quantité d’hydrogène a le potentiel de contrer cet effet négatif de forte dilution. C’est dans ce contexte que ce travail de thèse est basé sur une étude détaillée des effets combinés de l’ajout de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à allumage commandé alimenté par du méthane ou de l’iso-octane. Dans la première partie de ce travail, le potentiel de l’ajout de l’hydrogène combiné à la dilution, en termes d’émissions polluantes et de rendement global du moteur, est montré. Dans la deuxième partie, afin de mieux comprendre l’effet de l’hydrogène et de la dilution dans un moteur à combustion interne et leurs influences sur les propriétés fondamentales de la combustion, la vitesse de combustion laminaire, paramètre fondamentale, a été déterminée expérimentalement pour des mélanges isooctane ou méthane avec de l’air contenant différents pourcentages d’hydrogène et de dilution. Des corrélations ont pu ainsi être formulées permettant d’estimer la vitesse fondamentale de combustion laminaire pour ces mélanges. Dans la dernière partie, l’utilisation de deux diagnostics optiques (la chemiluminescence de la flamme et la tomographie par plan laser du front de flamme couplé à la mesure de vitesse par vélocimétrie par imagerie de particules) a permis de quantifier l’effet de l’hydrogène et de la dilution sur la propagation de flamme turbulente dans un moteur à allumage commandé muni d’accès optiques. Nous avons ainsi montré que le la vitesse de combustion laminaire a un effet prépondérant, comparé au nombre de Lewis, sur la vitesse de combustion turbulente dans un moteur à allumage commandé. / Optimization of the intake air-fuel mixture composition is one way to reduce pollutant emissions in Spark-Ignition (SI) engines. This can be achieved by operating with a diluted mixture, i.e by recirculating the exhaust. There are however limitations on the level of dilution that can ensure the smooth running of SI engines since diluting the air-fuel mixture induces an increase in combustion duration and in cyclic variations which impair engine performance. Adding an amount of hydrogen to the fuel can extend the dilution and the lean engine operability limits, which is beneficial in reducing both emission levels and fuel consumption. The objective of this study is to investigate the combined effects of hydrogen addition and nitrogen dilution in an SI engine fuelled with iso-octane or methane. In the first part of this study, we proved that high values of indicated engine efficiency and low values of pollutant emissions can be achieved by combining hydrogen addition and diluted air-fuel mixtures in the case of SI engines. In the second part, we provided experimental values of laminar burning velocity for diluted methane or iso-octane/hydrogen/air mixtures for a better understanding of the hydrogen and dilution effects on the fundamental properties of laminar combustion. New correlations to estimate laminar burning speeds of these mixtures were also presented. In the last part, the effects of hydrogen addition, with and without nitrogen dilution, on the turbulent flame propagation were investigated in an optical SI engine fuelled with iso-octane or methane. This study was done by using two different experimental techniques (direct flame radiation visualization and laser tomography images with Particle Image Velocimetry). The main conclusion is that the laminar burning velocity, rather than the Lewis number, has the dominant effect on the turbulent burning velocity in an SI engine.

Les enjeux environnementaux et sociétaux de la combustion de combustibles fossiles pour la production d'énergie (électrique, chauffage ou transport), nécessitent le développement de nouveaux modes de combustion, de nouvelles technologies de brûleurs et de combustibles alternatifs (gazéification de la biomasse, biofuels, ...). La vitesse de combustion laminaire est un des paramètres fondamentaux utilisé pour caractériser la combustion pré-mélangée de ces nouveaux mélanges combustibles. Cette vitesse est une donnée de référence pour le processus de validation et d'amélioration des schémas cinétiques ainsi qu'un paramètre d'entrée pour estimer la vitesse de combustion turbulente de la plupart des codes de combustion turbulente. Mais bien qu'étudiée depuis plus de 100 ans, la détermination expérimentale précise de cette vitesse reste encore un défi de par les limitations inhérentes aux configurations expérimentales utilisées, en particulier pour les conditions de pression et de température élevées. Dans ce contexte, les objectifs de ces travaux de thèse concernent l'étude, l'analyse et la caractérisation des techniques de détermination de la vitesse de combustion laminaire à partir des flammes en expansion sphérique, en proposant une réflexion sur la minimisation de l'ensemble des sources d'incertitudes possibles sur la détermination de cette vitesse. Cette approche est réalisée pour la configuration de flamme en expansion sphérique, permettant des températures et pressions élevées et maitrisées.Dans une première partie, le formalisme des définitions des vitesses de flamme laminaire existantes dans cette configuration est rappelé afin de définir les facteurs d'incertitudes liés à la mesure expérimentale de ces vitesses (grandeurs cinématiques locales et cinétique globale). En particulier, les effets liés à l'estimation de l'état thermodynamique des gaz brûlés, du rayonnement et de la diffusion différentielle sont discutés. Dans une seconde partie, plusieurs dispositifs numériques et expérimentaux utilisés au cours de cette thèse et permettant l'étude de flammes sphériques en expansion sont présentés. Une étude utilisant quatre dispositifs expérimentaux différents est proposée afin d'analyser et caractériser les incertitudes inhérentes aux mesures et à leur traitement. Enfin dans une troisième partie, une définition rigoureuse de la vitesse de consommation est proposée et une nouvelle méthodologie pour la mesurer est développée. Une validation numérique complète est présentée. Puis les incertitudes liées aux rayonnement, à la diffusion différentielle et à l’extrapolation des données mesurées sont étudiées en détails. Cette dernière étape introduit un biais qui peut être conséquent, et une nouvelle méthodologie pour exploiter des mesures brutes est proposée par une comparaison directe avecdes simulations DNS reproduisant les expériences. / Environmental and social challenges concerning the combustion of fossil fuels for energy production (electricity, building and transport) require the development of new combustion processes, new burner technologies and alternative fuels (gasification of biomass, biofuels, ...). Laminar burning velocity is one of the fundamental parameters used to characterize premixed combustion for these new fuels. This speed is a reference for the validation and improvement of kinetic schemes and an input parameter to estimate the turbulent burning velocity of most turbulent combustion codes. But even if it has been studied over 100 years, the precise experimental measurement of this velocity is still complicated due to inherent limitations in experimental configurations used, especially for high pressure and temperature conditions. In this context, this thesis work focuses on the study, analysis and characterization of the different techniques used to determine the laminar burning velocity from spherically expanding flames and proposes a reflection on the minimization of all possible uncertainty sources. This approach is achieved with confined spherical flames which allow to obtain high temperature and pressure initial conditions. In the first part, the formalism of existing laminar flame speeds in spherical expanding configuration is reminded to define the factors of uncertainty related to the experimental measurement (local kinematic and global kinetic variables). In particular, the effects associated with the estimation of the burned gases thermodynamic state, radiation and differential diffusion are discussed. In the second part, several numerical and experimental devices used in this thesis are presented. A study on four different experimental setups is proposed to analyze and characterize the uncertainties in the measurements and processing. Finally, in the third part, a rigorous definition of the consumption speed is proposed and a new methodology to measure it is developed. A complete validation based on numerical results is presented. Then uncertainties related to radiation, differential diffusion and extrapolation to zero stretch rate of measured data are detailed. This last step introduces a non-negligible bias and a new methodology to exploit raw data by a direct comparison with DNS reproducing the experiments is proposed.

L'organisme À nous le Podium a pour objectif de développer le système sportif canadien, notamment par le financement de la recherche et l'innovation. À la veille des Jeux de 2010, l'équipe de patinage de vitesse courte piste y a présenté un projet faisant l'objet du présent mémoire. Un réseau de quatre caméras synchronisées a été installé à Vancouver et à Montréal. La calibration est réalisée par appariement de cibles à des points de contrôle dans un référentiel orthonormé pour ainsi rectifier les trames par l'application d'une méthode polynomiale. Le suivi optique est basé sur un filtre particulaire qui extrait les trajectoires des patineurs. Tout le système est supporté par un système d'information géographique pour fins de manipulation et visualisation des données. Parallèlement, un outil de simulation a été réalisé pour estimer les forces subies et déployées par l'athlète sous des contraintes de friction et de caractéristiques géométriques imposées au tracé.

Dans la majorité des secteurs industriels, les coûts de maintenance des systèmes de production représentent une partie non négligeable de l’ensemble de ces coûts. Pour améliorer les performances et la fiabilité des systèmes, différentes stratégies de maintenance sont utilisées. L’objectif est d’être capable de détecter toutes défaillances potentielles susceptibles d’affecter la production. L’analyse vibratoire est aujourd’hui un des outils les plus performants en termes de détection et de suivi de ces défaillances. Cependant, l’application de cette technique reste difficile dans le cas de machines fonctionnant avec des vitesses de rotation faibles et variables. Dans la présente thèse, nous proposons une technique alternative à l’analyse vibratoire pour surveiller l’état de fonctionnement de ces machines. Nous nous intéresserons plus particulièrement au suivi des roulements. Cette technique alternative se base sur l’analyse des variations de la vitesse angulaire instantanée qui sont générées par un défaut de roulement. Cette technique sera testée sur un banc d’essai et comparée avec d’autres techniques telles que l’analyse des signaux vibratoires et ultrasonores pour différentes conditions de chargement et pour différents types de défauts de roulement. Cette étude montre une grande efficacité de cette méthode dans le cas de très basses vitesses de rotation, constantes ou variables. L’ensemble de cette méthodologie a ensuite été implémentée sur un four de diffusion d’une unité de production sucrière. Les mesures réalisées montrent que cette technique est une technique prometteuse pour le suivi de systèmes fonctionnant avec des vitesses de rotation faibles et variables. / In the majority of industrial sectors, production systems’ maintenance costs represent an important part of the whole process’s cost. In order to improve systems’ reliability and performance, different maintenance strategies are used. The goal is to be able to detect all potential malfunction that may affect the production. Nowadays, vibration analysis is one of the best tools in term of detection and defect monitoring. However, the application of these vibration based techniques remain difficult in the case of machines functioning at low speeds. In this thesis, we propose an alternative technique of vibration analysis for the surveillance of these machines that operate on very low speeds and variable speeds. We are specifically interested in bearings’ monitoring. This alternative technique is based on instantaneous angular speed’s variations analysis that are induced by a bearing defect. This technique is tested on a test bench and compared with other techniques such as vibration and ultrasound analysis for different loading conditions and for different bearing fault types. This study shows a high efficiency of this method in the case of very low speeds, constant and variable. This methodology has then been implemented on sugar diffusion oven in a sugar production factory. The measurements shows that this technique is a promising technique for machines’ surveillance in very low and variable speeds working conditions.

Le transport de neige par le vent occasionne des nuisances qui entravent certaines activités du secteur des transports et du tourisme. Il déplace les dépôts de neige et modifie la structure du manteau neigeux. A ce titre, il participe à l'augmentation du risque d'avalanche. Ces différents aspects justifient l'activité de recherche menée depuis plusieurs années au Cemagref de Grenoble et dans laquelle cette étude trouve naturellement sa place. Ainsi les travaux précédents ont contribué à la modélisation physique et numérique de prévision du transport de neige par le vent. Cela dit, le transport éolien de particules met en jeu différents phénomènes complexes que les connaissances actuelles ne suffisent pas à décrire avec précision. Dans ce contexte, des travaux expérimentaux ont été conduits à la fois en soufflerie et sur le terrain. Ces derniers ont permis des premières investigations sur le comportement des fluctuations de concentration en régime permanent, en particulier par le biais de traitements d'images et d'analyses spectrales. Cette thèse a également porté sur la variabilité des profils de concentration en conditions naturelles, c'est-à-dire dans un écoulement turbulent instationnaire. Tous les résultats in-situ ont nécessité l'usage d'instruments adaptés dont certains ont du être réétalonnés de manière spécifique.

Ce mémoire présente quelques expériences de refroidissement radiatif transverse d'un jet d'hélium 4 métastable sur la transition 23S → 2 3P . Une première partie est consacrée à la description du laser à solide (LNA), en anneau, monomode et asservi sur la raie atomique à 1.083 micron de l'hélium, qui a été construit pour ces expériences. La seconde partie décrit quelques expériences de refroidissement radiatif transverse d'un jet d'hélium métastable qui ont été réalisées avec ce laser ; on y présente en particulier une expérience utilisant un piégeage cohérent de population ("résonance noire") sélectif en vitesse, qui a permis d'atteindre une température à une dimension de 2 microKelvins, inférieure à l'énergie de recul d'un seul photon.

Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d’émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L’une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c’est l’approche de l’éco-suralimentation ou « downsizing ». L’une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d’un fonctionnement de type « downsizing ». Le but de ce travail de thèse est donc d’étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l’utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d’admission à l’aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d’un mécanisme cinétique réduit. L’utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d’admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l’évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d’un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies. / Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, car manufacturers try to improve the efficiency of Spark Ignition engine. One effective and applicable ways to reduce the greenhouse emissions (CO2) in the short run is based on the reduction of the engine size while preserving their performance thank to turbocharging: eco-supercharging or « downsizing » approaches. One of the characteristics of this operating mode is the high level of the pressure and of the dilution rate of the medium in which the premixed flame propagates. The simulation of turbulent premixed flame is nowadays an indispensable tool for R&D. However, the assumptions on which the combustion models are based, particularly the flamelet model, can be prone to discussion in the « downsizing » conditions. The objective of this work is thus to study experimentally the combustion regimes in order to validate or not the use of these models. Turbulence parameters and flow fields were then characterized out during the compression stroke for several intake pressures by using Particle Imaging Velocimetry technique. The laminar burning velocity was estimated by using reduced chemical kinetic schemes. The Mie scattering laser tomography technique with and without temporal follow-up, enabled us to characterize the turbulent burning velocity and the flame front structure for different intake pressures and dilution rates. In this study, a break in the evolution of the IMEP and the turbulent burning velocity for a dilution rate of 25% has been obtained: this break was linked to the transition between the flamelet zone and the distributed reaction zones.

Depuis plusieurs années, les constructeurs automobiles suivent la voie du « downsizing » pour le développement des moteurs à allumage commandé. Ce procédé basé sur la réduction des cylindrées moteur combinée à la suralimentation a déjà fait ses preuves quant à son intérêt dans l’augmentation du rendement et la réduction des émissions polluantes des moteurs à essence. Les nouvelles conditions thermodynamiques, de turbulence et de dilution de ces moteurs engendrant de nouvelles possibilités de dilution dans les mélanges air/carburant, elles amènent également de nouvelles problématiques quant aux combustions anormales observées et l’apparition d’importantes variabilités cycliques. Ces travaux de thèse s’insèrent dans l’objectif de compréhension du comportement des flammes de prémélange d’isooctane/air en expansion dans des conditions représentatives d’un moteur « downsizé ». Leur étude a dans un premier temps été réalisée dans des conditions laminaires afin d’extraire les vitesses de flammes et longueurs de Markstein associées aux différents mélanges réactifs, et notamment sous forte dilution. Des corrélations ont alors été développées pour répondre aux besoins des modèles de simulation. Un nouveau dispositif de diagnostic optique a ensuite été employé pour améliorer la visualisation des flammes turbulentes en expansion. Une corrélation de coefficient correctif est ici développée pour remédier à la surestimation de vitesse engendrée par une visualisation Schlieren de ces flammes turbulentes. Une étude approfondie de l’influence des conditions thermodynamiques initiales, de la turbulence, ainsi que des caractéristiques diffusives du mélange air/carburant a par ailleurs été conduite afin d’isoler l’effet de chacun de ces paramètres sur le développement et la propagation de la flamme turbulente. Enfin l’effet d’une évolution simultanée des conditions thermodynamiques initiales similaire à celle d’une compression moteur a été étudié pour mieux appréhender les changements de comportement des flammes turbulentes dans des conditions plus représentatives du moteur à allumage commandé. / For several years, “downsizing” is used by car manufacturers to develop new spark ignition engines. This method based on the reduction of engine size combined with an increase of intake pressure (turbocharger) is well known to reduce pollutant emissions and increase efficiency. New thermodynamic, turbulent and dilution conditions could be used with these new engines but they can bring new issues like unusual combustion or cyclic variability. This thesis took place to improve the understanding of premixed expanding isooctane/air flames behavior under downsized engine-like conditions. As a first step, this work is conducted under laminar conditions to extract laminar burning velocities and Markstein lengths of the different mixtures, especially under high dilution. New correlations are then developed to answer the needs of numerical models. A new optical dispositive is then used to improve the visualization of turbulent expanding flames. A corrective coefficient correlation is proposed to avoid the overestimated values of turbulent burning speed generated by Schlieren visualization with such turbulent flames. A deep survey of starting conditions (temperature, pressure, turbulence, dissipative characteristics of air/fuel mixtures) influence is done to investigate the effect of each parameters on the development and the propagation of the turbulent flame. Finally, the effect of a coupled rise of initial temperature and pressure, similar to an engine compression, is studied to better understand the changes of flame behavior under more realistic spark-ignition engine conditions.