Дисертації з теми "Combustion hétérogène"

L’objet de cette thèse a été d’évaluer l’importance de la chimie de surface pour la combustion des particules d’aluminium. En brûlant, ces particules apportent un supplément d’énergie au système et ainsi permettent une augmentation significative de l’impulsion spécifique des moteurs à propergol solide. Ce travail ajoute une partie chimie de surface aux simulations de combustion d’une goutte d’aluminium isolée. La modélisation multi-échelle a été utilisée afin de construire un mécanisme hétérogène. Des calculs de chimie quantique ont été entrepris afin de constituer une base de données valable pour la construction d'un mécanisme réactionnel détaillé hétérogène. Ce mécanisme permet d’interpréter la réactivité chimique sur une surface d'aluminium. Le mécanisme s’appuie sur plusieurs hypothèses, les premières tendances dégagées sont satisfaisantes et cohérentes avec certaines observations de la littérature. Un solveur cinétique de surface a été intégré à un code de mécanique des fluides (CPS) permettant la simulation d’une goutte d’aluminium isolée en atmosphère contrôlée. Les résultats de cette étude numérique sont directement comparés à des résultats expérimentaux issus de la littérature. Les temps de combustion et les tailles de résidu d’alumine estimés sont en global accord avec les mesures expérimentales rapportées dans la littérature du domaine. Deux paramètres semblent influer sur la chimie de surface : la nature des gaz et la taille des particules. Plus la taille des particules est petite, plus la chimie de surface est importante
The aim of this study is to evaluate the importance of the surface chemistry involved in aluminum particle combustion. During the burning, aluminum particles add more energy to the system and significantly increase the specific impulse of solid rocket motors. This work provides a surface chemistry section to the simulation of single particle combustion. Multi-scale modeling is employed for the building of a detailed heterogeneous mechanism solving the chemistry on an aluminum surface. Quantum chemistry calculations are performed in order to establish a valuable thermodynamic and kinetic database for the building of the surface mechanism. Different assumptions are made to build the surface mechanism. Preliminary tendencies from zero dimensional calculation are satisfying and consistent with some literature observations. A surface kinetic solver has been added to a CFD code (CPS) that enables the simulation of single particle combustion. The numerical results are directly compared with experimental results from the literature. Estimated burning times and alumina residue show a decent agreement with experimental measurements from the literature. The atmosphere composition and the decreasing size of the particles make the surface chemistry more important

Ce travail est centre sur l'elimination de l'o-xylene a l'aide de catalyseurs zeolithiques echanges avec des metaux nobles (pt et pd). L'o-xylene subit deux reactions competitives : l'oxydation en co 2 sur les sites metalliques et la retention sur les sites acides (avec formation de coke). L'importance de chacune de ces reactions depend de plusieurs facteurs : temperature, temps de reaction, dispersion du metal et acidite du support. Sur une serie de catalyseurs pd/hfau d'acidite variable, la selectivite du catalyseur pour l'oxydation depend du rapport entre nombre de sites metalliques et nombre de sites acides. Il a ete montre, sur des catalyseurs prereduits, que l'espece active pour l'oxydation de l'o-xylene etait le palladium metallique (pd 0). Nous proposons un schema reactionnel sur pd/hfau ou le palladium metallique pd 0 conduirait rapidement en presence d'oxygene a un etat de transition pd 2 +o 2 , en verite la vraie phase active capable d'oxyder rapidement l'hydrocarbure aromatique et de se reoxyder en pd 0. Nous montrons que les catalyseurs pd/hfau peuvent egalement s'activer en cours de reaction, l'hydrocarbure pouvant lui-meme etre le reducteur. D'autre part, nous montrons que la structure poreuse des zeolithes a peu d'influence sur l'oxydation de l'o-xylene. Si certains catalyseurs tels que pd/hfau conservent leur activite apres plusieurs cycles de regeneration a 520\c, les catalyseurs pd/hzsm-5 et pd/mcm-41 se desactivent par frittage du metal, par contre le catalyseur pd/hmor s'active a cause d'une redispersion du metal. La comparaison de catalyseurs pt et pd montre que les catalyseurs au platine sont plus actifs que leurs homologues a base de palladium en depit d'une dispersion moindre, cela a cause d'une plus forte proportion de platine metallique (pt 0). Enfin il est montre que l'effet desactivant de l'eau pour la reaction est limite et reversible. Seule une fraction des sites actifs semble etre touchee.

Aujourd'hui, les nouvelles reglementations poussent les industriels à rendre les moteurs à combustion interne plus efficaces et moins polluants. Dans cet objectif, les simulations numériques tridimensionnelles des écoulements dans les moteurs, et en particulier les approches RANS, sont fréquemment utilisées dans les phases de conception. Cette thèse présente différents travaux effectués pour developper et valider un modèle de combustion turbulente utilisable en RANS et permettant la représentation de I'auto-inflammation ainsi que des flammes de diffusion dans des conditions typiques des moteurs Diesel. La première partie de cette thèse a pour objectif de montrer que les flammes de diffusion laminaires peuvent être approximées par des flammelettes dont les termes chimiques proviennent de tables d'auto-inflammations homogènes qui sont très rapides à calculer. Ces flammelettes sont ensuite utilisées pour générer une table turbulente, ce qui conduit au modèle ADF-PCM (Approximated Diffusion Flames Presumed Conditional Moment). Ce modèle est d'abord validé en termes de délais sur la simulation de I'expérience d'auto-inflammation de mélanges hydrogène/air développée à Cambridge. L'experience de Cabra est ensuite utilisée pour vérifier I'aptitude du modèle ADF-PCM à prédire correctement la hauteur de lift-off et la composition d'une flamme turbulente methane/air. La partie suivante concerne la prediction de la concentration de NO. Une approche basée sur des temps caractéristiques est proposée et validée sur la simulation de I'expérience de Cabra. Finalement, I'application d'ADF-PCM à la simulation aux grandes échelles et au calcul moteur est étudiée
Nowadays, due to more and more stringent regulations, internal combustion engines have to become more efficient and cleaner. For this purpose, three dimensional numerical simulations of the internal flows and specifically RANS simulations are frequently used by engineer during the engine conception. The aim of this work is the development of a turbulent combustion model dedicated to RANS simulations which should be able to represent auto-ignition as well as diffusion flames in physical conditions corresponding to Diesel engines. The fir~ part of this work aims at showing that laminar diffusion flames can be approximated by flamelets in which the chemical terms are extracte from a look-up table based on perfectly stirred reactors calculations. These flamelets can be calculated very fast and are then used to generate a turbulent look-up table, leading to the ADF-PCM model (Approximated Diffusion Fame Presumed Conditional Moment). This model is first validated in terms of auto-ignition delays predictions by simulating the hydrogen/air auto-ignition experiments developed at Cambridge University. Furthermore, an improved model which accounts for variable scalar dissipation rate is introduced. Then, the experiment of Cabra et al. Is used to quantify the ability of ADF-PCM to predict the lift-off height and the chemical composition of a methane/air lifted jet flame. The next part of this work concerns the prediction of the NO concentration. An approach based on characteristic times is retained and validated on the Cabra experiment simulation. To conclude this work, the application of ADF-PCM to large eddy simulations and to engine simulations is investigated

La combustion de la biomasse est une des principales sources de matières organiques fines (<2. 5μm) qui peut contribuer à plus de 70% de fractions organiques des aérosols et à plus de 50% de la masse PM2. 5 dans les zones urbaines. Cependant, le devenir de ces matières fines et leurs impacts sur le climat, l’environnement, la santé sont actuellement des questions ouvertes. D’autre part, les réactivités hétérogènes à l’interface gaz/particules dans l’atmosphère sont loin d’être entièrement expliquées. L’objectif de cette thèse était d’apporter une contribution aux objectifs du programme INTOX (étude de l’impact sanitaire des produits de combustion du bois), et de développer parallèlement de nouvelles connaissances sur la réactivité hétérogène chimique et photochimique des composés organiques émis dans l’atmosphère par la combustion de la biomasse. Les réactivités hétérogènes entre l’ozone gazeux et 12 composés organiques provenant de combustion de la biomasse, adsorbés sur les particules de silice ont été étudiées. L’étude de l’influence de différents paramètres tels que la photolyse, la photosensibilisation, la nature des composés sur cette réactivité a été également effectuée. L’ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse révèle l’importance des réactivités hétérogènes à l’interface gaz/particule. Ce type de réaction forme des produits de propriétés physicochimiques très variées, volatils, semi-volatils, polaires, peu polaires, de petites masses moléculaires à de grandes masses moléculaires ainsi que des oligomères. Ces produits formés interagissent alors dans différentes phases atmosphériques telles que la phase gazeuse, aqueuse et particulaire. Dans ce travail de thèse, les constantes cinétiques des réactions chimiques et photochimiques ont été calculées ainsi que leurs âges apparents. Les produits de la réaction ont été identifiés ; les principaux produits ont été confirmés et quantifiés avec leurs standards correspondants
Biomass combustion is one of the major sources of fine organic materials (<2. 5μm), which contribution has been estimated at more than 70% of the total organic fraction of aerosols and more than 50% of the mass PM2. 5 in urban areas. The transformation of this ultrafine particulate matter and its impact on climate, environment and health, yet remains an intriguing question. Moreover, the heterogeneous interactions between the gas-phase oxidants and aerosol particles in the atmosphere are not completely resolved. One of the primary goals of this thesis was to develop new knowledge towards chemical and photochemical heterogeneous chemistry of the organic compounds produced from wood combustion processes. To this end, the heterogeneous reactions between gaseous ozone and 12 of the most representative wood combustion products adsorbed on the silica particles were carried out at various experimental conditions of atmospheric relevance. The results obtained in this work show the importance of heterogeneous reactivities at the interface gas/particles. This type of reactions gives secondary products with a range of physico-chemical properties, i. E. Variable volatiliy, polarity and molecular masses (sometimes even oligomers). Such secondary products may interact with the gas, aqueous and solid phase in the atmosphere. In this thesis, the kinetic constants of chemical and photochemical reactions were determined as well. The reaction products were identified and the major products were confirmed and quantified by their corresponding standards

L'objectif de ce travail etait de synthetiser des catalyseurs actifs pour la reaction de combustion du methane, qui se realise dans le dernier etage de travail des turbines a gaz ou la temperature atteint des valeurs comprises entre 1200c et 1400c. En plus d'une activite intrinseque en oxydation, ces catalyseurs doivent conserver leur activite meme apres un traitement a haute temperature. Ces catalyseurs sont constitues par une matrice hexaaluminate de baryum (baal#1#2o#1#9), oxyde mixte thermostable, dans laquelle un ou plusieurs ions aluminium sont substitues par des ions actifs (ions des metaux nobles et ions des metaux de transition). La composition des catalyseurs sera bam#xal#1#2#-#xo#1#9 avec m egal a mn, cu, pd, ir et rh et x compris entre 0,5 et 4. Dans le cas de l'incorporation des metaux nobles, des problemes ont ete rencontres avec le palladium et l'iridium: a cause de la faible stabilite thermique des oxydes correspondants, ces metaux n'ont pu etre introduits dans la structure hexaaluminate. Par contre, un faible pourcentage du rhodium a pu etre incorpore dans la maille hexaaluminate, et le reste se trouvant occlus dans l'aluminate de baryum, phase intermediaire dans la formation de l'hexaaluminate de baryum. En revanche, l'incorporation des ions des metaux de transition donne des resultats plus encourageants. L'introduction d'un ion manganese et d'un ion cuivre dans la maille hexaaluminate conduit a des catalyseurs dont les activites a l'etat frais et a l'etat vieilli sont comparables. La substitution de plusieurs ions aluminium par le cuivre n'est pas possible, sans doute a cause des differences de charges entre les ions al#3#+ substitues et les ions cu#2#+ substituants. L'introduction progressive de plusieurs ions manganese dans la maille hexaaluminate (bamn#xal#1#2#-#xo#1#9, x compris entre 0,97 et 4) permet l'obtention de catalyseurs plus performants pour la reaction de combustion du methane et stables dans les conditions de travail des turbines a gaz. Le solide bamn#2#,#7al#1#1o#1#9 est le catalyseur le plus actif dans la reaction d'oxydation et son application dans les turbines a gaz serait envisageable

Le réchauffement climatique principalement dû aux émissions importantes de CO₂, gaz à effet de serre de référence, encourage les chercheurs à trouver des solutions pour lutter contre ce phénomène. Les techniques consistant à capter et stocker ou valoriser le CO₂ sont des solutions pertinentes, mais qui nécessitent d'avoir du CO₂ le plus pur possible. Parmi ces techniques, l'oxycombustion parait assez prometteuse pour produire du CO₂ en forte concentration. Toutefois, selon la nature du combustible et la pureté de l'oxygène, certains polluants peuvent apparaître tels que le CO et les NOx. Pour réaliser cette purification, la catalyse est un moyen efficace permettant de transformer simultanément le NO et le CO respectivement en N₂ et CO₂. L'objectif de cette étude est donc, de mettre au point des catalyseurs actifs pour la réduction des NOx en N₂ par le CO, dans un milieu oxydant et en présence d'eau. Deux types de catalyseurs ont été choisis : les métaux nobles (Pd, Pt, Rh) supportés et les oxydes de métaux de transition (Co, Cu, Al). Les résultats obtenus montrent que les catalyseurs à base de Pt sont plus performants et que leur activité catalytique augment pour les échantillons supportés sur un support neutre (SiO₂) ou réductible (TiO₂) que ce soit en présence ou en absence d'eau. Les oxydes mixtes de métaux de transition, obtenus par voie hydrotalcite, montre que la nature du cation bivalent joue un rôle important. Les oxydes mixtes Co-Cu ont montré une meilleure activité que les matériaux composés d'un seul de ces deux éléments. Cependant, l'ajout d'eau dans le flux réactionnel conduit à une baisse d'activité des catalyseurs contenant du Cu
Global warming, mainly due to high CO₂ emissions, reference greenhouse gas, motivates researchers to find solutions to combat this phenomenon. The techniques of capturing and storing or reuse of CO₂ are revelant solutions, but which require a CO₂ as pure as possible. Among these techniques, oxyfuel combustion seems promising enough to produce CO₂ in high concentration. However, depending on the nature of the fuel and the oxygen purity, some pollutants may appear such as CO and NOx. To carry out this purification, catalysis is an effective means for simultaneously converting NO and CO respectively into N₂ and CO₂. The objective of this study is to develop active catalysts for NOx reduction in N₂ by CO, in oxidizing conditions and presence of water. Two types of catalysts were chosen : supported noble metals (Pd, Pt, Rh) and transition metal oxides (Co, Cu, Al). The results obtained show that the Pt-based catalysts were more efficient and that their catalytic activity increases for the samples supported on a neutral support (SiO₂) or reducible (TiO₂) whether in the presence or absence of water. The mixed oxides of transition metals, obtained by hydrotalcite, show that the nature of the bivalent cation plays an important role. Co-Cu mixed oxides showed better activity than materials composed of only one of these two elements. However, the addition of water to the reaction flow led to a decrease in activity of the Cu-containing catalysts

Le sujet du Doctorat porte sur l'utilisation des voies de synthèse par mésostructuration pour la préparation de supports de catalyseurs poreux. Trois systèmes ont été abordés pendant la durée du Doctorat, mais l'objectif restait le même dans les trois cas puisqu'il s'agissait de contrôler la morphologie du support afin de permettre par la suite l'optimisation du catalyseur final. La première partie du travail a été consacrée à l'étude de la synthèse d'oxydes mixtes en milieu confiné (i. E. Dans la porosité d’un support hôte). Des composés de type pérovskite (ABO3, avec A le lanthane et B un métal de transition) ont été préparés et dispersés sur différents supports siliciques de textures différentes. L'approche adoptée pour la synthèse, une méthode originale d'autocombustion développée dans le cadre du Doctorat, a permis d'obtenir des nanoparticules d'oxyde mixte de taille restreinte (< 4 nm), dispersées de manière homogène dans la porosité du support hôte. De telles tailles sont rarement rapportées pour des oxydes mixtes de ce type. Des tailles de domaine cristallin de l'ordre de 15-30 nm pour ce type d'oxyde mixte sont généralement observées. Bien que l'étude de l'activité de ces solides n'ait pas été abordée dans le cadre de ce travail, la mobilité de l'oxygène dans ces matériaux est largement supérieure à celle mesurée pour des pérovskites massiques ce qui montre clairement que ces nanocristaux se comportent différemment des cristaux massiques. Dans une deuxième partie, la synthèse, les propriétés texturales et structurales, ainsi que l'activité de nanocomposites SiO2 – TiO2 sont présentés. Par dépôt contrôlé d'un précurseur organique de titane, il est possible d'obtenir des nanocristaux d'anatase accessibles dans la porosité d'un support mésoporeux. Le mode de synthèse utilisé permet de déposer des quantités élevées d'oxyde de titane (jusqu’à 55 %pds), sans obstruer la porosité du support ni altérer les propriétés physiques du composite final qui présente toujours une surface spécifique élevée. Le maintien de propriétés attractives peut être attribué à la taille limitée des particules de titane générées, qui est généralement de l'ordre de 4 nm ou moins. Comme dans le cas de pérovskites, ces nanoparticules présentent une mobilité d'oxygène élevée, et des tests de réactivité ont montré que le contrôle de la taille de particule permettait une modulation de l'interaction métal – support (effet SMSI) lorsqu'un métal noble était déposé à sa surface. La dernière partie du Doctorat portait sur la synthèse d'alumine, une autre phase importante pour la catalyse hétérogène. Différentes voies de synthèses par mésostructuration ont été abordées, ce qui a permis de mettre en évidence l'intérêt de ces procédures pour l'obtention de solides présentant des surfaces spécifiques élevées et des tailles de pores élevées. Des résultats préliminaires ont aussi montré la flexibilité de ces voies de synthèse pour la fonctionnalisation de la surface de l'alumine (par incorporation d'un métal de transition ou d’un métal noble lors de la synthèse)
First of all the study of the synthesis of mixed oxides of ABO, perovskite in the pores of a silica host is studied. A novel method of autoignition developed within the PhD has yielded mixed oxide nanoparticles of small size (<4 nm) homogeneously dispersed in the pores of the support while sizes of the order of 15-30 nm for this type of mixed oxide are generally observed. The mobility of oxygen in these materials is much higher than that measured for bulk perovskites. In second part, the synthesis, structural and textural properties, and the activity of SiO2-TiO2 nanocomposites are presented. Anatase nanocrystals of 4 nm or less, accessible in the pores of a mesoporous support are obtained. High amounts of titania were deposited without clogging the pores of the support or alter the physical properties of the final composite. These nanoparticles exhibit high oxygen mobility. Reactivity tests showed that control of particle size allowed to adjust the metal – support interaction (effect SMSI) where the noble metal was deposited on its surface. The last part of the PhD was on the synthesis of alumina by different routes of mesostructuration. The interest of these procedures of obtaining solids with high surface area and large pores has been shown. Preliminary results also showed the flexibility of these synthetic routes for the functionalization of the surface of alumina by incorporation of a noble metal of transition metal during synthesis

Employés dans les moteurs fusée civiles et militaires, les propergols composites sont caractérisés par une structure hétérogène au niveau microscopique. Ils sont constitués principalement de particules oxydantes insérées au sein d’une matrice de polymère, appelée liant. Le liant maintient l’intégralité structurelle du propergol, et fournit par sa pyrolyse des gaz dont la combustion est responsable de la majorité du dégagement de chaleur dans la flamme. Les produits de combustion des particules oxydantes permettent l’oxydation du fuel généré par la pyrolyse du liant.Le perchlorate d'ammonium (PA) est un oxydant largement utilisé dans les propergols composites, principalement en association avec un liant polymère tel que le polybutadiène hydroxytéléchélique (PBHT). Les propergols nouvelle génération pourraient inclure des nitramines dans leur composition, telles que l'hexogène (RDX), en remplacement partiel du PA pour certaines fins spécifiques. En particulier, la réduction de la quantité de PA contenue dans le propergol permet de limiter la formation d'une traîné visible à l'échappement du moteur, réduisant la signature du véhicule.Dans cette thèse, nous proposons de revisiter les études menées sur la combustion des propergols PA/PBHT classiques, ainsi que de caractériser l'effet de l'inclusion du RDX dans leur composition.A cette fin, une première partie de la thèse est dédiée à la mise en place de modèles de combustion pour les ingrédients considérés: PA, mélange PA/PBHT homogénéisé, et RDX.Un mécanisme de cinétique chimique est mis au point, capable de représenter les processus chimiques caractéristiques de la combustion de l'ensemble de ces matériaux énergétique. Pour chaque ingrédient, un modèle de décomposition en phase condensée est par ailleurs formulé, pour être associé au mécanisme cinétique. Des simulations unidimensionnels sont alors réalisées en approche couplée flamme/solide, afin de valider l’ensemble sur les données expérimentales disponibles.De part leur structure hétérogène, l'étude de la combustion d'un propergol composite nécessite l'utilisation de méthodes numériques multidimensionnelles. Une seconde partie de la thèse est donc dédiée au développement et à la validation d’un code de calcul 2D, permettant la simulation de la combustion d’une particule oxydante entourée d'une couche de liant, en configuration axisymmétrique.Dans une dernière partie, les modèles de combustion mis au point sont utilisés conjointement avec le code de calcul développé afin d’étudier l’effet de l’inclusion du RDX dans un propergol PA/PBHT classique. Pour la première fois, la structure de la flamme produite par un propergol PA/PBHT/RDX est obtenue et caractérisée. Une étude est menée sur l'effet de la pression et de la taille des grains de RDX sur la régression du propergol, mettante en évidence l’existence de différents régimes de combustion. Des recommandations sont faites afin d'optimiser les performances de ce type de composition
Used in civil and military rocket engines, composite propellants are characterized by a heterogeneous structure at the microscopic level. They consist mainly of oxidizer particles embedded in a polymer matrix known as the binder. The binder maintains the structural integrity of the propellant, and produces via its pyrolysis gases whose combustion is responsible for most of the heat release within the flame. The combustion products of the oxdizer particles oxidize the fuel generated by the binder.Ammonium perchlorate (AP) is a widely used oxidizing agent in composite propellants, mainly in association with a polymer binder such as hydroxytelechelic polybutadiene (HTPB). Next-generation propellants could include nitramines in their composition, such as hexogen (RDX), as a partial replacement for AP for certain specific purposes. In particular, reducing the amount of AP contained in the propellant can limit the formation of a visible trail at the engine exhaust, reducing the vehicle's signature.In this thesis, we propose to revisit the studies carried out on the combustion of conventional AP/HTPB propellants, and to characterize the effect of RDX inclusion in their composition.To this end, the first part of the thesis is dedicated to the development of combustion models for the ingredients under consideration: AP, homogenized AP/HTPB blend, and RDX.A chemical kinetics mechanism is assembled, capable of representing the chemical processes characteristic of the combustion of all these energetic materials. For each ingredient, a condensed-phase decomposition model is also formulated, to be associated with the kinetic mechanism. One-dimensional simulations are then carried out using a coupled flame/solid approach, in order to validate the whole on available experimental data.Due to their heterogeneous structure, the study of composite propellant combustion requires the use of multidimensional numerical methods. A second part of the thesis is therefore dedicated to the development and validation of a 2D calculation code, enabling the simulation of the combustion of an oxidizer particle surrounded by a layer of binder, in an axisymmetric configuration.In a final section, the combustion models and the computational code are used in conjunction to study the effect of RDX inclusion in a conventional AP/HTPB propellant. For the first time, the flame structure produced by such AP/HTPB/RDX propellant is obtained and characterized. The effect of pressure and RDX particle size on propellant regression is investigated, demonstrating the existence of different combustion regimes. Recommendations are made for optimizing the performance of this type of composition

Avec la sévérisation des réglementations environnementales sur les émissions polluantes (normes Euro) des moteurs d'automobiles, la nécessité de maitriser les phénomènes de combustion a motivé le développement de la simulation numérique comme outil d'aide à la conception. Tenant compte de la complexité des phénomènes à modéliser, et de l'antagonisme des objectifs à optimiser, l'optimisation évolutionnaire multi-objectif semble être la mieux adaptée pour résoudre ce type de problèmes. Cependant, l'inconvénient principal de cette approche reste le coût très élevé en termes de nombre d'évaluations qui peut devenir très contraignant dans le contexte des optimisations réelles caractérisées par des évaluations très coûteuseL'objectif principal de ce travail de thèse est de réduire le coût global des optimisations du monde réel, en explorant la parallélisation des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs, et en utilisant les techniques de réduction du nombre d'évaluations (méta-modèles).Motivés par le phénomène d'hétérogénéité des coûts des évaluations, nous nous proposons d'étudier les schémas d'évolution stationnaires asynchrones dans une configuration parallèle de type " maître-esclave ". Ces schémas permettent une utilisation plus efficace des processeurs sur la grille de calcul, et par conséquent de réduire le coût global de l'optimisation.Ce problème a été attaqué dans un premier temps d'un point de vue algorithmique, à travers une adaptation artificielle des algorithmes évolutionnaires multi-objectifs au contexte des optimisations réelles caractérisées par un coût d'évaluation hétérogène. Dans un deuxième temps, les approches développées et validées dans la première partie sur des problèmes analytiques, ont été appliquées sur la problématique de la combustion Diesel qui représente le contexte industriel de cette thèse. Dans ce cadre, deux types de modélisations ont été utilisés: la modélisation phénoménologique 0D et la modélisation multidimensionnelle 3D. La modélisation 0D a permis par son temps de retour raisonnable (quelques heures par évaluation) de comparer l'approche stationnaire asynchrone avec celle de l'état de l'art en réalisant deux optimisations distinctes. Un gain de l'ordre de 42 % a été réalisé avec l'approche stationnaire asynchrone. Compte tenu du temps de retour très coûteux de la modélisation complète 3D (quelques jours par évaluation), l'approche asynchrone stationnaire déjà validée a été directement appliquée. L'analyse physique des résultats a permis de dégager un concept intéressant de bol de combustion permettant de réaliser un gain en termes d'émissions polluantes.

L'etude porte sur la propagation d'un front de combustion sur differents modeles de milieux heterogenes. Quatre reseaux, de maillage carre, comportant des sites combustibles et non-combustibles (ou rendus tels) aleatoirement repartis ont ete construits. En absence de vent, la maitrise des interactions entre sites permet de confirmer les resultats topologiques statiques de la theorie de la percolation. De plus, l'analyse de la dynamique de la propagation a montre que les exposants critiques mis en evidence sont proches de ceux des modeles theoriques existants. Dans le cas ou les flammes sont poussees par le vent, les resultats obtenus apparaissent compatibles avec les approches de la percolation dirigee. La criticite de la transition propagation/non-propagation du feu a ainsi ete confirmee experimentalement avec ou sans vent.

Dans ce travail la situation d'interaction flamme-paroi telle qu'elle peut etre trouvee dans les chambres de combustion a volume constant est etudiee. Pour ce faire, les equations de navier-stokes compressibles mono-dimensionelles, avec des mecanismes detailles pour la cinetique chimique et la diffusion sont resolues. Les deux premieres parties de cette etude se concentrent sur l'influence de la temperature de la paroi et du carburant sur le processus d'extinction et la zone de combustion parietale. Les resultats numeriques sont en bon accord avec les donnees experimentales les plus recentes jusqu'a une temperature de 400k, mais montrent une difference croissante pour les temperatures plus elevees. Cela est du a une tres forte augmentation de la concentration de radicaux h, o et oh pres de paroi et a leurs fortes reactions de recombinaison consecutives. En raison d'une concentration tres faible de radicaux libres a la paroi dans le regime de temperature entre 300 et 400k la paroi peut etre consideree comme chimiquement inerte et les processus de diffusion thermique comme jouant un role negligable durant l'interaction flamme-paroi. La troisieme partie de cette these est consacree au couplage des reactions homogenes/heterogenes avec le transport sur une surface reactive durant l'interaction flamme-paroi. On montre que pour donner une description la plus exacte de l'interaction flamme-paroi a des temperatures de paroi elevees les processus de diffusion, d'adsorption et de recombinaison des radicaux libres sur la surface doivent etre decrits en premier. Les resultats font aussi apparaitre un flux de chaleur a la paroi en augmentation avec la temperature ce qui est en excellent accord avec les donnees experimentales existantes. De plus, il est montre que dans les regimes de concentration surfacique elevee une modelisation du processus d'adsorption selon le theoreme de langmuir n'est pas adaptee, et qu'une description des processus d'adsorption selon un modele de precursor-state est necessaire

La dispersion de particules solides par explosif et leur inflammation dans l'air, ainsi que des effets de souffle générés sur le milieu connexe ont été étudiés par voie expérimentale et numérique. La configuration retenue est l'explosion en champ libre de charges sphériques, constituées d'un noyau central d'explosif solide (booster), entouré de particules inertes (billes de verre) ou réactives (particules d'aluminium). Les diagrammes de marche sont tracés à partir des résultats fournis par des capteurs de pression piezo-électriques et des images obtenues par cinématographie rapide et traitées numériquement par méthode de "Background Oriented Schlieren" (BOS). Des échantillons de particules capturés dans le nuage fournissent des informations sur leur état après l'explosion. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux simulations numériques effectuées à l'aide du code de calcul d'écoulements réactifs multiphasiques EFAE du LCD. La frontière du nuage formé présente un aspect caractéristique en forme de dendrites, due à la formation d'agglomérats de particules de quelques millimètres. Après 1m de propagation, une partie de ces agglomérats dépasse le choc incident par effet balistique. Les particules de verre sont brisées par le choc. Elles ralentissent l'onde de souffle et diminuent son amplitude. L'effet des particules d'aluminium dépend de leur taille : avec les plus fines, on observe, après une phase initiale de ralentissement de l'onde de souffle, la ré-accélération de celle-ci et une augmentation de l'impulsion de pression. Avec les plus grosses particules, le choc s'atténue, mais leur combustion se traduit par une augmentation de la pression dans l'écoulement en arrière du front et un faible accroissement de l'impulsion. Les agglomérats recueillis indiquent que, dans tous les cas, la combustion de l'aluminium est incomplète. Les simulations numériques sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux dans le champ lointain
The explosive dispersion of particles and their inflammation in air along with the blast wave effects were investigated experimentally and numerically. The experimental configuration consisted in studying the free-field explosion of spherical charges made of a central booster of solid explosive surrounded by a loose-packed density shell of inert (glass spheres) or reactive (atomized and flaked aluminium) particles. The high speed cinematography of the explosions coupled with image processing by a "Background Oriented Schlieren" method, and the pressure records by piezoelectric gauges permit to plot the x-t diagrams of the explosions. A technique has been developed to capture samples of dispersed particles and to make their post-analysis. The experimental results are confronted with numerical simulations performed with LCD’s reactive multiphase flows code EFAE. The boundary of the dispersed cloud is not uniform but has a spiky shape with dendrites due to the formation of particle agglomerates of several millimetres. After 1m of propagation, some of those agglomerates overcome the leading shock front due to a ballistic effect. Glass particles are disintegrated by the shock. They have a mitigating effect, making the shock propagation slower and decreasing its amplitude. The effect of aluminium particles depends on their size: with the finer ones, after an initial slowdown phase, a re-acceleration of the leading shock and an increase of the pressure impulse are observed. With coarser particles, the shock is weakened but particle combustion raises the pressure level behind the shock front and slightly increases its impulse. An analysis of the collected agglomerates reveals that, in all cases, the combustion of aluminium particles is incomplete. Numerical simulations are in reasonable agreement with experimental results in the farfield domain

Développement d'une méthode de mesure, basée sur l'émission-absorption du rayonnement thermique dans le proche infrarouge entre 1 et 5 microns, permettant de déterminer des valeurs ponctuelles sur toute l'épaisseur visée pour pouvoir établir les champs radiaux aussi bien qu'axiaux des températures et tester les modèles à deux dimensions

Les résultats établis durant ce travail de thèse concernent la résolution de problèmes multi-échelles, pour lesquels nous mettons en place - en les justifiant aussi rigoureusement que possible - des techniques de résolution en vue de répondre à une problématique physique particulière. Le premier problème multi-échelle traité est celui de la diffusion de la chaleur dans un milieu fissuré, où coexistent deux échelles spatiales. Nous montrons en particulier que l'effet des fissures peut être modélisé par un terme source volumique dans l'équation de la chaleur homogénéisée. Le second problème multi-échelle abordé traite des plasmas de fusion étudiés dans le contexte de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). On établit une modélisation détaillée au niveau cinétique du processus de combustion de l'hydrogène réagissant suivant la réaction de fusion D + T→ α + n + 17. 56 MeV. L'aspect mufti-échelle du problème est ici lié à la co-existence de deux échelles d'énergie nécessaires pour décrire les populations ioniques à traiter. Une analyse mufti-échelle du processus de ralentissement des particules suprathermiques modélisé par l'opérateur de Fokker-Planck conduit à l'élaboration d'une stratégie originale de résolution des équations cinétiques et apporte des résultats nouveaux relatifs à la combustion des cibles FCI
The results established in this thesis deal with some multi-scale problems for which we design specially taylored techniques in order to tackle a specific physical problem, in which the multi-scale aspect plays a crucial role. We also try to justify, as rigorously as possible, the different methods we propose. The first considered multi-scale problem deals with the heat equation inside a cracked medium. In particular, following a homogeneization approach, we show that the crack effects can be modeled by a volume source term in the homogenized heat equation. The second multi-scale problem is related to the modeling of fusion plasma, in the Inertial Confinement Fusion (ICF) context. We derive an accurate kinetic modeling of the combustion process of hydrogen. The multi-scale aspect of the problem comes from the coexistence of two energy scales that are required to describe the different ion populations. A multiscale analysis of the Fokker-Planck operator leads to an original and efficient strategy to solve the kinetic modeling of ICF target combustion

In this work, reactive unsteady three-dimensional numerical simulations of a Chemical Looping Combustion (CLC) plant are performed. The plant is a 120 kWth pilot working with Ca-Mn-based material as selected oxygen carrier. Numerical simulations are performed by NEPTUNE_CFD code using an Euler-Euler approach which computes both the gas and the solid phases in an Eulerian fashion accounting for specific closures in order to model interphase mass, momentum and energy transfers. Reduction and oxidation heterogeneous (i.e. gas-solid) reactions are modeled by means of a grain model (shrinking core model in the grain) accounting for both the competing mechanisms of chemical reaction at the particle internal surface and gaseous diffusion through the product layer. Results from numerical simulations are validated against experimental measurements and analyzed in order to gain insight in the local behaviour of the reactive gas-particle flow in the CLC system. The theoretical/numerical tool developed in this work will be used for design upgrade recommendation in the stage of scaling-up from pilot to industrial facilities.

Les processus physico-chimiques de propagation des détonations dans les mélanges hétérogènes gaz-particules solides ou gaz-gouttelettes liquides ont été analysés à partir de simulations numériques de la structure cellulaire de détonation. Dans le cas des suspensions de particules d'aluminium, deux modèles de combustion ont été incorporés au code de calcul EFAE du LCD. En utilisant un seul paramètre d'ajustement pour se calibrer sur les résultats expérimentaux existants, on obtient des valeurs raisonnables de la largeur caractéristique de la structure cellulaire = 40 cm pour le mélange Al/Air et = 5-10 cm pour le mélange Al/O2. L'influence du diamètre des particules dp0 a été mise en évidence sur les longueurs de zones d'induction Li et de combustion Lc (Li dp0 et Lc d1:8 p0 ) et sur la structure cellulaire : d1:4 p0 . Contrairement au cas des détonations gazeuses, l'inflammation des particules n'a pas lieu derrière les points triples, mais dans les zones de basse pression où la concentration en particules est plus faible, permettant ainsi leur inflammation rapide. Le régime hélicoïdal de détonation a été simulé pour la première fois dans les mélanges de particules d'aluminium en suspension dans atmosphère gazeuse oxydante. Les valeurs du rayon critique de détonation Rc et de l'énergie critique d'initiation Ec (obtenues par extension des corrélations établies dans les gaz) ont été prédites : Rc = 1 m, Ec = 105 J (Al/O2) et Rc = 8 m, Ec = 5.12 x 107 J (Al/Air). Elles sont confirmées par les expériences existantes. Dans le cas d'aérosols de gouttelettes d'hydrocarbures, un modèle d'évaporation basé sur le mode dit de "stripping" derrière un choc et sur le régime diffusif, couplé à une cinétique chimique à deux étapes (induction-combustion), a été incorporé au code. Les premières simulations de la structure cellulaire pour les mélanges air-octane mènent à une taille de cellule en accord avec les résultats expérimentaux existants ( = 4-5 cm).

Présent dès les premiers instants de la combustion, les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) jouent un rôle prépondérant dans la formation des suies avant d’être adsorbés par les particules ainsi formées. Les HAP influencent ainsi la quantité, la composition et la morphologie des suies émises pendant la combustion. L'étude de l'évolution de la phase adsorbée de ces particules au sein de la flamme doit permettre de mieux comprendre leur mécanisme de formation ainsi que leur impact sur la santé et l’environnement. Une expérience originale dédiée à une telle étude et basée sur le couplage des techniques de Désorption Laser, Ionisation Laser et Spectrométrie de Masse a été développée pendant cette thèse. Des suies collectées dans des flammes sont irradiées par un laser à 532 nm permettant ainsi la libération des HAP adsorbés. Les HAP sont ionisés par un deuxième laser à 266 nm avant d'être finalement analysés dans un spectromètre de masse à temps de vol. L’interprétation des spectres ainsi obtenus a fait l’objet d’une analyse très approfondie afin de caractériser les étapes de désorption et d’ionisation. Les analyses, réalisées dans différents types de flammes permettent d’identifier les HAP présents à la surface des suies à différents stades de leur formation, l’étendue des spectres variant fortement dans la zone de nucléation des suies. Afin de distinguer les HAP gazeux de ceux adsorbés, une nouvelle méthode de collecte basée sur le dépôt des suies et des HAP gazeux sur des substrats différents a été développée. Par ce biais, l’implication de réactions hétérogènes entre les HAP gazeux et les suies dans la croissance de ces dernières a pu être mise en évidence
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH) are important precursors of carbonaceous soot particles, thus influence the quantity and morphology of particulate emission of combustion processes. Furthermore the PAH adsorbed on the surface of the soot particles contribute to the carcinogenicity of the particles, so there is scientific interest in characterising and quantifying those species to provide key information on the mechanism of soot formation and to understand their impact on environment and human health. An original setup based on the coupling of Laser Desorption, Laser Ionisation and Time-Of-Flight Mass Spectrometry techniques has been dedicated to the analysis of PAH desorbed from soot. Briefly, soot is sampled from flames using an extractive vacuum probe and deposed on porous filters. The samples are irradiated with a 532 nm laser beam to promote the desorption of neutral molecules. The ejecta are then ionised with a 266 nm laser beam, and the positive ions produced this way are mass analysed in a TOF-MS. The complete characterisation of the desorption and ionisation process has been the first goal of this work. The acquired expertise allowed investigations on different flames in which the PAH have been identified and studied at different level of their formation. Particularly, relevant differences in the mass spectra have been detected in the soot inception region. A new method based on the deposition of soot on different substrates is proposed in order to distinguish the PAH belonging to the gas-phase during the sampling from those adsorbed on soot particles, hence the role of the heterogeneous reactions between gaseous PAH and soot particles has been highlighted