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L'analyse aérodynamique de la combustion turbulente dans un moteur alimenté en gaz naturel, dépend fortement des caractéristiques de la turbulence et celles des flammes laminaires. La structure de la flamme turbulente à haut régime de fonctionnement du moteur est située entre la flamme plissée pour un mélange relativement riche, et celui de flammelettes avec formation de poches de gaz frais pour un mélange pauvre. Cette structure déchiquetée du front de flamme révèle le caractère instable de la combustion en mélange pauvre, et suggère une forte interaction entre la turbulence et la combustion dans les moteurs alimentés en gaz naturel.

The author, reporting the medical history of one patient, whom he, about the endometritis of the cervix and the body of the uterus and left-sided catarrhal salpingitis, made the expansion of the uterine cavity with kelp for curettage.

Le moteur downsizé à allumage commandé constitue l'une des voies principales explorées par les constructeurs automobiles pour améliorer le rendement et réduire les émissions de dioxyde de carbone des motorisations essence. Il s'agit de combiner une réduction de la cylindrée avec une forte suralimentation afin d'améliorer le rendement du moteur, en particulier à faibles et moyennes charges. Leur mise au point est limitée par l'augmentation des combustions anormales, dont le contrôle par forte dilution peut également entraîner l'apparition de variabilités cycliques importantes. Actuellement, la compréhension des nombreux paramètres intervenant dans l'apparition de ces phénomènes et de leurs interactions, reste encore imparfaite. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension des mécanismes impliqués dans les processus de propagation des flammes turbulentes. Cette étude est réalisée dans une enceinte de combustion sphérique haute pression haute température, équipée de ventilateurs générant une turbulence homogène et isotrope. La première partie de ce travail est consacrée à l'étude de la combustion prémélangée laminaire isooctane/air. Dans un deuxième temps, l'aérodynamique de l'écoulement dans l'enceinte est finement caractérisée par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules. Enfin, la propagation des flammes turbulentes est étudiée en termes de vitesse à partir de visualisations par ombroscopie. Une loi unifiée, permettant de décrire la propagation des flammes turbulentes indépendamment des conditions thermodynamiques initiales, de l'intensité de la turbulence et de la nature du mélange réactif est notamment proposée.

La propagation de flammes en expansion dans un prémélange propane-air est étudiée pour des mélanges présentant des répartitions hétérogènes de combustible. Dans une première partie, une flamme laminaire est allumée dans une stratification symétrique de combustible. Pendant la propagation de la flamme, des enregistrements tomographiques sont effectués pour différents temps de propagation et différentes répartitions initiales de combustible. Dès le début de la propagation, la flamme dans son ensemble est influencée par la stratification. La courbure moyenne peut être déduite du comportement de la flamme homogène dans des conditions stoechiométriques à travers une loi linéaire ; cette loi dépend de l'amplitude initiale de la fraction de mélange 𝑍 et du temps de propagation. Des mesures simultanées de vitesse absolue de déplacement et d'émission de radicaux OH* et CH*, combinées avec des mesures de 𝑍 par P. L. I. F. Montrent la faible contribution du terme -2𝘋/𝑍 𝑛. Grad(𝑍) présent dans la définition de la vitesse de déplacement du front de flamme. On montre que "l'effet mémoire" de la stratification est principalement dû au réservoir de radicaux et de température induit, à l'inertie de l'allumage et à l'expansion thermique liée aux zones brûlant à la stoechiométrie. Dans une seconde partie, pour une turbulence de grille donnée, une comparaison entre des flammes de prémélanges homogènes et hétérogènes est réalisée, et ce, pour différentes fractions de mélanges moyennes et niveaux de fluctuations. L'étude géométrique des flammes montre l'importance du niveau d'hétérogénéités sur la propagation pour les différentes conditions. Dans les premiers temps de propagation, les fluctuations de fraction de mélange n'affectent pas la taille de la flamme, pour des conditions moyennes stoechiométriques. Dans les instants suivants, un niveau optimum d'hétérogénéités peut être déterminé, sous forme d'un couple (𝑍, 𝑍'), pour lequel la propagation de la flamme est équivalente aux flammes homogènes ayant une fraction de mélange moyenne supérieure. Ce soutien est dû au réservoir chimique et thermique induit, permettant d'obtenir une combustion dans un milieu en dessous des limites classiques d'inflammabilité.

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

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

En vue d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, l’Union européenne envisage l'hydrogène comme un vecteur énergétique prometteur afin de réduire la consommation des ressources fossiles. Alors que les piles à combustible et les véhicules électriques occupent déjà une place importante dans la décarbonation du secteur des transports, l'hydrogène est également considéré comme une alternative aux carburants conventionnels pour les véhicules lourds. Toutefois, de nombreux obstacles liés aux propriétés physico-chimiques ainsi qu’à la combustion pauvre en hydrogène sont encore à l’étude : apparition de phénomènes de combustion anormale, production d'oxydes d'azote, instabilités dues aux effets thermodiffusifs. Cette thèse contribue à la compréhension du processus d’auto-inflammation des mélanges pauvres hydrogène/air ainsi qu’au phénomène de propagation des flammes prémélangées laminaires et turbulentes. Dans une première partie, des mesures de délais d’auto-inflammation hydrogène/air et hydrogène/air/oxydes d’azote sont réalisées à l’aide d’une machine à compression rapide afin de revisiter et valider un mécanisme cinétique dans des conditions similaires à celles rencontrées dans un moteur à allumage commandé. Dans une deuxième partie, des flammes laminaires prémélangées en expansion sont étudiées au sein d’une chambre de combustion sphérique à volume constant, en faisant varier la température initiale ainsi que la dilution à la vapeur d’eau et en considérant les instabilités intrinsèques liées aux propriétés physico-chimiques de l’hydrogène : instabilités thermodiffusives, hydrodynamiques et liées à la pesanteur. Dans une dernière partie,des flammes turbulentes prémélangées en expansion sont caractérisées par génération d’une turbulence homogène et isotrope au sein d’une chambre sphérique. Une étude paramétrique est réalisée par rapport à un cas de référence en faisant varier l’intensité turbulente, la pression initiale et la richesse. Finalement, une corrélation turbulente est proposée afin de décrire la propagation de ces flammes et en vue d’être utilisée dans des modèles numériques
In order to reach carbon neutrality by 2050, the European Union is considering hydrogen as a promising energy carrier to reduce reliance on fossil fuels. While fuel cells and electric vehicles already play an important role in decarbonizing the transport sector, hydrogen is also seen as an alternative to conventional fuels for heavy-duty vehicles. Yet, a number of challenges linked to the physico-chemical properties of lean hydrogen combustion are still under investigation: abnormal combustion phenomena, production of nitrogen oxides,instabilities due to thermodiffusive effects, to state a few. This thesis contributes to the understanding of the auto-ignition process in lean hydrogen/air mixtures, as well as the propagation of laminar and turbulent premixed flames. First, measurements of hydrogen/air and hydrogen/air/nitrogen oxides ignition delay times are carried out using a rapid compression machine, to update and validate a kinetic mechanism under spark ignition engine-like conditions. Second, outwardly propagating spherical premixed laminar flames were studiedin a constant-volume combustion chamber, varying the initial temperature and steam dilution, and considering the intrinsic instabilities linked to the physico-chemical properties of hydrogen namely thermodiffusive,hydrodynamic and gravity-related instabilities. Then, expanding premixed turbulent flames are characterized by the generation of a homogeneous and isotropic turbulence zone within a spherical chamber. A parametric study is conducted by varying turbulent intensity, initial pressure and equivalence ratio. Finally, a turbulent correlation is proposed to describe the turbulent propagation of such flames, for use in numerical models

Le but de cette thèse est l'étude d'un système d'équations différentielles non linéaires du second ordre à valeur propre. Ce problème modélise l'écoulement monodimensionnel d'une flamme laminaire se propageant dans un tube long On considère une réaction simple d'ordre n de type : REACTANT→ PRODUIT, et on permet à la flamme d'échanger de la chaleur avec les parois du tube. Dans la limite des nombres de Mach petits, le problème d'onde plane se réduit, après renormalisation à un système d'équations de réaction-diffusion: Déterminer la température du mélange u, la concentration du réactant v et 1'intensité des pertes thermiques h, solution du problème :-u"+cu'- v'ⁿf(u)-hg(u) u(-∞)=u(+∞)=O -Λv"+cv'=-vⁿf(u) v (-∞)=1; v'(+∞)=O. On analyse ensuite le comportement asymptotique des solutions lorsqu'un petit paramètre ɛ tend vers O. Enfin, on effectue une analyse de perturbation singulière rigoureuse, d'où l'on déduira une relation limite entre h et c
The aim of this thesis is to study a system of two eigenvalue nonlinear differential equations. This problem arises in the modeling of a premised laminar flame moving in a long tube. We consider a single step chemical reaction of nth order. REACTANT→ PRODUCT and allow the heat transfert between the flame and the tube walls. In the limit of small Mach numbers, the one dimensional travelling wave problem reduces after renormalization to a system of reaction diffusion equations: To find u the mixture temperature, u the reactant concentration, and h the heat loss intensity solution of :-u"+cu'- v'ⁿf(u)-hg(u) u(-∞)=u(+∞)=O -Λv"+cv'=-vⁿf(u) v (-∞)=1; v'(+∞)=O. Then we analyse the asymptotic behavior of the solutions as a small parameter ɛ goes to 0. Lastly, we establish a rigorous singular perturbation analysis which yields a limit relationship between h and c

Diverses analyses asymptotiques, numeriques ou mathematiques de flammes monoreactionnelles planes ou etirees. Plusieurs etudes numeriques de flammes etirees a cinetique chimique complexe. Limites d'extinction de ces flammes en fonction de la nature du melange gazeux reactif et de l'etirement impose par l'ecoulement

Nous présentons les résultats d'une étude expérimentale et numérique sur l'action d'un champ magnétique non uniforme sur une flamme de diffusion laminaire dans l'air ambiant. Nous montrons que l'impact d'un gradient magnétique vertical sur une flamme de diffusion est similaire à l'impact de la gravité. En effet, due à la différence de susceptibilité magnétique entre l'air (paramagnétique) et la flamme (diamagnétique), un gradient magnétique vertical induit dans la flamme une gravité apparente g*, mesurée relativement à la gravité terrestre g par le coefficient G=g*/g. En G=0 (apesanteur), la flamme a la même forme hémisphérique et la même couleur bleue qu'une flamme de diffusion en microgravité dans une tour de chute libre. En G>1 (gravité élevée), l'évolution de la longueur permet d'accéder à la gamme 0
We report the results of an experimental and numerical study on the effect of a non-uniform magnetic field on a laminar diffusion flame in ambient air. We show that the impact of a vertical magnetic gradient on flame is similar to taht of gravity. Indeed, due to the difference of magnetic susceptibility of air and flame, a vertical magnetic gradient induces within flame an apparent gravity g*, measured relatively to earth gravity g by the coefficient G=g*/g. In g=0 (zero gravity), flame as the same hemispherical shape and the same blue colour of a diffusion flame at microgravity in drop towers. In g>1 (elevated gravity), the evolution of flame length is the same than that for flames at elevated gravity in centrifuges. Magnetic field allows to access to the range 0