Дисертації з теми "Flammes laminaires en expansion"

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

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

Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitesses fondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant la stabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d'étirements subits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L'approche ici développée a tout d'abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive des résultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX, OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l'approche proposée. Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencées dans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force de thermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses de flammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges a été conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contre-courant, les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultats obtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l'étirement des flammes de syngas a été caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges (5/95 to 50/50 % H2/CO).

Ce travail a pour objectif de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l'application d'un gradient de champ magnétique sur le développement d'une flamme de diffusion laminaire décrochée. Les propriétés de ce type de flamme dépendent beaucoup des vitesses d'éjection, de la géométrie du brûleur et du nombre de Scmidt des carburants. Nous avons ici considéré une configuration d'une flamme laminaire de diffusion de méthane/air, issue d'un brûleur coaxial, débouchant dans de l'air ambiant. Le champ magnétique est généré par un aimant permanent. L'étude expérimentale montre que la hauteur de décrochage est très sensible au débit d'air mais peu au débit de méthane. L'application du champ magnétique permet de réduire la hauteur de décrochage et renforce la stabilité de la flamme. L'étude numérique a été conduite dans le cas sans et avec champ, à partir d'un code CFD dans lequel, deux modifications ont été apportées : ajout d'un modèle de rayonnement qui permet de prendre en compte les pertes radiatives des gaz chauds et prise en compte de l'influence du champ magnétique par l'ajout d'une force volumique dans l'équation de quantité de mouvement. Il a été montré que la hauteur de décrochage dépend fortement du débit d'air mais peu du débit de méthane. L'application du champ magnétique permet de réduire la vitesse de l'air et le gradient spatial de fraction massique de méthane, phénomènes importants dans la diminution de la hauteur de décrochage et dans l'augmentation de la vitesse de propagation de la flamme.

Cette étude est consacrée à l'élaboration d'une méthodologie de détermination des vitessesfondamentales des flammes laminaires, en utilisant un diagnostic de Vélocimétrie par Imagerie deParticules (PIV). Ce dernier est appliqué aux écoulements réactifs avec point de stagnation, permettant lastabilisation de flammes planes, stationnaires et en conditions quasi adiabatiques. Les effets d’étirementssubits par la flamme sont également quantifiables et parfaitement maîtrisés. L’approche ici développée atout d’abord été appliquée aux mélanges méthane/air pour validation. Une comparaison exhaustive desrésultats obtenus avec les données de la littérature est effectuée. Les codes de combustion 1D (PREMIX,OPPDIF) et 2D (Fluent©) ont été utilisés afin de confirmer la fiabilité et la précision de l’approche proposée.Une attention particulière a été accordée à la caractérisation du mouvement des particules ensemencéesdans les écoulements réactifs divergents, avec notamment la prise en considération de la force dethermophorèse. La méthode développée a ensuite été appliquée à la détermination des vitesses deflammes laminaires de divers mélanges de syngas (H2+CO). Une étude comparative sur ces mélanges aété conduite en utilisant des approches expérimentales multiples comprenant : les flammes à contrecourant,les flammes à propagation sphérique ainsi que les flammes stabilisées coniques. Les résultatsobtenus pour chaque approche ont été confrontés et la sensibilité à l’étirement des flammes de syngas aété caractérisée pour une large gamme de richesses (E.R.=0.4 to 5.0) et de compositions de mélanges(5/95 to 50/50 % H2/CO)
In the context of CO2 emission reduction, the present study is devoted to the development of alaminar flame speed measurement methodology, using the Digital Particle Image Velocimetry (DPIV)diagnostic. The latter is applied to stagnation flow flames, seen to have considerable assets for suchstudies. Indeed, flames stabilized in these diverging flows are planar, steady and in near-adiabaticconditions, while subtraction of strain effects on flame is intrinsically allowed. The methodology developedherein has been applied to the well-characterized methane/air mixtures for validation. An extensivecomparison with the literature datasets has been provided. Both 1D (PREMIX, OPPDIF) as well as 2D(Fluent©) numerical tools have been used to confirm the reliability and accuracy of the developed approach.A particular attention has been given to the characterization of the seeding particle motion within thediverging flow, with consideration of the often-neglected thermophoretic force. Fundamental flame velocitiesof various syngas (H2+CO) mixtures have been investigated using multiple experimental approachesincluding the aforementioned counterflow methodology as well as spherical and conical flameconfigurations. Performed measurements from the different approaches have been confronted and flamesensitivities to stretch have been characterized for a wide range of equivalence ratios (E.R.=0.4 to 5.0) andmixture compositions (5/95 to 50/50 % H2/CO)

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

A ce jour, les simulations précises d'écoulements réactifs complexes restent difficiles à réaliser et très couteuses. Cependant, leurs enjeux actuels sont d'une telle importance scientifique, économique et écologique, qu'il y a aujourd'hui un réel besoin d'outils prédictifs rapides, complémentaires des études expérimentales. Ce travail a consisté à développer un code de simulation de flammes laminaires stationnaires en milieu gazeux, pour des faibles nombres de mach. Des modèles détaillés sont pris en compte pour décrire les mécanismes réactionnels, les propriétés thermodynamiques du mélange gazeux et la diffusion moléculaire des espèces chimiques. Le code, appelé UG-C, se base sur la bibliothèque UG développée par l'équipe de P. Bastian et G. Wittum a l'IWR de Heidelberg. Afin de réduire autant que possibles les temps de simulation, les équations sont écrites sous l'approximation du faible nombre de mach et résolues par des méthodes modernes : intégration implicite en temps, solveurs de Krylov-Newton avec préconditionnement multigrille, maillages non-structures raffines dynamiquement, optimisation du stockage des matrices creuses. Le code est de plus portable sur machines parallèles à mémoire distribuée et dispose d'algorithmes performants de distribution de la charge entre processeurs. Les premières validations ont été effectuées pour des flammes de diffusion hydrogène/air et de prémélange méthane/air. L'intérêt des simulations comme outil prédictif est démontré sur le bruleur industriel TOPDEC. Une réduction supplémentaire des temps de calculs est attendue grâce à l'implantation prochaine de la méthode ILDM/FPI de réduction automatique de schémas cinétiques. La voie sera alors ouverte vers des simulations de plus grande ampleur (cinétiques chimiques plus complexes, simulations tridimensionnelles) et d'autres champs d'application (réacteurs de déposition chimique en phase vapeur, d'optimisation de bruleurs).

Le but de travail est d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques intervenant dans les flammes laminaires de prémélange et de diffusion. Notre but est de montrer l'influence du rayonnement thermique sur la structure et les limites d'extinction de ces flammes. Dans le premier chapitre nous exposons la modélisation utilisée pour la description des flammes laminaires étirées et nous présentons la résolution numérique associée. Dans le deuxième chapitre, nous étudions les molécules qui interviennent dans les transferts radiatifs de ces flammes et nous présentons les modélisations utilisés. Dans le troisième chapitre, les travaux expérimentaux effectués. Ils se composent de mesures par diffusion Rayleigh qui nous ont permis de valider les profils de température calculés et de mesures de luminance axiales avec une thermopile de Moll qui valident le calcul des pertes thermiques dans l'infrarouge. Le quatrième chapitre expose divers études numériques. Nous présentons tout d'abord des études de structures de flammes et de limites d'extinction pour les flammes de diffusion H2-O2 qui mettent notamment en évidence une extinction radiative. Ensuite, des études similaires sont menées sur des flammes de prémélange C3H8-Air. Enfin, nous étudions l'influence du rayonnement sur les flammes et prémélanges non-étirées et sur les vitesses de flammes. Nous mettons notamment en évidence le rôle important de l'absorption.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude, à la fois expérimentale et numérique, des processus de formation et d'oxydation des particules de suie dans des flammes laminaires de diffusion. Les travaux expérimentaux ont été réalisés dans deux flammes de diffusion, éthylène-air et éthylène-oxygène. Afin de mieux appréhender les processus d'oxydation des suies, une analyse plus complète a été menée dans la flamme éthylène-oxygène. Les mesures ont été effectuées au moyen de différentes techniques optiques. La fraction volumique de suie, le diamètre et le nombre de particules ont été déterminés par la méthode extinction-diffusion. Les diamètres ainsi déduits ont été comparés aux valeurs obtenues par P. C. S. (spectroscopie par corrélation de photons). La température a été mesurée par pyrométrie à deux couleurs. La fluorescence induite par laser a été utilisée afin de déterminer la concentration du radical OH, ainsi que le coefficient d'extinction des suies dans l'ultraviolet. L'ensemble de ces résultats a permis une analyse des processus de formation et d'oxydation des suies ainsi que la détermination, dans la flamme suroxygénée, de l'efficacité de collision du radical OH. L'étude numérique a été menée à l'aide d'un code de calcul simulant des flammes de diffusion à contre-courant. Un mécanisme réactionnel détaillé a été utilisé pour prédire la phase gazeuse. Des modèles simplifiés de formation et d'oxydation des suies ont été implantés dans le code. Les modèles d'oxydation étudiés ont permis de mettre en évidence la prédominance du rôle du radical OH sur celui de la molécule d'oxygène lors de l'oxydation des particules de suie.

Cette thèse présente le développement de la fluorescence induite par laser (LIF) sur le radical CH, son adaptation et son utilisation dans les flammes laminaires prémélangées et non- prémélangées à contre-courant CH4-air et C3H8-air. En analysant les différents schémas utilisables pour la fluorescence induite par laser, la spectroscopie et les caractéristiques du radical CH, nous avons défini une des stratégies d'excitation/détection la mieux adaptée pour effectuer la mesure de CH dans les flammes étudiées. Un nouveau modèle pour la LIF à trois niveaux sur le radical CH, qui est lié avec la stratégie choisie, est établi. Le choix d'une technique de mesure impliquant trois niveaux électroniques a rendu nécessaire une étude du quenching de CH à pression atmosphérique. Une étude expérimentale préliminaire a été effectuée sur une flamme de diffusion à contre-courant CH4/air pour valider nos choix et la stratégie d'excitation et de détection choisie. Enfin, les mesures de PLIF (fluorescence induite par plan laser) de CH sont présentées. Les résultats expérimentaux sont présentés en comparaison avec les résultats obtenus par les calculs numériques, l'accord entre théorie et expérience est assez bon pour la largeur des profils CH dans les flammes.

Pour des milieux en combustion, les plus importantes sources de rayonnement thermique sont les particules présentes dans les flammes. Le but de ce travail consiste à créer un outil numérique permettant de qualifier et de quantifier les transferts radiatifs dans un tel milieu, c'est-à-dire dans un milieu diphasique comprenant des particules et des gaz émissifs et absorbants, en prenant en compte la diffusion multiple par les particules. Deux codes de calcul ont été élaborés : le premier basé sur une méthode 4-flux multicouche qui permet de modéliser les transferts radiatifs d'un milieu diphasique monodimensionnel, et le second basé sur une méthode statistique de Monte Carlo qui permet de calculer les transferts radiatifs dans un milieu diphasique de géometrie tridimensionnelle quelconque. Les études réalisées en combustion (code run-1dl) et en spectroscopie (méthode de Li) ont permis de caractériser correctement une flamme non-prémélangée laminaire à contre-courant, qui a servi de cas d'application aux deux codes élaborés. La flamme choisie était trop peu fuligineuse pour que la présence des particules ait un impact conséquent sur les transferts radiatifs. Cependant, grâce aux essais réalisés, nous avons vérifié numériquement le phénomène empirique bien connu des systèmes en combustion : la présence des particules modifie fortement les transferts d'énergie vers le milieu extérieur. Suivant leur densité, les particules peuvent, cas extrême, bloquer les transferts radiatifs jusqu'à éteindre la flamme. Une des conclusions importantes de ce travail est que les critères généralement appliqués aux milieux chargés en particules (Albedo, épaisseur optique) ne permettent pas de supposer du comportement radiatif du milieu. Ce résultat souligne que la multidiffusion est un phénomène prépondérant pour les transferts d'énergie dans une flamme.

Ce projet a pour but d’approfondir les connaissances de l’effet de la haute pression sur les flammes laminaires et turbulentes et d’appliquer ces connaissances et les moyens techniques développés à l’institut aux flammes diluées avec du dioxyde de carbone. L’étude est effectuée à l’aide d’un brûleur de type Bunsen placé dans une chambre de combustion haute pression. De nombreux diagnostics optiques furent utilisés. La structure générale de flamme est étudiée avec la tomographie par plan laser. Les vitesses de flammes sont mesurées à partir des acquisitions de PIV. La LDV a permis d’obtenir les échelles de turbulence. Enfin l’ensemble de ces données ont été utilisées pour tester différents modèles de combustion.

L'optimisation des systèmes d'allumage est un paramètre critique pour la définition des foyers de combustion industriels. Des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) d'un brûleur de type bluff-body non pré-mélangé ont été menées afin de comprendre l'influence de la position de la bougie sur la probabilité d'allumage. La prise en compte de la combustion est basée sur une méthode de tabulation de la chimie détaillée (PCM-FPI pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM). Les résultats de ces simulations ont été confrontés des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Dans un premier temps, les mesures de vitesse et du champ de richesse à froid sont comparées aux résultats de la simulation pour évaluer les capacités de prédiction en terme de structure de l'écoulement et de mélange turbulent. Un suivi temporel des vitesses et de la fraction de mélange est réalisé à différents points pour déterminer les fonctions de densité de probabilité (ou PDF)des variables caractéristiques de l'écoulement, à partir des champs résolus en LES. Les PDFs ainsi obtenues servent l'analyse des phénomènes d'allumages réussis ou déficients rencontrés expérimentalement. Des simulations d'allumage forcé ont été effectuées pour analyser les différents scénarios de développement de la flamme. Les corrélations entre les valeurs locales (fraction de mélange, vitesse) autour de la position d'allumage et les chances de succès de développement du noyau de gaz brûlés sont alors discutées. Enfin, une extension de la méthode PCM-FPI avec prise en compte des effets d'étirement est développée à l'aide d'une analyse asymptotique, puis confrontée aux résultats de mesures expérimentales.

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

Ce document presente l'application de diagnostics optiques a des milieux reactifs, et plus particulierement aux flammes de diffusion a contre-courant. Les techniques utilisees comprennent l'analyse spectrale de la chimiluminescence, des mesures de temperature par diffusion rayleigh et la mesure quantitative de la concentration de oh par fluorescence induite par laser, calibree par des mesures d'absorption. L'emission spontanee des molecules no, oh, ch et c#2 est mise en evidence. A partir des spectres de ch, une temperature rotationnelle est determinee, proche de la temperature des gaz de la flamme. Les flammes de diffusion a contre-courant sont decrites tant au niveau experimental que theorique. La mesure de temperature par diffusion rayleigh est ensuite au centre de l'etude. Deux algorithmes de conversion des mesures rayleigh en temperature sont developppes. Les resultats obtenus a l'aide de ces algorithmes sont non seulement confrontes aux calculs numeriques mais aussi a des mesures drasc. Les resultats de cette etude permettent, d'une part de valider les algorithmes developpes et, d'autre part, de valider les calculs numeriques dans le cas des flammes methane-air et propane-air. Dans le cas des flammes hydrogene air, des phenomenes, mal pris en compte dans la modelisation, ont ete deceles par les experiences. La mesure quantitative de concentration de oh par fluorescence induite par laser (fil) est presentee. Une etude preliminaire portant sur le quenching a comme resultat que la fil en regime lineaire, associee a des calibrages par absorption, est la technique la mieux adaptee aux flammes de diffusion a contre-courant. De plus, le quenching peut etre generalement consideree comme constant dans la zone de formation de oh dans ces flammes. Les resultats experimentaux sont confrontes a des calculs numeriques. Dans les flammes propane-air et methane-air, l'accord entre theorie et experience est bon. Dans les flammes hydrogene-air, on constate un desaccord systematique comme celui observe par diffusion rayleigh. Les perspectives d'application des techniques developpees sont donnees.

Laminar burning velocity is very useful for both combustion modeling and kinetic scheme validationand improvement. Accurate experimental data are needed. To achieve this, the spherical flame method was chosen. However various expression for burning velocity from the spherically expanding flame can be found. A theorical review details all the expressions and models for the burning veolcity and shows how they can be obtained experimentally. These models were comparated considering basic fuels - various Lewis numbers. As a result, it is shown that the pure kinematic measurement method is the only one thet does not introduce any assumptions. This kinematic measurement had needed the development and validation of an original post-processing tool. Following the theorical review, a parametric experimental study is presented. The new technique is extended to extract burning velocity and Markstein length relative to the fresh gas for pure ethanol, isooctane and blended fuels at high pressure.

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

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs.

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

L'optimisation des systèmes d'allumage est un paramètre critique pour la définition des foyers de combustion industriels. Des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) d'un brûleur de type bluff-body non pré-mélangé ont été menées afin de comprendre l'influence de la position de la bougie sur la probabilité d'allumage. La prise en compte de la combustion est basée sur une méthode de tabulation de la chimie détaillée (PCM-FPI pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM). Les résultats de ces simulations ont été confrontés des résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Dans un premier temps, les mesures de vitesse et du champ de richesse à froid sont comparées aux résultats de la simulation pour évaluer les capacités de prédiction en terme de structure de l'écoulement et de mélange turbulent. Un suivi temporel des vitesses et de la fraction de mélange est réalisé à différents points pour déterminer les fonctions de densité de probabilité (ou PDF)des variables caractéristiques de l'écoulement, à partir des champs résolus en LES. Les PDFs ainsi obtenues servent l'analyse des phénomènes d'allumages réussis ou déficients rencontrés expérimentalement. Des simulations d'allumage forcé ont été effectuées pour analyser les différents scénarios de développement de la flamme. Les corrélations entre les valeurs locales (fraction de mélange, vitesse) autour de la position d'allumage et les chances de succès de développement du noyau de gaz brûlés sont alors discutées. Enfin, une extension de la méthode PCM-FPI avec prise en compte des effets d'étirement est développée à l'aide d'une analyse asymptotique, puis confrontée aux résultats de mesures expérimentales
The optimization of the ignition process is a crucial issue in the design of many combustion systems. Large eddy simulation (LES) of a conical shaped bluff-body turbulent non-premixed burner has been performed to study the impact of spark location on ignition success. The chemistry part of the simulation is done using tabulated detailed chemistry approach. This burner was experimentally investigated by Ahmed et al at Cambridge (UK). The present work focuses on the case without swirl for which detailed measurements are available. First, cold fkow measurements of velocities and mixture fraction are compared with their LES counterparts, to assess the prediction capabilities of simulations in terms of flow and turbulent mixing. Time history of velocities and mixture fraction are recorded at selected spots, to probe the resolved probability density function (pdf) of flow variables, in an attempt to reproduce, from the knowledge of LES resolved instantaneous flow conditions, the experimentally observed reasons of success or failure of spark ignition. A flammability map is also constructed from the resolved mixture fraction pdf and compared with its experimental counterpart. LES of forced ignition is then performed using flamelet fully detailed tabulated chemistry combined with presumed pdfs (PCM-FPI). Various scenarios of flame kernel development are analyzed and correlated with typical flow conditions observed in this burner. The correlations between velocities and mixture fraction values at the sparking time and the success or failure of ignition are then further discussed and analysed. The rate of flame development during successful or unsuccessful ignition events are analysed and compared against experimental observations. Finally, from asymptotic flame analysis, a novel approach has been proposed to include flame straining effects in the PCM-FPI method developped at CORIA-CNRS. The new model overcomes the problem associated with classical PCM-FPI closure to model kernel quenching due to intense local turbulence. Computations are done including the flame straining effects and the effect brought by the new model on kernel development is analysed in detail

Le cycle thermodynamique classique des turbines à gaz n'a subi aucune modification majeure au cours des dernières décennies, et les améliorations d'efficacité les plus importantes ont été obtenues en réduisant les pertes thermiques, en augmentant le taux de compression et la température maximale. Malgré les efforts visant à améliorer les performances des chambres de combustion, les technologies actuelles pourraient ne pas être à la hauteur des contraintes environnementales de plus en plus strictes. Par conséquent, une percée technologique est essentielle pour façonner l'avenir des moteurs thermiques. La combustion à gain de pression (PGC) émerge comme l'une des solutions les plus prometteuses, introduisant de nouveaux cycles thermodynamiques où la pression augmente tout au long du processus de combustion. Cela peut conduire à une augmentation d'entropie plus faible, bénéficiant à l'efficacité globale du cycle.Plusieurs concepts de PGC sont actuellement étudiés par la communauté scientifique, allant de la déflagration, telle que la combustion à volume constant (CVC), à la détonation, notamment la combustion à détonation rotative (RDC). La simulation numérique est utilisée pour évaluer les performances de ces systèmes et pour mieux comprendre leur comportement afin de les améliorer avant de procéder à des essais expérimentaux. La simulation aux grandes échelles (LES) a un rôle important dans ce domaine grâce à sa capacité à prédire fidèlement les écoulements réactifs. Cependant, avec la complexité croissante des systèmes de combustion, des modèles physiques avancés sont cruciaux pour assurer des simulations prédictives.Dans ce travail, la combustion à volume constant est évaluée et les principaux défis numériques posés par ces systèmes de combustion sont examinés. L'allumage, la combustion à haute pression, la dilution, l'interaction flamme-turbulence, les effets d'étirement, les flux de chaleur font partie intégrante de la physique que les systèmes CVC englobent, et leur interaction conduit à des phénomènes physiques complexes qui doivent être modélisés. Les modèles numériques développés dans ce travail sont principalement examinés dans des cas test, puis appliqués dans le calcul de la chambre à volume constant CV2, opérée au laboratoire Pprime (Poitiers, France).D'abord, des nouvelles conditions limites sont dérivées de la théorie des tuyères pour mimer les effets des soupapes d'admission et d'échappement. Les propriétés d'écoulement sont imposées dynamiquement à la fois à l'entrée et à la sortie de ces systèmes contrôlés par des vannes.Une chimie globale pour les mélanges propane/air est dérivée pour différentes pressions, températures et compositions de gaz frais. La cinétique chimique est optimisée pour différentes concentrations de diluants, composés des gaz brûlés tels que le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Comme les moteurs à piston, les chambres CVC fonctionnent cycliquement, et chaque cycle de combustion est influencé par les gaz résiduels provenant des cycles précédents. Pour cette raison, un modèle numérique détaillant la composition locale des mélanges inflammables dilués est proposé pour fournir toutes les informations sur les gaz frais nécessaires à la cinétique et au modèle de combustion. Basé sur une généralisation du Thickened Flame (TF), un nouveau modèle de combustion, le Stretched-Thickened Flame (S-TF) model, est développé pour surmonter les limitations du modèle TF dans la prédiction des effets d'étirement sur la vitesse de combustion des flammes laminaire. Cela est crucial pour capturer efficacement les événements transitoires des flammes propagative, fondamentaux dans les chambres CVC. Enfin, dans le cadre de la modélisation de l'allumage, le modèle de dépôt d'énergie est couplé avec le modèle S-TF.Les modèles développés dans cette thèse sont ensuite appliqués à la chambre CV2, mettant en évidence leur impact positif dans la prédiction de la physique transitoire impliquée dans ces systèmes
Classical gas turbine thermodynamic cycle has undergone no major changes over the last decades and the most important efficiency improvements have been obtained reducing thermal losses and raising the overall pressure ratio and peak temperature. Despite the efforts in research and development aiming at enhancing especially combustion chambers performances, current technologies may fall short of complying the increasingly stringent environmental constraints. Consequently, a technological breakthrough is essential to shape the future of thermal engines. Pressure Gain Combustion (PGC) emerges as one of the most promising solutions, introducing new thermodynamic cycles where, unlike the Brayton cycle, pressure increases across the combustion process. This can lead to a lower entropy raise, benefiting the overall cycle efficiency.Several PGC concepts are currently studied by the combustion community, ranging from deflagration, such as constant volume combustion (CVC), to detonation, including Rotating Detonation Combustion (RDC) and Pulse Detonation Engine (PDE). Numerical simulation is used to assess the performance of these systems as well as better understand their behavior for improvements before performing experimental tests. Large Eddy Simulation (LES) has assumed an increasingly significant role in combustion science thanks to its high capability in capturing reacting flows. However, with the increasing complexity of combustion systems, advanced physical models are crucial to ensure predictive simulations.In this work, constant volume combustion technology is assessed and the main numerical challenges posed by these combustion systems are scrutinized. Ignition, high pressure combustion, dilution, flame-turbulence interaction, flame-stretch effects, heat fluxes are just part of the physics that CVC systems encompass and their interplay leads to complex physical phenomena that have to be modeled. The numerical models developed in this work are primarily scrutinized in simple test cases and then applied in complete 3D LES framework to compute the constant volume combustion chamber CV2, operated at Pprime laboratory (Poitiers, France).First, novel boundary conditions, based on NSCBC formalism, are derived from nozzle theory to mimic intake and exhaust valve effects. With this strategy no moving part is introduced in the LES and the flow properties are imposed both at the inlet and the outlet of these valves-controlled systems.Second, a two-step chemistry for propane/air mixtures is derived for multiple pressure, temperature and composition of fresh gases. The chemical kinetics is optimized for different concentration of dilutants, composed by burnt products such as carbon dioxide and water vapor. Like piston engines, constant volume chambers operate cyclically and each combustion event is affected by the residual burnt gases coming from previous cycles. For this reason, a numerical model to detail the local composition of diluted flammable mixtures is proposed to provide all the fresh gas information required by the kinetics and the combustion model. Based on a generalization of the classical Thickened Flame (TF) model, a new combustion model, the Stretched-Thickened Flame (S-TF) model, is developed to overcome the TF model limitations in predicting stretch effects on the laminar flame burning velocity. This is crucial to well capture transient events of propagating flames, which are fundamental in CVCs.Eventually, the ignition modeling is assessed and the Energy Deposition model is coupled with the S-TF model by tracking the kernel size in time.The models developed in this thesis are then applied to the CV2 chamber, highlighting their positive impact in capturing the unsteady physics involved in such systems

Jusqu’à aujourd’hui, les moteurs automobiles et aéronautiques étaient conçus pour fonctionner avec des combustibles fossiles. Pour relever les défis économiques et environnementaux du monde actuel et de la transition énergétique, des carburants de substitution sont développés et testés. Ils sont utilisés pour remplacer directement les carburants classiques ou bien sous forme de mélanges pour obtenir les propriétés thermochimiques souhaitées. Cependant, l’impact de ces nouveaux carburants sur les performances des chambres de combustion reste partiellement connu. Dans cette perspective, des simulations haute-fidélité de la combustion turbulente de carburants de substitution ne peuvent être réalisées qu’à la condition de prendre en compte une description détaillée multi-composants des mélanges de liquides et de gaz. L’objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation instationnaire des flammes de spray en présence de phénomènes complexes multi-composants : évaporation différentielle, mélange multi-espèces, nombreuses réactions chimiques en phase gazeuse. À cet effet, le carburant est traité comme un ensemble de mélanges à plusieurs composants, qui peuvent être différents dans les phases liquide et gazeuse en fonction de la précision requise. Différents modèles pour les phénomènes susmentionnés sont disponibles dans la littérature. Le principal défi est le couplage de ces différentes approches et leur validation dans des conditions réalistes et complexes. Premièrement, l’approche multi-composants choisie pour la phase gazeuse, basée sur le transport d’un grand nombre d’espèces et sur la chimie de type Arrhénius, est validée pour les flammes prémélangées. La configuration de flamme sphérique en expansion a été choisie pour étudier la vitesse de consommation de la flamme, paramètre important de la combustion. En collaboration avec l’équipe expérimentale du laboratoire CORIA, un formalisme pour l’évaluation précise de la vitesse de consommation de flamme est établi pour les flammes en expansion sphérique confinées et non confinées. Ce formalisme permet d’avoir une comparaison précise des résultats expérimentaux et numériques pour les flammes méthane / air et iso-octane / air et de valider ainsi le modèle de transport en phase gazeuse. Deuxièmement, nous nous sommes concentrés sur le processus physique d’évaporation. Le modèle d’évaporation multi-composants d’Abramzon-Sirignano est implémenté dans le solveur fluide YALES2 en se basant sur une approche de point-force pour les gouttelettes de carburant. Ce modèle a été adapté pour permettre de décrire l’évaporation d’un ou plusieurs composants avec ou sans évaporation différentielle. En tant que tel, le modèle est capable de traiter divers surrogates de carburant. Ce modèle d’évaporation est comparé au modèle de Spalding et validé sur les résultats expérimentaux de Chauveau et al. [33], Nomura et al. [158], Ghassemi et al. [82] et Daïf et al. [47] pour une gouttelette à un seul composant, puis une gouttelette isolée à deux composants avec et sans convection. Enfin, la simulation aux grandes échelles (LES) d’une flamme de spray complexe n-heptane/air est réalisée avec une chimie analytiquement réduite (ARC, [169, 205]). Cette flamme a été étudiée expérimentalement au laboratoire CORIA avec des diagnostics haute-fidélité pour caractériser la structure de la flamme et fournir des données quantitatives telles que la vitesse et la température en phase gazeuse ainsi que les distributions locales de taille et de vitesse des gouttelettes de carburant. La comparaison avec les données expérimentales [225] et avec les simulations réalisées dans le cadre du 6ème atelier sur la combustion turbulente de spray (TCS6), montre que les LES actuelles reproduisent fidèlement l’écoulement gazeux et les propriétés de la phase dispersée. Cette configuration ouvre la voie à la simulation de flammes de spray encore plus complexes avec des combustibles à plusieurs composants
Until recently, automotive and aeronautical engines were designed to operate with fossil fuels. To better meet the economic and environmental challenges of the modern world and of the energy transition, alternative fuels are developed and tested. They are used to replaceconventional fuels or as a blend to achieve the desired thermo-chemical properties. However, the impact of these new fuels on the performance of combustion chambers remains partially known. From this perspective, high-fidelity simulations of turbulent combustion of alternative fuels can be reached only if a detailed multi-component description of the liquid and gas mixtures is considered. The objective of this thesis is to contribute to the unsteady modeling of spray flames where complex multi-component phenomena occur : differential evaporation, multi-species mixing, gas phase chemical reactions. To this aim, the fuel is treated as a set of multi-component mixtures, which may be different in the liquid and gas phases depending on the required accuracy. Different models for the aforementioned phenomena are available in the literature, and the main challenge is the coupling of these different approaches and their validation in realistic and complex conditions. First, the chosen multi-component approach for the gas phase, based on the transport of a large number of species and on finite-rate chemistry, is validated for premixed flames. The expanding spherical flame configuration was chosen to study the flame consumption speed, which is an important parameter in combustion. In collaboration with the experimental team at the CORIA laboratory, a flame consumption speed formalism is established for non-confined and confined spherical expanding flames. This formalism enables to have a precise comparison of experimental and numerical results for methane/air and iso-octane/air flames and to validate the gas phase models. Second, we focused on the physical process of evaporation. The multi-component evaporation model of Abramzon-Sirignano is implemented in the YALES2 flow solver based on a point-particle approach for the fuel droplets. This model is adapted to enable the description of single- or multi-component evaporation with or without differential evaporation. As such, the model is capable of dealing with various fuel surrogates. The evaporation model is compared to the Spalding model and validated on experimental results of Chauveau et al. [33], Nomura et al. [158], Ghassemi et al. [82] and Daïf et al. [47] for a single component droplet and then two-component isolated droplet with and without convection. Finally, the 3D Large-Eddy Simulation (LES) of a complex n-heptane/air spray flame is conducted with analytical reduced chemistry (ARC, [169, 205]). This flame was experimentally studied at the CORIA laboratory with high fidelity diagnostics to characterize the flame structure and provide quantitative data such as gas-phase velocity and temperature as well as local droplet size and velocity distributions. Comparison with the experimental data [225] and with the simulations carried out within the framework of the 6th Workshop on Turbulent Combustion of Spray, shows that the current LES accurately reproduce the gas flow and properties of the dispersed phase. This configuration paves the way for the simulation of even more complex spray flames with multi-component fuels

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