-Last News-

Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement

Le vendredi 23 février 2024 à 14h30, Salle de Conférences, ICARE
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Giorgia CENEDESE
Chimie

Études expérimentales et de modélisation de l'oxydation des éthers

MEMBRES DU JURY :

Mme ZEYNEP SERINYEL ICARE (CNRS) Directrice de thèse
M. Olivier HERBINET LRGP (Université de Lorraine) Rapporteur
M. Guillaume VANHOVE PC2A (Université de Lille) Rapporteur
M. Fabrice FOUCHER PRISME (Université d'Orléans) Co-directeur de thèse
M. Guillaume DAYMA ICARE (CNRS) Co-encadrant de thèse
M. Scott GOLDSBOROUGH Argonne National Laboratory Examinateur
M. Philippe DAGAUT ICARE (CNRS) Examinateur
Mme Maria Uxue ALZUETA University of Zaragoza Examinatrice
M. Henry CURRAN University of Galway Invité

RÉSUMÉ
Ces dernières années, l'augmentation des préoccupations liées aux émissions de polluants et à l'épuisement des ressources fossiles a incité l'étude et le développement de solutions alternatives pour le secteur des transports. Les biocarburants dérivés de la biomasse sont envisagés parmi ces solutions potentielles, et en particulier, les composés oxygénés ont démontré des caractéristiques intéressantes pour différentes applications . Cette thèse se concentre sur la famille des éthers, étudiant leur oxydation d'un point de vue expérimental et de modélisation cinétique. Certains combustibles de cette famille ont déjà fait l'objet de nombreuses études dans la littérature, mais une compréhension plus approfondie de leur oxydation complexe est nécessaire pour une éventuelle application dans la vie réelle. De plus, d'un point de vue fondamental de la combustion, l'analyse de l'influence de la structure sur la réactivité de ces combustibles est profondément intéressante et stimulante. À cette fin, une campagne expérimentale exhaustive a été menée au cours de cette thèse, grâce à deux installations complémentaires : un réacteur auto-agité par jets gazeux et une machine à compression rapide. Les résultats expérimentaux sont analysés et comparés entre différents éthers, afin de comprendre comment différentes caractéristiques structurales (comme la longueur de la chaîne, la ramification et l'asymétrie) peuvent influencer la réactivité. De plus, un mécanisme cinétique détaillé a été élaboré et comparé aux mesures expérimentales pour mieux comprendre les réactions qui contrôlent l’oxydation dans ces conditions.
mercredi 7 février 2024 à 14h00, amphi SADRON, DR08, CNRS.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Hugo NOUBEL
Physique

Etude expérimentale du comportement aérodynamique et optimisation des performances des planeurs hypersoniques dans des écoulements supersoniques et hypersoniques raréfiés.

MEMBRES DU JURY :

Mme Irina GRAUR Université Aix-Marseille Examinatrice
M. Nicolas MAZELLIER PRISME Examinateur
M. Jean-Luc VERANT ONERA Examinateur
Mme Céline BARANGER CEA/CESTA Co-encadrante de thèse
Mme Viviana LAGO ICARE-CNRS Directrice de thèse
M. Laurent JACQUIN ONERA Rapporteur
M. Pierre-Henri MAIRE CEA/CESTA Rapporteur
M. Franck HERVY DGA Invité

RÉSUMÉ
L'objectif principal de ce travail de thèse est de caractériser expérimentalement l'impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques des planeurs hypersoniques. Cette étude regroupe six écoulements basse pression (de 0,068 Pa à 71,11 Pa) de la soufflerie MARHy, quatre supersoniques (Mach 2 et Mach 4) et deux écoulements hypersoniques (Mach 20). Les maquettes expérimentées sont au nombre de 6 et l'objectif est d'étudier des géométries avec des degrés d'optimisation différent et comprendre l'impact des effets visqueux sur chacune d'entre elles. Différents diagnostics ont été utilisés pour mener à bien cette étude. Tout d'abord, une balance aérodynamique a été développée pour pouvoir mesurer les forces de trainée et de portance des différentes configurations. Ce diagnostic a été spécialement développé pour la soufflerie MARHy et la mesure de force est de l'ordre du millinewton. Pour compléter cette première étude, les ondes de chocs ont été visualisées à l'aide de la technique de visualisation par décharge luminescente. Cette seconde étude a permis d'étudier le comportement de l'onde de choc lorsque l'angle d'attaque de la maquette varie ainsi que le degré de raréfaction. Ces visualisations ont également permis d'évaluer la variation de densité autour des géométries et de phénomènes de recirculations ont pu ainsi être observés au-dessus d'un waverider en condition hypersonique raréfié. Pour confirmer les hypothèses, une étude de pression pariétale a été mené sur deux planeurs hypersoniques. Enfin, une étude de manoeuvrabilité a été réalisée pour comprendre l'impact des effets visqueux en cas de manoeuvre effectué à haute altitude. Ce travail de thèse permet d'établir une large base de données expérimentales sur les planeurs hypersoniques en régime raréfié. Les études de forces ont permis de quantifier l'évolution de la finesse au cours d'une rentrée atmosphérique en fonction du degré de raréfaction (nombre de Reynolds et nombre de Mach). Pour ce qui est des angles d'attaques des formulations tenant compte des effets visqueux ont été établis et pourront être utilisé lors de l'optimisation des waveriders à hautes altitude. A partir de ces données un planeur hypersonique a été conçu et étudié prouvant son efficacité à haute altitude. L'ensemble de ces données expérimentales pourront être exploitées pour améliorer et valider des codes de calcul dédiés aux rentrées atmosphériques.
vendredi 08 décembre 2023 à 14h30, amphi SADRON, DR08, CNRS.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Lisa MICHELAT
Chimie

Mesure et prévision de la cinétique d'oxydation atmosphérique des composés organiques volatils non saturés, en mettant l'accent sur la combustion de la biomasse et les espèces industrielles.

MEMBRES DU JURY :

M. Abdelwahid MELLOUKI Université d'Orléans Directeur de thèse
Mme Bénédicte PICQUET-VARRAULT Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques Rapporteure
Mme Anne MONOD Laboratoire de Chimie de l'Environnement UMR7376 Examinatrice
M. Bernard AUMONT Laboratoire Interuniversitaire des systèmes Atmosphériques (LISA) Examinateur
M. Alexandre KUKUI Laboratoire de Physique et de Chimie de l'Environnement et de l'Espace Examinateur
M. A.R. RAVISHANKARA Colorado State University Co-directeur de thèse
M. Max MCGILLEN Institut de Combustion Aérothermique Réactivité Environnement (ICARE) Co-encadrant de thèse
M. John WENGER University College Cork Rapporteur

RÉSUMÉ
La pollution de l’air est une des premières causes de mortalité dans le monde, et constitue un enjeu majeur pour la santé publique, associé au changement climatique. Ces deux problèmes majeurs sont directement liés à la composition chimique de l’atmosphère. Afin d’évaluer la contribution des activités humaines sur cette composition chimique, il est nécessaire d’étudier l’évolution des espèces chimiques une fois émis dans l’atmosphère, en identifiant les réactions par lesquels elles sont dégradées, les produits formés ainsi que les vitesses de ces procédés. Parmi les gaz émis industriellement et naturellement, une grande majorité sont des composés organiques volatiles insaturés, qui réagissent particulièrement vite avec les oxydants troposphériques responsables de l’initiation de leur dégradation. Cependant, ces gaz sont présents dans l'atmosphère en quantités extrêmement variées, et il est donc très difficile de mesurer toutes ces constantes de vitesse de réaction expérimentalement , ce qui motive la nécessité de développer des techniques d'estimation, telles que les relations structure-activité (SARs), afin de fournir des données aux modèles atmosphériques, lorsque ces derniers ne disposent pas de données expérimentales. Ma thèse porte sur la cinétique de l'oxydation des composés organiques volatils (COVs) insaturés en phase gazeuse dans l'atmosphère, dans le but de développer un outil automatisé basé sur les SARs qui peut prédire le coefficient de vitesse d'une grande variété d'alcènes substitués, sans avoir recours à des calculs informatiques coûteux. Pour ce faire, j'ai effectué des travaux expérimentaux afin de mesurer des cinétiques de réactions d’un certain nombre de COV, en fonction de la température, dans des chambres de simulation atmosphériques et des réacteurs couplés à des techniques spectroscopiques. J’ai combiné les résultats obtenus à des calculs de chimie quantique théoriques, afin de développer une SAR permettant d’estimer ces coefficients de vitesses de réactions. Ces méthodes utilisent des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), très précis mais coûteux en termes de temps de travail et de calculs, que nous avons pu substituer par des outils semi-empiriques rapides et informatiquement peu coûteux, optimisant grandement l’efficacité et l’applicabilité de l’outil. J'ai ensuite écrit un code Python à source ouverte pour en faire un outil automatisé, rapide et simple d’utilisation, qui est efficace pour l'usage général des physico-chimistes de l'atmosphère. Cet outil peut prédire la cinétique d'addition électrophile des oxydants atmosphérique OH, Cl, O3 et NO3 à des composés insaturés sur la base d'une nouvelle méthodologie. Comparée à d'autres techniques, elle nécessite moins de paramètres d'ajustement, est plus générale et, puisqu'elle est basée sur des informations calculées a priori, possède un meilleur potentiel d'extrapolation à de nouveaux composés. Plus précisément, la prédiction de nouveaux composés repose uniquement sur le calcul de leurs propriétés chimiques à l'aide de notre logiciel, et moins sur les données expérimentales existantes. Par conséquent, il peut être étendu avec succès pour prédire des réactions qui restent moins connues ou difficiles à mesurer en laboratoire, telles que l'oxydation nocturne des COVs issus de la combustion de la biomasse (par exemple, l'oxydation des furanes et des pyridines initiée par réaction avecNO3). Ces résultats peuvent être facilement utilisés comme données d'entrée pour les modèles chimiques atmosphériques, et par les industries et les décideurs politiques pour éviter les émissions persistantes dans l'atmosphère.
Le mardi 05 décembre 2023 à 14h00, salle des thèses, Université d'Orléans.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Lydia BOUALEM
Energétique

Étude expérimentale et numérique de la cinétique d'oxydation de la fenchone, un additif à haute densité énergétique.

MEMBRES DU JURY :

M. Guillaume DAYMA Université d'Orleans Directeur de thèse
Mme Zeynep SERINYEL Université d'Orleans Co-directrice de thèse
M. André NICOLLE ARAMCO Co-encadrant de thèse
Mme Benoite LEFORT Université de Bourgogne, Nevers Examinatrice
Mme Véronique DIAS Université Catholique de Louvain Rapporteure
M. René FOURNET Univesité de Lorraine, ENSIC,Nancy Rapporteur
M. Sandro GAIL Aramco Invité

RÉSUMÉ
La formulation d’additifs multifonctionnels issus des terpènes cycliques est une solution pour améliorer simultanément plusieurs propriétés des carburants automobiles. Les composés présentant des tensions de cycle sont utilisés dans le domaine aérospatial en raison de leur densité énergétique, le présent travail est cependant lié à des applications terrestres (moteurs à piston automobiles). Plusieurs travaux bibliographiques ont été mis en avant dans la littérature, visant à apporter des informations sur les additifs à haute densité énergétiques dont les polycycliques comme le norbornane, ethylnorbornane et leur dérivé oxygéné tels que le camphre et la fenchone. Dans le cadre de ce projet, on s’est intéressé à la fenchone, pouvant être considérée non seulement comme un additif carburant mais aussi comme un intermédiaire de combustion du triméthylnorbornane. Cette étude a pour objectif de caractériser la cinétique d’oxydation en phase gazeuse de la fenchone par deux approches, expérimentale et numérique, afin de rationaliser les importances respectives de voies réactionnelles mise en jeu. Deux dispositifs expérimentaux ont été utilisées pour cette étude (réacteur auto-agité par jets gazeux, machine à compression rapide). Dans un premier temps, les expériences ont été réalisées en réacteur à jets gazeux sous des conditions expérimentales de température allant de 750-1120 K, à une pression de 10 atm et pour des richesses [0.5-1-2]. En deuxième partie, les mesures des délais d’auto-inflammation du mélange fenchone/air/inertes en fonction des températures à la fin de la compression ont été réalisées sous deux conditions de richesses [0.5-1], une pression de 40 bars. Enfin, un mécanisme cinétique développé afin de reproduire ces résultats, ainsi l’accord entre les données expérimentales et simulation semble être satisfaisant pour un tel composé complexe.
Le mardi 05 décembre 2023 à 14h00, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Ahlem GHABI
Energétique

Etude des flammes non-prémélangées de biogaz assistées par plasma

MEMBRES DU JURY :

M. Toufik BOUSHAKI Université d'Orléans Directeur de thèse
Mme Deanna LACOSTE King Abdullah University of Science and Technology Rapporteure
M. Thierry SCHULLER Université Toulouse 3 Rapporteur
Mme Benedicte CUENOT Université de Eindhoven/CERFACS Examinatrice
M. Pablo ESCOT BOCANEGRA Université d'orléans Co-encadrant de thèse
M. Eric ROBERT CNRS Co-directeur de thèse
M. Jean-Charles SAUTET Université de Rouen Normandie Examinateur

RÉSUMÉ
Le biogaz, essentiellement composé de méthane (CH4) et de dioxyde de carbone (CO2), est considéré comme une ressource prometteuse dans le domaine des énergies renouvelables grâce à sa production issue de la décomposition des matières organiques (biomasse, déchets…). Cependant, la présence de taux élevés de CO2 dans le mélange de biogaz peut entraîner lors de sa combustion des instabilités menant parfois à l’extinction de la flamme, ce qui engendre des risques pour les systèmes énergétiques et limite l'efficacité énergétique globale. L’utilisation de décharges plasmas pour l'assistance et le contrôle de la combustion produit des effets bénéfiques sur la stabilité de la flamme et sur les caractéristiques de combustion. Cette étude a pour but d’évaluer l’impact d’un plasma impulsionnel pour améliorer la stabilité et contrôler les émissions polluantes de la combustion de biogaz. Des investigations sont menées pour caractériser les interactions entre les décharges impulsionnelles et les flammes, en fonction de paramètres liés à la combustion (taux de CO2 dans le combustible, richesse globale, nombre de swirl) et d’autres liés au plasma (fréquence de répétition des impulsions, Amplitude de la tension électrique appliquée aux électrodes du réacteur plasma) pour comprendre leurs influences sur les caractéristiques de la flamme. Trois configurations de système plasma (Arc glissant, Pointe-Tige-Pointe et Tige-Anneau) avec deux types de brûleurs (injection radiale et injection axiale du combustible) ont été étudiés. Différentes techniques et diagnostics optiques ont été mis en oeuvre pour mener cette étude : La chimiluminescence sur OH* pour analyser la stabilité et la structure de la flamme ; la spectroscopie d’émission optique pour visualiser et déterminer les espèces créées par le plasma et la flamme ; la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) pour l’étude dynamique de l’écoulement réactif ; L’analyse des gaz de combustion pour la caractérisation des émissions polluantes (NOx, CO). Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques de l’utilisation des plasmas impulsionnels microsecondes sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes, les espèces impliquées au niveau du plasma ou/et de la flamme et la dynamique des flammes.
Le vendredi 24 novembre 2023 à 9h30, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Raphaël GAVART
Energétique

Mesure des combinaisons, focalisation et diffraction d’ondes de choc autour de structures type

MEMBRES DU JURY :

Mme Nabiha CHAUMEIX Université d'Orléans Directrice de thèse
Mme Sophie TRELAT Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire Co-directrice de thèse
M. Michel-Olivier STURTZER Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis Co-encadrant de thèse
M. Michel ARRIGONI ENSTA Bretagne Rapporteur
M. David LECOMPTE École Royale Militaire Rapporteur
Mme Laure HEUDIER INERIS Examinatrice
M. Didier POULLAIN CEA-DAM Examinateur
M. Ashwin CHINNAYYA ENSMA Examinateur
M. Jérôme DAUBECH INERIS Invité

RÉSUMÉ
De nos jours, les conflits armés, le terrorisme et les accidents industriels sont des préoccupations importantes pour les États et les personnes. Ainsi, plusieurs entreprises et institutions, publiques ou privées, travaillent au développement d'outils analytiques et numériques pour évaluer les conséquences des actions malveillantes sur les structures et les personnes. Les activités de R&D développées par l’IRSN, au sein du bureau BMAX, visent, entre autres, à améliorer la connaissance des phénomènes régissant l’interaction entre une onde de souffle tridimensionnelle consécutive à une forte explosion et des obstacles de formes variées, et des chargements mécaniques résultants dans le but de développer des modèles simplifiés utiles aux ingénieurs en charge des expertises. Cette thèse rentre dans le cadre de la coopération scientifique avec l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL), dont les recherches comprennent le développement d’équipements de protection pour les personnels, véhicules et infrastructures. Les travaux de thèse ont pour objectifs (i) de développer des outils simples de prédiction des phénomènes régissant l’interaction entre une onde de souffle et un ou plusieurs obstacles indéformables, et (ii) d’en évaluer les profils temporels de pression à l’aide de diagnostics expérimentaux précis. Les expériences sont menées dans des installations à deux échelles distinctes : (i) échelle réduite sur la table à détonation de l’IRSN, (ii) échelle double sur la dalle d’essai à l’ISL. Au cours de ces trois années, l’interaction entre l’onde de choc générée par des charges Hexomax® et une cible hémicylindrique rigide a été étudiée aux deux échelles. Les résultats de surpression à la surface de l’obstacle ont permis d’étendre l’approche du modèle S décrit par Trélat et al. (2020) à des expériences à plus grande échelle (Gavart et al., 2023), et de développer de nouveaux modèles décrivant l’évolution des paramètres de l’onde de souffle à la surface d’un obstacle hémicylindrique. Les phénomènes de réflexion d’onde ayant lieu autour d’un hémicylindre ont également été étudiés, ainsi que la recombinaison des ondes de choc derrière des hémicylindres courts ou longs. Enfin, l’impact de la présence d’obstacles sur le développement des ondes latérales a pu être étudié à l’échelle IRSN.
Le jeudi jeudi 23 novembre 2023 à 15h00, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Thibault DUBOIS
Physique

Dynamique des électrons dans les décharges en champs croisés

MEMBRES DU JURY :

Mme Sedina TSIKATA School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology Directrice de thèse
M. Francesco TACCOGNA ISTP-CNR Rapporteur
M. Kentaro HARA Department of Aeronautics and Astronautics Rapporteur
M. Tiberiu MINEA Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (LPGP) Examinateur
M. Laurent GARRIGUES Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE) Examinateur
M. Alexandre ESCARGUEL Laboratoire de physique des interactions ioniques et moleculaires (PIIM) Examinateur

RÉSUMÉ
Les décharges plasma en champs croisés ont une grande variété d'applications, y compris la propulsion spatiale (les propulseurs de Hall) et le traitement des matériaux (magnétrons planaires). La configuration croisée des champs magnétiques et électriques crée des phénomènes tels que la turbulence plasma et des anisotropies dans les propriétés des particules, dont la compréhension nécessite des informations détaillées sur les électrons. L'étude expérimentale directe de ces caractéristiques contribuerait au développement de simulations numériques de haute fidélité de ces plasmas et à une meilleure compréhension de leur fonctionnement. Un effort de recherche intense a été consacré ces dernières années à l'étude de phénomènes tels que le transport "anormal" d'électrons à travers les lignes de champ, qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur le transport attendu par les collisions. L'incompréhension de ce phénomène limite la capacité de prédiction des codes numériques pour les propulseurs et autres dispositifs. Des travaux récents ont cependant établi un lien entre ce transport et les instabilités à haute fréquence dans le plasma. La complexité de ce comportement (propagation 3D, effets de couplage) nécessite le développement de codes numériques performants à trois dimensions, mais aussi des diagnostics avancés pour sonder pour le comportement et les propriétés des électrons. La nature de ces décharges (électrons énergétiques et magnétisés, leur architecture) rend les diagnostics invasifs tels que les sondes de Langmuir limités dans leur capacité à sonder les caractéristiques des électrons. Dans ce travail, deux diagnostics basés sur la diffusion Thomson ont été appliqués : THETIS (diffusion Thomson incohérente), pour mesurer les propriétés individuelles des électrons telles que la température (plus largement, les fonctions de distribution de l'énergie des électrons), la densité et la vitesse de dérive, et PRAXIS (diffusion Thomson cohérente), pour mesurer les fluctuations à petite échelle de la densité des électrons (associées aux ondes MHz). Dans un propulseur à effet Hall de 1,5 kW, l'évolution des propriétés des électrons le long de la direction radiale a été directement mesurée. Une variation radiale, plus marquée pour la température, a été observée. Un modèle de théorie cinétique linéaire a été utilisé pour évaluer la forme de la relation de dispersion correspondant aux conditions de plasma mesurées, et celle-ci a été comparée aux mesures antérieures effectuées avec PRAXIS. Cette analyse a révélé un effet de lissage de la relation de dispersion qui peut être expliqué par la variation des propriétés des électrons le long du volume de mesure. Dans un magnétron planaire HiPIMS, plusieurs conditions de décharge ont été étudiées, avec de l'argon et de l'hélium, pour des courants de pointe allant de 40 A à 600 A. Des caractéristiques résolues en temps, telles que l'anisotropie de la vitesse de dérive, ont été mesurées, et une analyse des contributions aux dérives des particules a été réalisée dans des différentes conditions. La théorie cinétique linéaire a été adaptée pour le magnétron. L'application de PRAXIS aux mesures dans le magnétron planaire a révélé la présence de deux instabilités dans le mode HiPIMS, l'une identifiée comme l'instabilité de dérive cyclotronique électronique (ECDI), étudiée dans des travaux antérieurs, et le second mode se propageant à un angle de 45° par rapport à la surface de la cible. Une analyse préliminaire de la perturbation par une simple sonde de Langmuir dans le plasma a également été effectuée sur le magnétron planaire, et il a été observé qu'une augmentation systématique de la vitesse de groupe de l'instabilité se produisait en présence de la sonde. L'application de diagnostics avancés dans le cadre de ce travail a permis une meilleure caractérisation (y compris avec une résolution temporelle élevée) des propriétés et de la dynamique des électrons de ces dispositifs en champs croisés.
Le mardi 20 octobre 2023 à 14h00, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Antoine MOUZE-MORNETTAS
Energétique

Modélisation et réduction de la cinétique chimique LOx-méthane pour des applications moteur-fusée
MEMBRES DU JURY :

M. Fabien HALTER Université d'Orléans Directeur de thèse
Mme Frédérique BATTIN-LECLERC laboratoire LRGP (CNRS UMR 7274), Université de Lorraine Rapporteure
M. Guillaume RIBERT laboratoire CORIA (CNRS UMR 6614) , INSA Rouen Normandie Rapporteur
Mme Bénédicte CUENOT CERFACS Directrice de thèse
Mme Aurélie NICOLE ONERA (Office national d'études et de recherches aérospatiales) Examinatrice
Mme Annafrederica URBANO ISAE SUPAERO Examinatrice
M. Guillaume DAYMA Université d'Orléans Examinateur
M. Miguel MARTIN-BENITO CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) Invité
M. Florian MONNIER ArianeGroup - Vernon Invité

RÉSUMÉ
Le marché de l'espace étant de plus en plus compétitif, les lanceurs réutilisables sont considérés comme une technologie clé pour réduire de manière significative le coût de l'accès à l'orbite. Comme il représente le meilleur compromis coût-performance, le méthane est envisagé comme une solution pour de futurs moteurs réutilisables. Cependant, les conditions de fonctionnement des moteur-fusée sont extrêmes en termes de température et de pression, prohibitives pour la plupart des dispositifs expérimentaux existants. Il y a donc un manque fondamental de connaissances sur la cinétique de l'oxycombustion du méthane. Pour obtenir un modèle cinétique, une base de données expérimentale de vitesse de flamme représentative des conditions d'application est construite à l'aide de la chambre de combustion isochore OPTIPRIME développée à ICARE (CNRS). Une gamme variée de richesses, pression et température jamais explorée auparavant pour ces mélanges est construite. Une sélection de différents mécanismes chimiques récents est ensuite comparée aux résultats expérimentaux. Le mécanisme ayant l'écart le plus faible avec l'expérience (POLIMI C1-C3) est utilisé comme point de départ d'un processus d'optimisation sur la base de données expérimentale à l'aide de l'outil OPTISMOKE++. Un mécanisme adapté à la combustion CH4/O2 en conditions d'un moteur de fusée est ainsi obtenu. Pour finir, le modèle est testé dans une simulation LES 3D haute-fidélité d'une configuration moteur-fusée mono-injecteur à 100 bar (REST HF-10) avec le code AVBP développé au CERFACS. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles existants. Les principales caractéristiques de la flamme sont retrouvées mais sa structure est plus complexe, soulignant ainsi l'intérêt d'une chimie optimisée.
Le mercredi 27 septembre 2023 à 9h00, salle SADRON, CNRS.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Léo KOVACS
Physique

Influence du glissement pariétal sur le sillage d’un corps épais : application à la rentrée atmosphérique de débris spatiaux.
MEMBRES DU JURY :

Mme Viviana LAGO ICARE, CNRS Orléans Directrice de thèse
M. Pierre-Yves LAGREE CNRS, IJLRA Sorbonne Université Examinateur
M. Nicolas MAZELLIER PRISME, Université d'Orléans Directeur de thèse
M. Pierre-Yves PASSAGGIA PRISME, Université d'Orléans Co-encadrant de thèse
Mme Irina GRAUR IUSTI, CNRS, Université d'Aix-Marseille Examinatrice
M. Lucien BALDAS ICA, INSA Toulouse Rapporteur
M. Ajmal Khan MOHAMED ONERA, DMPH Palaiseau Rapporteur

RÉSUMÉ
Ce sujet de thèse porte sur l’étude expérimentale de l’effet du glissement pariétal sur l’aérodynamique d’un cylindre dans un écoulement raréfié. L’étude des écoulements raréfiés suscite l’intérêt de la communauté scientifique depuis des décennies, car cette physique complexe intervient dans un éventail d’applications englobant notamment la microfluidique ou la rentrée atmosphérique de débris spatiaux. Bien que les interactions entre les corps et le fluide ambiant aient été étudiées de manière approfondie dans le passé, une compréhension fine des phénomènes physiques en proche paroi fait toujours défaut. Cela est particulièrement vrai dans le cas de la rentrée de débris pour lesquels l’écoulement en proche paroi conditionne les efforts aérodynamiques subis par le corps. La raréfaction se manifeste par l’apparition d’une condition de glissement pariétal dont la modélisation est encore très sommaire. Cette phase de modélisation est pourtant fondamentale pour prédire précisément la trajectoire des corps étudiés. C’est l’objet de cette étude qui vise à améliorer la compréhension physique du phénomène de glissement pariétal dans les écoulements raréfiés et à proposer par le biais d’une approche originale son étude à l’aide d’un écoulement visqueux à surface libre analogue aux écoulements raréfiés compressibles. Dans l’approche hydraulique, le glissement pariétal est introduit à l’aide d’une surface dite superhydrophobe. Une base de données sur l’aérodynamique d’un cylindre a été réalisée dans une installation expérimentale (soufflerie MARHy - Laboratoire ICARE) en régime supersonique et raréfié. Ces données servent de point de référence à l’étude en écoulement à surface libre réalisée à l’aide d’un banc d’essai hydraulique en canal ouvert (Laboratoire PRISME). L’effet du glissement pariétal est étudié sur une large gamme de nombres de Reynolds en balayant différents nombres de Mach et Knudsen dans le cas compressible et un nombre de Froude dans le cas incompressible. De plus, un modèle théorique universel faiblement non linéaire de traînée, incorporant le glissement pariétal, a été développé et ajusté sur les bases de données expérimentales afin de modéliser la longueur caractéristique associée au glissement.
Le jeudi 22 juin 2023 à 15h00, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Fabian Esneider CANO ARDILA
Energétique

Etude expérimentale multi-échelle sur la chimie des nanoparticules par les techniques du tube à choc

MEMBRES DU JURY :

M. Andrea COMANDINI Université d'Orléans Directeur de thèse
M. Brandon ROTAVERA University of Georgia Rapporteur
Mme Silvana DE IULIIS National Research Council of Italy Rapporteure
Mme Nabiha CHAUMEIX Université d'Orléans Examinatrice
M. Robert Simon TRANTER Argonne National Laboratory Examinateur
M. Laurent CATOIRE ENSTA ParisTech Examinateur

RÉSUMÉ
Afin de développer des modèles cinétiques chimiques prédictifs pour la formation et la croissance de la suie qui peuvent être utilisés dans le cadre d'outils théoriques pour la conception de dispositifs de combustion de la prochaine génération, notre compréhension fondamentale des différents processus chimiques et physiques doit être affinée. Des efforts récents pour améliorer les techniques expérimentales conventionnelles ont permis de mesurer des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) relativement grands, précurseurs des particules de suie, et d'évaluer avec précision la chimie en phase solide. D'un autre côté, ces techniques présentent des limites qui ne peuvent être surmontées que par des solutions innovantes basées sur des diagnostics modernes. Le présent travail de thèse utilise trois tubes à chocs de différentes échelles couplés à des techniques de laboratoire et de synchrotron pour étudier expérimentalement la chimie des HAP et des particules de suie à partir de composants de combustibles et d'intermédiaires. En particulier, un nouveau tube à choc miniature à taux de répétition élevé (HRRST) est présenté pour la première fois. Les détails de la conception mécanique et du fonctionnement sont discutés, ainsi que la caractérisation de ses performances. En outre, le couplage entre le HRRST et les détecteurs de spectroscopie de coïncidence photoélectron/photoion à double imagerie (i2PEPICO) situés dans différentes installations synchrotron européennes (SOLEIL et SLS) est décrit. Les premiers résultats de la combinaison HRRST/i2PEPICO ont été obtenus à SOLEIL sur la pyrolyse de l'éthanol, le principal biocarburant actuel. Des expériences ont été réalisées pour tester la fonctionnalité de la technique, à différentes énergies de photons, dilutions de carburant et températures. Pour chaque ensemble de données expérimentales, des spectres de masse, des profils cinétiques temporels et, en outre, des spectres photoélectroniques en fonction de la masse (PESs), ont pu être obtenues, une caractéristique unique à i2PEPICO pour l'identification des espèces isomériques. Lors de la campagne suivante, la chimie des HAP issus de la pyrolyse du toluène, de l'éthylbenzène et du styrène a été étudiée avec plus de 300 000 expériences. Les résultats à partir de la décomposition thermique du toluène ont été analysés pour obtenir des informations détaillées grâce à l'identification des isomères des principales espèces de HAP, y compris le développement d'une nouvelle méthodologie analytique avec calculs de chimie quantique ab-initio. En outre, la détection de grands produits PAH jusqu'à m/z 426 a été possible, fournissant des informations qualitatives sur la croissance des grands précurseurs de suie. La comparaison entre les résultats expérimentaux pour les différents carburants a également été effectuée pour mettre en évidence l'influence de la structure du carburant sur la croissance des HAP. Dans le cadre du développement de la technique expérimentale, une nouvelle méthode d'étalonnage externe pour les études cinétiques quantitatives a également été formulée et mise au point. Les expériences synchrotron ont été complétées par des expériences conventionnelles à tube à choc pour mesurer les produits stables jusqu'à quatre anneaux issus de la pyrolyse du styrène (profils d'espèces). Ces nouvelles données, ainsi que les résultats sur le toluène et l'éthylbenzène de la littérature, constituent le point de référence pour la validation du modèle, ainsi qu'une référence pour la comparaison avec les résultats du HRRST. Enfin, les données sur le temps d'extinction du tube à choc/laser de la pyrolyse de l'éthylbenzène et du styrène sont comparées aux données précédentes sur le toluène, et servent, avec les données sur les HAP, à clarifier les principaux mécanismes liés à la formation de suie à partir de ces combustibles, en vue de futurs développements de modèles cinétiques chimiques.
Le 21 avril 2023 à 14h30, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Vincente CARDONA
Physique

Interactions aérodynamiques de débris spatiaux lors de la rentrée atmosphérique : étude expérimentale en régime raréfié
Aerodynamic interactions of space debris during atmospheric re-entry: a rarefied regime experimental study.

MEMBRES DU JURY :

Mme Viviana LAGO CNRS Directrice de thèse
M. Thierry MAGIN Karman Institute for Fluid Dynamics Rapporteur
M. Stuart J. LAURENCE University of Maryland Rapporteur
M. Eddy CONSTANT R.Tech Examinateur
M. Stéphane GALERA CNES Examinateur
M. Azeddine KOURTA PRISME - Université d'Orléans Examinateur
Mme Marielle VARENNE CEA Examinatrice
M. Thierry DUDOK DE WIT Université d'Orléans Examinateur

RÉSUMÉ
Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des débris spatiaux pénétrant l'atmosphère à des altitudes de l'ordre de 90 km, où l'air, peu dense, est dit raréfié. A ces altitudes, l'air se densifie peu à peu, menant à d'intenses charges thermiques et de pression. Contraints à ses efforts, les débris vont, dans la majorité des cas, se fragmenter. Si les petits fragments se vaporisent dans l'air, les plus gros vont pénétrer plus amplement l'atmosphère, et possiblement atteindre la surface terrestre. L'inquiétude se pose quant aux risques humains et environnementaux. Il est donc primordial de connaître avec précision la zone et le date d'impact. Deux éléments rendent cette détermination difficile : les interactions entre fragments de débris, et la faible connaissance des écoulements raréfiés. En effet, au sein d'un nuage de débris, les fragments peuvent évoluer à proximité les uns des autres, provoquant des interactions aérodynamiques. Dans le cas d'un débris secondaire évoluant au sein du sillage d'un débris primaire, les interactions aérodynamiques peuvent induire des conditions aérothermodynamiques sévères (pression dynamique, flux thermique), un phénomène de « surf » sur l'onde de choc primaire, ou une modification des coefficients aérodynamiques des débris secondaires. Ces différents impacts sur les débris auront comme conséquence la modification de leur trajectoire et donc de leur impact. Dans le cas d'une fragmentation se produisant à haute altitude, les interactions aérodynamiques vont concerner les régimes d'écoulements raréfiés (de glissement, de transition), caractérisés par le nombre de Knudsen. Ces régimes, encore peu connus, nécessitent toujours un gros effort scientifique pour les caractériser. Les codes de calculs actuels peinent encore à identifier, notamment, les conditions de glissement à la paroi des objets, ce qui rend difficile la prise en compte des effets visqueux provenant directement du niveau de raréfaction. En conséquence, les prédictions d'impacts sont encore peu précises et connues bien trop tardivement. A l'heure actuelle, très peu de travaux ont été menés dans ces conditions d'écoulement et pour des configurations d’intérêt : forme et position des débris, nombres de Mach et de Knudsen. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en étudiant expérimentalement les interactions aérodynamiques entre deux objets sphériques, et plus particulièrement, les interactions choc/choc en découlant. Cette étude expérimentale est réalisée dans la soufflerie MARHy qui permet de générer des écoulements supersoniques et hypersoniques de faible densité. Grâce à différents dispositifs expérimentaux, les interactions choc/choc ont pu être évaluées visuellement, mais également en termes de forces aérodynamiques et pressions pariétales. Pour mieux comprendre les effets de raréfaction locale d'un écoulement, différents ratios de diamètres de sphères ont été étudiés. De même, les effets de raréfaction globale ont pu être évalués avec une étude iso-Mach (Mach 4) et différents nombres de Knudsen, rendue possible grâce des tuyères interchangeables. Enfin, une étude hypersonique (Mach 20) raréfiée a mis en évidence une forte augmentation des effets visqueux. Ces expériences ont permis une meilleure compréhension du rôle des effets de raréfaction sur les interactions aérodynamiques entre deux sphères. L'acquisition de cette importante base de données expérimentales pourra enrichir les codes de calculs considérant les écoulements supersoniques et hypersoniques de hautes altitudes, et à long terme, améliorer la prédiction des impacts terrestres.
Le 21 février 2023 à 14h, salle de conférences, ICARE.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Pascal LABOUREUR Energétique

Caractérisation expérimentale d’une flamme prémélangée aluminium / air.
Experimental characterization of an aluminum/air premixed flame.

MEMBRES DU JURY :

M. Fabien HALTER Université d'Orléans Directeur de thèse
M. Jean-François BRILHAC Université de Haute-Alsace Rapporteur
M. Laurent PERRIN Université de Lorraine Rapporteur
M. Christian CHAUVEAU CNRS Co-Directeur de thèse
M. Pascal BOULET LEMTA Examinateur
M. Laurent SELLE IMFT Examinateur
M. Clément DUMAND STELLANTIS Examinateur

RÉSUMÉ
Face à l’intensification du dérèglement climatique et du réchauffement planétaire durant ces dernières décennies, les enjeux sociétaux et environnementaux liés à la transition énergétique deviennent prépondérants. L’intermittence des différentes sources d’énergies renouvelables, associée aux difficultés pour stocker massivement l’énergie résultante, limite le déploiement généralisé de ces solutions décarbonées et pousse à rechercher de nouveaux vecteurs énergétiques propres. Une alternative aux énergies fossiles traditionnels pourrait être les poudres métalliques en raison de leurs propriétés énergétiques intéressantes. L’énergie serait alors directement véhiculée par ces poudres selon un cycle itératif simple, sans la création de déchets ou de gaz à effet de serre. Cependant, le potentiel de ce vecteur reste encore à être démontré et certains verrous techniques et scientifiques subsistent dans les phases de stockage et de restitution de l’énergie. Cette thèse se focalise sur l’étape d’oxydation des particules métalliques et participe à évaluer les capacités de restitution énergétique de ce nouveau vecteur en étudiant une flamme prémélangée aluminium / air générée à la sortie d’un brûleur de type Bunsen. Les objectifs consistent en la caractérisation des propriétés fondamentales de la flamme métallique et l’estimation de paramètres nécessaires au dimensionnement d’un convertisseur énergétique basé sur l’utilisation de ces poudres d’aluminium. La vitesse de flamme laminaire, les températures de la phase condensée dans la zone de réaction ou encore le bilan énergétique global ont pu être déterminés sur le dispositif expérimental. Il apparaît alors que l’aluminium possède des avantages majeurs pour une utilisation comme vecteur énergétique.
Le jeudi 12 janvier 2023 à 13h00, Mechanical Engineering Department Middle East Technical University.
THÈSE PRÉSENTÉE A L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ D’ORLÉANS PAR

Deniz KAYA EYICE
Energétique

Etude des interactions entre gouttelette et flamme par des approches expérimentales et numériques
Study of droplet-flame interactions using experimental and numerical approaches

MEMBRES DU JURY :

M. Metin MURADOGLU Université de Koç Rapporteur
M. Vincent MOUREAU CORIA-CNRS Rapporteur
M. Christian CHAUVEAU ICARE-CNRS Directeur de thèse
M. Ahmet YOZGATLIGIL Université Technique du Moyen-Orient Co-directeur de thèse
M. Fabien HALTER Université d’Orléans, ICARE-CNRS Co-directeur de thèse
M. Mustafa İLBAS Université de Gazi Examinateur
M. Özgür Uğraş BARAN Université Technique du Moyen-Orient Examinateur
M. Mehmet Haluk AKSEL Université Technique du Moyen-Orient Invité
M. İskender GÖKALP ICARE-CNRS Invité

RÉSUMÉ
Les applications de combustion par pulvérisation impliquent des phénomènes très complexes tels que l'atomisation, la vaporisation des gouttelettes, le mélange, la turbulence, la cinétique chimique, ainsi que l'interaction de ces processus. Dans la combustion diphasique, l'un des processus de base est l'interaction d'une seule gouttelette avec une flammelette. Par conséquent, il est essentiel de comprendre la physique de l'évaporation des gouttelettes isolées et des effets sur le front de flamme pour étudier des flammes plus complexes. Le but de cette étude est d'étudier l'évaporation des gouttelettes, les caractéristiques de la flamme et les changements sur la morphologie de la flamme pour les flammes laminaires en présence de gouttelettes via des approches expérimentales et numériques. La partie expérimentale de l'étude est menée au CNRS ICARE, y compris des expériences de microgravité pour étudier les instabilités de flamme en présence de gouttelettes d'éthanol isolées pour une flamme éthanol/air à expansion sphérique à l'aide de la méthode Schlieren et des expériences au sol pour étudier les caractéristiques d'évaporation d'une gouttelette d'éthanol traversant une flamme stabilisée contre une plaque. Les modifications induites par le passage de la goutte dans la flamme sont détaillées à l'aide de différents diagnostics optiques tels que PIV, PTV, ILIDS et Chimiluminescence. Dans la partie numérique de l'étude, le solveur YALES2 est utilisé pour simuler l'évaporation des gouttelettes dans différentes conditions ambiantes à des températures élevées via une approche Eulérienne-Lagrangienne. Dans ce cadre, l'évaporation des gouttelettes stationnaires est calculée aux compositions de gaz brûlés via le modèle de Spalding, ainsi que l'évaporation d'une gouttelette en mouvement à travers un champ de flamme de stagnation via le modèle d'Abramzon-Sirignano. Enfin, des simulations non réactives et réactives sont réalisées avec une géométrie de brûleur à stagnation réelle.