Les flammes de jet jouent un rôle clé dans de nombreux systèmes de
combustion, notamment turbines, fours industriels, moteurs-fusées et scénarios critiques de sécurité. Leur interaction avec l’environnement, comme les écoulements transverses et les proximités, modifie significativement la forme, la stabilisation et les transferts thermiques. Cette thèse analyse les flammes de jet en configurations ouvertes et confinées via des simulations numériques avancées, visant à améliorer la modélisation des flammes turbulentes partiellement prémélangées. Dans un premier volet, des stratégies de raffinement statique de maillage sont développées pour augmenter la résolution sans connaissance préalable de la géométrie, essentiel pour capturer la physique dans des configurations complexes. Appliquée à des flammes stabilisées par sillage sous écoulement transverse, cette méthode révèle une topologie complexe combinant une flamme prémélangée alimentée par entraînement d’air et dynamique vortex, tandis qu’une branche de diffusion consume l’excès de carburant. L’impact des conditions thermiques aux parois et des modèles chimiques simplifiés sur la stabilisation et l’efficacité est étudié, montrant que les pertes de chaleur aux lèvres du brûleur compromettent la stabilisation et que la sensibilité au strain est déterminante pour prédire les fuites de carburant. Le second volet traite des risques liés à l’hydrogène, en étudiant des flammes supersoniques confinées sous écoulement transverse. La variation de la hauteur du tunnel démontre que le confinement gouverne la stabilisation : un conduit plus haut que la hauteur de décollage induit une stabilisation classique, alors qu’un confinement plus étroit favorise un régime diffusif avec une consommation réduite. Les flux thermiques muraux sont comparables malgré une réduction de l’hydrogène brûlé dans le cas confiné. Cette différence résulte du mode de stabilisation et de la dilution par gaz froids induite par le confinement, augmentant les gradients thermiques près des parois. Ces résultats soulignent l’importance de la stabilisation des flammes, des pertes thermiques et du confinement dans l’optimisation de l’efficacité et de la sécurité des systèmes de combustion avancés. |
Jet flames are fundamental to many combustion systems, including
turbines, industrial furnaces, rocket engines, and various safety-critical scenarios. Their interaction with environmental conditions such as crossflows and proximities significantly affects flame shape, stabilization, and heat transfer. This dissertation investigates jet flames in both open and confined configurations using advanced numerical simulations to improve predictive capabilities for turbulent, partially-premixed combustion. In the first part, new static mesh refinement strategies are developed to enhance resolution without requiring prior knowledge of the configuration, crucial for capturing physics in complex geometries. The methodology is applied to wake-stabilized jet flames in crossflow, revealing a complex flame topology with a premixed flame driven by air-entrainment and vortex dynamics, while excess fuel burns in a diffusion branch. The influence of thermal boundary conditions and reduced chemistry models on stabilization and efficiency is analysed, showing that increased heat losses at torch lips degrade stabilization and that strain sensitivity is critical to accurately predict fuel leakage. The second part addresses safety concerns associated with hydrogen use by exploring confined supersonic hydrogen jet flames in a channel with an air crossflow. This configuration mimics a flame stabilized on a leak of hydrogen in a duct. Varying tunnel height reveals that confinement controls flame stabilization: ducts higher than the flame lift-off height favour classical stabilization, while tighter confinement induces a diffusion-dominated regime with reduced fuel consumption. Comparable maximum wall heat loads are found in both cases, despite less hydrogen being burned in the narrow case. This is attributed to the different stabilization mode and confinement-induced dilution with cold gases, increasing temperature gradients near walls. These results highlight the critical role of flame stabilization subjected to heat losses and confinement in determining combustion efficiency and safety in next-generation energy systems. |