In this thesis, thermal-diffusive instabilities are studied experimentally in diffusion flames. The novel species injector of a recently developed research burner, consisting of an array of hypodermic needles, which allows to produce quasi one-dimensional unstrained diffusion flames has been improved. It is used in a new symmetric design with fuel and oxidizer injected through needle arrays which allows to independently choose both the magnitude and direction of the bulk flow through the flame. A simplified theoretical model for the flame position, the temperature and the species concentration profiles with variable bulk flow is presented which accounts for the transport properties of both reactants. The model results are compared to experiments with a CO₂-diluted H₂-O₂ flame using variable bulk flow and inert mixture composition.

The mixture composition throughout the burning chamber is monitored by mass spectrometry. An elaborate calibration procedure has been implemented to account for the variation of the mass spectrometer sensitivity as a function of the mixture composition. The calibrated results allow the effective mixture strength of the diffusion flames to be measured with a relative uncertainty of about 5 %.

In order to properly characterize the flame produced, the velocity and temperature distribution inside the burning chamber are measured. The resulting species concentration and temperature profiles are compared to the simplified theory and demonstrate that the new burner configuration produces a good approximation of the 1-D chambered diffusion flame, which has been used extensively for the stability analysis of diffusion flames. The velocity profiles are also used to quantify the residual stretch experienced by the flame which is extremely low, below 0.15 s⁻¹. Hence, this new research burner opens up new possibilities for the experimental validation of theoretical models developed in the idealized unstrained 1-D chambered flame configuration.

The thermal-diffusive instabilities observed close to extinction are investigated experimentally and mapped as a function of the Lewis numbers of the reactants. The use of a mixture of two inerts (helium and CO₂) allows for the effect of a wide range of Lewis numbers to be studied. A cellular flame structure is observed in hydrogen flames when the Lewis numbers is relatively low with a typical cell size between 7 and 15 mm. The cell size is found to scale linearly with the diffusion length, in good agreement with theoretical predictions. When the Lewis number is increased by using a higher helium content in the dilution mixture, the instabilities observed are planar intensity pulsation. The use of methane allowed pulsating flames to be generated for a wide range of bulk velocities and transport properties. The pulsating frequencies measured are in the 0.7 to 11 Hz range and were found to scale linearly with a diffusion frequency defined as U²/D_th multiplied by the square root of the Damköhler number. The experimental results presented here are the first observations of thermal-diffusive instabilities in such a low-strain flame. They constitute a unique dataset that can be used to quantitatively validate theoretical models on diffusion flame stability developed in the simplified onedimensional configuration.

L’utilisation d’un nouveau type the brûleur permet de produire des flammes de diffusion uni-dimensionelles et sans étirement. La nouveauté réside dans la manière avec laquelle les espèces réactives sont introduites dans le brûleur, au travers de centaines d’aiguilles hypodermiques. Une évolution du design est introduite dans laquelle l’arrangement symétrique du système d’injection permet un contrôle indépendant sur l’intensité et la direction de l’écoulement moyen dans la chambre de combustion. Un modèle théorique simplifié tenant compte de l’écoulement moyen variable est présenté pour la position de flamme de même que les profils de concentration et d’espèce dans le brûleur. Les prédictions de ce modèle sont comparés aux résultats expérimentaux pour des flammes d’hydrogène et d’oxygène dilués dans du CO₂.

La composition du mélange de gaz présent dans la chambre de combustion est mesuré à l’aide d’un système de spectrométrie de masse. Une technique de calibration sophistiquée a du être mise au point pour compenser le changement de la sensibilité de l’instrument intervenant en fonction de la composition du mélange mesuré. La flamme produite a aussi été charactérisée par la mesure des distributions de vitesse et de température dans le brûleur. Les profils de concentration et de température ainsi obtenus ont été comparés avec succès à la théorie simplifiée. Ceci démontre que la flamme produite est une bonne approximation de la configuration uni-dimensionelle simplifiée, qui est utilisée abondement dans le dévelopment de modèles théoriques sur la stabilité des flammes de diffusion. Les profils de vitesse permettent également une évaluation de l’étirement résiduel subi par la flamme, qui est inférieur a 0.15 s⁻¹. Ce nouveau type de brûleur de recherche ouvre de nombreuses possibilités de recherches, en particulier pour la validation expérimentale de modèles théoriques sur la stabilité des flammes de diffusion, dévelopés en supposant une absence d’étirement dans la configuration uni-dimensionelle simlifiée.

Les instabilités thermo-diffusives formées à l’approche de l’extinction ont été observées et cartographiées en fonction des nombres de Lewis des espèces utilisées. L’utilisation d’un mélange de deux gaz inertes (hélium et CO₂) pour la dilution des espèces réactives a permis le balayage d’une large plage de nombres de Lewis. Une structure de flamme cellulaire est observée pour les nombres de Lewis relativement faibles, avec une taille de cellules comprise entre 7 et 15 mm, évoluant linéairement avec la longueur characteristique de diffusion, conformément aux prédictions théoriques. Quand le nombre de Lewis est augmenté en utilisant une plus grande proportion d’hélium dans le mélange de dilution, les instabilités observées deviennent des oscillations plannes de l’intensité de la réaction. L’utilisation du méthane comme combustible a permis la production de flammes oscillantes sur une large plage de vitesse d’advection et de propriété de transport du mélange. Les fréquences de pulsation observées sont incluses dans l’intervalle de 0.7 à 11 Hz, et évoluent en fonction d’une fréquence de diffusion définie comme U²/D_th multipliée par la racine carrée du nombre de Damköhler. Les résultats expérimentaux d’instabilité thermo-diffusives présentés ici sont les premiers réalisés dans une telle flamme pratiquement dépourvue d’étirement. Ils constituent une base de données unique permettant les premières validations quantitatives des modèles sur la stabilité des flammes de diffusion réalisés dans la configuration uni-dimensionnelle simplifiée.