Les activités humaines dans la subsurface se développent rapidement (stockage de déchets,nouvelles techniques minières, stockage à haute fréquence de l’énergie), alors que dans le même temps les attentes du public et des autorités s’intensifient. L’évaluation de chaque étape de ces opérations souterraines repose sur des études détaillées de la sûreté et des impacts environnementaux.Elles reposent sur des simulateurs élaborés et sur de la modélisation multiphysique. Avec leur approche orientée processus, les simulations en transport réactifs proposent une méthode efficace pour comprendre et prévoir le comportement de ces systèmes complexes, à différentes échelles de temps et d’espace.Le but de ce travail est d’intégrer la résolution de l’écoulement diphasique compressible dans le cadre de codes de transport réactifs à l’aide d’une méthode de séparation d’opérateurs. Un module multiphasique a été créé dans le code de transport réactif HYTEC. Une nouvelle approche a ensuite été développée pour coupler écoulement multicomposant multiphasique compressible, description de propriétés thermo-dynamiques complexes pour les fluides, avec des codes de transport réactif. La méthode a été intégrée dans HYTEC. Des cas de validation sont proposés, puis des exemples d’application pour la simulation du stockage souterrain de CO2 et des impuretés associées. / Human activity in the subsurface has rapidly been expanding and diversifying (waste disposal, new mining technologies, high-frequency storage of energy), while the public and regulatory expectations keep growing. The assessment of each step of underground operations requires careful safety and environmental impact evaluations. They rely on elaborate simulators and multiphysics modeling. With its process-based approach, reactive transport simulation provides an effective way to understand and predict the behavior of such complex systems at different time and spatial scale.This work aims at incorporating a compressible multiphase flow into conventional reactive transport framework by an operator splitting approach. A multiphase flow module is developed in the HYTEC reactive transport software. A new approach is then developed to fully couple multiphase multicomponent compressible flow, the complex thermodynamic description of the fluid properties, with existing reactive transport codes. The method is implemented in HYTEC. Some validation is provided, before application to the simulation of underground storage of CO2 and associated impurities.

L’adaptation de maillage est un outil puissant pour l’obtention de simulations aérodynamiques précises à coût limité. Dans le cas particulier des simulations visant au calcul de fonctions aérodynamiques (efforts, moments, rendements...), plusieurs méthodes dites de raffinement ciblé (ou, en anglais, « goal-oriented ») basées sur le vecteur adjoint de la fonction d’intérêt ont été proposées. L’objectif de la thèse est l’extension d’une méthode de ce type basée sur la dérivée totale dJ/dX de la grandeur aérodynamique d’intérêt, J, par rapport aux coordonnées du maillage volumique, X. Les trois méthodes usuelles de calcul de gradient discret – la méthode de différentiation directe, la méthode adjointe-"paramètres" et la méthode adjointe-"maillage" évaluant dJ/dX – ont tout d’abord été étudiées et codées dans le logiciel elsA de l’ONERA pour des maillages non-structurés, pour des écoulements compressibles de fluide parfait et des écoulements laminaires. La seconde étape du travail a consisté à créer un senseur local θ basé sur dJ/dX qui identifie les zones du maillage volumique où la position des nœuds a une forte incidence sur l’évaluation de la fonction J. Ce senseur sert d’indicateur pour l’adaptation de différents maillages, pour différents régimes d’écoulement (subsonique, transsonique, supersonique), pour des configurations d’aérodynamique interne (aube et tuyère) et externe (profil d’aile). La méthode proposée est comparée à une méthode de raffinement ciblée très populaire (Venditti et Darmofal, 2001) et à une méthode de raffinement basée sur les caractéristiques de l’écoulement (ou, en anglais, « feature-based ») ; elle conduit à des résultats très satisfaisants. / Mesh adaptation is a powerful tool to obtain accurate aerodynamic simulations with limited cost. In the specific case of computation of aerodynamic functions (forces, moments, efficiency ...), goal-oriented methods based on the adjoint vector have been proposed. The aim of the thesis is the extension of a method of this type based on the total derivative dJ/dX of the aerodynamic output of interest, J, with respect to the volume mesh coordinates, X. The three common methods for calculating discrete gradient – the direct differentiation method, the parameter-adjoint method and mesh-adjoint method evaluating dJ/dX – have been studied first and coded in the elsA ONERA software for unstructured grids, for compressible inviscid and laminar flows. The second part of this work was has been to define a local sensor θ based on dJ/dX in order to identify zones where the volume mesh nodes position has a strong impact on the evaluation of the function J. This sensor is the selected indicator for different mesh adaptations for different flow regimes (subsonic, transonic, supersonic) for internal (blade and nozzle) and external (wing profile) aerodynamic configurations. The proposed method is compared to a well-known goal-oriented method (Darmofal and Venditti, 2001) and to a feature-based method ; it leads to very consistent results. very consistent results.

In the last half a century, Computational Fluid Dynamics (CFD) has been established as an important complementary part and some times a significant alternative to Experimental and Theoretical Fluid Dynamics. Development of efficient computational algorithms for digital simulation of fluid flows has been an ongoing research effort in CFD. An accurate numerical simulation of compressible Euler equations, which are the gov-erning equations of high speed flows, is important in many engineering applications like designing of aerospace vehicles and their components. Due to nonlinear nature of governing equations, such flows admit solutions involving discontinuities like shock waves and contact discontinuities. Hence, it is nontrivial to capture all these essential features of the flows numerically. There are various numerical methods available in the literature, the popular ones among them being the Finite Volume Method (FVM), Finite Difference Method (FDM), Finite Element Method (FEM) and Spectral method. Kinetic theory based algorithms for solving Euler equations are quite popular in finite volume framework due to their ability to connect Boltzmann equation with Euler equations. In kinetic framework, instead of dealing directly with nonlinear partial differential equations one needs to deal with a simple linear partial differential equation. Recently, FEM has emerged as a significant alternative to FVM because it can handle complex geometries with ease and unlike in FVM, achieving higher order accuracy is easier. High speed flows governed by compressible Euler equations are hyperbolic partial differential equations which are characterized by preferred directions for information propagation. Such flows can not be solved using traditional FEM methods and hence, stabilized methods are typically introduced. Various stabilized finite element methods are available in the literature like Streamlined-Upwind Petrov Galerkin (SUPG) method, Galerkin-Least Squares (GLS) method, Taylor-Galerkin method, Characteristic Galerkin method and Discontinuous Galerkin Method. In this thesis a novel stabilized finite element method called as Kinetic Streamlined-Upwind Petrov Galerkin (KSUPG) method is formulated. Both explicit and implicit versions of KSUPG scheme are presented. Spectral stability analysis is done for explicit KSUPG scheme to obtain the stable time step. The advantage of proposed scheme is, unlike in SUPG scheme, diffusion vectors are obtained directly from weak KSUPG formulation. The expression for intrinsic time scale is directly obtained in KSUPG framework. The accuracy and robustness of the proposed scheme is demonstrated by solving various test cases for hyperbolic partial differential equations like Euler equations and inviscid Burgers equation. In the KSUPG scheme, diffusion terms involve computationally expensive error and exponential functions. To decrease the computational cost, two variants of KSUPG scheme, namely, Peculiar Velocity based KSUPG (PV-KSUPG) scheme and Circular distribution based KSUPG (C-KSUPG) scheme are formulated. The PV-KSUPG scheme is based on peculiar velocity based splitting which, upon taking moments, recovers a convection-pressure splitting type algorithm at the macroscopic level. Both explicit and implicit versions of PV-KSUPG scheme are presented. Unlike KSUPG and PV-KUPG schemes where Maxwellian distribution function is used, the C-KUSPG scheme uses a simpler circular distribution function instead of a Maxwellian distribution function. Apart from being computationally less expensive it is less diffusive than KSUPG scheme.

Le déminage mécanique consiste à scarifier le sol avec une " charrue ", outil formé d'une lame en V munie de plusieurs dents, poussée par un engin : les dents déstructurent le sol et le font remonter devant la lame qui l'évacue sur le côté avec les mines qu'il contient. L'objectif de nos travaux est de mettre en œuvre la simulation numérique par éléments finis du problème fortement non linéaire issu de la modélisation de la scarification du sol. Le code d'éléments finis implicite Forge3®, dédié à la mise en forme des métaux, a été choisi comme support numérique. Il permet de prendre en compte les grandes déformations, en particulier à l'aide de son remaillage automatique. Nous avons dans un premier temps implanté dans ce code deux modèles élastoplastiques de comportement, l'un incompressible réservé aux sols fins saturés, purement cohésifs, l'autre compressible, fondé sur la notion d'état critique, pour les matériaux purement frottants ou cohésifs et frottants. Ces modèles adoucissants sont intégrés par un schéma de retour radial généralisé, au sein d'une formulation implicite du problème aux limites. Nous montrons que la matrice de raideur est non symétrique dans le cas compressible et que la symétrisation du système ne conduit pas à une approche robuste. Nous avons donc importé et testé un solveur itératif non-symétrique : Bi-CGSTAB. Nous avons validé la programmation de ces modèles sur des essais triaxiaux. Pour les comportements adoucissants, on constate des oscillations dans la relation contrainte/déformation passé le pic de contrainte. Ces difficultés numériques sont traitées par linéarisation et régularisation. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre des simulations de scarification pour différents niveaux de complexité : une dent seule, une dent + une tranche de lame, plusieurs dents, en faisant suffisamment avancer l'outil pour atteindre le régime stationnaire ; cela se révèle d'autant plus long que l'outil est large, ce qui nous amène au calcul très intensif. L'influence de paramètres géométriques comme l'inclinaison de la dent ou l'angle d'étrave du système a été mise en évidence, elle est qualitativement conforme aux observations expérimentales. L'étude de l'influence des paramètres des modèles de comportement montre la prépondérance de ceux liés à l'état critique, i.e. aux propriétés mécaniques après de grandes déformations. Enfin nous avons validé qualitativement le code en termes de modes d'écoulements et de répartition des efforts pour des outils multi-dents. La comparaison quantitative des efforts reste à affiner en revenant sur le comportement choisi et son implémentation.

L'objectif de cette thèse est l'étude du problème de Cauchy pour les solutions faibles de trois problèmes (systèmes paraboliques dégénérés et fortement couplés) modélisant des écoulements diphasiques et compressibles en milieu poreux. La motivation de ce travail est un "benchmark" du GNR MoMaS pour l'étude de l'impact de l'écoulement du gaz d\^{u} à la corrosion des matériaux ferreux dans un site de stockage de déchets radioactifs. Cette thèse est divisée en trois chapitres indépendants. Premièrement, on s'intéresse à l'analyse mathématique d'un problème modélisant l'écoulement de deux phases immiscibles et en considérant qu'une phase est compressible et l'autre est incompressible (eau/gaz). Deuxièmement, on traite le cas général du déplacement de deux fluides compressibles et immiscibles dans un milieu poreux. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la construction et à la convergence de la méthode des volumes finis pour le système eau-gaz sous l'hypothèse que la densité du gaz est une fonction de la pression globale.

<p>The compressible turbulent boundary layer developing over atwo-dimensional bump which leads to a supersonic pocket with aterminating shock wave has been studied. The measurements havebeen made with hot-wire anemometry and Particle ImageVelocimetry (PIV).</p><p>A method to calibrate hot-wire probes in compressible ow hasbeen developed which take into account not only the ow velocitybut also the inuence of the Mach number, stagnation temperatureand uid density. The calibration unit consists of a small jetow facility, where the temperature can be varied. The hot wiresare calibrated in the potential core of the free jet. The jetemanates in a container where the static pressure can becontrolled, and thereby the gas density. The calibration methodwas verfied in the at plate zero pressure gradient turbulentboundary layer in front of the bump at three different Machnumbers, namely 0.3, 0.5 and 0.7. The profiles were alsomeasured at different static pressures in order to see theinuence of varying density. Good agreement between the profilesmeasured at different pressures, as well as with the standardlogarithmic profile was obtained.</p><p>The PIV measurements of the boundary layer ow in front ofthe 2D bump showed good agreement with the velocity profilesmeasured with hotwire anemometry. The shock wave boundary layerinteraction was investigated for an inlet Mach number of 0.69.A lambda shock wave was seen on the downstream side of thebump. The velocity on both sides of the shock wave as measuredwith the PIV was in good agreement with theory. The shock wavewas found to cause boundary layer separation, which was seen asa rapid growth of the boundary layer thickness downstream theshock. However, no back ow was seen in the PIV-data, probablybecause the seeding did not give enough particles in theseparated region. The PIV data also showed that the shock wavewas oscillating, i.e. it was moving approximately 5 mm back andforth. This distance corresponds to about five boundary layerthicknesses in terms of the boundary layer upstream theshock.</p><p><b>Descriptors:</b>Fluid mechanics, compressible ow,turbulence, boundary layer, hot-wire anemometry, PIV, shockwave boundary layer interaction, shape factor.</p>

Direct Numerical Simulations (DNS) are performed to investigate laminar-turbulent transition in a boundary layer on a sharp cone at Mach 6. The main objective of this dissertation research is to explore which nonlinear breakdown mechanisms may be dominant in a broad--band "natural" disturbance environment and then use this knowledge to perform controlled transition simulations to investigate these mechanisms in great detail. Towards this end, a "natural" transition scenario was modeled and investigated by generating wave packet disturbances. The evolution of a three-dimensional wave packet in a boundary layer has typically been used as an idealized model for "natural" transition to turbulence, since it represents the impulse response of the boundary layer and, thus, includes the interactions between all frequencies and wave numbers. These wave packet simulations provided strong evidence for a possible presence of fundamental and subharmonic resonance mechanisms in the nonlinear transition regime. However, the fundamental resonance was much stronger than the subharmonic. In addition to these two resonance mechanisms, the wave packet simulations also indicated the possible presence of oblique breakdown mechanism. To gain more insight into the nonlinear mechanisms, controlled transition simulations were performed of these mechanisms. Several small and medium scale simulations were performed to scan the parameter space for fundamental and subharmonic resonance. These simulations confirmed the findings of the wave packet simulations, namely that, fundamental resonance is much stronger compared to the subharmonic resonance. Subsequently a set of highly resolved fundamental and oblique breakdown simulations were performed. In these DNS, remarkable streamwise arranged "hot'' streaks were observed for both fundamental and oblique breakdown. The streaks were a consequence of the large amplitude steady longitudinal vortex modes in the nonlinear régime. These simulations demonstrated that both second--mode fundamental breakdown and oblique breakdown may indeed be viable paths to complete breakdown to turbulence in hypersonic boundary layers at Mach 6.

Ces travaux portent sur la modélisation et la simulation numérique de la dispersion de matériaux nocifs (pulvérisations liquides ou gazeuses) en milieu urbain ou naturel (attentat ou explosion accidentelle survenant en zone peuplée, fuites de produits toxiques gazeux ou liquides, éclatement de réservoir..). Afin de prédire ces risques un outils de simulation tridimensionnel a été développé. Celui-ci est basé sur un modèle de milieu hétérogène afin de traiter des phénomènes dont la durée et les distances associées peuvent être très grandes. La topographie des milieux étudiées est prise en compte grâce à des données numériques d'´elévation ainsi que les conditions météo permettant l'utilisation de profils de température et de vent complexes. Les transferts de chaleur et de masse sont considérés, notamment au niveau des obstacles. Un schéma numérique d'ordre élevé en temps et en espace est utilisé pour calculer les concentrations massiques de polluants. Par ailleurs, un modèle d'écoulement gaz-particule a été développé et implémenté dans le code de calcul. L'instabilité d'une couche de fluide soumise à un important gradient de pression est également étudiée, ceci afin de mieux comprendre et de caractériser les conditions initiales à utiliser pour ce type d'écoulement, impliquant des couches de particules. / This work deals with the modeling and the numerical simulation of the dispersion of toxic cloud of dropplets or gas in uneven geometry such as urban environment, industrial plants and hilly environment. Examples of phenomena under study are the dispersion of chemical products from damaged vessels, gas diffusion in an urban environment under explosion conditions, shock wave propagation in urban environment etc. A 3D simulation code has been developed in this aim. To simplify the consideration of complex geometries, a heterogeneous discrete formulation has been developed. When dealing with large scale domains, such as hilly natural environment, the topography is reconstructed with the help of numerical elevation data. Meteorological conditions are also considered, concerning temperature and wind velocity profiles. Heat and mass transfers on subscale objects, such as buildings are studied. A high order numerical scheme in space and time is used to compute mass concentration of pollutant. A two-phase model for dilute gas-particles flow has been developed and implemented in the 3D simulation code. The instability of a fluid layer appearing under high pressure gradient is also studied. This analysis allows us a better understanding of initial conditions for similar problems involving particles layer.

This thesis is concerned on the simulation of wet steam flow using discontinuous Galerkin method. Wet steam flow equations consist of Naviere-Stokes equations for compressible flow and Hill's equations for condensation of water vapor. The first part of this thesis describes the mathematical formulation of wet steam model and the derivation of Hill's equations. The model equations are discretized with the aid of discontinuous Galerkin method and backward difference formula which leads to implicit scheme represented by nonlinear algebraic system. This system is solved using Newton-like method. The derived scheme was implemented in program ADGFEM which is used for solving non-stationary convective-diffusive problems. The numerical results are presented in the last part of this thesis. 1

A two-dimensional (2-D), mathematical model is adopted to investigate the development of circulation patterns for compressible, laminar, and shear driven flow inside a rectangular cavity. The bottom of the cavity is free to move at a specified speed and the aspect ratio of the cavity is changed from 1.0 to 1.5. The vertical sides and the bottom of the cavity are assumed insulated. The cavity is filled with a compressible fluid with Prandtl number, Pr =1. The governing equations are solved numerically using the commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) package ANSYS FLUENT 2015 and compared with the results for the primitive variables of the problem obtained using in house CFD code based on Coupled Modified Strongly Implicit Procedure (CMSIP). The simulations are carried out for the unsteady, lid driven cavity flow problem with moving boundary (bottom) for different Reynolds number, Mach numbers, bottom velocities and high initial pressure and temperature.