L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d'outils numériques permettant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de l'allumage d'un écoulement turbulent diphasique dans une chambre de combustion. Pour ce faire, une méthode de dépôt d'énergie modélisant l'apport d'énergie lié au claquage de la bougie d'allumage a été implémentée dans la chaîne de calcul CEDRE. Cette méthode a été validée sur une simulation de l'allumage d'un écoulement laminaire purement gazeux d'air et de propane. Une SGE de l'écoulement d'air du MERCATO a été effectué à l'aide du solveur Navier-Stokes CHARME de CEDRE. Cette simulation reproduit fidèlement l'écoulement turbulent non-réactif dans la chambre de combustion. Une méthode d'injection simplifiée FIMUR a été ajoutée au solveur lagrangien SPARTE de CEDRE. Dans cette méthode, des gouttes sont injectées directement au nez de l'injecteur avec une distribution de vitesse et de taille imposée. Une SGE de l'écoulement turbulent diphasique dispersé non-réactif dans la chambre MERCATO a ensuite été réalisée avec cette méthode. La comparaison des champs particulaires moyens de vitesse et de taille obtenus par simulation numérique avec les données expérimentales est satisfaisante. Enfin, des SGE de l'allumage de la chambre MERCATO ont été effectuées à partir du champ diphasique non-réactif simulé et de la méthode de dépôt d'énergie développée. Selon l'instant du dépôt d'énergie, les simulations conduisent à des allumages réussis ou ratés. La propagation de la flamme dans la chambre pour un allumage réussi a fait l'objet d'une analyse détaillée pour tenter de déterminer les principaux facteurs l'influençant. / The goal of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools for the Large Eddy Simulation (LES) of the ignition of a turbulent multiphase flow in a combustion chamber. An energy deposition method that models the energy supplied by the spark plug to the flow was implemented in the CEDRE code. This method was validated on a simulation of the ignition of a purely gaseous laminar propane-air flow. Then, a LES of the non-reacting gas flow in the monosector combustor MERCATO was performed with the Navier-Stokes solver CHARME of the CEDRE code. The comparison between simulations and experiments demonstrates that the main flow field features are well reproduced. In order to simulate the non-reacting dispersed two-phase flow of the same configuration, a simplified injection method called FIMUR was implemented in the Lagrangian solver SPARTE of the CEDRE code. In this method, droplets are injected directly at the tip of the injector with velocities deduced from experimental correlations while the size distribution is directly obtained from experimental data. The comparison of the mean droplet velocity and diameter fields in the vicinity of the injector between simulations and experiments appears satisfactory. Finally, LES's of the ignition of the MERCATO were performed using the non-reacting two-phase flow simulations and the aformentioned energy deposition method. Depending on the instant of energy deposition, the simulations lead to successful or failed ignitions. The flame propagation in a successful ignition was analysed in order to attempt to determine the physical phenomena at play and to better understand them.

De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière. / Nowadays, combustion of hydrocarbons is widespread in many engineering applications, including aeronautical propulsion. However, gas turbines produce pollutant emission levels that are no longer accepted. Therefore, understanding physical phenomena involved in combustion chambers is a major issue to help to the development of more eco-friendly engines. In aero-engine combustors, fuel is injected as a spray of droplets which generates a strong interaction with the turbulent air flow and the flame. This thesis aims at contributing to the development of two-phase combustion models to improve the predictive ability of numerical simulation tools. To do so, a new test setup dedicated to the study of two-phase turbulent flames has been designed and an experimental database has been built (non-reactive and reactive conditions). Simultaneous visualizations of Mie scattering droplets and heat release rate have highlighted a complex flame structure and the existence of different spray combustion regimes. Another important point of this work was to perform a statistical analysis of the spatial distribution of droplets under reactive conditions using an original measurement method. This analysis permitted to measure the inter-droplet distances (nearest neighbor) in different points of the flow and to assess the errors related to the processing of data through a numerical approach. It further appears that the spatial distribution of droplets is similar to an uniform random law while droplet combustion models are often based on a regular law.

Les exploitant aériens cherchent à réduire toujours davantage le coût d'utilisation et d'opération de maintenance des hélicoptères ainsi qu'à limiter leur impact environnemental. Par conséquent, les motoristes tels que Safran Helicopter Engines doivent constamment améliorer les performances de leurs moteurs. Cette amélioration passe notamment par la réduction des consommations de carburants et d'huile de lubrification. La consommation d'huile est liée en grande partie à la formation d'un brouillard diphasique air-huile au sein des paliers de roulements des arbres du moteur. L'air est continûment évacué en transportant des inclusions d'huile vers l'extérieur. Pour limiter ces rejets d'huile, un séparateur en rotation est utilisé pour récupérer l'huile et évacuer l'air. Afin de prédire avec davantage de précision la consommation d'huile et les pertes de charges induites par le séparateur, la présente thèse développe une stratégie d'analyse des écoulements diphasiques au sein des séparateurs. Cette stratégie s'appuie en premier lieu sur des simulations numériques du brouillard d'huile basées sur une approche Euler-Lagrange. Ces simulations permettent d'une part d'analyser l'écoulement d'air et les pertes de charges du séparateur et d'autre part d'appréhender les mécanismes de la séparation de l'huile et d'analyser la consommation en fonction des conditions de fonctionnement. Parallèlement, grâce au financement du projet européen E-Break, un banc d'essais dégazeur a été conçu dans le cadre de cette thèse et réalisé à l'Université Libre de Bruxelles. Des analyses croisées entre essais et simulations permettent de valider la méthodologie de simulation. Cependant, si les pertes de charges sont correctement prédites par le calcul, des efforts supplémentaires sont nécessaires, aussi bien sur la précision des mesures que sur la modélisation de l'écoulement diphasique, pour assurer une prédiction satisfaisante de la consommation d'huile. / Air operators try to reduce ever more operation and maintenance costs of helicopters as well as to limit their environmental impact. Consequently, engine manufacturers such as Safran Helicopter Engines must constantly improve the performance level of the engines they develop. To achieve such an improvement, oil and kerosene consumption must be reduced. Oil consumption is mostly due the formation of an oil mist inside bearing chambers. As the air is continuously scavenged, it carries along oil droplets out of the engines. In order to limit the oil wastes, a separator is used which recovers oil drops carried by the owing air that is vented out. In order to predict with a better level of accuracy the oil consumption and the pressure losses induced by the separator, the present thesis develops a strategy to analyse the two-phase flow within the separator. This strategy relies in the first place on Euler-Lagrange numerical simulation of the oil mist which allow on the one hand to compute the turbulent air flow and the pressure drop induced by the separator and on the other hand to better understand the separation mechanisms and to predict the oil consumption for various operating conditions. Besides, thanks to the funding of the E-Break European project, a test bench has been designed in the framework of this PhD and set up at the Université Libre de Bruxelles. Cross comparisons between measurements and simulations allow validating the numerical methodology. However, even though pressure drops are correctly predicted by the simulation, improvements are still needed, regarding both the measurement accuracy and the two-phase numerical modelling, in order to provide a satisfactory prediction of the oil consumption.

Pour effectuer des simulations d'écoulement diphasique dans les réservoirs fracturés, l'usage des modèles DFM entraîne des temps de calculs exorbitants. L'une des solutions envisageables est le recours aux modèles double milieu. Ces modèles nécessitent la détermination des dimensions du bloc équivalent et la mise à l'échelle des paramètres d'écoulement monophasique et diphasique. Concernant les paramètres d'écoulement monophasique, des méthodes de mise à l'échelle existantes ont déjà fait leur preuve. En contrepartie la mise à l'échelle des paramètres d'écoulement diphasique reste un sujet ouvert nécessitant l'identification de la nature des forces (capillaires, gravitaires ou visqueuses) contrôlant l'écoulement dans le réservoir. Dans le cadre de cette thèse, les formulations mathématiques et les modèles numériques liées à la simulation de type DFM et double milieu ont été explorés. Une étude bibliographique portant sur les méthodes existantes de mise à l'échelle a été développée. Une nouvelle méthode de détermination des dimensions du bloc équivalent (méthode OBS) a été mise en place. Une analyse dimensionnelle servant à identifier la nature des échanges matrice-fractures (capillaire ou visqueuses) lors d'un écoulement diphasique eau-huile, sans gravité, a été mise en place. Le nombre capillaire dérivé a été testé. Enfin, une méthodologie de mise l'échelle des paramètres équivalents double milieu a été mise en place. Cette méthodologie traite le cas d'un écoulement diphasique dans les réservoirs fracturés ayant un milieu matriciel hétérogène dans un contexte d'échanges matrice-fractures dominés par les effets visqueux. / In order to carry-out two phase flow simulations within naturally fractured reservoirs, using DFM models results in huge computational costs. Using dual medium models is one of the available alternative solutions. These models require identifying the equivalent bloc dimensions and upscaling single phase and two phase flow parameters. Available upcaling methods related to single phase parameters reached maturity. Otherwise, upscaling two phase flow parameters is still an open research topic requiring identifying the type of the forces controlling flow in the fractured reservoir (gravity, capillary forces, and viscous forces). During this PhD work, mathematical and numerical models related to DFM and dual medium simulations were explored. A study of the state of the art related to upscaling methods was done. A new and original method allowing determining the dual medium equivalent bloc dimensions (OBS method) was settled down. A dimensional analysis aiming at identifying the type of the forces controlling matrix-fracture exchanges (capillarity, viscous forces) in a water-oil two phase flow within naturally fractured reservoirs without gravity was settled down. The derived capillary number was tested. Finally, an equivalent two phase flow parameters upscaling workflow was also settled down. This workflow treats the particular case of a two phase flow in naturally fractured reservoirs with an heterogeneous matrix medium in a context of matrix-fracture exchanges ruled by viscous forces.

Dans cette thèse, nous avons développé un code de simulation numérique directe pour l’étude des écoulements particulaires. Le schéma numérique est basé sur une technique de domaines fictifs. Le code est validé sur de nombreux cas test puis nous l’avons utilisé pour étudier la sédimentation de particules bidimensionnelles en milieu confiné. Trois cas ont été analysés : sédimentation d’une particule unique, d’un doublet de particules et d’un grand nombre de particules. Dans le premier cas nous retrouvons le phénomène de survitesse qui apparaît pour une particule excentrée à bas nombre de Reynolds. Nous montrons que cette survitesse est très sensible à l’inertie du fluide : elle diminue lorsqu’on augmente le nombre de Reynolds. Cet effet est retardé par le confinement. Dans le cas d’un doublet de particules, nous retrouvons les comportements complexes observés dans la littérature (hystérésis, cascade sous-harmonique et chaos). Nous montrons qu’une nouvelle série de bifurcations et un nouvel attracteur apparaissent pour des particules plus pesantes. Il s’agit là d’une transition vers le chaos par la voie de la quasi-périodicité. Nous donnons le diagramme de bifurcation étendu. La nouvelle branche correspond à une structure horizontale qui conduit à une sédimentation lente. Dans le cas d’un grand nombre de particules, nous montrons que la vitesse de chute de l’interface fluide-particules suit une loi de type Richardson-Zaki, mais avec un exposant d’environ 4. Comme pour des sphères, la valeur de cet exposant dépend du confinement. Enfin, nous observons un phénomène de blocage, inattendu pour des particules non-cohésives, dû au caractère bidimensionnel de la suspension / In the present thesis, a fully-resolved numerical code has been developed for the analysis of particle-laden flows. A fictitious domain method is used. First, this numerical tool has been validated by using classical benchmarks. It has then been used to simulate the complex sedimentation of particles in three generic two-dimensional configurations: a single particle, a particle pair and a large number of particles in a confined domain. In the first case, the peak-velocity of an off-centred inclusion is recovered at low-Reynolds number. It is shown that this peak-velocity is very sensitive to fluid inertia: the peak-velocity decreases when the Reynolds number increases. This effect is delayed by the confinement. The very complex dynamics of a pair of particles sedimenting in a confined domain, observed in the litterature, is recovered (hysteresis, period-doubling cascade and chaos). It is shown that a new series of bifurcations, leading to a new attractor, emerges when the non-dimensional particle weight is increased. This new transition corresponds to a quasi-periodic route. The extended bifurcation diagram is given. The new branch discovered in this work corresponds to a nearly horizontal particle doublet, with a slow settling velocity. In the case of the settling of large number of particles, a RZ-like law is recovered for the sedimentation velocity of the fluid-particle interface. The exponent is close to 4, in contrast with the case of spheres. Finally, the sedimentation velocity at the end of the settling process is observed to be significantly reduced, like for cohesive sediments. This unexpected behaviour is related to the two-dimensionality of the suspension

Ce travail concerne l'étude expérimentale et numérique de la distribution simple et double phase dans un échangeur à plaques et ondes. Des mesures expérimentales de débit et de pression et des visualisations par caméra rapide ont permis de caractériser l'écoulement du mélange eau/air à la pression atmosphérique et dans des conditions adiabatiques. Les simulations numériques par CFD ont permis de caractériser les pertes de charges en simple phase dans les ondes « serrated » et de simuler les régimes d'écoulement diphasiques (bulles, poches, bulles toriques,...) au niveau du distributeur. Des traçages au sel analysé par conductimétrie ont permis de caractériser les régimes d'écoulement diphasiques et de faire le diagnostic de l'échangeur : déterminer les défauts, leurs amplitudes et leurs localisations. Ces trois moyens : visualisation et mesure expérimentale des distributions des phases et des pertes de charges, simulation de type CFD et traçage ont mis en évidence les paramètres influant sur la distribution comme les alimentations des fluides, les propriétés physiques des fluides, la géométrie du distributeur, les régimes d'écoulement, afin d'améliorer les performances des systèmes avec échange thermique / This work deals with experimental and numerical studies of single and two-phase flow distribution in a plate and fin heat exchanger. Flow rates and pressure measurements, as well as visualization using speed camera have been used to characterize the air/water flow at atmospheric pressure and at adiabatic conditions. CFD simulations have permitted to calculate pressure drop in single phase flow of offset strip fins and to simulate two phase flow patterns (bubbles, slug, toric bubbles,...) in the distributor. Tracer experiments using salt and conductimetry allowed to characterize single and two phase flow distribution and to perform a diagnosis of the heat exchanger: find the defaults, their amplitudes and their localizations. All these methods: experimental data, CFD simulations and tracer methodology allowed to point out the important parameters affecting the distribution like same or opposed inlet fluid alimentations, physical properties, distributor design and the flow patterns, to improve overall performances of heat transfer systems

Pour satisfaire aux dernières réglementations en matière d'émissions, des progrès importants sont encore attendus des moteurs à combustion interne. De plus, améliorer l'efficacité du moteur pour réduire les émissions et la consommation de carburant est devenu plus essentiel qu'auparavant. Mais, de nombreux phénomènes complexes restent mal compris dans ce domaine, tels que le processus d'injection de carburant. Nombreux logiciels pour la dynamique des fluides numérique (CFD) prenant en compte le changement de phase (comme la cavitation) et la modélisation de l’injection ont été développés et utilisés avec succès dans le processus d’injection. Néanmoins, il existe peu de codes CFD capables de simuler avec précision des conditions d’injection transcritiques, à partir d'une condition de température de carburant sous-critique vers un mélange supercritique dans la chambre de combustion. En effet, la plupart des modèles existants peuvent simuler des écoulements à phase unique, éventuellement dans des conditions supercritiques, ou des écoulements diphasiques dans des conditions sous-critiques. Par conséquent, il manque un modèle complet capable de traiter les conditions transcritiques, y compris la transition de phase possible entre les régimes souscritiques et supercritiques, ou entre les écoulements monophasiques et diphasiques, de manière dynamique. Cette thèse a pour objectif de relever ce défi.Pour cela, des modèles d'écoulement diphasique compressible de fluide réel basés sur une approche eulérienne-eulérienne avec prise en compte de l'équilibre de phase ont été développés et discutés dans le présent travail. Plus précisément, un modèle à 6-équation entièrement compressibles incluant les équations de bilan des phases liquide et gazeuse résolues séparément ; et un modèle à 4-équation qui résout les équations des bilans liquide et gazeux en équilibre mécanique et thermique sont proposés dans ce manuscrit. L’équation d’état Peng-Robinson EoS est sélectionné pour fermer les deux systèmes et pour faire face aux éventuels changements de phase et à la transition ou à la séparation des phases. En particulier, un solveur d'équilibre de phase a été développé et validé. Ensuite, une série de tests académiques 1D portant sur les phénomènes d'évaporation et de condensation effectués dans des conditions sous-critiques et supercritiques a été simulée et comparée aux données de la littérature et aux résultats académiques disponibles. Ensuite, les modèles d'écoulement en deux phases entièrement compressibles (systèmes à 6-équation et à 4- équation) ont été utilisés pour simuler les phénomènes de cavitation dans une buse 3D de taille réelle afin d'étudier l'effet de l’azote dissous sur la création et le développement de la cavitation. Le bon accord avec les données expérimentales prouve que le solveur proposé est capable de gérer le comportement complexe du changement de phase dans des conditions sous-critiques. Enfin, la capacité du solveur à traiter l’injection transcritique à des pressions et températures élevées a été validée par la modélisation réussie de l’injecteur Spray A du réseau de combustion moteur (ECN). / To satisfy latest stringent emission regulations, important progress is still be expected from internal combustion engines. In addition, improving engine efficiency to reduce the emission and fuel consumption has become more essential than before. But many complex phenomena remain poorly understood in this field, such as the fuel injection process. Numerous software programs for computational fluid dynamics (CFD) considering phase change (such as cavitation) and injection modelling, have been developed and used successfully in the injection process. Nevertheless, there are few CFD codes able to simulate correctly transcritical conditions starting from a subcritical fuel temperature condition towards a supercritical mixture in the combustion chamber. Indeed, most of the existing models can simulate either single-phase flows possibly in supercritical condition or two-phase flows in subcritical condition; lacking therefore, a comprehensive model which can deal with transcritical condition including possible phase transition from subcritical to supercritical regimes, or from single-phase to two-phase flows, dynamically. This thesis aims at dealing with this challenge. For that, real fluid compressible two-phase flow models based on Eulerian-Eulerian approach with the consideration of phase equilibrium have been developed and discussed in the present work. More precisely, a fully compressible 6-equation model including liquid and gas phases balance equations solved separately; and a 4-equation model which solves the liquid and gas balance equations in mechanical and thermal equilibrium, are proposed in this manuscript. The Peng-Robinson equation of state (EoS) is selected to close both systems and to deal with the eventual phase change or phase transition. Particularly, a phase equilibrium solver has been developed and validated. Then, a series of 1D academic tests involving the evaporation and condensation phenomena performed under subcritical and supercritical conditions have been simulated and compared with available literature data and analytical results. Then the fully compressible two-phase flow models (6-Equation and 4-Equation systems) have been employed to simulate the cavitation phenomena in a real size 3D nozzle to investigate the effect of dissolved N2 on the inception and developing of cavitation. The good agreement with experimental data proves the solver can handle the complex phase change behavior in subcritical condition. Finally, the capability of the solver in dealing with the transcritical injection at high pressure and temperature conditions has been further validated through the successful modelling of the engine combustion network (ECN) Spray A injector.

Ce travail est consacré à l’analyse et au développement de concepts et d’outils mathématiques en vue de leur application à des problématiques propres aux sites de stockage géologique profond de déchets radioactifs. La première partie porte sur l’estimation en champ lointain de la concentration de radionucléides issus du relâchement des colis de confinement, lorsque les incertitudes sur le relâchement sont prises en compte. En s’appuyant sur les travaux de A. Bourgeat et A. Piatniski sur l’homogénéisation d’une équation de convection-diffusion avec second membre aléatoire, on développe des outils numériques permettant d’approcher le comportement probabiliste du champ de concentration dans une configuration du type site de stockage. Dans une seconde partie, on s’intéresse à la migration de gaz dans et autour d’un site de stockage. Après une revue sur la modélisation physique des écoulements diphasiques de type eau/hydrogène en milieu poreux, on propose une nouvelle formulation mathématique du problème qui décrit, dans un même jeu d’équations, les écoulements à une (liquide) et deux (liquide/gaz) phases. Une étude de l’existence de solutions de cette formulation est menée à l’aide de la théorie générale des équations différentielles quasilinéaires elliptiques-paraboliques introduite par H.W. Alt et S. Luckhaus. Une méthode de résolution numérique du problème est mise en oeuvre pour la simulation de différents cas test, des plus simples au plus représentatif d’un site de stockage géologique. Enfin, l’homogénéisation périodique du modèle est effectuée et appliquée à la simulation de l’exercice Couplex-Gaz proposé par l’ANDRA / The purpose of this work is to analyze and develop mathematical concepts and tools in application to performance assessment of an underground nuclear waste disposal. The first part is concerned with estimating the far field concentration of radionuclides released by containers of waste when uncertainties on the release are taking in account. Using the work of A. Bourgeat and A. Piatniski about homogenization of a convection-diffusion equation with random source term, numerical tools are developed to approximate the random behavior of the concentration field in an underground disposal configuration. In a second part, we are interested in gas migration in and around an underground nuclear waste disposal. After a review on physical models of two-phase flow in porous media for water/hydrogen mixture, we propose a new mathematical formulation describing one- (liquid) and two- (liquid/gas) phase flow with a unique set of equation. Considering the general theory of quasilinear elliptic-parabolic differential equations introduced by H.W. Alt and S. Luckhaus, we study existence of solutions for this formulation. A numerical method to solve the problem is implemented to simulate several test cases. These test cases run from very simple situations to a representative configuration of an underground nuclear waste disposal. Finally, the periodic homogenization of the model is done and applied to simulate the Couplex-Gas exercise proposed by ANDRA.

Le rayonnement dans les jets issus de moteurs à propergol solide constitue un phénomène essentiel à l’estimation des flux aux parois et à la prédiction de la signature radiative des engins. A haute altitude, de l’ordre de 100 km, ces jets sont caractérisés par des écoulements compressibles diphasiques, à fort aspect raréfié dans certaines régions, compos ´es de particules d’alumine et de gaz de combustion. Le transfert radiatif y joue un rôle important dans la mesure où il influence fortement le refroidissement et le changement de phase des particules. Afin de simuler numériquement les jets et leur rayonnement, différents modèles ont été développés. Le rayonnement des gaz a été pris en compte à l’aide de modèles statistiques à bandes étroites. Le phénomène de surfusion qui régit le changement de phase de l’alumine et les champs de température associés aux différentes tailles de particules, a été pris en compte. Enfin, une méthode de splitting des puissances radiatives a été mise en œuvre afin de permettre le couplage entre le rayonnement et l’écoulement dans des milieux en des ‘équilibre thermique gaz/particules. Ces modèles ont été implémentes dans une plateforme de calcul, permettant de coupler un solveur fluide utilisant une approche Navier-Stokes, un solveur eulérien pour traiter la phase dispersée et un solveur radiatif qui utilise une méthode de Monte Carlo. L’outil numérique développe a été partiellement validé en comparant nos résultats aux mesures obtenues dans le cadre de l’expérience BSUV2. Dans les conditions de cette expérience, le rayonnement des particules est prédominant mais la contribution des gaz s’avère non négligeable. Des simulations sous différentes hypothèses ont permis de mettre en évidence le rôle primordial du transfert radiatif, couplé au phénomène de surfusion, dans l’établissement des champs de température des particules. La dernière partie de ces travaux s’est attachée à l’étude du déséquilibre vibrationnel de la phase gazeuse et de son impact sur le rayonnement dans les jets. Il est montré que le gel partiel des niveaux de vibration de la molécule CO2 durant la détente du jet peut augmenter de façon significative son rayonnement. / Radiation from solid propellant rocketplumes is important for the prediction of thermalfluxes on vehicle walls and of plume signature. Athigh altitudes, of approximately 100 km, those plumesare characterized by two-phase compressible flows,highly rarefied in some regions, composed of aluminaparticles and exhaust combustion gases. Radiativetransfer plays an important role in the cooling and thephase change of the particles.In order to carry out numerical simulations of rocketplumes and their radiation, several models have beendeveloped. The radiation of the gas phase is takeninto account using statistical narrow bands models.The supercooling phenomenon has been modeled todeal with the phase change of alumina and to obtaincorrect temperature fields for the different size classesof particles. Finally, a splitting method of the radiativepower has been established to enable the couplingbetween radiation and the flow field under gas/particlethermal non-equelibrium. These models have beenimplemented in a calculation platform, enabling tocouple a Navier-Stokes solver for the gas phase, anEulerian solver dealing with the dispersed phase anda radiative solver based on a Monte Carlo method.The developed numerical tool has been partly validatedcomparing our results with the measurementsobtained during the BSUV2 experiment. In the conditionsof this experiment, particle radiation is shownto be predominant but the contribution of the gasphase is found to be non-negligible. Simulations underdifferent hypotheses have put the emphasis onthe importance of radiative transfer, coupled with thesupercooling phenomenon, for an accurate evaluationof particle temperature fields.The last part of this work focuses on the study ofgas vibrational non-equilibrium and its impact on radiationfrom high altitude plumes. It is shown thatthe slow deexcitation of vibrational levels of the CO2molecule during the plume expansion may increasesignificantly its radiation.

Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.