Sous la direction de SNECMA, un nouveau moteur cryotechnique pour Ariane 5 est en phase de développement. Ce moteur, VINCI, fonctionne à l'oxygène et à l'hydrogène liquides et devra être rallumable en cours de vol. Le transitoire de remplissage d'une cavité intermédiaire par laquelle transite l'oxygène liquide avant d'arriver dans la chambre de combustion s'avère être une étape critique qu'il faut s'efforcer de maîtriser. Cette cavité, appelée dôme LOX, est directement reliée à la chambre de combustion par les injecteurs à oxygène. Des outils numériques sont actuellement en cours de conception : ils permettront à terme de simuler le remplissage de cette cavité dans l'espace. Afin de valider ces outils numériques, un programme expérimental a vu le jour, impliquant SNECMA, le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) et le LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels). Il s'agit de mener à bien des expériences " simples " et reproductibles afin de disposer d'une base de données expérimentales qui servira de cas tests pour les simulations. Un banc d'essais expérimental a été progressivement mis en place et instrumenté au LEGI. Le fluide utilisé en substitution de l'oxygène liquide est de l'eau. On a choisi de respecter une similitude du nombre de Weber entre le cas " réel " et les conditions expérimentales. Ce dernier équivaut au rapport des forces d'inertie sur les forces de tension de surface. Deux campagnes d'essais ont été réalisées, dans lesquelles on s'est centré sur l'étude des aspects hydrodynamique du transitoire de remplissage : variation du débit total et des pressions au cours d'un essai, évaluation du taux de vide dans la cavité, visualisation de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs. L'instrumentation à disposition est constituée d'un débitmètre à effet Coriolis, de capteurs de pression, d'une sonde optique, de caméras rapides et d'un laser pour l'imagerie. La première campagne d'essais a visé le remplissage de la cavité en eau seule. Le paramètre de contrôle principal était la pression génératrice de l'écoulement liquide. Dans la deuxième campagne d'essais on injecte simultanément dans la cavité un écoulement d'eau et un écoulement d'air. Cela se rapproche plus des conditions réelles du transitoire de remplissage, au cours duquel la cavité est balayée par un écoulement d'hélium. Le paramètre de contrôle supplémentaire est le débit de gaz initial. Ces campagnes ont également souligné l'importance du profil d'ouverture de la vanne de l'écoulement liquide sur le transitoire de remplissage de la cavité. Ces campagnes d'essais constituent une première étape dans la compréhension du transitoire de remplissage du dôme LOX. Elles ont permis de visualiser la forme de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs et d'identifier certains phénomènes intervenant dans le remplissage de la cavité. En particulier, nous avons mis en évidence l'existence d'un délai de mise en place de l'écoulement par les injecteurs, qui peut être responsable d'un pic de pression dans la cavité au cours du transitoire. L'influence de la fraction gazeuse sur l'écoulement dans les injecteurs a été soulignée mais reste à quantifier de façon précise. La prochaine étape de l'étude concerne les aspects énergétiques du transitoire de remplissage, notamment les transferts thermiques ayant lieu, dans la réalité, entre l'hélium, l'oxygène et les parois du dôme LOX.

Le problème du rendement de la distribution des eaux potables a récemment fait l’objet de nombreux travaux de recherche. En effet, les ruptures des canalisations et les fuites sont des phénomènes assez fréquents en milieu urbain. Afin de réduire au maximum les risques de fuite à long terme, près de 60 % des réseaux d’eau potable sont construits ou renouvelés avec des conduites en polyéthylène de troisième génération, PE100. De par ses caractéristiques, c’est un matériau de choix pour les réseaux d’adduction d’eau. Mais la présence d’un défaut superficiel peut générer la rupture de la conduite sous l’effet d’écoulement transitoire. Afin d’étudier ce problème, notre étude est décomposée en deux parties. La première est consacrée à l’étude de l’effet dynamique du comportement viscoélastique du matériau sur l’écoulement transitoire à l’aide d’un modèle mathématique que nous avons développé dans cette thèse. Nous avons démontré que le comportement viscoélastique du PE100 joue un rôle primordial dans l’amortissement du phénomène du coup de bélier et de résonance. En cas de présence de couplage de jonction, l’étude de l’interaction fluide-structure est nécessaire pour définir correctement les fréquences propres d’un système de conduites. Ensuite, dans la seconde partie, nous avons étudié le comportement à la fissuration des conduites en PE100 présentant un défaut. A l’aide d’essais expérimentaux et de modélisations par éléments finis, nous avons démontré que le concept de la mécanique élasto-plastique de rupture, l’intégrale J, peut définir avec une précision acceptable le comportement à la fissuration d’une conduite en PE100. Nous avons cherché à déterminer l’intégrale J à l’aide d’un modèle semi-empirique afin de définir une relation entre la pression d’amorçage de fissure, la taille de défaut (fissure semi-elliptique) et la géométrie de la conduite / The efficiency of potable water distribution systems has been recently the subject of much research. Leakages or a ruptures, occurring in pipes, are quite a frequent phenomenon in urban areas. In order to minimize long-term risks of leakage, about 60% of potable water networks are built or renewed with the third generation of polyethylene pipe, PE100. It is a material with various features, which makes it a widely used material in the water supply networks. However, under transient conditions and with a surficial defect in the pipe, a failure occurs. To investigate this issue, our study is divided into two main parts. The first part is studying the dynamic effect of the viscoelastic material under transient flow conditions using a developed mathematical model. We have demonstrated that the viscoelastic behavior of PE100 plays a primordial role in the damping of water hammer and resonance phenomenon. In case of presence of coupling junction, a study of the fluid structure interaction is mandatory to correctly define the natural frequencies of a piping system. In the second part, we have investigated the crack behavior of PE100 pipes with defects. Using the experimental tests and finite elements results, we have demonstrated that the concept of elastic-plastic fracture mechanics, the J-Integral, define with reasonable accuracy the behavior of cracked PE100-pipe. At the end, we sought to determine the J-Integral with a semi-empirical model in order to define a relationship between the crack initiation pressure, the dimension of semi-elliptical surface cracks and the geometry of the pipe

Sous la direction de SNECMA, un nouveau moteur cryotechnique pour Ariane 5 est en phase de développement. Ce moteur, VINCI, fonctionne à l'oxygène et à l'hydrogène liquides et devra être rallumable en cours de vol. Le transitoire de remplissage d'une cavité intermédiaire par laquelle transite l'oxygène liquide avant d'arriver dans la chambre de combustion s'avère être une étape critique qu'il faut s'efforcer de maîtriser. Cette cavité, appelée dôme LOX, est directement reliée à la chambre de combustion par les injecteurs à oxygène. Des outils numériques sont actuellement en cours de conception : ils permettront à terme de simuler le remplissage de cette cavité dans l'espace. Afin de valider ces outils numériques, un programme expérimental a vu le jour, impliquant SNECMA, le CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) et le LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels). Il s'agit de mener à bien des expériences « simples » et reproductibles afin de disposer d'une base de données expérimentales qui servira de cas tests pour les simulations. Un banc d'essais expérimental a été progressivement mis en place et instrumenté au LEGI. Le fluide utilisé en substitution de l'oxygène liquide est de l'eau. On a choisi de respecter une similitude du nombre de Weber entre le cas « réel » et les conditions expérimentales. Ce dernier équivaut au rapport des forces d'inertie sur les forces de tension de surface. Deux campagnes d'essais ont été réalisées, dans lesquelles on s'est centré sur l'étude des aspects hydrodynamique du transitoire de remplissage : variation du débit total et des pressions au cours d'un essai, évaluation du taux de vide dans la cavité, visualisation de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs. L'instrumentation à disposition est constituée d'un débitmètre à effet Coriolis, de capteurs de pression, d'une sonde optique, de caméras rapides et d'un laser pour l'imagerie. La première campagne d'essais a visé le remplissage de la cavité en eau seule. Le paramètre de contrôle principal était la pression génératrice de l'écoulement liquide. Dans la deuxième campagne d'essais on injecte simultanément dans la cavité un écoulement d'eau et un écoulement d'air. Cela se rapproche plus des conditions réelles du transitoire de remplissage, au cours duquel la cavité est balayée par un écoulement d'hélium. Le paramètre de contrôle supplémentaire est le débit de gaz initial. Ces campagnes ont également souligné l'importance du profil d'ouverture de la vanne de l'écoulement liquide sur le transitoire de remplissage de la cavité. Ces campagnes d'essais constituent une première étape dans la compréhension du transitoire de remplissage du dôme LOX. Elles ont permis de visualiser la forme de l'écoulement dans la cavité et en sortie des injecteurs et d'identifier certains phénomènes intervenant dans le remplissage de la cavité. En particulier, nous avons mis en évidence l'existence d'un délai de mise en place de l'écoulement par les injecteurs, qui peut être responsable d'un pic de pression dans la cavité au cours du transitoire. L'influence de la fraction gazeuse sur l'écoulement dans les injecteurs a été soulignée mais reste à quantifier de façon précise. La prochaine étape de l'étude concerne les aspects énergétiques du transitoire de remplissage, notamment les transferts thermiques ayant lieu, dans la réalité, entre l'hélium, l'oxygène et les parois du dôme LOX. / Under the supervision of SNECMA, a new cryotechnic engine is being developed for Ariane 5. This engine, named VINCI, uses liquid oxygen and liquid hydrogen as propellant. It must be re-ignitable in flight. The filling transitory phase of an intermediate tank where the liquid oxygen passes through before entering the combustion chamber, has proved to be a very important stage that must be handled. This tank, called LOX dome, is directly linked to the combustion chamber through the oxygen injectors. Numerical tools are currently under development. They will allow to simulate the filling of this tank in the space. In order to validate those numerical tools, an experimental program has been launched. It involves SNECMA, the CNES (Centre National d'Etudes Spatiales : National Centre for Spatial Studies) and the LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels : Laboratory of Geophysical and Industrial Flows). Simple and repeatable experiments must be run. They will allow to gather experimental data that will further be used as test cases for the simulations. A test bench has been brought into service step by step at the LEGI, as well as scientific instruments. Water is used in place of liquid oxygen. A similarity of flows based on the Weber number has been chosen between the real case and the experiment. The Weber number measures the relative importance of the fluid inertia compared to its surface tension. Two experimental campaigns have been realized, that have focused on the dynamic aspects of the filling transitory phase : variations of the total flow and of the pressures measured during an experiment, evaluation of the void fraction in the tank, flow visualization in the tank and at the outlet of the injectors. The scientific instrumentation used is made of a Coriolis flow-meter, pressure probes, an optical probe, and high speed cameras with a laser for the flow visualization. The first experimental campaign has studied the tank filling with water only. The main control parameter is the reference pressure of the liquid flow. In the second campaign, both liquid and air flows are simultaneously injected in the tank. It aims at reproducing the real conditions of the filling transitory phase, where helium is injected in the tank with the liquid oxygen. The additional control parameter is the initial gas flow. Those campaigns have shown as well the importance of the valve opening that controls the liquid flow. Those campaigns are a first step in the understanding of the filling transitory phase of the LOX dome. They have permitted to visualize the flow in the tank and at the outlet of the injectors and to point out some important phenomena occurring during the tank filling. In particular, they have highlighted the existence of a delay before the flow can develop through the injectors. This delay can be responsible for a pressure peak in the tank during the transitory phase. The influence of the gas fraction on the flow through the injectors has been underlined as well but still must be accurately quantified. The next step of the study concerns the energetics of the filling transitory phase, especially the thermal transfers that occur between the helium, the oxygen and the walls of the tank.

La première partie de ce mémoire de thèse montre l'intérêt de l'utilisation de nouveaux outils en hydrologie urbaine, à partir d'un historique de l'évolution des liens entre la ville et l'eau. Elle est suivie par une présentation synthétique des modèles hydrauliques simplifiés de simulation de crues. Les équations, leur contenu physique, les conditions limites, les méthodes de résolution et les méthodes de calage des paramètres sont analysées de manière détaillée. Le mémoire présente ensuite une série de résultats de simulations sur des cas hypothétiques choisis pour couvrir la plupart des conditions de l'assainissement. Les différentes méthodes de calage des paramètres sont testées ainsi que le fonctionnement numérique des modèles. Le mémoire met en évidence des domaines de validité (numériques et hydrauliques) en fonction de nombres adimensionnels et en référence aux résultats d'un modèle intégrant les équations complètes de Saint-Venant. La possibilité de modéliser les influences aval est testée avec un modèle de crue diffusante auquel est intégré un calcul de ligne d'eau. Une étude des conditions d'utilisation des modèles sur le terrain termine le mémoire qui peut être destiné à tous les services techniques des collectivités locales.