L'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) est notamment rencontrée lors des expériences de Fusion par Confinement Inertiel, et son développement est un obstacle à la réussite de ces expériences. L'objet de cette thèse est d'étudier la croissance de l'IRT pour différents régimes de compressibilité, au moyen de simulations numériques directes réalisées à l'aide d'un code pseudo-spectral multidomaine de type Chebyshev-Fourier-Fourier.La méthode du développement asymptotique permet d'établir des modèles à bas nombre de Mach pour lesquels la contribution acoustique est éliminée. L'implantation dans le code de simulation du modèle anélastique, qui met en jeu des fluides stratifiés et capture les effets thermiques, est améliorée. Le modèle de Boussinesq est ajouté au code. La précision de la méthode numérique est étudiée pour différents découpages en sous-domaines. Plusieurs éléments de validation sont présentés, dont la comparaison avec une expérience.La première simulation présentée, réalisée avec le modèle de Boussinesq, s'intéresse à la croissance auto-semblable de l'IRT. Les lois d'échelle de la vorticité et de la dissipation sont dégagées. La structure de la turbulence et du mélange entre les deux fluides est discutée. Certaines propriétés de la turbulence homogène et isotrope sont retrouvées, mais on note la persistance d'anisotropie aux petites échelles. Les premières simulations 3D de l'IRT avec le modèle anélastique sont présentées. L'influence des effets de compressibilité sur les premières phases de la croissance est étudiée. En outre, une couche de mélange anélastique en faible stratification est analysée et présente des effets de compressibilité non négligeables. / The Rayleigh-Taylor instability (RTI) is especially observed in inertial confinement fusion experiments, and its development prevents the success of these experiments. The purpose of this work is to study the growth of the RTI for different compressibility regimes by using a multidomain pseudospectral Chebyshev-Fourier-Fourier simulation code. The asymptotic expansion method allows to establish several low Mach number models which do not contains acoustics. The implantation of the anelastic model, which deals with stratified fluids and captures thermal effects, has been improved. Moreover, the Boussinesq model is added to the simulation code. The accuracy of the entire numerical method is studied, as a function of the subdomain separation, and several validation elements are shown, including a comparison with an experimental study. The first simulation to be analyzed is achieved with the Boussinesq model. We focus on the self-similarity of the RTI growth. The temporal scalings of vorticity and dissipation are displayed, and the structures of turbulence and mixing are discussed. Some properties of isotropic and homogeneous turbulence are observed, however some anisotropy remains at small scales. The first three-dimensional anelastic simulations are presented. The influence of compressibility effects on the first stages of the growth is studied. Finally, a developed anelastic mixing layer involving weakly stratified fluids is described and was found to display non-negligible compressibility effects.

Le projet de recherche présenté consiste à la mise en place de matériel et de méthodes pour la mesure de l'impédance du système respiratoire en ventilation liquidienne totale (VLT). Ce projet a été réalisé en majeure partie en collaboration avec un étudiant à la maîtrise en physiologie, M. Dominick Bossé.Le matériel développé est un débitmètre instationnaire qui servira à mesurer le débit instantané à la trachée du patient.Le concept proposé consiste en un venturi symétrique comprenant trois prises de pression. La mesure du débit est obtenue en résolvant numériquement l'équation de Bernoulli légèrement modifiée. Un prototype a été validé expérimentalement en appliquant des débits sinusoïdaux de moyenne nulle. Les résultats ont montré que les écoulement quasi stationnaires sont mesurés précisément entre 5 ml/s et 60 ml/s et les oscillations de faible amplitude ([inférieur ou égal]10 ml/s) sont correctement mesurés pour des fréquences sous 3 Hz. De plus, une méthode pour appliquer la technique des oscillations forcées (TOF) en VLT est proposée. Elle consiste principalement à appliquer une excitation volumétrique sinusoïdale au système respiratoire, et à évaluer la fonction de transfert entre le débit délivré et la pression aux voies aériennes. Un modèle pulmonaire développé pour la ventilation gazeuse, le « five-parameter constant-phase model », est utilisé pour décrire les spectres d'impédance respiratoire observés. La méthode employée pour identifier les paramètres de ce modèle a été validée in silico sur des données générées informatiquement, et la méthode dans son ensemble a été validée in vitro sur un modèle mécanique reproduisant la dynamique pulmonaire. Les données in vivo sur 10 agneaux nouveau-nés suggèrent qu'un terme de compliance fractionnel est approprié pour décrire le comportement basse-fréquence des poumons, mais il n'a pas été possible de conclure sur la pertinence d'un terme d'inertance à ordre fractionnel. Finalement, l'étude des aspects plus physiologiques est présentée. En plus d'une description plus détaillée de la procédure expérimentale in vivo, on y observe l'influence de certains symptômes respiratoires (diminution de la compliance, augmentation de la résistance) sur l'impédance mesurée avec la TOF. Les conclusions sont que la résistance et l'inertance des voies aériennes sont grandement augmentées en VLT en comparaison de la ventilation gazeuse. La résistance et la réactance à 0.2 Hz sont sensibles à la bronchoconstriction et dilatation, autant que lors de la réduction de compliance. Ainsi, il est montré que la TOF à basse fréquence est un outil efficace pour suivre la mécanique respiratoire en VLT.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce travail s'est intéressé à l?étude de la formation de gouttelettes en microsystèmes à l'aide d'outils de visualisation tels que des caméras rapides et la microvélocimétrie par image de particules (µPIV). La taille des gouttelettes principales et satellites formées en jonction flow-focusing est déterminée pour des fluides newtoniens et non-newtoniens. Les mêmes paramètres critiques sont mis en évidence pour ces jonctions flow-focusing et des jonctions T, illustrant l'influence du confinement sur la formation des gouttelettes. L'évolution de la taille des gouttelettes satellites dépend quant à elle d'un nombre capillaire critique. Les champs de vitesses ont été mesurés dans les gouttelettes en formation ainsi qu'autour de ces gouttelettes, de même que les trois étapes de la dynamique de rupture du cou des gouttelettes. Les liens entre cette dynamique, les champs de vitesse et la taille des gouttelettes ont été déterminés. L'émulsification a également été étudiée dans deux micromélangeurs industriels : le Caterpillar et le StarLaminator, avec des formulations proches de celles cométiques. Les performances énergétiques sont particulièrement prometteuses pour le Caterpillar / This work is focused on droplet formation in microsystems using visualization tools such as high-speed cameras and microparticle image velocimetry (µPIV). The size of main and satellite droplets formed in flow-focusing junctions was determined for both Newtonian and non-Newtonian fluids. The same critical parameters were highlighted for both flow-focusing and T-junctions, illustrating walls? influence on the droplet formation. The size evolution of satellite droplets depends on a critical capillary number. The flow fields were measured inside and outside the forming droplets, as well as the three steps dynamics for droplet neck rupture. This dynamics was straightforwardly linked to the flow fields and the droplet size. Emulsification was also investigated in two industrial micromixers, Caterpillar and StarLaminator respectively, with formulations close to cosmetic ones. The energetic performances of the Caterpillar are particularly promising

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

​ Nombreuses stratégies de contrôle ont été récemment proposées par la communauté scientifique afin depouvoir réduire la traînée dans les écoulements pariétaux. Entre autres, les Surfaces Superhydrophobes (SHS) ontmontré leurs capacités de pouvoir réduire considérablement le frottement pariétal d’un écoulement liquide grâce à laprésence de microbulles de gaz piégées dans les nano-rugosités de la surface. Dans des conditions géométrique etthermodynamique données pour lesquelles la transition de mouillage est évitée (condition pour laquelle normalementla taille des rugosités qui caractérise la SHS est de plusieurs ordres de grandeur plus petite que l'échellecaractéristique de l'écoulement principal), on peut atteindre ce qu’on appelle ‘l'effet Lotus’, pour lequel l'écoulementglisse à la paroi, avec une vitesse différente de zéro.. Dans ce cadre, nous nous sommes proposés d’étudier, à l’aidede simulations numériques l’influence des SHS sur la transition laminaire-turbulent dans un écoulement de canal.Pour cela, nous avons réalisé une série de simulations numériques directes (DNS), allant de l'état laminaire au casturbulent pleinement développé, en traitant la plupart de scénarios de transition connu en littérature. Des analyses destabilité locale et globale ont aussi été réalisées afin de déterminer l’influence de ces surfaces sur la première phasedu processus de transition. Bien que la procédure de déclenchement de la transition contrôlée (type K, H, C,...) soitbien décrite dans la littérature, cela n’est pas le cas pour les transitions naturelles. À cette fin, une nouvelle méthode aété développée pour déclencher puis étudier la transition naturelle dans des écoulements de type canal. Cette méthodeest basée sur des mécanismes de réceptivité de l'écoulement (resolvent global) permettant de construire un forçagevolumique spécifique. Plusieurs approches pour modéliser les SHS ont été utilisées, de complexités croissantes, touten tenant en compte des caractéristiques physiques de ces surfaces. Dans un premier temps, une condition deglissement homogène a été utilisée et son influence analysée. Chaque rugosité a été ensuite discrétisée spatialement,d’abord avec une alternance de condition limite sur une surface plate, ensuite en tenant compte de la dynamique del’interface gaz-liquide par une méthode Lagrangienne-Eulerienne Arbitraire (ALE). Nous avons montré que les SHSpermettent d’efficacement retarder les transitions contrôlées mais qu’en revanche elles ont peu d’influence sur lestransitions naturelles (développant des stries de vitesse). En effet, ce comportement dérive de l'équilibre entre deuxeffets contradictoires. D’un côté, le glissement pariétal nuit au développement des structures cohérentes de typehairpin ​ , en altérant le processus de ​ vortex stretching-tilting ​ . D’autre part, le mouvement de l’interface gaz-liquideinteragit avec les structures cohérentes de l'écoulement, en produisant des vitesses normales à la paroi favorisantdavantage le processus de ​ sweep-ejection et entraînant le développement de structures en forme d’arche. Nous avonsmontré que les interfaces gaz-liquide statiques retardent la transition de façon analogue à une condition aux limiteshomogène (si l’hétérogénéité pariétale est petite). En revanche la prise en compte de leur dynamique limite le retardde la transition, montrant l’importance du modèle de SHS dans les écoulements transitionnels. / Many passive control strategies have been recently proposed for reducing drag in wall-bounded shearflows. Among them, underwater SuperHydrophobic Surfaces (SHS) have proven to be capable of dramaticallyreducing the skin friction of a liquid flowing on top of them, due to the presence of gas bubbles trapped within thesurface nano-sculptures. In specific geometrical and thermodynamical conditions for which wetting transition isavoided (in particular, when the roughness elements characterizing the SHS are several orders of magnitude smallerthan the overlying flow), the so-called ’Lotus effect’ is achieved, for which the flow appears to slip on the surfacewith a non zero velocity. In this framework, we propose to study, by means of numerical simulations, the influence ofSHS on laminar-turbulent transition in a channel flow. To do so we have performed a series of direct numericalsimulations (DNS), from the laminar to the fully turbulent state, covering the majority of transition scenarios knownin the literature, as well as local and global stability analysis so to determine the influence of SHS onto the initialstages of the process. While the conditions for observing controlled K-type transition in a temporal channel flow arewell defined, this is not the case for uncontrolled ones. To this end, a novel theoretical numerical framework has beendeveloped so to enable the observation of natural transition in wall-bounded flows. This method, similarly to theFree-Stream-Turbulence framework available for the boundary layer flow, is capable of triggering uncontrolledtransition t​ hrough flow receptivity to a purpose-built forcing. Different surface modellings for the superhydrophobicsurfaces are tested. First, homogeneous slip conditions are used. Then, the spatial heterogeneity of the SHS has beenconsidered by modelling it as a flat surface with alternating slip no-slip boundary conditions. Finally, the dynamics ofeach microscopic liquid-gas free-surface has been taken into account by means of a fully coupled fluid-structuresolver, using an Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. We show that while SHS are ineffective in controllingtransition in noisy environment​ , they can strongly delay transition to turbulence for the K-type scenario​ . Thisbehaviour results from the balance of two opposing effects. On one hand slippery surfaces inhibit the development ofcharacteristic hairpin vortices by altering the vortex stretching-tilting process. On the other hand, the movement ofthe gas-liquid free-surfaces interacts with the overlying coherent structures, producing wall-normal velocities thatenhance the sweep-ejection process, leading to a rapid formation of hairpin-like head vortices. Thus, whenconsidering flat interfaces transition time is strongly increased, while taking into account the interface dynamicsinduces smaller changes with respect to the no-slip case, indicating the need for an appropriate modelling of SHS fortransition delay purposes.

Ce travail expérimental s’intéresse à l’écoulement en aval d’un swirler statique court. L’induction d’un mouvement de swirl est une solution connue pour augmenter le gradient pariétal de vitesse. L’augmentation du frottement pariétal présente un intérêt industriel dans les échangeurs de chaleur pour accroître leurs potentiels de transfert de chaleur et diminuer leurs vitesses d’encrassement. Nous proposons d’approfondir la connaissance des écoulements avec swirl décroissant à faibles nombres de Reynolds pour lesquels l’intérêt énergétique est a priori plus important. Dans un premier temps, le champ d’écoulement est caractérisé à l’aide de méthodes optiques, pour identifier le type de tourbillon caractérisant le swirl. Dans un second temps, la méthode électrochimique est utilisée pour mesurer le frottement pariétal instationnaire. Par analogie, ces mesures permettent d’obtenir une première estimation du transfert de chaleur en écoulement anisotherme. / This experimental work is interested in understanding the flow downstream a short static swirler. Inducing a swirl motion is a known solution to increase the wall velocity gradient. The increase in wall shear stress is useful in industrial heat exchangers in order to enhance their heat transfer capabilities and reduce their fouling rates. We try to go deeper into knowledge of decaying swirl flows, for low Reynolds number for which energy interest is greater a priori. First, we study the flow field with optical methods in order to identify type of vortex characteristics of the swirl. Second, electrochemical method is used to measure the unsteady wall shear stress. By analogy, these measurements give a first estimate of the heat transfer for the case of non-isothermal flows.

Les écoulements pyroclastiques sont des écoulements volcaniques complexes dont le comportement physique fait encore l'objet de débats. Ils sont composés de deux parties : l'écoulement dense basal, riche en particules et en blocs, surmonté par la déferlante, diluée et turbulente. Les interactions entre ces deux parties ne sont pas bien comprises, tout comme leurs échanges de masses et de quantités de mouvement. Partant de ce constat, cette thèse se concentre sur l’étude des mécanismes de formation de la déferlante à partir de l’écoulement dense.Les expériences mettent en évidence un mécanisme de formation d'un écoulement dilué par l’alternance d’incorporation d'air et d’élutriation des particules fines d’un lit granulaire dense soumis à des vibrations. L'air est aspiré dans le lit granulaire pendant les phases de dilatation puis expulsé pendant les phases de contraction. Une partie des particules est alors soutenue par l'air turbulent expulsé et forme un mélange de gaz et de particules qui, plus dense que l’air, se transforme en un écoulement de gravité. Extrapolé à l’échelle d’un volcan, ce mécanisme d’incorporation d’air et d’élutriation peut être reproduit par une topographie rugueuse, où chaque obstacle génère une compaction puis une dilation de l’écoulement dense. La quantification du mécanisme a été effectuée et l’approche expérimentale a permis d’aboutir à une loi reliant le flux de masse de la partie dense vers la déferlante à la vitesse de l’écoulement dense. Le modèle numérique est utilisé dans un premier temps pour étudier la rhéologie de l’écoulement dense qui, en contrôlant sa vitesse, contrôle le flux de masse précédemment évoqué. Un chapitre est consacré à l’effet de la fluidisation de l’écoulement dense sur sa rhéologie. Les résultats montrent que la fluidisation par les gaz est capable d’expliquer à la fois la grande mobilité de ces écoulements, ainsi que la formation des morphologies terminales en lobes et chenaux. L’ingestion d’air dans un écoulement au cours de sa mise en place semble pouvoir expliquer une partie de la dynamique des écoulements denses. Des rhéologies simples, de premier ordre, ont également été analysées : la rhéologie de Coulomb, la rhéologie plastique, et la rhéologie à coefficient de frottement variable. Les résultats montrent que la rhéologie plastique semble la mieux adaptée pour reproduire la vitesse et l’extension des écoulements denses.Ce modèle numérique a ensuite été utilisé pour tester la loi de flux de masse obtenue suite aux expériences de laboratoire. Appliqués à l’effondrement de dôme du 25 juin 1997 à la Soufriere Hills de Montserrat, les résultats montrent que les simulations reproduisent des dépôts de déferlantes dont l’épaisseur et l’extension sont tout à fait réalistes. Les simulations reproduisent même les écoulements denses secondaires issus de la sédimentation de la déferlante puis de la remobilisation des dépôts. Les cycles d’ingestion/expulsion d’air dans l’écoulement dense, par interaction avec la topographie, expliqueraient donc à la fois la grande fluidité des écoulements denses et la formation des déferlantes pyroclastiques. Les résultats de cette thèse mettent à jour un mécanisme nouveau qui pourrait être la clé de la mise en place des écoulements pyroclastiques et pourrait permettre d’améliorer la prévision future des risques et des menaces par modélisation numérique. / Small volume pyroclastic density currents are complex volcanic flows, whose physical behaviour is still debated. They comprise two parts: the pyroclastic flow, rich in particles and blocks, overridden by the ash-cloud surge, a turbulent and dilute flow. The interactions between these two parts are not fully understood, as well as their exchanges of mass and momentum. Therefore, the thesis focuses on the investigation of ash-cloud surge formation mechanisms from the pyroclastic flow. The experiments reveal a mechanism of dilute flow formation by alternation of air incorporation into and elutriation of fine particles from a dense granular bed subjected to vibrations. The air is aspirated into the granular bed during dilatations, and expulsed during the contraction phases. A part of the particles are then sustained by the turbulent expulsed air and form a mixture of gas and particles that transforms into a gravity current. Extrapolated to a volcanic edifice, this mechanism of air incorporation and elutriation can be reproduced by a rough topography, where each obstacle generates a compaction followed by a dilatation of the pyroclastic flow. The quantification of the mechanism has been accomplished and the mass flux from the dense flow to the ash-cloud surge has been deduced.The numerical model is first used to study the pyroclastic flow rheology, which controls the velocity of the flow, and then the mass flux previously mentioned. One chapter is dedicated to the fluidization effect on the pyroclastic flow rheology. Results show that this mechanism can explain the long runout of these flows, and also the formation of levées and channel morphologies. The air ingestion in the flow during its movement could explain a part of the pyroclastic flows dynamic. Simple rheologies has also been analyzed: a Coulomb rheology, a plastic rheology, and a variable friction coefficient rheology. Results show that the plastic rheology seems to be the most adapted rheology to simulate the pyroclastic flow dynamic. Then, the numerical model has been used to test the mass flow law obtained through experiments. Applied to the 25 June 1997 dome collapse at Soufrière Hills Volcano at Montserrat, results show that the simulations reproduce accurately the extension and the thickness of the surge deposits. The simulations are also able to reproduce the surge derived pyroclastic flow, generated by remobilisation of surge deposits. The cycles of ingestion/expulsion of air in the pyroclastic flow by interactions with the topography could explain both the great fluidity of these flows and the formation of ash-cloud surge. These results highlight a new mechanism that could be a key process in pyroclastic flow dynamic, which could improve significantly the hazard and risk assessment using numerical model.

La méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode lagrangienne, sans maillage développée initialement pour des simulations de phénomènes astrophysiques. Depuis, elle a connu de nombreuses applications, notamment pour la simulation des écoulements des fluides. Contrairement aux méthodes utilisant un maillage, la méthode SPH peut gérer de manière naturelle et sans traitement spécifique les simulations des écoulements à sur- face libre et multiphasiques avec interface subissant de grandes déformations. Dans cette thèse, une modélisation SPH des écoulements des fluides multiphasiques a été réalisée en tenant compte de différentes complexités (écoulements à surface libre et multiphasiques interfacials) et de natures d'écoulement (si- mulation des fluides, des sols et les deux en interactions). Un modèle SPH faiblement compressible (WCSPH) a été proposé pour simuler les écoulements des fluides multiphasiques avec interface comprenant plus de deux phases de fluide. Ce modèle inclut le développement d’une nouvelle formulation de force de tension de surface en utilisant un opérateur SPH consistant de premier ordre. Une modification de condition généralisée aux parois solides a été apportée pour qu’elle soit appliquée sur les écoulements des fluides multiphasiques avec des rapports de densité et de viscosité élevés. Une nouvelle loi de comportement dépendant de la pression nommée RBMC-αμ ( Regularized Bingham Mohr Coulomb où αμ est un paramètre libre) a également été développée. Cette loi peut simuler les fluides (Newtonien, Binghamien), les sols (cohésif, frictionnel) et les deux en interactions. La loi précédente étant sensible à la pression, une extension du terme diffusif δ-SPH a été faite pour le cas des écoulements des fluides multiphasiques afin de réduire les oscillations de pression à haute fréquence qui sont dues à l’utilisation d’une équation d’état. La validation et l’application des modèles développés dans cette thèse sont montrées à travers plusieurs cas tests de difficulté croissante. / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian gridless method developed initially to simulate astrophysical phenomena, and since it has been known for a large number of applications, especially for fluid flow simulations. Contrary to the grid-based method, the SPH method can handle free surface and interfacial fluid flow simulation including large deformations naturally and without the need for any specific treatment. In this thesis a SPH modeling of multiphase fluid flows has been achieved with consideration of different complexities ( free surface and interfacial fluid flows) and natures (simulation of fluids, soil and both in interactions). A consistent weakly compressible SPH model (WCSPH) has been proposed to simulate interfacial multiphase fluid flows with more than two fluid phases. This model includes a new expression of the surface tension force using a first order consistency SPH operator. A modification to the well known generalized wall boundary condition have been brought in order to be applied to multiphase fluid flow with large density and viscosity ratios. A new pressure-based constitutive law named RBMC-αμ (Regularized Bingham Mohr Coulomb with αμ is free parameter) has been developed in this thesis. This model can simulate fluids (Newtonian, Binghamton), soils (cohesive, frictional) and both in interactions. Because the previous model is pressure sensitive, an extension of δ-SPH diffusive term has been proposed for multiphase fluid flows to overcome the hight frequency pressure oscillations due to the determination of pressure from an equation of state. The validation and application of the developed models have been shown in this thesis through several test-cases of increasing difficulty.

L’objectif de cette thèse est proposer des méthodes de traitement des signaux ultrasonores pour améliorer le calcul des vitesses d’écoulements transitoires à l’intérieur des conduites en mode non intrusive et en conditions complexes de mesure. Par conditions complexes nous entendons des fortes et, respectivement, des basses vitesses d’écoulement ainsi que des mesures en contexte d’un écoulement transitoire ou turbulent. Classiquement, la vitesse de l’écoulement d’un fluide peut être estimée, de manière non intrusive, avec des ultrasons par le biais des débitmètres à temps de transit. Les débitmètres à temps de transit conventionnels sont basés sur l’émission alternée des pulses acoustiques mono-fréquentielles (donc, à bande étroite) et le calcul de la différence absolue entre les temps de vol dans le sens de l’écoulement (direct) et le sens opposé (inverse). La vitesse du fluide (et le débit), ou plutôt la précision de ces grandeurs, reposent principalement sur l’estimation de cette différence. La partie sensible de cette technique est le choix du seuil (en admettant que le signal reçu n’est pas affecté par d’autres phénomènes comme des échos parasites, atténuation excessive ou des effets Doppler) déterminé principalement de façon empirique: au-dessus de 50% ou 80% de la valeur maximale attendue du signal. Des techniques pour automatiser et réduire l’erreur de mesure sont tout à fait envisageables et qui assurent une précision acceptable dans des conditions de mesure presque idéales. Néanmoins, hormis les cas des figures ayant des conditions de mesure idéalisées, il existe plusieurs scénarii où les techniques actuelles sont déficitaires: le désalignement des capteurs, une vitesse d’écoulement trop forte qui conduit à l’effet «flow blow», les écoulements bi-phasiques et/ou la présence de l’effet Doppler. Ces constats, présentés dans le deuxième chapitre du manuscrit, nous ont conduit à envisager, dans le cadre de cette thèse, des axes de recherche qui ont pour objectif commun de fournir les outils de traitement du signal capables de lever les verrous opérationnels. Ainsi, les principes de traitement du signal envisagés pour répondre à cet objectif sont: le principe des signaux à large bande qui confère au système de traitement du signal une résolution plus fine et une meilleure robustesse aux perturbations; le concept de compressive sensing afin de reconstruire les échantillons perdus suite aux interférences au point de réception; le principe de formation de voie et le principe des multi-cordes qui permet d’évaluer le profil de vitesse dans une section de la conduite. / The purpose of this thesis is to propose ultrasonic signal processing methods in order to improve the transitory flow velocity non-intrusive detection through pipes, in complex measurement conditions. By complex measurement conditions, we refer to high or very low flow rates and also to transitory or turbulent flows. Usually, the flow velocity can be non-intrusive estimated, using ultrasonic flow meters based on transit time estimation. Conventional transit time flowmeters are based on the alternating emission of single-frequency acoustic pulses (ie, narrow-band acoustic pulses) and the calculation of the absolute difference between flight times in the direction of flow (direct) and in the opposite direction (reverse). The fluid velocity (and the flow rate), or rather the precision of estimation of these quantities, rest mainly on the estimation of this difference. The sensitive part of this technique is the choice of the threshold (assuming that the received signal is not affected by other phenomena such as echoes, excessive attenuation or Doppler effects) determined mainly empirically: above 50% or 80% of the maximum expected value of the signal. Techniques for reducing measurement errors are quite conceivable and provide acceptable accuracy under almost ideal measurement conditions. However, apart from the case with idealized measurement conditions, there are several scenarios where current techniques are deficient: sensor misalignment, excessive flow velocity which leads to the “flow blow” effect, two-phase flow and / or the presence of the Doppler effect. These facts, presented in the second chapter of the manuscript, led us to consider, within the framework of this thesis, research axes whose common objective are to provide the signal processing tools capable of lifting the operational locks. Thus, the signal processing principles considered to meet this objective are: the principle of wide-band signals which gives the signal processing system a finer resolution and better robustness to disturbances; the concept of compressing sensing in order to reconstruct the missing samples due to interference at the reception point; the principle of beamforming and the principle of multi-paths which makes it possible to evaluate the velocity profile in a pipe section.