La thèse propose une étude numérique et une modélisation de la transition vers la turbulence dans l'écoulement de Couette plan. On se concentre particulièrement sur le régime de bandes oblique laminaire turbulentes, au coeur de la transition. On suit deux types d'approches selon le type d'échelles considérées. D'une part on étudie le détail à petite échelle de l'écoulement. A l'aide de DNS, une instabilité de cisaillement créant de la vorticité transverse est mise en évidence, et la vitesse d'advection des perturbations est mesurée. La modélisation de l'écoulement turbulent et cette instabilité vient confirmer ces mécanismes et met en évidence la transition absolue/convective à l'entrée des bandes. une description du maintien de la turbulence en termes de cycle auto-entretenu est proposée. D'autre part, on étudie l'écoulement 'a l'échelle de la bande. Des outils statistiques permettent d'étudier les bandes en termes de formation de motif. L'effet du bruit intrinsèque issu de la turbulence est mis en évidence, en particulier dans les changements d'orientation. La modélisation du motif en termes d'équation de Landau-Langevin et d'équation de Fokker-Planck correspondante fait le parallèle avec les motifs bruités et les phénomènes critiques. Partant de ce modèle on peut comprendre les retournements en termes de temps de premier passage moyen. Finalement, on regarde deux autres types de problèmes en couplant les approches microscopiques et macroscopiques. L'étude des relaminarisations tant au seuil de disparition de la turbulence qu'au seuil d'apparition du motif permet de mettre en évidence les mécanismes de disparition de la turbulence. L'étude de spots turbulents propose un aperçu de leur zoologie et permet d'approcher les mécanismes petite échelle à plus grand nombre de Reynolds.

Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D'un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s'agit, d'une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d'autre part, le code PPMBFS développé à l'Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l'approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d'un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l'hypothèse de l'Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d'écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l'accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d'un canal industriel (en l'occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d'écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques.

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

Le soudage hybride arc / laser représente une solution adéquate à l'assemblage de tôles d'acier de forte épaisseur. La présence d'une source laser en amont de la torche MIG permet d'accroître la productivité du procédé tout en assurant une excellente qualité de la soudure. Cependant la phénoménologie complexe de ce procédé multiphysique n'est pas encore totalement maîtrisée, ce qui motive le développement d'outils de simulation numérique. La présente étude s'est déroulée dans le cadre d'un projet multipartenaires "SISHYFE" (ANR Matériaux et Procédés).Dans ce but un modèle éléments finis 3D non stationnaire a été développé. Construit à partir de l'approche level set, il est en mesure de simuler un procédé multi-passes de soudage hybride arc / laser. Il a été développé autour de quatre principaux axes. (1) Une modélisation plus réaliste de l'apport de chaleur a conduit à la définition d'un nouveau modèle basé sur le rayonnement thermique pour décrire la source MIG. (2) Grâce au couplage entre l'intégration de termes source de matière et de chaleur dans les équations de conservation et l'actualisation de l'interface gaz / métal, le modèle proposé est capable de simuler le développement d'un cordon de soudure. (3) L'intégration d'une modélisation des écoulements du bain de fusion dans une approche level set a été évaluée et son impact sur la distribution thermique dans le métal analysé. (4) La simulation de la formation des contraintes pendant et après soudage a été possible grâce à l'adaptation d'un solveur thermomécanique.La modélisation finale a permis de simuler une configuration industrielle de soudage hybride arc / laser multi-passes. Des mesures expérimentales effectuées par les partenaires du projet "SISHYFE" ont été utilisées afin d'évaluer le modèle et d'éprouver sa capacité à reproduire l'expérience.

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale. / Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.

Des expériences d'ébullition convective de HFE-7000 dans un tube vertical chauffé ont été menées dans des conditions de gravité terrestre et de microgravité. Ces expériences consistent principalement en l'étude d'écoulements diphasiques dans un tube de saphir de 6 millimètres de diamètre intérieur, uniformément chauffé par effet Joule à travers un dépôt conducteur d'ITO. Des mesures de pertes de pression, de taux de vide, et de températures de paroi ou de liquide sont réalisées simultanément avec des enregistrements vidéo des régimes d'écoulement dans le tube. Les données correspondantes ont été collectées au sol et lors de quatre campagnes de vols paraboliques qui ont fourni des conditions de niveau de gravité proches de l'apesanteur. Les visualisations des films d'écoulement, ainsi que les signaux de température et de pression sont analysés afin d'obtenir des données sur les régimes d'écoulement, le taux de vide, les frottements pariétaux et interfaciaux, et les coefficients d'échange de chaleur. Ces résultats expérimentaux et les comparaisons réalisées avec d'autres jeux de données en microgravité sont utilisés pour proposer une modélisation de l'ébullition convective en microgravité. / Forced convective boiling experiments of HFE-7000 in a vertical heated tube were conducted in earth gravity and under microgravity conditions. The experiment mainly consists in the study of a two-phase flow inside a 6mm diameter sapphire tube uniformly heated through an ITO coating. Measurements of pressure drops, void fraction, and liquid and wall temperatures are performed, along with flow visualisations. Data were collected in normal gravity and during four parabolic flight campaigns providing near weightlessness conditions. Flow visualisations, temperature and pressure signals are analysed to obtain flow patterns, void fraction, wall and interfacial shear stresses, and heat transfer coefficient data. These experimental results and comparisons with other available datasets are used to attempt a modelling of flow boiling in microgravity.

Les conditions de solidification de la matière au cours d’une opération de soudage sont très particulières. Le phénomène se produit en effet à des vitesses de croissance de grains élevées, en présence de forts gradients de températures, et surtout de forts écoulements dans le bain liquide, qui peuvent modifier les mécanismes de solidification.Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à la compréhension des couplages pouvant exister entre écoulements et mécanismes de solidification, en relation avec les paramètres de soudages, à l’échelle macroscopique du bain, mais aussi à l’échelle microscopique des grains en cours de solidification.Une étude expérimentale est menée, basée sur l’observation in-situ d’un bain liquide traversant généré sur une tôle mince d’alliage Cu30Ni à l’aide d’une torche de soudage TIG (Tungsten Inert Gas), dans deux configurations :une configuration statique générant un bain de fusion axisymétrique, et une configuration en translation générant une ligne de fusion.Pour chaque configuration, la morphologie du front de solidification et les écoulements autour du front sont observés à l’échelle microscopique à l’aide d’une caméra rapide équipée d’un objectif à fort grossissement.A l’échelle macroscopique, le bain dans son ensemble est observé à l’aide d’une caméra infra-rouge et de deux caméras filmant dans le visible.La première permet d’obtenir le champ de température dans le solide sur la face envers, tandis que les deux autres permettent de déterminer la frontière du bain sur les faces supérieure et inférieure.Les observations synchronisées ont permis d’extraire une grande quantité de données permettant de discuter les interactions entre mécanismes de solidification et écoulements pour plusieurs conditions de soudage.Pour finir, les résultats expérimentaux sont confrontés aux résultats issus de modélisations analytiques et numériques, afin de discuter la validité de ces modèles et de tenter de mieux comprendre les analyses. / In welding processes, solidification is very specific. This phenomenon leads to high grain growth rates, in presence of high temperature gradients and strong fluid flows in the liquid, that can change the solidification mechanisms.This work investigates the coupling between fluid flows and solidification mechanisms, related to welding parameters, at weld pool scale (macroscale) and at grains scale (microscale).An experimental study is carried out, based on in-situ observations of a fully penetrated weld pool, generated on a thin Cu30Ni plate with a GTAW torch in two configurations :a static configuration generating an antisymmetric weld pool and a translating configuration generating a weld bead.For each configuration, the solidification morphology and the fluid flows in the solidification front area are observed at microscopic scale, with a high speed camera coupled with a high magnification lens.At macroscopic scale, the whole weld poll is observed with an infra-red camera and two cameras in visible range.We can then obtain on one hand the temperature field on the bottom of the plate and on the other hand the weld pool boundaries on the top and the bottom of the plate.The synchronised observations give access to an important quantity of data allowing the discussion of the interactions between solidification mechanisms and fluid flows for several welding conditions.Finally, the experimental results are compared to theoretical results obtained from analytical and numerical simulations, in order to discuss the possible limitations of models and try to better understand the analysis.

La relaxation thermo-chimique d’écoulements hypersoniques d’azote derrière des chocs forts et pour des détentes en tuyères est étudiée en effectuant des simulations d’écoulements 1D basées sur une cinétique vibrationnelle détaillée. Ces modèles vibrationnels détaillés sont utilisés pour développer des modèles macroscopiques précis et peu coûteux en temps de calcul pour les codes multidimensionels d’écoulements de rentrée. On considère d’abord les couplages hors équilibre entre l’excitation vibrationnelle et les réactions de dissociation / recombinaison. La cinétique vibrationnelle est décrite en utilisant des bases de constantes de réaction vibrationnelles précises de la littérature, complétées par le modèle de l’oscillateur harmoniques forcé. Le rôle prépondérant des processus vibration-translation multiquanta sur la relaxation de la distribution vibrationnelle et les processus de dissociation / recombinaison est mis en évidence derrière les chocs et dans les tuyères. Les distributions vibrationnelles, qui dévient fortement de l’équilibre dans les détentes en tuyères, résultent des processus vibration-translation et de dissociation / recombinaison. Un modèle macroscopique utilisant des groupes de niveaux vibrationnels est développé pour calculer de manière consistante les termes sources de chimie et d’énergie vibrationnelle à partir de la base de constantes de réaction vibrationnelles. Ce modèle reproduit précisément les dynamiques des températures, de la chimie et des distributions vibrationnelles avec un groupe de niveaux derrière un choc et trois groupes de niveaux pour les détentes. Dans un second temps, le modèle détaillé est généralisé aux écoulements d’azote ionisé en adoptant en particulier un modèle détaillé des processus résonants électron-vibration. Derrière les chocs, ces processus contrôlent la dynamique d’ionisation en alimentant les électrons en énergie, jusqu’à ce que les échanges élastiques électron-ion prennent le relais. Il est montré que l’hypothèse couramment utilisée d’équilibre entre les températures des électrons et de vibration conduit à une relaxation trop rapide derrière les chocs. Dans les détentes en tuyère pour lesquelles la concentration en électrons est faible, la température des électrons est contrôlée par les processus électron-vibration. On observe que les électrons sont fortement couplés aux bas niveaux vibrationnels, et que le nombre de niveaux couplés augmente avec la température des électrons. Le couplage de l’écoulement avec le rayonnement, modélisé dans l’approximation des plans tangents, impacte fortement la population du second métastable et de deux états électroniques plus élevés de N. Finalement, le modèle macroscopique est généralisé à l’azote ionisé. Un bon accord avec le modèle détaillé est obtenu avec un groupe de niveaux derrière un choc et trois groupes de niveaux pour les détentes en tuyère. En particulier, le modèle macroscopique proposé décrit plus précisément les échanges électron-vibration que le modèle de Landau-Teller couramment utilisé. / The thermo-chemical relaxation of nitrogen hypersonic flows behind strong shocks and in nozzle expansions is investigated with 1D flow simulations and detailed vibrational kinetics. This work aims at deriving from detailed vibrational models accurate reduced models easy to implement in multidimensional reentry flow codes. First, nonequilibrium couplings between vibrational excitation, dissociation and recombination reactions are considered. Vibrational kinetics is described using accurate vibrational state-to-state rate constant databases of the literature completed with the forced harmonic oscillator model. The key role of multiquanta vibration-translation processes on the relaxation of the vibrational distribution function and the dissociation/recombination processes is put forward behind shocks and in nozzles. The vibrational distributions, which deviate strongly from equilibrium for nozzle expansions, are driven by vibration-translation processes and dissociation/recombination processes. A macroscopic model using groups of vibrational levels is developed to derive consistently the chemical and vibrational energy source terms from the vibrational state-to-state database.This model successfully reproduces the thermal, chemical and vibrational distribution function dynamics predicted by the state-to-state model with one group of levels behind a shock wave, and with three groups of levels in nozzle expansions. In a second step, the detailed vibrational model is extended to ionized nitrogen flows, including in particular a detailed modeling of the resonant electronvibration processes. Behind shocks, these processes control the rate of ionization by feeding energy to the electrons, up until the time when the elastic electron-ion exchanges takes over. It is shown that the widely used assumption of equilibrium between the electron and vibration temperatures predicts a too fast relaxation behind shock waves. In nozzle expansions, it is shown that for low electron concentration, the electron temperature is driven by electronvibration processes. Moreover, it is found that electrons are strongly coupled to low vibrational levels, and that more levels are coupled when the electron temperature increases. Coupling of the flow field with radiation is performed using the tangent slab approximation, and it is shown that the population of a metastable and two higher electronic levels are strongly impacted. Finally, the macroscopic model is extended to ionized nitrogen flows and is successfully applied on shock waves with one group of levels and with three groups of levels in nozzle expansions. In particular, the proposed macroscopic model represents more accurately the electron-vibration coupling than the widely used Landau-Teller model.

Les premières simulations numériques d'écoulements réactifs sur des configurationscomplexes ont été réalisées à l'aide d'approches RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes). Ces dernières, bien adaptées aux écoulements de type couches limites attachées et relativement peu coûteuses en temps de calcul, ne donnent accès qu'à des résultats stationnaires qui s'éloignent parfois de la réalité. Pour réaliser des simulations instationnaires d'écoulements, les méthodes de type LES (Large Eddy Simulation) -- plus précises mais plus coûteuses -- sont de plus en plus utilisées. Cependant, ces méthodes sont mal adaptées à la simulation de la dynamique pariétale, car elles nécessitent un effort de maillage souvent prohibitif près de la paroi. Cette thèse est consacrée au développement dans le code CEDRE (code de simulation d'écoulements réactifs complexes de l'Onera) d'une méthode hybride RANS/LES, appelée Delayed Detached Eddy Simulation (DDES), et à son application à des écoulements réactifs massivement décollés. Après une étape de validation sur des couches limites attachées, la DDES a été appliquée à la simulation des écoulements inerte et réactif dans une chambre de combustion en forme de marche descendante (A3C) et comparée aux résultats des approches RANS et LES classiques, ainsi qu'aux résultats expérimentaux. Cette méthode a ensuite permis de réaliser l'étude de la dynamique de l'écoulement réactif décollé dans la tuyère ATAC montée sur le banc cryotechnique MASCOTTE de l'Onera. / The first numerical simulations of reactive flows on complex configurations were performed using RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) approaches. These methods, which are well adapted to attached boundary layer flows and relatively not expensive in computation time, provide only steady results, which may not correctly reproduce reality. For unsteady flow simulations, LES (Large Eddy Simulation) method -- more accurate but more expensive – are increasingly employed. However, these approaches are poorly suited to simulate wall turbulence since they often require a prohibitive meshing effort close to the wall. This PhD thesis is devoted to the development in the CEDRE code (Onera code for the simulation of complex reactive flows) of a hybrid RANS/LES approach, called Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) and to its application to massively separated reactive flows. After a step of validation on attached boundary layers, the DDES is applied to the simulation of the inert and reactive flows in a backward facing step combustor (A3C) and compared to the results obtained by RANS and LES approaches, as well as to experimental results. The DDES has then been used to study the dynamics of the separated reactive flow in the ATAC nozzle mounted on the cryotechnic MASCOTTE facility of Onera.

En fonction de la configuration avion, de son altitude du vol, du type de carburant, différents phénomènes physiques modifient les caractéristiques de l'alimentation du moteur en carburant. En effet, il se produit principalement un phénomène de dégazage qui pourrai être couplé à de la cavitation. Les écoulements diphasiques ainsi obtenus contiennent des microbulles, des bulles ou des poches de gaz qui risquent d'induire des dysfonctionnements du moteur. Ces dysfonctionnements se traduisent par des fluctuations de poussée pouvant conduire à une perte de contrôle de l’appareil. De cette problématique industrielle découlent de nombreux verrous scientifiques encore mal connus. Dans le cadre de cette thèse des travaux sur la modélisation numérique et la caractérisation expérimentale du couplage entre la cavitation et le dégazage. Pour cela deux bancs d’essai et un code propre capable d'étudier la problématique scientifique retenue ont été développés et exploités. Trois régimes de cavitation pure et trois autres de cavitation aérée sur une géométrie de venturi 8° symétrique ont été étudiés." / Depending on the configuration of the plane, its flight altitude, the type of fuel, different physical phenomena significantly change the characteristics of the fuel supply to the engine. Indeed, it primarily occurs a fuel degassing phenomenon that could be coupled to the cavitation phenomenon. As a result, the thus obtained multiphase flows contain micro bubbles, larger bubbles or vapor pockets which might induce engines malfunctions. The latter result in thrust fluctuations which can lead to a loss of power. The scientific context of the industrial problem lies in the development of a numerical and experimental representation of the cavitation and degassing phenomena on a smaller scale. As a result, it is of primary importance for one to understand the mechanisms of occurrence of gas and cavitation in the given industrial configuration. In order to deal with those issues, two test benches have been developed, as well as an in-house numerical code capable of simulating aerated cavitation phenomenon. Therefore, three different pure cavitation regimes and three other aerated cavitation are shown, as a result of the experimental work. The multiphase flow observations are based on a statistical post-processing of images taken by a high-speed camera. Moreover, two 2D aerated cavitation numerical simulations, as well as the first 3D pure cavitation simulation have been shown.