L’objectif de cette thèse est d’étudier les apports et les limitations de deux méthodes d’origine particulaire, SPH et LBM, dans le cadre de la simulation des écoulements à bouchons dans des conduites. Dans l’industrie pétrolière, ce type d’écoulement, que l’on retrouve par exemple dans les pipelines qui acheminent le pétrole et le gaz jusqu’aux raffineries, est connu pour endommager les installations et pour réduire l’efficacité du transport des fluides. Il est donc important de bien comprendre leur formation. Nous avons donc implémenté ces deux méthodes, ainsi que leurs variantes polyphasiques, et avons mené une campagne de validation et de comparaison afin de sélectionner la méthode la plus adéquate, pour poursuivre ensuite avec des simulations de cas plus appliqués et réalistes. Les contributions présentées se concentrent principalement sur trois axes. Tout d’abord, il a fallu construire les codes de calcul nécéssaires, les valider puis comparer des différentes formulations polyphasiques disponibles pour SPH et LBM. Ensuite, nous avons développé des conditions aux limites d’entrée/sortie adaptées au contexte polyphasique pour être en mesure d’injecter les fluides avec des vitesses imposées et de ler évacuer du domaine avec un pression donnée. Enfin, nous avons simulé différents cas d’écoulements à bouchons académiques avec SPH et LBM, puis sur des cas appliqués avec des géométries réalistes et des ratios de densité et de viscosité de type air/eau avec SPH seulement. / The main objective of this thesis is to study the contributions and limitations of two particle- based methods, SPH and LBM, for the simulation of slug flows in pipes. In the petroleum industry, these flow regimes, found for example during the transportation of oil and gas from reservoirs to refinery facilities through pipelines, are highly undesirable because they are known to damage facilities and to reduce flow efficiency. Therefore, it is important to understand its formation. We have implemented both methods, as well as their multiphase variants, and have led a validation and comparison campaign in order to to select the most suited method and to continue with simulations of more applied and realistic cases. The main contributions of this work can summarized in 3 points. First, we had to write the necessary computation codes, validate them and compare the different multiphase formulations available for SPH and LBM. Then, we have developed inlet/outlet boundary conditions adapted to the multiphase context so that we are able to inject fluids with prescribed velocities and let them exit he domain with a given pressure. Finally, we have simulated different academic test cases of slug flows with SPH and LBM and then on applied cases with realistic geometries and air-water like density and viscosity ratios with SPH only.

Le slugging (ou écoulement à bouchons) est un régime d'écoulement polyphasique indésirable apparaissant sur les systèmes de production de pétrole. Dans ce manuscrit, nous étudions la dynamique de ce phénomène intermittent dans le but de le supprimer par actionnement automatique de la vanne de sortie. Nous proposons des solutions de contrôle applicables dans une vaste gamme de situations industrielles. Après une analyse quantitative des propriétés physiques du slugging, nous proposons un modèle à paramètres distribués d'écoulement diphasique (gaz-liquide) reproduisant ce phénomène. Le modèle prend la forme d'un système hyperbolique de lois de conservation, pour lequel nous proposons un schéma de résolution numérique. De plus, nous procédons à une analyse de stabilité via la construction d'une fonction de Lyapunov de contrôle stricte pour le problème aux deux bouts avec condition initiale. Ensuite, nous présentons un modèle de dimension finie capable de reproduire les oscillations de pression et de débit qui caractérisent le slugging. Après une analyse des propriétés dynamiques de ce système, nous décrivons comment calibrer les paramètres du modèle afin que son comportement corresponde à celui d'un système donné. Enfin, nous proposons des lois de contrôle sous la forme de boucles de rétroaction, basées sur l'analyse du modèle réduit, dans deux situations industrielles distinctes : selon qu'un capteur de pression de fond est disponible ou non. Les performances de ces solutions sont comparées avec les méthodes correspondant à l'état de l'art dans chaque situation. La conclusion de cette étude est qu'il n'est pas systématiquement nécessaire de disposer d'un capteur de pression de fond pour stabiliser l'écoulement. Quand un tel capteur est disponible, la loi de contrôle que nous proposons possède de meilleures propriétés de stabilisation que les méthodes communément utilisées dans l'industrie, ce qui, lors du passage à l'échelle, devrait se traduire par une augmentation de la production de pétrole.