Ces travaux ont pour objectif d'étudier l'intégration d'une technologie de combustion récente, les brûleurs régénératifs à Oxydation sans Flamme, sur les fours de réchauffage sidérurgiques. La modélisation numérique a été utilisée pour étudier les enceintes équipées de tels brûleurs. Un accent particulier a été porté sur la validation expérimentale des modèles. L'outil CFD a d'abord permis d'étudier finement les caractéristiques de la combustion. Les modèles de fermeture ont d'abord été pré-sélectionnés. Le modèle a ensuite été confronté à des mesures de vitesses, espèces chimiques et températures dans la flamme pour choisir définitivement les modèles les plus adéquats.Une méthodologie de simplification a ensuite été mise en place pour optimiser le ratio précision / temps de calcul du modèle CFD, dans l'optique d'étudier les enceintes multi-brûleurs. Cette approche a été validée par rapport au modèle CFD détaillé.Enfin la simulation des régimes transitoires, essentielle dans l'analyse des performances des fours, a été traitée par une approche nodale, consistant à représenter les éléments du système sous la forme d'un réseau de composants simples. Les phénomènes physiques sont inclus dans les échanges entre les composants du réseau par l'intermédiaire d'une conductance dépendant du mode de transfert. Cette formulation rend la résolution des transferts radiatifs compatible avec la méthode zonale. Les facteurs d'échange radiatifs ont été calculés par le logiciel MODRAY. Un régulateur a également été inclus dans le modèle. Le réseau a été décrit et résolu sous l'environnement THERMETTE. Des essais à l'échelle semi-industrielle ont permis de valider ce modèle nodal.

Dans le but de mieux comprendre les phénomènes fondamentaux de l'érosion hydraulique des sols, nous étudions la relation entre la quantité locale de matière érodée et la contrainte locale exercée par l'eau sur le sol. La situation considérée est celle d'un écoulement bidimensionnel stationnaire, diphasique, turbulent, sur un sol immobile. Les équations dynamiques et les équations de conservation de la masse sont résolues simultanément. Les équations de Rankine-Hugoniot sont utilisées pour décrire les conditions de saut aux limites à l'interface eau-sol, et une loi d'érosion est fixée pour quantifier la quantité de matériaux érodés. Nous considérons ici deux types de lois d'érosion, l'une de type limite de plasticité, et l'autre proportionnelle à la différence entre la contrainte pariétale exercée par l'écoulement et la contrainte critique caractéristique du sol. Ce travail nous a permis d'étudier l'influence des différents paramètres mis en jeu, en particulier l'inclinaison du sol pour deux configurations différentes (écoulement de type couche limite et à surface libre), et l'introduction d'une loi différentielle de diffusion turbulente, tenant compte entre autre, du gradient de pression vertical au sein de l'écoulement et de la taille des sédiments. Les résultats obtenus montrent l'existence d'un fort couplage entre l'écoulement, l'érosion et les sédiments érodés en suspension, et notamment, pour des écoulements de type couche limite, la mise en évidence d'une pente critique du sol, à partir de laquelle l'érosion est amplifiée par la présence des sédiments déjà érodés. Cette modélisation, qui a l'originalité de proposer une description locale du phénomène d'érosion, se veut être un outil pratique et simple qu'il faudra chercher à confronter à des résultats expérimentaux, pour valider les lois théoriques utilisées dans la modélisation.

Un nouveau régime de combustion capable de réduire la formation des oxydes d'azote est étudié. Une flamme non prémélangée est stabilisée entre des réactifs dilués, préalablement chauffés et injectés séparément dans un brûleur à contre-courant. Un dispositif expérimental a été réalisé, avec pour paramètres de fonctionnement l'étirement aérodynamique, le taux de turbulence des jets opposés, la température de préchauffage et le taux de dilution dans l'azote des espèces réactives. La caractérisation aérothermochimique est effectuée au moyen de la PIV et de l'imagerie d'émission des radicaux OH* et CH*. Des algorithmes spécifiques de traitement des images et d'extraction des zones réactives ont été mis au point. L'influence des paramètres sur les propriétés de la flamme a été mesurée. Le domaine d'inflammabilité croît avec l'augmentation de la température et de la turbulence, mais se restreint avec celle de la dilution. Ces observations ont été reliées à l'épaisseur des zones chimiquement actives. La turbulence augmente le transport des espèces et rend la flamme, lorsque les réactifs sont préchauffés, plus robuste à l'extinction. L'augmentation de la température et de la turbulence conduit à une homogénéisation spatiale des propriétés de la flamme et de l'écoulement.

La thèse concerne la modélisation de deux écoulements issus de problèmes géophysiques. Un premier problème a trait à la présence de tourbillons longitudinaux apparaissant dans les cours d'eau. L'origine de ces structures reste indéterminée. On aborde ce problème par une simulation numérique d'un écoulement turbulent cisaillé dans un canal ouvert utilisant un code pseudo-spectral. On tente de voir si un cisaillement de surface même faible est capable ou non de comprendre ces observations. Le second problème est lié à la resuspension des sédiments sur les bords d'une mer ou d'un lac par des ondes internes. Ces ondes existent à cause de la stratification en densité de la colonne d'eau. Lorsque elles s'approchent de la côte, elles se déstructurent générant un cisaillement sur le fond capable de resuspendre du sédiment. On a envisagé à nouveau cette étude par le biais de la simulation numérique directe. On examine comment l'onde interne se brise sur les bords en fonction de (a) la nature de la stratification, (b) la forme de la topographie du fond et (c) l'amplitude des ondes. On calcule dans chaque cas le cisaillement sur le fond. On en déduit le flux et le transport de sédiment dans toute la colonne d'eau. / This thesis studies the modeling of two problems that take their origin from a geophysical context. A first problem is related to the presence of longitudinal vortices which have been measured in rivers. The origin of these structures remains unknown. We address this problem by numerical simulations of a sheared turbulent flows in an open channel using a pseudo-spectral code. We try to determine if the presence of an imposed shear at the surface coupled with a pressure gradient is capable or not to explain these observations. The second study focuses on the sediment resuspension on shores of seas or lakes by the action of internal waves. These waves exist because of density stratification of the water column. When waves approach the shore, their patterns evolve generating a shear on the bottom capable to resuspend sediment. By direct numerical simulations, we analyse how internal waves breaking changes according to (a) stratification, (b) bottom topography and (c) wave amplitude. We compute for each case the shear exerted on the bottom, the sediment flux and transport throughout the water column.

Le travail réalisé porte sur la modélisation à l'échelle macroscopique des transferts thermiques dans les lits catalytiques et au voisinage de la paroi. L'objectif principal de ce travail est de comprendre et de modéliser les mécanismes physiques responsables des transferts thermiques dans cette région. La physique proche paroi est capturée à l'échelle macroscopique de façon univoque à l'aide du concept de changement d'échelle et la notion de prise de moyenne volumique est étendue aux types de systèmes que nous considérons. Le coefficient de transfert à la paroi du modèle à deux coefficients λr - hw est premièrement décortiqué afin de mettre en lumière les mécanismes physiques contenus dans cette notion ainsi que le poids de leur contribution respective. Un modèle, basé sur la dynamique de l'écoulement et décrivant le transport de la chaleur dans la direction radiale, est ensuite dérivé à l'échelle macroscopique. Il met notamment en évidence une zone proche paroi particulière, dominée par l'effet de canalisation, qui amortit les transferts diffusifs dans la direction normale à la paroi. On montre ainsi que les transferts thermiques pilotés essentiellement par des mécanismes de dispersion mécanique sont limités dans cette région par des effets de résistance thermique de type convective. Finalement, une loi de paroi décrivant une couche limite perturbée par la matrice solide est utilisée pour faire le raccord à la paroi, ce qui a permis de prédire avec satisfaction la température à la paroi. / This work deals with the modeling of near wall heat transfers in catalytic packed beds at the macroscopic scale. The main aims of the present work are the understanding and the modeling of physical mechanisms responsible for the heat transfers in the vicinity of the wall at the observation scale. Volume averaging concept is first extended to systems we consider. Thus, relevant physical mechanisms occurring in the near wall zone are unequivocally up-scaled from pore to bed scale. Then, the detailed analysis of the wall heat transfer coefficient, used in the popular two coefficient model λr - hw, brings to light each physical mechanism and its respective weighted contribution lumped in it. A model, based on the flow dynamic and describing the radial heat transfer, is finally derived at the reactor scale. It highlights that a channel effect occurs in the near wall zone, damping transfers by diffusion in the wall normal direction. It is hence showed that heat transfers mainly driven by mechanical dispersion are facing a convective thermal resistance near the wall. A wall law is also derived to model boundary layer/porous medium interactions, which ultimately connect the porous media model to the wall. Wall temperature is thus recovered with satisfaction.

L'étude des bruits aéronautique et hydroacoustique fait l'objet d'une forte demande industrielle en matière de recherche. En effet, dans le domaine des transports, l'écoulement du fluide sur la structure s'avère être une source de nuisance sonore non négligeable. La compréhension de ce type d'excitation est donc nécessaire pour minimiser leur impact. L'objectif de cette étude est d'identifier la pression pariétale turbulente excitant une structure à partir d'une méthode inverse vibratoire RI (Résolution Inverse) et de ses variantes RIFF (Résolution Inverse Filtrée Fenêtrée) et RIC (Résolution Inverse Corrigée). Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées au domaine aéronautique. L'influence de la vitesse de l'écoulement sur la partie acoustique de l'excitation et la difficulté rencontrée pour identifier la totalité de la pression responsable de la vibration de la structure sont mises en avant.Dans un second temps, une application des méthodes au domaine naval est proposée. La capacité des méthodes à isoler la composante acoustique de l'excitation est mise en avant à travers des simulations. L'influence du couplage fluide-structure est étudiée et une méthode permettant de le prendre en compte est présentée. La potentialité de la méthode RIC est confirmée à travers une campagne de mesure réalisée à la DGA Techniques Hydrodynamiques. / The study of aeroacoustic and hydroacoustic noises is an important industrial research field. For example, in the transport industry, flows induced by a fluid over a structure, create a source of internal noise which cannot be neglected. To minimize its impact, it is necessary to have a good knowledge of this kind of excitation.The aim of this study is to identify the turbulent wall pressure which excites the structure, for the aeronautic and naval domains, by using an inverse vibration method, such as FAT (Force Analysis Technique) and its variations FWFAT (Filtered Windowed Force Analysis Technique) and CFAT (Corrected Force Analysis Technique).First, the methods are applied to the aeronautic domain. The influence of the flow velocity on the acoustic field and the difficulty to identify the pressure responsible for the structure vibration are pointed out.Second, an application to the naval domain is shown. The method ability to isolate the acoustic part of the excitation is introduced by using simulations. The significance of the fluid-structure coupling is studied and a method which allows taking it into account is proposed. The potentiality of CFAT method is confirmed with an experimental validation at DGA Techniques Hydrodynamiques.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'interaction fluide structure est présente dans beaucoup de problèmes industriels, dans les domaines d'ingénierie mécanique, civile ou biomécanique. Même si les performances informatiques s'améliorent considérablement et que les méthodes en mécanique numérique gagnent en maturité, certaines difficultés ne permettent pas encore de réaliser des simulations numériques précises. Actuellement deux méthodes numériques gagnent en popularité pour la simulation numérique d'interactions fluide structure: la méthode de partitionnement et la méthode monolithique. Des résultats de la littérature montrent que la première est efficace et précise mais qu'elle peut rencontrer des problèmes d'instabilité si les ratios de densité sont élevés ou que les géométries sont complexes. Les méthodes d'immersion sont de plus en plus utilisées par la communauté scientifique. Différentes approches ont été développées, dont la Méthode d'Immersion de Volume. Cette méthode permet de faciliter la mise en place des calculs. Ainsi il n'est pas nécessaire de construire des maillages concordant avec la géométrie des objets, et le couplage entre les fluides et les solides se fait naturellement. C'est sur cette analyse qu'a été développé le logiciel Thost. Il permet de simuler des procédés industriels tels que le chauffage de pièces métalliques dans les fours industriels ou la trempe sans caractériser expérimentalement des coefficients de transfert. Le but d'un tel logiciel est de permettre une meilleure compréhension des procédés et ainsi de les optimiser. Cependant les coûts de calcul restant élevés, le but de la thèse est de les diminuer en s'appuyant sur des méthodes numériques innovantes tels que l'adaptation dynamique de maillage anisotrope, des méthodes éléments finis stabilisées ou l'immersion directe des objets à partir de la Conception Assistée par Ordinateur. / Fluid-Structure Interaction (FSI) describes a wide variety of industrial problems arising in mechanical engineering, civil engineering and biomechanics. In spite of the available computer performance and the actual maturity of computational fluid dynamics and computational structural dynamics, several key issues still prevent accurate FSI simulations.Two main approaches for the simulation of FSI problems are still gaining attention lately: partitioned and monolithic approaches. Results in the literature show that the partitioned approach is accurate and efficient but some instabilities may occur depending on the ratio of the densities and the complexity of the geometry. Monolithic methods are still of interest due to their capability to treat the interaction of the fluid and the structure using a unified formulation. In fact it makes the build up of a FSI problem easier as the mesh do not have to fit the geometry of the solids and the transfers are treated naturally.The software Thost has been created based on these analyzes. Thost is a 3D aerothermal numerical software. It has been developped for the numerical simulation of industrial processes like the heating in industrial furnaces as well as quenching. Its target is to model numericaly the thermal history of the industrial pieces in their environment without using any transfer coefficient. However the computational costs are still high and therefore the software is not fully efficient from an industrial point of view to simulate, analize and improve complex processes. All the work in this PhD thesis has been done to reduce the computational costs and optimize the accuracy of the simulations in Thost based on innovatives numerical methods such as dynamic anisotropic mesh adaptation, stabilized finite elements methods and immersing the objects directly from their Computer Aided Design files.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

Les propriétés de l'écoulement turbulent confiné dans une cavité délimitée par deux disques parallèles coaxiaux dont l'un est en rotation sont très sensibles à la géométrie périphérique du système. De récentes études ont montré que l'écoulement en bloc prévu par la théorie de Batchelor n'est pas systématiquement observé lorsque la cavité est isolée, c'est à dire non soumise à un flux forcé. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ce phénomène et d'étendre le cadre de l'étude au cas d'un écoulement centripète forcé. La première partie du travail aborde l'aspect théorique du problème. Un premier bilan des échanges de fluide dans les couches limites est réalisé à partir des solutions stationnaires de l'écoulement sur un disque, développées par von Kármán et Bödewadt. Ces solutions sont couplées à de nouvelles hypothèses permettant de tenir compte des échanges de flux hors couches limites et du taux de pré-rotation du fluide. Nous obtenons ainsi des solutions analytiques originales pour les distributions radiales du coefficient d'entraînement du fluide dans le noyau central, de la pression statique pariétale et de la pression totale, que la cavité soit isolée ou soumise à un flux radial forcé. La seconde partie est consacrée aux moyens expérimentaux et numériques nécessaires à la validation de ces solutions théoriques. Elle inclut d'abord une description de l'installation expérimentale, des techniques de mesure, et du programme d'essais réalisé dans le cadre de cette thèse. Les simulations numériques sont réalisées à l'aide du code de calcul industriel FLUENT. Les détails concernant le choix du domaine de calcul, le maillage, les conditions aux limites et le modèle de turbulence retenus sont ensuite fournis. La validation des solutions théoriques fait l'objet des deux derniers chapitres, respectivement consacrés aux cas de la cavité isolée et soumise à un écoulement centripète forcé. L'accord obtenu entre l'expérience, les résultats numériques et la théorie est généralement très bon, ce qui nous conforte dans le choix de nos hypothèses. L'analyse des résultats permet en particulier de comprendre le mécanisme d'apparition de l'écoulement en bloc prévu par Batchelor. Toutefois, l'utilisation des modèles n'est pas universelle car elle nécessite l'ajustement de constantes, pour lesquelles nous tentons de dégager des relations empiriques les plus générales, dans la mesure du possible.