La simulation d'écoulements dans des géométries complexes nécessite la création de maillages parfois difficile à réaliser. La méthode de pénalisation proposée dans ce travail permet de simplifier cette étape. En effet, la résolution des équations qui gouvernent l'écoulement se fait sur un maillage plus simple mais non-adapté à la géométrie du problème. Les conditions aux limites sur les parties du domaine physique immergées dans le maillage sont prises en compte à travers l'ajout d'un terme de pénalisation dans les équations. Nous nous sommes intéressés à l'approximation du terme de pénalisation pour une discrétisation par volumes finis sur maillages décalés et colocatifs. Les cas tests de vérification réalisés attestent d'un ordre de convergence spatial égal à 2 pour la méthode de pénalisation appliquée à la résolution d'une équation de type Poisson ou des équations de Navier-Stokes. Enfin, on présente les résultats obtenus pour la simulation d'écoulements turbulents autour d'un cylindre à Re=3900 et à l'intérieur d'une partie d'un assemblage combustible à Re=9500. / The simulations of fluid flows in complex geometries require the generation of body-fitted meshes which are difficult to create.The penalty method developed in this work is useful to simplify the mesh generation task.The governing equations of fluid flow are discretized using a finite volume method on an unfitted mesh.The immersed boundary conditions are taken into account through a penalty term added to the governing equations.We are interested in the approximation of the penalty term using a finite volume discretization with collocated and staggered grid.The penalty method is second-order spatial accurate for Poisson and Navier-Stokes equations.Finally, simulations of turbulent flows around a cylinder at Re=3900 and turbulent motions in a rod bundle at Re=9500 are performed.

La propagation d'une onde acoustique en guide est associée, pour de forts niveaux, à un certain nombre de phénomènes de l'acoustique non linéaire. Parmi ces phénomènes, les écoulements redressés (ou vent acoustique), l'effet d'une discontinuité et la transition à la turbulence, à l'étude dans ce mémoire, sont associés à la génération d'écoulements induits. L'étude expérimentale de ces phénomènes repose sur l'adaptation des méthodes de vélocimétrie Laser : Vélocimétrie Laser par effet Doppler (VLD) et Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) à la mesure des différents écoulements. Ainsi, des mesures PIV en sortie de convergent, viennent compléter des mesures VLD réalisées antérieurement. Dans l'espoir de mieux appréhender les spécificités de la transition à la turbulence en guide d'onde acoustique, l'évolution de la couche limite de Stokes est étudiée pour des amplitudes de vitesse acoustique croissantes. Une étude expérimentale des écoulements redressés dans un guide d'onde à section carrée est proposée et les spécificités liées à cette géométrie sont recherchées. En outre, l'évolution des tourbillons du vent acoustique en guide d'onde cylindrique est analysée lorsque le vent devient rapide et certains facteurs pouvant être à l'origine de cette évolution sont modifiés. La répartition harmonique dans le guide est ainsi modifiée, puis l'influence des conditions thermiques est abordée en couplant les mesures de vitesses à des mesures de température moyenne dans le guide et en paroi. Une comparaison avec des résultats issus de simulations numériques permet de conforter l'évolution des écoulements redressés observée. / High amplitude acoustic propagation in a guide is associated with several non linear phenomena including acoustic streaming, discontinuity effects and transition to turbulence. Those phenomena are studied in this work and are all associated with acoustically induced flows. The present experimental study therefore is based on velocimetry laser techniques: Laser Doppler Velocimetry (LDV) and Particle Image Velocimetry (PIV), wich are fitted to the measurement of the different flow velocity components. Firstly, PIV measurements at the exit of a convergent enable to complement previous LDV measurements. Then, in order to a better understanding of the specificity of transition to turbulence in acoustics, the evolution of the Stokes boundary layer is studied for increasing acoustic velocity amplitudes. Then an experimental study of acoustic streaming in a square channel is reported, and the influence of the geometry is examined. Moreover, the evolution of acoustic streaming vortices in a cylindrical waveguide is analyzed for fast streaming and some parameters that could control such evolution are modified. The harmonicdistribution inside the guide is changed and then the influence of thermal conditions is studied by coupling velocity measurements and mean temperature measurements inside the waveguide and along the wall. Some comparisons between measured streaming velocities and numerical simulation results are presented.

Ce travail est dédié au développement d'une méthode numérique pour la simulation des écoulements liquide-bulles. La présence des bulles dans l'écoulement visqueux et incompressible est prise en compte via une méthode de pénalisation. Dans cette représentation Euler-Lagrange, les bulles supposées indéformables et parfaitement sphériques sont assimilées à des objets pénalisés interagissant avec le fluide. Une méthode VOF (Volume Of Fluid) est employée pour le suivi de la fonction de phase. Une adaptation de la discrétisation des équations de Navier-Stokes est proposée afin d'imposer la condition de glissement à l'interface entre le liquide et les bulles. Une méthode de couplage entre le mouvement des bulles et l'action du liquide est proposée. La stratégie de validation est la suivante. Dans un premier temps, une série de cas-tests est proposée; les objets pénalisés sont supposés en non-interaction avec le fluide. L'étude permet d'exhiber la convergence et la précision de la méthode numérique. Dans un second temps le couplage est testé via deux types de configurations de validation. Le couplage est d'abord testé en configuration de bulle isolée, pour une bulle en ascension dans un liquide au repos pour les Reynolds Re=17 and Re=71. Les résultats sont comparés avec la théorie établie par la corrélation de Mei pour les bulles sphériques propres décrivant intégralement la dynamique de la bulle. Enfin, des simulations en configurations de nuage de bulles sont présentées, pour des populations mono- et bidisperses dans un domaine entièrement périodique pour des taux de vide s'établissant entre 1% et 15%. Les statistiques fournies par les simulations caractérisant l'agitation induite par les bulles sont comparées à des résultats expérimentaux. Pour les simulations de nuages de bulles bidisperses, de nouveaux résultats sont présentés. / This work is devoted to the development of a numerical method for the simulation of two-phase liquid-bubble flows. We use a volume penalization method to take into account bubbles in viscous incompressible flows. The chosen Euler-Lagrange framework involves spherical and nondeformable bubbles represented as moving penalized obstacles interacting with the fluid. A VOF (Volume Of Fluid) method is used to track the phase function while a discretization of the penalized conservation equations is realized to impose slip conditions at the liquid-bubble interface. A coupling method devised from the penalized momentum equations is proposed. The validation process is set as following. First, the fluid is supposed non-acting on the bubbles; several test-cases are presented; we consider configurations with different penalized obstacles shapes (curved channel, inclined channel), the obstacles are either static or dynamic; in each configuration an analytical solution is known. The results show the compliance and the quality of our numerical closures by exposing the convergence order of the method. In order to verify the accuracy of the coupling method, numerical simulations of a 1mm diameter single bubble rising in a quiescent liquid are performed for Re=17 and Re=71. Results are compared with theory established by using Mei correlation for clean spherical bubbles describing the whole dynamics of the rising bubble. Finally, simulations of bubble swarms, in mono- and bidisperse configurations have been carried out in a fully periodic box with moderate void fractions ranging from 1% to 15%. The statistics provided by the simulations characterizing the bubble-induced agitation are compared to experimental results. For the bidisperse bubble swarm configuration, new results are presented.

Cette thèse porte sur l’étude expérimentale de l’extraction liquide-liquide au sein d’une colonne de laboratoire reproduisant de manière très simplifiée les appareils utilisés pour retraiter le combustible nucléaire (procédé hydro-métallurgique PUREX). Une technique optique non intrusive, dite de réfractométrie ou diffractométrie arc-en-ciel, a été spécifiquement développée pour caractériser la granulométrie (et donc l’aire interfaciale) et la composition de la phase dispersée. Cette dernière est composée de gouttes millimétriques de mélanges d’alcanes en ascension dans une colonne remplie d’eau au repos. Les spécificités de l’arc-en-ciel produit par ces gouttes à faible indice de réfraction relatif ont été étudiées à l’aide de différents modèles de diffusion asymptotiques de la lumière et la théorie électromagnétique de Lorenz-Mie. Grâce au développement de différentes approches directes et inverses (paramétriques), il a été démontré numériquement et expérimentalement que cette technique optique permettait d’estimer individuellement (ou collectivement) diamètre (moyen) et fraction de mélange de quelques dizaines de milliers de gouttes à quelques pour cents près. Des travaux préliminaires ont été réalisés sur l’extraction, résolue dans le temps de l’acétone, d’un milieu continu aqueux vers une goutte sessile composée initialement de toluène pur. Ils ont montré que l’on pouvait réellement estimer les constantes de transfert (de diffusion et de distribution moléculaire) à partir de l’analyse de l’évolution temporelle des arcs-en-ciel et en utilisant une méthode inverse qui intègre un modèle de diffusion moléculaire à symétrie radiale et un modèle électromagnétique ad hoc. / This thesis deals with the experimental study of liquid-liquid extraction within a laboratory column reproducing in a simple way the apparatuses used in a nuclear fuel reprocessing process (PUREX). A non-intrusive optical technique, called rainbow refractometry or diffractometry, has been specifically developed to characterize the size (and hence the interfacial area) and the composition of the dispersed phase. The latter is first time composed of millimeter droplets of alkanes mixtures free rising in a column filled with water at rest. Specificities of the rainbow produced by these droplets with a low relative refractive index were studied using different asymptotic light scattering models and the Lorenz-Mie electromagnetic theory. Thanks to the development of different direct and reverse (parametric) approaches, it was demonstrated both numerically and experimentally that this optical technique allows estimating individually (or collectively) the diameter (in average) and the mixing fraction of a few tens of thousands of droplets with a few percent of accuracy. Preliminary works have been carried out on the time-resolved extraction of acetone from an aqueous continuous medium to a sessile droplet initially composed of pure toluene. They have revealed that the transfer (diffusion and molecular splitting) constants can be estimated from the analysis of the temporal evolution of the rainbow signals using an inverse method that integrates a molecular diffusion model with a radial symmetry and an electromagnetic light scattering model.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des écoulements diphasiques dispersés turbulents gaz/gouttes et plus particulièrement à la modélisation du phénomène de dépôt de gouttes en canal horizontal, dont la compréhension et la prédiction sont essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Les gouttes sont supposées de taille plus petite que les échelles de longueur caractéristiques de l'écoulement de gaz turbulent, avec une masse volumique grande devant celle de la phase continue, les forces qui agissent sur les gouttes se limitent ainsi à la traînée, à la poussée d'Archimède et à la gravité. Le taux de présence de la phase dispersée est suffisamment important pour tenir compte de l'influence des gouttes sur la turbulence du gaz (couplage à deux sens), mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions entre les gouttes. En écoulement horizontal, le dépôt des gouttes en paroi est piloté par deux mécanismes principaux qui agissent en parallèle : la gravité et la diffusion turbulente/vol libre. Cette physique du dépôt est déclinée en deux volets, avec une première étude à l'échelle 3D locale et une seconde étude à l'échelle système 1D. Dans chacune de ces approches, un modèle pour la vitesse de dépôt de gouttes en paroi est développé, puis validé par comparaison à des données expérimentales. Le modèle de dépôt local, établi sous l'hypothèse d'un film liquide infiniment mince et absorbant, est implanté dans le code de simulation numérique NEPTUNE_CFD, puis validé par comparaison aux données expérimentales de Namie & Ueda, qui étudient le dépôt des gouttes en canal horizontal. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement, ainsi que des transferts d'énergies entre phases, est menée afin de mettre en évidence les phénomènes de couplage et leurs influences sur la turbulence de la phase continue. Le modèle unidimensionnel, développé dans le cadre d'un besoin industriel, est implanté dans le code CATHARE-3 et est confronté aux données de l'expérience REGARD du CEA Grenoble. / Droplets dispersion and deposition in turbulent duct flows are important processes, occurring in numerous environmental and industrial applications. This work is devoted to the study of gas-droplets flows and, more particularly, the objective is to improve the droplets deposition modeling in horizontal flows. Droplets are supposed to be smaller than the Kolmogorov scale, with a density large compared to the density of the gas phase. Under these assumptions, the motion of a droplet is considered to be governed by the drag force, the buoyancy force, and the gravity. Dilute incompressible and isothermal gas-droplets flows are studied, so inter-particle collisions are neglected but two-way coupling is retained, which means that modulation of turbulence by the particles is accounted for. In horizontal flow, droplets reach the wall under the actions of the gravitational settling and the turbulent diffusion. Two approaches will be used in developing this deposition physics with a first study at the 3D local scale and a second one at the 1D scale, realized for an industrial need. For each case, a model is developed for the mean deposition velocity of the droplets, with is implemented in a numerical simulation tool and then validated by comparison to experimental data. The local deposition model is established under the assumptions that the liquid film is extremely thin and perfectly absorbing and is implemented in the Neptune_CFD code. The experience carried out by Namie & Ueda, which consist in small droplets deposition from a turbulent dispersed flow in a horizontal rectangular duct, is simulated. An analysis of the interphase transfer terms in the kinetic energy equations shows the interactions between the dispersed phase and the continuous one and the impact of these phenomena on the turbulence of the gas phase is pointed out. The 1D deposition model is developed for the CATHARE-3 code and experimental data from the REGARD facility of the CEA Grenoble are used for validation.

Les travaux de recherche du présent projet se situent dans le contexte général de l'optimisation de la technique de sono-thrombolyse (destruction d'un caillot sanguin ou d'un thrombus par cavitation ultrasonore). En effet, certes cette technique a plusieurs avantages par rapport à la solution chirurgicale, mais elle présente des limitations qui sont principalement le risque de libération de fragments du thrombus, susceptibles d'engendrer l'embolie pulmonaire. Face à ces limites actuelles que de la technique de sono-thrombolyse, s'est imposée la nécessité de pousser plus loin les recherches pour mieux comprendre les mécanismes qui la régissent. D'où le projet de la présente thèse qui s'intéresse plus particulièrement aux écoulements générés lors de l'application des ultrasons focalisés dans un liquide. L'objet du présent travail consiste à étudier minutieusement les phénomènes hydrodynamiques et acoustiques, en particulier le streaming acoustique du fluide et la force de radiation ultrasonore agissant sur les particules solides. Cela permettra d'obtenir une connaissance profonde des phénomènes hydrodynamiques se produisant lors de l'application des HIFU dans un milieu liquide chargé de particules.La technique optique de PIV a été adoptée pour mesurer l'écoulement du fluide ainsi que des particules solides. Ceci a permis de caractériser le streaming acoustique induit par la propagation des ultrasons focalisés dans un milieu liquide infini, de le comparer à un écoulement classique de type jet circulaire libre, et de déterminer un diamètre critique au-dessus du quel l'écoulement des particules solides sphériques dans un liquide est dominée par la force de radiation ultrasonore plutôt que par l'entrainement du streaming acoustique. Comme approche numérique, un outil de simulation CFD a été utilisé afin de modéliser le même écoulement de streaming en question et afin de comparer les résultats numériques avec les résultats expérimentaux obtenus / The research work of this project is provided in the context of sono-thrombolysis technique optimization (blood clot or thrombus destruction by ultrasonic cavitation). Indeed, although this technique has several advantages over the surgical solution, but it has limitations that are mainly the risk of thrombus fragments releasing in the circulation, likely to induce pulmonary embolism.In view of these sono-thrombolysis technique current limitations, it has become necessary to carry out further research to better understand the mechanisms that govern it. Hence, comes the project of the present thesis, which is particularly interested in the flows generated by the application of focused ultrasound in a liquid. The purpose of the present work is to accurately study the hydrodynamic and acoustic phenomena, in particular the fluid acoustic streaming and the ultrasound radiation force acting on solid particles. This would provide a deep understanding of the hydrodynamic phenomena occurring during HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) application in a liquid medium with particles.Particle Image Velocimetry (PIV) optical technique has been adopted to measure the fluid flow as well as solid particles flow. This allowed us to characterize the focused ultrasound induced acoustic streaming in an infinite liquid medium, to compare it with a conventional circular free jet flow, and to determine a critical diameter above which solid spherical particles flow in a liquid is dominated by the radiation force rather than the acoustic streaming drag force. As a numerical approach, a CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation tool was used to model the same streaming flow and to compare the numerical results with the experimental obtained ones

Les écoulements turbulents de gaz denses, qui sont d’un grand intérêt pour un large éventail d'applications, sont le siège de phénomènes physiques encore peu connus et difficiles à étudier par des approches expérimentale. Dans ce travail, nous étudions pour la première fois l’influence des effets de gaz denses sur la structure de la turbulence compressible à l’aide de simulations numériques. Le fluide considéré est le PP11, un fluorocarbure lourd, dont le comportement thermodynamique a été représenté à l’aide de différentes lois d’état, afin de quantifier la sensibilité des solutions aux choix de modélisation. Nous avons considéré d’abord la décroissance d’une turbulence homogène isotrope compressible. Les fluctuations de température sont négligeables, alors que celles de la vitesse du son sont importantes à cause de leur forte dépendance de la densité. Le comportement particulier de la vitesse du son modifie de manière significative la structure de la turbulence, conduisant à la formation de shocklets de détente. L’analyse de la contribution des différentes structures à la dissipation d’énergie et à la génération d’enstrophie montre que, pour un gaz dense, les régions de forte dilatation jouent un rôle similaire à celles de forte compression, contrairement aux gaz parfaits, dans lesquels le comportement est fortement dissymétrique. Ensuite, nous avons mené des simulations numériques pour une configuration de canal plan en régime supersonique, pour plusieurs valeurs des nombres de Mach et de Reynolds. Les résultats confirment la validité de l’hypothèse de Morkovin. L’introduction d’une loi d’échelle semi-locale prenant en compte le variations de densité et viscosité, permet de comparer les profils des grandeurs turbulentes (contraintes de Reynolds, anisotropie, budgets d’énergie) avec ces observés en gaz parfait. Les variables thermodynamiques, quant à elles, présentent une évolution très différente pour un gaz parfait et pour un gaz dense, la chaleur spécifique élevée de ce dernier conduisant à un découplage des effets dynamiques et thermiques et à un comportement proche de celui d’un fluide incompressible avec des propriétés variables. / Dense gas turbulent flows, of great interest for a wide range of engineering applications, exhibit physical phenomena that are still poorly understood and difficult to reproduce experimentally. In this work, we study for the first time the influence of dense gas effects on the structure of compressible turbulence by means of numerical simulations. The fluid considered is PP11, a heavy fluorocarbon, whose thermodynamic behavior is described by means of different equations of state to quantify the sensitivity of solutions to modelling choices. First, we considered the decay of compressible homogeneous isotropic turbulence. Temperature fluctuations are found to be negligible, whereas those of the speed of sound are large because of the strong dependence on density. The peculiar behavior of the speed of sound significantly modifies the structure of the turbulence, leading to the occurrence of expansion shocklets. The analysis of the contribution of the different structures to energy dissipation and enstrophy generation shows that, for a dense gas, high expansion regions play a role similar to high compression ones, unlike perfect gases, in which the observed behaviour is highly asymmetric. Then, we carried out numerical simulations of a supersonic turbulent channel flow for several values of Mach and Reynolds numbers. The results confirm the validity of the Morkovin' hypothesis. The introduction of a semi-local scaling, taking into account density and viscosity variations across the channel, allow to compare the wall-normal profiles of turbulent quantities (Reynolds stresses, anisotropy, energy budgets) with those observed in ideal gases. Nevertheless, the thermodynamic variables exhibit a different evolution between perfect and dense gases, since the high specific heats of the latter lead to a decoupling of dynamic and thermal effects, and to a behavior close to that of variable property incompressible fluids.

Les réactions de catalyse hétérogène impliquant un gaz et un liquide sont mises en oeuvre dans des réacteurs à lit fixes. Ces réacteurs peuvent être assimilés à un milieu poreux. La nature complexe de ce milieu rend la compréhension des interactions entre phases difficile, et nécessite une étude exhaustive à l’échelle globale et locale afin d’identifier les paramètres clés de l’hydrodynamique, des transferts de chaleur et de matière. Nous avons donc développé une cellule miniaturisée bidimensionnelle transparente, qui permet l’observation directe des écoulements avec une très bonne résolution spatiale et temporelle. En faisant varier le débit total et le rapport des débits gaz/liquide, nous avons mis en évidence l’apparition des régimes ruisselant et pulsé, observés par ailleurs dans des systèmes tridimensionnels. Grâce à une méthode d’analyse d’image, nous sommes capables de quantifier et cartographier la saturation liquide locale apparente et la morphologie des phases. L’analyse des variances a permis d’étudier les transitions de régimes pour différentes propriétés de la phase liquide. Cette approche a permis de comparer avec la littérature, mais aussi de s’intéresser aux mécanismes de génération et propagation des instabilités lors des transitions. Il a été mis en évidence que l’apparition des instabilités responsables de la déstabilisation du régime ruisselant intervient pour un nombre deWeber liquide fixé, indiquant que le régime pulsé apparait suite à la déstabilisation des interfaces gaz /liquides par les forces inertielles. Enfin, une étude préliminaire des transferts thermiques dans la cellule a été réalisée. La cellule est utilisée pour réaliser la réaction exothermique d’hydrogénation de l’alpha-methylstyrène. Un modèle simple de transferts thermique a été utilisé pour caractériser l’augmentation de température dans la cellule. Bien que cette approche ne permette pas des mesures quantitatives, elle ouvre à la perspective de suivi de transferts thermiques par caméra infra-rouge. / Heterogeneously catalyzed reactions involving a gas and a liquid phase are frequently achieved in fixed bed reactors. These reactors can be described as a porous medium. The complex nature of this medium makes the understanding of the interplay between phases difficult, and requires a thorough study at the global andlocal scale to identify the key parameters of hydrodynamics, mass and heat transfers. Therefore, we have developed a miniaturized two-dimensional system that is transparent to allow the direct observation of the flow with very high spatial and temporal resolution. While varying the total flow rate and the gas/liquid flow rate ratio, we observe the appearance of the trickle and the pulse flow regime, which can be observed in threedimensional beds. Thanks to some image analysis techniques, we are able to quantify and to map the local apparent liquid saturation and the morphology of the phases. Variances analysis allowed the study of the transition for different liquid properties. This approach allowed the comparison with the existing state of art, but also the study of the onset and propagation mechanisms of the instabilities during the transition. We report that the onset of instabilities responsible for the destabilization of the trickle flow regime occurs at a fixed Weber number. This indicates that the pulsed regime is due to the destabilization of the gas/liquid interface by inertial forces. Finally, a preliminary study of thermal transfers in the device was realized. The device was used to perform the exothermic hydrogenation of alpha-methylstyrene. A simple model is used to characterize the temperature increase in the device. Although this approach does not allow quantitative measurements, it opens up the perspective of monitoring thermal transfers with an infra-red camera.

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement. / The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall.

Cette thèse est consacrée au mécanisme conduisant à des taux de collisions importants dans les suspensions turbulentes de particules inertielles. Le travail a été effectué en suivant numériquement des particules, par simulations directes des équations de Navier–Stokes, et également par étude de modèles simplifiés. Les applications de ce domaine sont nombreuses aussi bien dans un contexte industriel que naturel (astrophysique, géophysique). L’approximation des collisions fantômes (ACF), souvent utilisée pour déterminer les taux de collision numériquement, consiste à compter dans une simulation, le nombre de fois que la distance entre les centres de deux particules devient plus faible qu’une distance seuil. Plusieurs arguments théoriques suggéreraient que cette approximation conduit à une surestimation du taux de collision. Cette thèse fournit non seulement une estimation quantitative de cette surestimation, mais également une compréhension détaillée des mécanismes des erreurs faites par l’ACF. Nous trouvons qu’une paire de particules peut subir des collisions répétées avec une grande probabilité. Ceci est relié à l’observation que, dans un écoulement turbulent, certaines paires de particules peuvent rester proches pendant très longtemps. Une deuxième classe de résultats obtenus dans cette thèse a permis une compréhension quantitative des très forts taux de collisions souvent observés. Nous montrons que lorsque l’inertie des particules n’est pas très petite, l’effet « fronde/caustiques », à savoir, l’éjection de particules par des tourbillons intenses, est responsable du taux de collision élevé. En comparaison, la concentration préférentielle de particules dans certaines régions de l’espace joue un rôle mineur. / This thesis is devoted to the mechanisms leading to strong collision rates of inertial particles in turbulent suspensions. Our work is based on simulating the motion of particles, using both direct numerical simulations of the Navier–Stokes equations, and a simpler model (kinematic simulations). This subject is important for many applications, in industrial as well as natural (astrophysical, geophysical) contexts. We revisit the ghost collision approximation (GCA), widely used to determine the rate of collisions in numerical simulations, which consists in counting how many times the centers of two particles come within a given distance. Theoretical arguments suggested that this approximation leads to an overestimate of the real collision rate. This work provides not only a quantitative description of this overestimate, but also a detailed understanding of the error made using the GCA. We find that a given particle pair may undergo multiple collisions with a relatively high probability. This is related to the observation that in turbulent flows, particle pairs may stay close for a very long time. We have provided a full quantitative characterization of the time spent together by pairs of particles. A second class of results obtained in this thesis concerns a quantitative understanding of the very strong collision rates often observed. We demonstrate that when the particle inertia is not very small, the “sling/caustics ” effect, i.e., the ejection of particles from energetic vortices in the flow, is responsible for the high collision rates. The preferential concentration of particles in some regions of space plays in comparison a weaker role.