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

Ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches regroupe certains travaux réalisés dans le cadre de deux applications à l'IFP : TACITE (écoulements polyphasiques dans les conduites pétrolières) et IFP-C3D (écoulements réactifs dans les moteurs à combustion). Bien que ces deux applications présentent des caractéristiques très différentes, les techniques mathématiques mises en oeuvres sont semblables, voire complémentaires.<br /><br />Dans la première partie, on montre dans quelle mesure les méthodes dites de "relaxation" permettent de rendre plus robustes les simulations numériques de TACITE. La relaxation garantit en effet la positivité de certaines de certaines variables physiquement importantes, alors que le système de départ n'est pas toujours hyperbolique en raison de la complexité des lois de fermeture utilisées. On montre aussi dans quelle mesure les méthodes dites de "multi-résolution" et de "pas de temps locaux" permettent de rendre plus rapides ces simulations, le tout dans un contexte d'intégration temporelle mixte, c'est-à-dire implicite par rapport aux ondes acoustiques rapides et explicite par rapport aux ondes cinématiques lentes.<br /><br />Dans la deuxième partie, on examine certains modèles alternatifs à celui de la première partie. L'intérêt de ces modèles de rechange est d'être plus opérationnels sur certaines configurations spécifiques, au sens où ils facilitent l'analyse mathématique, en tant que système dynamique, d'un phénomène crucial appelé "severe-slugging". Ils suggèrent également des lois de commande judicieuses pour éliminer le severe-slugging via une boucle rétroactive dont l'effacité est prouvée sur le papier et sur maquette expérimentale.<br /><br />Dans la troisième partie, on propose un schéma d'advection multi-dimenstionnelle pour la phase convective de IFP-C3D. La particularité de ce schéma, conçu à partir des schémas de type Iserles-Roe en 1-D, est une très grande précision associée à un principe de monotonie. Compact en espace et à plusieurs niveaux en temps, il permet de bien traiter le transport des variables situées aux noeuds du maillage, en combinaison avec une procédure de réparation de la masse inspirée de Shashkov.

Alors que la simulation aux grandes échelles (L.E.S.) des écoulements monophasiques est largement répandue même dans le monde industriel, ce n'est pas le cas pour la L.E.S. d'écoulements diphasiques avec interface (c'est-à-dire d'écoulements où les deux phases liquide et gazeuse sont séparées par une interface). La difficulté majeure réside dans le développement de modèles de sous-maille adaptés au caractère diphasique de l'écoulement. Le but de ce travail est de générer une base D.N.S. dans le cadre d'écoulements diphasiques turbulents avec interface pour comprendre les interactions entre les petites échelles turbulentes et l'interface. Les différents termes sous-maille proviendront d'une analyse a priori de cette base D.N.S. Pour mener à bien ce travail, différentes techniques numériques sont testées et comparées dans le cadre de configurations turbulentes où de grandes déformations interfaciales apparaissent. Puis, l'interaction interface/turbulence est étudiée dans le cadre où les deux phases, séparées par une interface largement déformée, sont résolues par une approche D.N.S. La configuration retenue est l'interaction entre une nappe initialement plane et une T.H.I. libre. Les rapports de densités et de viscosités sont fixés à 1 pour se concentrer sur l'effet du coefficient de tension de surface. Une étude paramétrique sur le nombre de Weber est menée. Finalement, un filtrage a priori de la base D.N.S. est réalisé et les termes sous-maille qui en découlent sont comparés les uns aux autres.

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.

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.

Les écoulements diphasiques en milieu poreux sont des phénomènes complexes et qui concernent de nombreux problèmes industriels. EDF travaille sur la faisabilité et la sécurité d'un stockage en couche géologique profonde de déchets nucléaires. Dans ce domaine la simulation des écoulements diphasiques en milieu poreux est particulièrement importante dans au moins trois domaines : tout d'abord lors de la phase de ventilation des galeries du stockage qui pourrait désaturer la roche présente et ainsi en modifier ses propriétés de rétention, mais également lors de la phase de resaturation des matériaux et enfin lors de l'arrivée de l'eau sur les parties métalliques contenues dans le stockage qui entraînera alors des phénomènes de corrosion et un dégagement d'hydrogène. Dans ce contexte, EDF souhaite se doter de méthodes numériques performantes et robustes ne nécessitant pas de conditions restrictives sur la forme des mailles. Ce travail s'inscrivant dans cette problématique, est consacré dans un premier temps au développement du schéma volumes finis SUSHI (Scheme Using Stabilization and Hybrid Interfaces) dans le code de mécanique d'EDF, Code_Aster afin de modéliser les écoulements diphasique en milieu poreux. Ce schéma a été développé en 2D et en 3D. Parallèlement une nouvelle formulation qui permet de traiter de manière uniforme les écoulements en milieu saturé et insaturé pour des problèmes miscibles et immiscibles est proposée. Différentes études modélisant des difficultés liées aux problématiques du stockage de déchets radioactifs en couches géologiques profondes ont été traitées. On peut citer l'étude d'un bi-matériau qui met en avant le ré-équilibrage capillaire d'un matériau par un autre possédant des propriétés et des conditions initiales en saturation très hétérogènes. On citera également l'étude de l'injection d'hydrogène dans un milieu initialement saturé en eau pure qui est tirée du benchmark « Ecoulement diphasique » proposé par le GNR MOMAS. Cette étude avait pour objectif de mettre en évidence le bon traitement de l'apparition d'une phase dans un milieu saturé et donc la pertinence de notre nouvelle formulation à traiter d'une manière unifié un problème d'écoulement saturé et un problème d'écoulement insaturé / The two-phase flow in porous media is a complex phenomenon and which relate to many industrial problems. EDF works on the feasibility and the safety of a storage in deep geologic layer of nuclear waste. In this domain the simulation of the two-phase flow in porous media is particularly important in at least three domains : first of all during the phase of ventilation of the galleries of the storage which could desaturate the rock and so modify its properties, but also during the phase of resaturation of the materials and finally during the arrival of the water on the metal parts contained in the storage which will then involve phenomena of corrosion and a hydrogen release. In this context, EDF wishes to obtain robust numerical methods without restrictive condition on the mesh. This work is dedicated at first to the development of the finite volume scheme SUSHI (Scheme Using Stabilization and Hybrid Interfaces) in the code of mechanics of EDF, Code_Aster in order to simulate the two-phase flow in porous media. This scheme was developed in 2D and in 3D. At the same time a new formulation which allows to simulate in a uniform way the flows in saturated and unsaturated porous media for miscible and immiscible problems is proposed. Various studies simulating difficulties related to the problems of the storage of nuclear waste in deep geological layers were study. We can quote the study of a bi-material which advances the capillary rebalancing of a material by an other one possessing properties and initial very heterogeneous conditions in saturation. We will also quote the study of the injection of hydrogen in an porous media initially saturated in pure water which is proposed by the benchmark "two-phase Flow " proposed by the GNR MOMAS. This study had for objective to bring to light the good treatment of the appearance of a phase in a saturated porous media and thus the relevance of our new formulation to study with a way unified a problem of saturated flow and a problem of unsaturated flow

Pour augmenter le taux de récupération du pétrole, une des solutions chimiques utilisées consiste à injecter des mousses dans les milieux poreux. En effet, les mousses permettent sous certaines conditions de diminuer la mobilité et ainsi d’améliorer le balayage du réservoir. Cependant, les mécanismes contrôlant la mobilité des mousses ne sont pas bien compris. Nous proposons une approche microfluidique permettant une observation directe de l’écoulement des bulles dans un micromodèle de milieux poreux. Nous observons que l’écoulement n’est pas homogène dans le milieu poreux: il se fait uniquement dans quelques chemins. Le nombre de chemins préférentiels dépend de la qualité de la mousse et du nombre capillaire. Si nous simplifions le milieu poreux à une boucle, nous montrons que la formation des chemins préférentiels dépend de la taille de la boucle. En effet, les bulles sont bloquées dans la boucle uniquement quand la taille de la boucle est de l’ordre de grandeur de la taille des bulles. / Crude oil is already usually trapped into heterogeneous porous media. In order to increase the recovery efficiency, one of the chemical solutions consists in injecting foams in porous media to expel oil from the rock. Foam is indeed able in some cases to greatly decrease the mobility, leading to a better sweeping of the reservoir. However, the mechanisms controlling the foam mobility are not well known. We propose a microfluidic approach allowing a direct observation of the flow of bubbles in a model of porous media. We observe that the flow is not homogeneous in the porous medium: it is concentrated in some paths. The number of these preferential paths depends of the foam quality and the capillary number. If we simplify the geometry of the porous medium to a loop, we prove that the formation of preferential paths depends of the size of the loop. Indeed we can only immobilize the bubbles if the size of the loop is around the size of the bubbles.

Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s'avèrent de nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la consommation des énergies fossiles. Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbulents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulérienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance. Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques, permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d'effets polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées, afin d'en cerner les limites pour la simulation eulérienne d'une phase liquide. Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d'autres approches (FEM et approche lagrangienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l'expérience est montré pour toutes les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations. D'autres résultats expérimentaux s'avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene, autant en phase liquide qu'en phase gazeuse.

Cette thèse étudie la modélisation et la simulation numérique d'écoulements diphasiques à interfaces avec changement de phase. Cette transition est localisée en des interfaces qui sont produites dynamiquement. On prend également en compte la diffusion de la chaleur, la tension de surface et les forces de gravité. L'application envisagée est la simulation d'écoulements dans un réacteur à eau pressurisée dans l'industrie nucléaire civile. On s'intéresse ici plus précisément à un éventuel fonctionnement accidentel et en particulier au phénomène de la crise d'ébullition. On modélise les écoulements diphasiques avec changement de phase par un modèle basé sur le système des équations d'Euler fermé par une seule équation d'état obtenue en postulant un équilibre instantané et local des pressions, températures et potentiels chimiques de chaque phase. On en étudie ensuite l'hyperbolicité et le problème de Riemann qui lui est associé. Du point de vue numérique, puisqu'il n'y a pas d'expression analytique pour la loi à l'équilibre dans le cas général, on propose une méthode simple pour approcher cette loi d'état lorsque les propriétés des deux phases sont décrites par des lois très générales, éventuellement sous forme tabulée. Enfin, pour simuler des écoulements diphasiques avec changement de phase, on présente un schéma numérique de type relaxation/projection pour lequel la phase de projection utilise cette approximation de l'équilibre thermodynamique.

Les méthodes hybrides Moments/PDF sont bien adaptées pour la description des écoulements diphasiques turbulents, polydispersés, hors équilibre thermodynamique. Ces méthodes permettent d'avoir une description assez fine de la polydispersion, de la convection et des termes sources non-linéaires. Cependant, les approximations issues de telles simulations sont bruitées ce qui, dans certaines situations, occasionne un biais. L'approche alternative étudiée dans ce travail consiste à coupler une description Eulerienne des moments avec une description stochastique Lagrangienne à l'intérieur de la phase dispersée, permettant de réduire l'erreur statistique et d'éliminer le biais. La mise en oeuvre de cette méthode nécessite le développement de schémas numériques robustes. Les approches proposées sont basées sur l'utilisation simultanée des techniques de relaxation et de décentrement, et permettent d'obtenir des approximations stables des solutions instationnaires du système d'équations aux dérivées partielles, avec des données peu régulières provenant du couplage avec le modèle stochastique. Une comparaison des résultats de la méthode hybride Moments-Moments/PDF avec ceux issus de la méthode hybride ''classique'' est présentée en termes d'analyse des erreurs numériques sur un cas de jet co-courant gaz-particules.