Le travail de cette thèse aborde le sujet de l’influence des particules non-pesantes et de taille macroscopique sur les écoulements en canal dans des conditions proches du seuil de la transition laminaire-turbulent. Les suspensions sont faiblement concentrées (fraction volumique φ = 5%). Le couplage hydrodynamique existant entre la phase dispersée et la phase continue est résolu numériquement par la Force-Coupling Method, et les particules sont suivies d’une façon lagrangienne. Dans un écoulement laminaire de Couette ou de Poiseuille plan, nous montrons que les contraintes induites par la phase solide augmentent avec l’inertie, et l’influence de la concentration est plus faible qu’en régime de Stokes. Les particules avancent avec un retard dans la direction de l’écoulement et migrent à travers les lignes de courant (effet Segré-Silberberg en Poiseuille). Les vitesses de migration et de glissement s’amplifient avec l’inertie et sont du même ordre de grandeur quand Rep = O(1). Quand les particules sont lâchées librement dans un écoulement de Poiseuille plan en-deça du seuil critique de transition à la turbulence, la suspension initiale- ment homogène (φ = 5%) devient stratifiée, après un temps d’écoulement de plusieurs dizaines d’unités de temps (rapport de la hauteur du canal sur la vitesse moyenne de l’écoulement). Après une centaine d’unités de temps, nous observons le développement d’une instabilité à l’interface entre la zone chargée en particules et la zone de fluide pur. Des motifs dunaires prennent place dans la direction de la vorticité. Ces motifs sont soutenus par des écoulements secondaires d’intensités faibles mais non-nulles. Dans un écoulement au-dessus du seuil de transition, nous avons étudié les profils des phases continues et dispersées et réalisé des visualisations 3D afin de comprendre pourquoi les particules macroscopiques diminuent le nombre de Reynolds critique de relaminarisation de l’écoulement. Nous observons que les particules provoquent une augmentation significative des fluctuations de vitesses dans les directions transverses et qu’elles modifient les structures rotationnelles de l’écoulement, qui deviennent plus petites, plus nombreuses et plus énergétiques (plus grandes vitesses de rotation). Le coefficient de frottement pariétal de l’écoulement de suspension en régime de transition est supérieur à celui de l’écoulement monophasique. Quand le nombre de Reynolds est diminué et que l’écoulement devient finalement laminaire, le coefficient de frottement pariétal rejoint la loi laminaire d’un écoulement monophasique, à condition de substituer la viscosité effective de la suspension à la viscosité du fluide dans l’expression du nombre de Reynolds. D’après nos résultats, la turbulence de l’écoulement de suspension est conservée jusqu’à des nombres de Reynolds bien inférieurs à celui de l’écoulement monophasique en canal, en accord avec les observations ex- périmentales de Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) pour une géométrie cylindrique. Par ailleurs, nous montrons que selon le sens de la transition, laminaire → turbulent ou turbulent → laminaire, le nombre de Reynolds critique de transition d’un régime à l’autre n’est pas le même. Nous n’avons pas observé d’influence significative de la concentration en ce qui concerne la valeur du nombre de Reynolds critique de relaminarisation pour les deux concentrations étudiées (φ = 2.5% et 5%). / This PhD addresses the influence of macroscopic and neutrally buoyant particles on the channel flows close to the laminar-turbulent transition regime. The suspension flow is moderately concentrated (solid volumetric concentration _ = 5%). The hydrodynamic coupling between the dispersed and carrier fluid is numerically resolved using the Force-Coupling Method approach. Particle trajectories are obtained by lagrangian tracking. In laminar wall-bounded flows, we show that the stress induced by the solid phase increases with inertia, and that the effect of the concentration is weaker than in the Stokes regime. The particles lag the flow and they migrate across the streamlines (Segré-Silberberg effect in Poiseuille flow). The migration and slip velocities are of the same order of magnitude for Rep = O(1). When the particles are freely suspended in a Poiseuille flow below the transition threshold, the initially homogeneous suspension (_ = 5%) becomes stratified after several ten time units (channel height/average flow velocity). After a hundred time units, the different rheological properties of the suspension segregated parts induce an instability yielding the formation of dune-like patterns, sustained by weak but finite secondary flows. In the fluctuating flow regime, we studied the profiles of the continuous and dispersed phase and realized 3D visualizations in order to understand why finite size particles delay the relaminarization threshold. The particles induce a significant increase of the velocity fluctuations in the transverse directions and they modify the rotational flow structures, which become smaller, more numerous and more energetic (larger rotation velocity). The wall-friction coefficient of the suspension flow in the transition regime is larger than the single-phase flow case. When the Reynolds number is decreased and the flow becomes laminar, the friction coefficient recovers the laminar law of a single phase flow provided that the fluid viscosity is replaced by the effective suspension viscosity in the Reynolds number definition. Our results clearly show that the two-phase channel flow turbulence is conserved down to a threshold well below the single phase flow limit, in agreement with the observations of Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) for a cylindrical geometry. In addition, we show that according to the transition direction, i.e. laminar 7! turbulent or turbulent 7! laminar, the switch from a regime to another does not occur at the same critical Reynolds number. Finally, in the limit of moderately concentrated (_ = 2.5−5%) suspension flow in a channel, the concentration has no significant influence on the critical Reynolds number.

Dans cette thèse nous explorons les possibilités offertes par l'implémentation de méthodes hybrides sur des machines de calcul hétérogènes dans le but de réaliser des simulations numériques de problèmes multiéchelles. La méthode hybride consiste à coupler des méthodes de diverses natures pour résoudre les différents aspects physiques et numériques des problèmes considérés. Elle repose sur une méthode particulaire avec remaillage qui combine les avantages des méthodes Lagrangiennes et Eulériennes. Les particules sont déplacées selon le champ de vitesse puis remaillées à chaque itération sur une grille en utilisant des formules de remaillage d'ordre élevés. Cette méthode semi-Lagrangienne bénéficie des avantages du maillage régulier mais n'est pas contrainte par une condition de CFL.Nous construisons une classe de méthodes d'ordre élevé pour lesquelles les preuves de convergence sont obtenues sous la seule contrainte de stabilité telle que les trajectoires des particules ne se croisent pas.Dans un contexte de calcul à haute performances, le développement du code de calcul a été axé sur la portabilité afin de supporter l'évolution rapide des architectures et leur nature hétérogène. Une étude des performances numériques de l'implémentation GPU de la méthode pour la résolution d'équations de transport est réalisée puis étendue au cas multi-GPU. La méthode hybride est appliquée à la simulation du transport d'un scalaire passif dans un écoulement turbulent 3D. Les deux sous-problèmes que sont l'écoulement turbulent et le transport du scalaire sont résolus simultanément sur des architectures multi-CPU et multi-GPU. / In this work, we investigate the implementation of hybrid methods on heterogeneous computers in order to achieve numerical simulations of multi-scale problems. The hybrid numerical method consists of coupling methods of different natures to solve the physical and numerical characteristics of the problem. It is based on a remeshed particle method that combines the advantages of Lagrangian and Eulerian methods. Particles are pushed by local velocities and remeshed at every time-step on a grid using high order interpolation formulas. This forward semi-lagrangian method takes advantage of the regular mesh on which particles are reinitialized but is not limited by CFL conditions.We derive a class of high order methods for which we are able to prove convergence results under the sole stability constraint that particle trajectories do not intersect.In the context of high performance computing, a strong portability constraint is applied to the code development in order to handle the rapid evolution of architectures and their heterogeneous nature. An analysis of the numerical efficiency of the GPU implementation of the method is performed and extended to multi-GPU platforms. The hybrid method is applied to the simulation of the transport of a passive scalar in a 3D turbulent flow. The two sub-problems of the flow and the scalar calculations are solved simultaneously on multi-CPU and multi-GPU architectures.

Cette thèse porte sur le développement de modèles multi-échelles et de méthodes de calcul pour les applications aérothermodynamiques. Le travail de recherche sur les modèles multi-échelles met l’accent sur l’excitation énergétique et la dissociation. L’objectif était double : mieux comprendre la dynamique des processus d'excitation énergétique et dissociation et développer des modèles réduits en diminuant la résolution d’un modèle détaillé de collisions rovibrationnelles. Les résultats obtenus ont montré que les modèles réduits permettent de reproduire avec précision la dynamique d’écoulement prédites par le modèle détaillé de collisions rovibrationnelles. Le travail de recherche sur les méthodes de calcul a porté sur les écoulements raréfiés. L’objectif était de formuler une méthode numérique de type déterministe pour résoudre l’équation de Boltzmann dans le cas de gaz à plusieurs composants y compris l’énergie interne. La méthode numérique est basée sur la structure de convolution pondérée de la transformée de Fourier de l’équation de Boltzmann. La précision de la méthode numérique proposée a été évaluée en comparant les moments extraits de la fonction de distribution de vitesse avec les prédictions de la méthode de simulation directe Monte Carlo (DSMC). Dans toutes les applications étudiées, un excellent accord a été trouvé. / This thesis aimed at developing multi-scale models and computational methods for aerother-modynamics applications. The research on multi-scale models has focused on internal energy excitation and dissociation of molecular gases in atmospheric entry flows. The scope was two-fold: to gain insight into the dynamics of internal energy excitation and dissociation in the hydrodynamic regime and to develop reduced models for Computational Fluid Dynamics applications. The reduced models have been constructed by coarsening the resolution of a detailed rovibrational collisional model developed based on ab-initio data for the N2 (1Σ+g)-N (4Su) system provided by the Computational Quantum Chemistry Group at NASA Ames Research Center. Different mechanism reduction techniques have been proposed. Their appli-cation led to the formulation of conventional macroscopic multi-temperature models and vi-brational collisional models, and innovative energy bin models. The accuracy of the reduced models has been assessed by means of a systematic comparison with the predictions of the detailed rovibrational collisional model. Applications considered are inviscid flows behind normal shock waves, within converging-diverging nozzles and around axisymmetric bodies, and viscous flows along the stagnation-line of blunt bodies. The detailed rovibrational colli-sional model and the reduced models have been coupled to two flow solvers developed from scratch in FORTRAN 90 programming language (SHOCKING_F90 and SOLV-ER_FVMCC_F90). The results obtained have shown that the innovative energy bin models are able to reproduce the flow dynamics predicted by the detailed rovibrational collisional model with a noticeable benefit in terms of computing time. The energy bin models are also more accurate than the conventional multi-temperature and vibrational collisional models. The research on computational methods has focused on rarefied flows. The scope was to formu-late a deterministic numerical method for solving the Boltzmann equation in the case of multi-component gases with internal energy by accounting for both elastic and inelastic collisions. The numerical method, based on the weighted convolution structure of the Fourier trans-formed Boltzmann equation, is an extension of an existing spectral-Lagrangian method, valid for a mono-component gas without internal energy. During the development of the method, particular attention has been devoted to ensure the conservation of mass, momentum and en-ergy while evaluating the collision operators. Conservation is enforced through the solution of constrained optimization problems, formulated in a consistent manner with the collisional in-variants. The extended spectral-Lagrangian method has been implemented in a parallel com-putational tool (best; Boltzmann Equation Spectral Solver) written in C programming lan-guage. Applications considered are the time-evolution of an isochoric gaseous system initially set in a non-equilibrium state and the steady flow across a normal shock wave. The accuracy of the proposed numerical method has been assessed by comparing the moments extracted from the velocity distribution function with Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method predictions. In all the cases, an excellent agreement has been found. The computational results obtained for both space homogeneous and space inhomogeneous problems have also shown that the enforcement of conservation is mandatory for obtaining accurate numerical solutions.

L'utilisation croissante des sources d'énergie renouvelable avec une grande volatilité de production, comme l'énergie éolienne et solaire, conduit à des fluctuations dans le réseau électrique qui doivent être compensées. Pour cette raison les machines hydrauliques, turbines et pompes, sont plus souvent opérées dans les régimes de fonctionnement hors fonctionnement nominal et la fréquence des phases de démarrage et arrêt augmente. Ce type de fonctionnement peut avoir des conséquences importantes sur le cycle de vie des machines. Il est donc essentiel de prendre en compte l'écoulement dans les phases transitoires lors de la conception de la machine et la simulation numérique des écoulements est un outil adapté pour cela. La présente étude a pour objectif de développer une méthode de couplage flexible qui combine la méthode à maillage volumes finis (VF) et la méthode sans maillage Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE). Cette méthode couplée peut être utilisée comme outil pour l'investigation des phénomènes transitoires dans les machines hydrauliques. SPH-ALE est particulièrement bien adapté aux simulations des écoulements fortement dynamiques avec des géométries mobiles mais elle a des difficultés pour calculer des forts gradients de pression et vitesse. Un raffinement de particules est difficile à implémenter, surtout si les particules doivent être raffinées de manière anisotrope. Les méthodes volumes finis (VF) sont établies pour les simulations numériques d'écoulements grâce à leur stabilité et précision. Par contre, elles peuvent être lourdes pour les simulations avec des géométries mobiles et demandent souvent une interface entre des parties mobiles et statiques du maillage ce qui génère des erreurs supplémentaires. Pour combiner les deux approches complémentaires, une méthode de couplage a été développée qui décompose le domaine de calcul en zones où la vitesse et la pression sont calculées par la méthode VF, en zones où elles sont obtenues par SPH-ALE et en zones de recouvrement où les informations sont transférées de la zone VF à la zone SPH et inversement. Dans les zones de recouvrement les points de calcul VF sont utilisés comme voisins pour l'intégration en espace des particules SPH. Aux limites du maillage VF la vitesse et la pression sont interpolées des particules SPH, similairement aux méthodes Chimére des maillages recouvrants. Un logiciel SPH-ALE existant du groupe ANDRITZ est utilisé pour cette étude. Un solveur VF faiblement compressible est implémenté dans ce logiciel. Le solveur discrétise la même forme des équations de Navier-Stokes que le solveur SPH-ALE. Des solveurs de Riemann avec des états reconstruits par la méthode MUSCL sont employés. En outre, le solveur SPH-ALE est amélioré et adapté aux écoulements internes. Pour cette raison des conditions à l'entrée et à la sortie du type subsonique sont implémentées. Du plus, une méthode de correction du gradient de la fonction kernel est présentée qui améliore la précision du champ de pression, notamment si les particules ne sont pas distribuées régulièrement. La méthode couplée est validée à l'aide des cas test académiques en unidimensionnel et en bidimensionnel, comme le cas de tube à choc, les tourbillons de Taylor-Green et l'écoulement autour d'une aube symétrique du type NACA avec des particules en description eulérienne. En outre, le couplage offre la possibilité d'imposer des conditions à la sortie aux particules lagrangiennes. La méthode est appliquée aux simulations d'écoulement transitoire en 2D avec des particules qui se déplacent en suivant les géométries mobiles. / The increased use of intermittent forms of renewable energy like wind and solar energy produces fluctuations in the electric grid that have to be compensated. For this reason, hydraulic machines like turbines and pumps are more often operated under non-conventional operating conditions and are submitted to frequent starts and stops. This type of operating conditions has important consequences on the life cycle of the machines. It is thus of paramount importance that transient flows at off-design conditions are properly taken into account in the design phase and numerical simulation is an appropriate way to do so. The present study aims at developing a flexible coupling method of the meshbased Finite Volume Method (FVM) and the meshless Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrange Euler (SPH-ALE) method, which can be used as a tool for the investigation of transient phenomena in hydraulic machines. SPH-ALE is very well adapted for the simulation of highly dynamic flows with moving geometries but has difficulties to correctly represent rapidly changing gradients of the field variables. Particle refinement is difficult to implement, especially if particles are refined in an anisotropic way. FV methods are well established in CFD because of their accuracy and stability. However, they can be tedious for simulations with moving geometries and often necessitate an interface between moving and static parts of the mesh which introduces additional errors. To overcome the shortcomings of both methods, a coupling method is developed that uses a decomposition of the computational domain into regions where the physical field variables are computed by the FV method, regions where they are computed by SPH-ALE and overlapping regions where the information is transferred from the FV domain to the SPH domain and vice versa. In the overlapping regions FV calculation points are used as neighbors for the SPH integration in space. At the boundaries of the FV mesh, velocity and pressure are interpolated from the SPH particles by means of scattered data interpolation techniques, similarly to Chimera methods for overlapping grids. For this study, an existing SPH-ALE software of the ANDRITZ Group is used. A weakly compressible FV solver is implemented into this software that discretizes the same form of the Navier-Stokes equations than the SPH-ALE solver. Similar to the present SPH-ALE method, Riemann solvers with reconstructed states, obtained by a MUSCL scheme, are employed. Moreover, adaptations and improvements of the SPH-ALE solver itself are made, which are important for the coupling and for the simulation of internal flows in general. Thus, subsonic inlet and outlet conditions are implemented. Furthermore, a correction method of the kernel gradient is presented that ensures zeroth order consistency of the SPH-ALE approximation of the divergence of the convective fluxes. The correction improves greatly the SPH pressure field on non-uniform particle distributions. The implemented coupled method is successfully validated by means of inviscid academic one-dimensional and two-dimensional testcases like a shock tube case, Taylor-Green vortices and the flow around a symmetric NACA airfoil with particles in Eulerian description. Furthermore, the coupling provides a possibility to implement outlet boundary conditions to Lagrangian moving SPH particles. It is then applied to the simulation of transient flows in rotor stator systems in 2D with moving particles.

L'installation de systèmes de mesure est d'une utilisation cruciale pour la gestion des réseaux d'assainissement ou des canaux d 'irrigation. La plupart des structures gouvernementales ou privées ainsi que les agglomérations s'équipent de systèmes de mesure de débit afin de se conformer avec la législation européenne. La plupart des débitmètres fournissent des données en temps réel i.e. l'information est transmise en permanence. aux centrales d'acquisition pour une gestion de l'architecture du système de canaux. La mesure en canaux ouverts est souvent ultrasonore. L'objectif de cette thèse est de proposer une méthode en temps réel afin de corréler les vitesses locales en une vitesse moyenne dans les conditions observables par les utilisateurs en canaux ouverts. Les thématiques impliquées à cette étude sont multiples: les techniques de mesure, l'hydrodynamique en canaux ouverts représentée par la turbulence (ici plus particulièrement les courants secondaires), les lois de paroi, le nombre de Froude ... l'ensemble de ces thématiques doit être investi en canaux pleinement développés où les conditions sont stables dans l'espace mais aussi pour des conditions perturbées telles que les structures hétérogènes ou transitoires.La technique de mesure est un point clé: quelle est la technique la plus applicable aux conditions de mesure i.e. les canaux étroits? Les canaux étroits varient très rapidement en tem1es de taux de remplissage : la technique la plus adaptée est le profileur ultrasonique.La compréhension des effets hydrodynamiques est essentielle afin de développer un modèle de conversion. Les canaux droits sont influencés par l'hydrodynamique des écoulements, la géométrie mais aussi et principalement par leurs interactions. En canaux droits, les courants secondaires sont primordiaux même s'ils se traduisent par un effet le plus observable : le dip-phénomène, i.e. la présence d'un maximum de vitesse non pas à la surface d'eau mais en dessous pour les canaux étroits. Ces courants secondaires sont fortement sensibles au rapport d'aspect, la géométrie et la variabilité de la rugosité le long de la paroi, passablement sensible à la rugosité et indépendant du nombre de Froude .Les perturbations, à l'aval desquelles sont installés les débitmètres ultrasonores, sont majoritairement représentées par les coudes et les jonctions. Dans les coudes, les tourbillons sont liés aux forces centrifuges (gros tourbillon) et la turbulence (petit tourbillon). Pour les jonctions, les tourbillons diffèrent des deux précédentes configurations avec la présence à l'aval de la jonction de 3 tourbillons (due à un étirement des tourbillons par l'arrivée latérale). Les capteurs ne sont pas installés directement au niveau de la perturbation mais à l'aval. Dans la littérature, les distances requises pour retrouver des conditions proches de l'écoulement pleinement développé devraient excéder environ 50 hauteurs d'eau. En pratique, ces distances sont plus proches de5-10 fois la largeur du canal ou du tirant d'eau. L'application de modèle basée sur l'écoulement pleinement développé corrélé à un capteur n'est pas recommandable... / The installation of flow rate measurement systems is an important factor in regard to the management of sewer and irrigation networks. Most cities and infrastructure succeed in obtaining sufficient flow measurements to satisfy European Regulation rules. Most flow meters comprise real time systems; this means that the information is permanently transferred to a data base for the management and optimization of the particular network. The measurement technology deployed is typically ultrasound based. Within the number of measurement points a high percentage are often deficient and create specific difficulties (>75% of Venturi flumes are inaccurate according to Anglian Water, a UK water and wastewater company). The study presented here focuses on flow meters which calculate discharge using measurement of level, cross sectional area and the correlation of local velocity to generate a mean value. The aim of this thesis is to propose a real time method to enable determination of this “conversion” under realistic configurations which Users find in open channels. The synthesis of measurement points through an understanding of hydraulic conditions (Bonakdari, 2006) provides a method to create flow data allowing local point velocities to be converted into an overall mean value. The approach has limitations and may fail in industrial situations but can be used for very complex configurations. It also requires specialists with knowledge of the technique who are rarely available to Users. What is proposed here is an alternative method to Bonakdari for simpler configurations. The aim is to evaluate the flow rate with acceptable accuracy using these technics and to establish a relationship between local velocities and the mean velocity according to Regulatory requirements (8% are required in UK, 5 to 8% in Germany depending on area). The individual components are here: the measurement techniques; the hydrodynamics represented with the turbulence (secondary currents in open channels); the wall / roughness effects; the Froude number … for fully developed conditions where conditions become stable in space but for disturbed conditions, as well such as heterogeneous structures or transition conditions.

Nous présentons dans cette thèse une adaptation de la technique de vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV) aux micro-écoulements gazeux. Les effets de luminescence de l’acétone gazeuse excitée par un rayonnement UV, mis en jeu dans la MTV, ont été analysés en vue d’une application en vélocimétrie à basse pression. La phosphorescence de l’acétone diminue fortement avec la pression, pour devenir non détectable à des pressions de l’ordre du kPa. En revanche, la fluorescence reste détectable à des pressions de l’ordre de la dizaine de Pa. L’analyse des déplacements de molécules luminescentes au sein de l’écoulement porteur a montré que les effets de la diffusion moléculaire sont importants et augmentent avec la raréfaction du gaz. Une méthode de reconstruction, basée sur l’équation d’advection diffusion, a été développée. Elle permet d’extraire le profil de vitesse à partir de l’analyse du déplacement et de la déformation de la zone marquée, en prenant en compte la diffusion des molécules luminescentes. L’analyse d’un écoulement de Poiseuille dans un canal de section rectangulaire et de dimensions millimétriques, sous des pressions de l’ordre de 100 kPa, a montré la capacité de la MTV à extraire avec précision la vitesse locale en écoulements confinés, lorsque la méthode de reconstruction est appliquée. Une feuille de route pour l’analyse future par MTV des écoulements raréfiés, notamment dans le régime glissant, est finalement proposée. / In the present thesis we present an adaptation of Molecular Tagging Velocimetry (MTV) to gas microflows. The photo-luminescence effects of gaseous acetone excited by UV light, implemented in MTV, have been analyzed in various pressure conditions. The acetone phosphorescence shows a drastic decrease with pressure and becomes non measurable for pressures lower than 1 kPa. On the other hand, fluorescence shows a slower decrease and remains clearly detectible at pressures as low as 10 Pa. The motion of tracer molecules within the carrier flow has been studied. The analysis of the displacement of the tagged molecules has shown the strong influence of molecular diffusion, this influence being increased with the gas rarefaction. A reconstruction method based on the advection-diffusion equation has been developed. It allows to extract the velocity profile from the analysis of the displacement and deformation of the tagged region, taking into account the diffusion of tracer molecules. This reconstruction method has been successfully implemented to analyse a Poiseuille flow in a rectangular millimetric channel, under atmospheric pressure conditions, and the capability of MTV to accurately extract the local velocity in confined gas flows has been demonstrated. Finally, some short term perspectives have been proposed with the aim to help achieving rarefied flows analysis by MTV.

Nous étudions un rideau visqueux en écoulement vertical. Un injecteur situé en haut du domaine forme un écoulement ouvert composé d'un liquide visqueux homogène qui s'écoule dans un bain et est accéléré dans son mouvement vertical par l'effet de la gravité. Des zones présentant des taux de contrainte compressifs peuvent apparaître au sein de l'écoulement. Le rideau visqueux est alors susceptible de flamber, perdant sa géométrie plane. Le flambage d'une structure fine et visqueuse a précédemment été étudié dans le contexte d'un écoulement de base présentant une direction d'invariance, ici l'état précontraint est purement bidimensionnel. La modélisation théorique de l'écoulement ouvert prend en compte les effets advectifs. Nous introduirons des outils théoriques et numériques que nous appliquons à un problème classique de la mécanique des solides. Nous utilisons ensuite ces mêmes méthodes pour le rideau tombant. Nous obtenons un modèle de plaque visqueuse dont la cinématique mélange des vitesses et un déplacement hors plan. Les termes membranaires sont inspirés de la mécanique des structures fines et obtenus par l'analogie Stokes-Rayleigh, qui transpose aux écoulements visqueux les notions d'étirement et de flexion d'une plaque. Les équations d'équilibre de flambage étant d'ordre élevé, nous aurons recours à une implémentation numérique particulière. Les effets de la capillarité peuvent être pris en compte dans le modèle et seront étudiés. Nous concluons par une approche théorique de la stabilité de l'écoulement. Nous adaptons une méthode d'analyse des écoulements ouverts instables en cisaillement à l'équilibre de flambage du rideau visqueux. / We consider a vertical sheet made up of an homogeneous viscous fluid and falling into a bath. This curtain is formed by an inlet injecting viscous fluid at the top of the domain and creating an open flow. The resulting thin structure is falling under the effect of gravity, and develops regions of compressive stress. These may lead to a mechanical instability as the sheet can buckle under compression, losing its planar geometry and deforming in the out-of-plane direction.In previous studies, buckling of a viscous sheet that leads to surface wrinkles was associated with flows having a direction of invariance. We will be considering a genuinely two-dimensional stress state.We first introduce stability methods on a simple solid mechanics problem, obtaining equations in weak form and using a finite elements solver to obtain its buckled configurations.We will then study both the modelling of the falling curtain as a viscous membrane and its numerical resolution. We will derive a model with kinematics mixing velocities and displacements and use a viscous membrane model. Inspired by the solid mechanics of thin structures it uses the Stokes-Rayleigh analogy to transpose the concepts of stretching and bending stress to viscous flows. Equations for the out-of-plane equilibrium are of high order and require a specific numerical scheme. Capillary effects can be taken into account in the model and we assess their influence.We finally present a stability analysis hoping to improve our analytical understanding of the buckling phenomenon. We adapt a framework developed for the study of open shear flows instabilities to the out-of-plane equilibrium equations.

Simuler les réservoirs souterrains permet d’optimiser la production d’hydrocarbures. Les réservoirs naturellement ou hydrauliquement fracturés détiennent une part importante des réserves et exhibent un degré élevé d’hétérogénéité : les fractures, difficiles à détecter, impactent fortement la production via des réseaux préférentiels d’écoulement. Une modélisation précise de ces forts contrastes permettrait d’optimiser l’exploitation des ressources tout en maîtrisant mieux les risques environnementaux. L’enjeu est de prédire les processus d’écoulement multi échelles par un modèle simplement paramétrable. Une stratégie de simulations, qui améliore la fiabilité et les temps de calculs est mise au point dans cette thèse. Elle permet de simuler numériquement ou analytiquement la complexité d’un réservoir fracturé à grande échelle. Ces techniques dont l’intérêt est démontré sur un réservoir de roche mère trouvent des applications en géothermie ou dans la gestion des ressources en eau. / Fluid flow simulation is used to optimize oil and gas production. Naturally or hydraulically fractured reservoirs hold a significant part of reserves, difficult to assess. Fractures may create preferential flow paths heavily impacting fluid flow. Accurate modeling of fractured media accounting for strong contrasts would allow operators to optimize resources exploitation while better controlling environmental risks. Integrating sparse available data, we aim at predicting fluid flow processes occurring in the earth’s subsurface accounting for multi-scale fractures with a simply parameterized model. Improving the computational time and results reliability, we propose a full integrated strategy suitable for fractured reservoir specificities by simulating the fractures complexity on large scales. The techniques developed in this thesis, whose interest is demonstrated in an unconventional field case study, can find other applications in geothermal engineering and water resources management

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des écoulements thermogravitaires et thermocapillaires induits par chauffage laser dans des couches liquides. Le chauffage d’un système à deux liquides donne naissance à deux effets thermiques. Le premier est dû à la variation de la masse volumique avec la température et le second à la variation de la tension interfaciale avec la température. Nous avons dans un premier temps étudié ces deux contributions séparément. En confrontant expériences, théorie et simulations numériques nous avons démontré que la morphologie des écoulements thermogravitaires dépend de l’épaisseur de la couche liquide ainsi que de la largeur du champ de température. Ensuite nous nous sommes intéressés à l’étude théorique et numérique de l’effet thermocapillaire. Cette étude a révélé qu’il est possible d’étudier les écoulements à partir des déformations d’interface induites par ces mêmes écoulements. Nous avons montré qu’il existe deux régimes de déformations en fonction du rapport de hauteurs et du signe de la variation de la tension interfaciale avec la température. Enfin, nous nous sommes intéressés à la compétition entre ces deux mécanismes. L’analyse des déformations d’interface et la comparaison avec un modèle à une dimension a montré qu’en fonction du rapport de hauteurs des couches liquides nous avons une transition d’un régime d’écoulements thermocapillaires vers une régime d’écoulements thermogravitaires. De plus, nous avons montré expérimentalement et numériquement qu’il est possible d’induire une instabilité d’origine thermogravitaire conduisant à la formation d’un pont liquide. / This thesis work is dedicated to thermocapillary and thermogravitary flows induced bylaser-heating in liquid layers. The laser-heating of a two fluids system induces two thermaleffects. The first effect come from the variation of the density with temperature andthe second one is due to the variation of the interfacial tension with the temperature.In a first part, we study separately these two mechanism. With a comparison betweenexperiments, theory and numerical simulations we demonstrated that the morphology ofthe flows depends on the thickness of the layer and the width of the temperature field.Then, we studied numerically and theoretically the thermocapillary effect. That revealedit is possible to understand the flows from the interface deformations. We highligth theseare two deformation regimes depending the thickness ratio and the sign of the interfacialtension gradient. Finally, we studied the competition between the two mechanism and theexperiments revealed a transition between two flow regimes. The comparison of these resultsand a theoritical model showed there is a transition from a thermocapillary regime to athermogravitary regime. In addition, we showed the possibility to induce an instibility bythermogravitary effect which can lead to the formation of a liquid bridge.

Lorsqu'un verre libère trop rapidement le gaz qu'il contient, la disparition des arômes véhiculés par la bulle est soudaine et irrémédiable. Ainsi, la connaissance des mécanismes physiques à l'origine de la libération du CO2 dans un verre de champagne doit permettre de mener à une forme de verre propice à un épanouissement des arômes et à une effervescence durable. La contribution des processus convectifs de brassage du vin sur la désorption du CO2 demeure assez mal connue. Pour approfondir notre compréhension de ces aspects, nous analysons les processus de libération du dioxyde de carbone au cours d'une dégustation. La démarche adoptée dans cette thèse consiste à étudier les mécanismes de transferts de masse (nucléation, diffusion, évaporation) entre les phases liquide et gazeuse. Par le biais de méthodes expérimentales (tomographie laser, PIV, thermographie IR) et numérique (code CFD), nous réalisons le suivi de l'évolution instationnaire de l'écoulement diphasique dans un verre de champagne. Nous mettons en évidence un écoulement complexe, composé de multiples instabilités hydrodynamiques. Les résultats montrent également que la libération du CO2 dépend intimement de la forme du verre et de la température de service du vin. En mettant en évidence le rôle de la forme du verre sur la libération du CO2, ces travaux ont permis d'améliorer la connaissance des paramètres qui affectent ou favorisent l'effervescence au cours d'une dégustation. Ces conclusions devront être confirmées par un panel de dégustation pour montrer que la libération des arômes est étroitement liée à la forme du verre qui reçoit le vin. / When a glass releases too quickly his dissolved gas, the loss of the aromas carried by the bubbles is sudden and irreversible. So, the knowledge of the physical mechanisms at the origin of CO2 release in a glass of champagne should lead to a glass shape conducive to aromas development and at a sustainable effervescence.The contribution of mechanisms of admixture of the wine on the CO2 desorption in a glass of champagne remains still unknown. To deepen our understanding of these aspects, we analyze the carbon dioxide release processes in tasting conditions. The approach adopted in this thesis consists in studying the mass transfer mechanisms (nucleation, diffusion, evaporation) between the liquid and gaseous phase. By experimental (laser tomography, PIV, IR thermography) and numerical ways (CFD), we follow the unsteady evolution of the two phase flow in a champagne glass. We highlight a complex flow, composed of multiple hydrodynamic instabilities. The results show also that the CO2 release strongly depends on the glass shape and on the wine temperature.By highlighting the glass shape on the carbon dioxide release, these works allowed to improve the parameters knowledge which affect or favor the effervescence process in tasting conditions. These conclusions must be confirmed by a tasting panel to show that the aromas release is closely related to the glass shape.