Dans cette thèse, nous avons développé un code de simulation numérique directe pour l’étude des écoulements particulaires. Le schéma numérique est basé sur une technique de domaines fictifs. Le code est validé sur de nombreux cas test puis nous l’avons utilisé pour étudier la sédimentation de particules bidimensionnelles en milieu confiné. Trois cas ont été analysés : sédimentation d’une particule unique, d’un doublet de particules et d’un grand nombre de particules. Dans le premier cas nous retrouvons le phénomène de survitesse qui apparaît pour une particule excentrée à bas nombre de Reynolds. Nous montrons que cette survitesse est très sensible à l’inertie du fluide : elle diminue lorsqu’on augmente le nombre de Reynolds. Cet effet est retardé par le confinement. Dans le cas d’un doublet de particules, nous retrouvons les comportements complexes observés dans la littérature (hystérésis, cascade sous-harmonique et chaos). Nous montrons qu’une nouvelle série de bifurcations et un nouvel attracteur apparaissent pour des particules plus pesantes. Il s’agit là d’une transition vers le chaos par la voie de la quasi-périodicité. Nous donnons le diagramme de bifurcation étendu. La nouvelle branche correspond à une structure horizontale qui conduit à une sédimentation lente. Dans le cas d’un grand nombre de particules, nous montrons que la vitesse de chute de l’interface fluide-particules suit une loi de type Richardson-Zaki, mais avec un exposant d’environ 4. Comme pour des sphères, la valeur de cet exposant dépend du confinement. Enfin, nous observons un phénomène de blocage, inattendu pour des particules non-cohésives, dû au caractère bidimensionnel de la suspension / In the present thesis, a fully-resolved numerical code has been developed for the analysis of particle-laden flows. A fictitious domain method is used. First, this numerical tool has been validated by using classical benchmarks. It has then been used to simulate the complex sedimentation of particles in three generic two-dimensional configurations: a single particle, a particle pair and a large number of particles in a confined domain. In the first case, the peak-velocity of an off-centred inclusion is recovered at low-Reynolds number. It is shown that this peak-velocity is very sensitive to fluid inertia: the peak-velocity decreases when the Reynolds number increases. This effect is delayed by the confinement. The very complex dynamics of a pair of particles sedimenting in a confined domain, observed in the litterature, is recovered (hysteresis, period-doubling cascade and chaos). It is shown that a new series of bifurcations, leading to a new attractor, emerges when the non-dimensional particle weight is increased. This new transition corresponds to a quasi-periodic route. The extended bifurcation diagram is given. The new branch discovered in this work corresponds to a nearly horizontal particle doublet, with a slow settling velocity. In the case of the settling of large number of particles, a RZ-like law is recovered for the sedimentation velocity of the fluid-particle interface. The exponent is close to 4, in contrast with the case of spheres. Finally, the sedimentation velocity at the end of the settling process is observed to be significantly reduced, like for cohesive sediments. This unexpected behaviour is related to the two-dimensionality of the suspension

Cette thèse traite de la modélisation des réacteurs chimiques par la « modélisation compartimentale », qui consiste à diviser le système en un réseau d’une dizaine à quelques centaines de volumes interconnectés, appelés compartiments. La structure du réseau est déduite à partir d’informations provenant d’expériences de traçage, d’informations techniques sur le réacteur chimique, de simulations de mécanique des fluides numérique et des objectifs de la modélisation. Cette méthode procure un bon compromis entre temps de calcul et finesse des résultats. Quand ils sont correctement menés, les modèles à compartiments donnent des prédictions similaires, en termes de réactions chimiques, à ceux issus des simulations de mécanique des fluides numérique réactive avec un temps de calcul plus court et une représentation physique plus concrète du comportement du réacteur. Chaque étude issue de la littérature est consacrée à un réacteur spécifique avec une approche particulière qui ne peut pas être directement transposée sur un autre réacteur. L’objectif de cette thèse est d’apporter une contribution au développement d’une méthodologie la plus générale possible et de développer un outil de génération automatique et de résolution du système d’équations différentielles qui doit être résolu. Dans le premier chapitre, un état de l’art est réalisé, définissant le champ d’application de notre méthode, dans le but d’identifier les méthodes de découpage les plus pertinentes et les différentes méthodes pour calculer les échanges entre les compartiments. Dans un second chapitre, une méthode générale pour de la modélisation compartimentale est développée. Une approche polyvalente est proposée, consistant à découper le réacteur en tranches identiques. Le calcul des échanges entre compartiments, dus à la convection et la turbulence, est présenté en détail, avec la description des trois méthodes de calcul des échanges turbulents. Une interface a été développée permettant de construire n’importe quel réseau de compartiments. À partir de cette interface, les équations sont écrites et automatiquement résolues. La méthode est appliquée dans un troisième chapitre sur un cas défavorable au découpage en tranches. Cela a permis de tester les limites de cette approche. En particulier, deux points ont été étudiés : (1) l’applicabilité du découpage en tranches identiques et (2) la comparaison entre les méthodes de calcul des échanges turbulents. Le premier test a prouvé la robustesse de l’approche par division mais le second test n’a pas permis d’établir si une méthode de calcul est meilleure qu’une autre. Finalement, la méthode a été valorisée et transférée en implémentant les algorithmes développés dans un logiciel commercial. Ce logiciel permet de simuler la dispersion d’espèces réactives et non réactives (traceurs), dans un modèle contenant plusieurs centaines de compartiments organisés en tranches identiques / This PhD deals with modelling of chemical reactors with the “compartmental modelling” approach, which consists in dividing the system into a network from a dozen to several hundreds of interconnected volumes, called compartments. The structure of the network is deduced from tracer experiments, technical information about the chemical reactor and computational fluid dynamics flow simulations. This method provides a good compromise between computation time and results accuracy. When they are properly set-up, compartmental models give similar predictions, in terms of chemical reactions, as those of CFD simulations with a shorter calculation time and a more concrete representation of the reactor behavior. Every study from the literature is devoted to a specific reactor with a particular approach that cannot be straightforwardly transposed to other reactors. The aim of this PhD is to provide a contribution to the development of the most general possible methodology and to develop an automatic tool of generation and resolution of the differential equations system which must be solved. In the first chapter, a state of the art is proposed, defining the field of application of our method, in order to identify the most relevant division methods and the different methods to calculate the exchange between compartments. In the second chapter, a general methodology for compartmental modelling is developed. A versatile approach is proposed, consisting in dividing the reactor in identical slices. The calculation of exchange between compartments, both due to convection and turbulence, is presented in detail, with the description of three calculation methods for turbulent exchange. An interface has been developed, allowing to build any network of compartments. From this interface, the equations are written and solved automatically. The methodology is applied in the third chapter to an unfavorable case for slice cutting. This has allowed to test the limit of this approach. In particular, two points have been studied: (1) the applicability of division into identical slices and (2) the comparison between the turbulent exchange calculation methods. The first test has proved the robustness of the division approach but the second test has not allowed to establish whether one calculation method is better than another. Finally, the methodology has been promoted and transferred by implementing the developed algorithms within a commercial software. This software allows to simulate the dispersion of reactive and non-reactive (tracers) species, in model containing hundreds of compartments organized in identical slices

Dans ce mémoire, deux problèmes liés aux écoulements multiphasiques compositionnels en milieux poreux ont été traités. La première partie est consacrée au développement d'une nouvelle approche alternative aux calculs flash, qui permet de résoudre les équations d'équilibre thermodynamique analytiquement. Cette méthode est basée sur des équations d'état (EOS) dissymétriques, ainsi, les comportements du gaz, du liquide et du fluide diphasique sont décrits par des EOS individuelles simples. La Capacité d'une EOS à capturer l'état diphasique est appelé : conditions de consistance. Ces conditions ont été formulées dans cette partie pour les systèmes multi-composants. La deuxième partie est consacrée au développement de la méthode de saturations négatives qui a été proposé précédemment par notre groupe pour le cas d'un mélange diphasique binaire. Tout d'abord, nous avons présenté la théorie analytique de la méthode pour les mélanges idéaux puis sa généralisation pour des mélanges réels avec un nombre arbitraire de composants chimiques et de phases. Nous avons obtenu les nouvelles équations multiphasiques uniformes qui contiennent des termes supplémentaires responsables de la diffusion et de la gravité à travers les interfaces de transition de phase / In this thesis, two problems related to compositional multiphase flow in porous media have been treated. The first part is devoted to develop a new approach which gives a form of equilibrium equations which can be solved analytically even for multi-component non ideal systems and even in the presence of capillary effects, which reduce significantly computational time. In this approach, separate behaviors of gas, liquid and two phase fluid may be described using very simple equations of state (EOS). Capacity of EOS?s to capture two phase state is called: consistency conditions. These conditions are formulated in this part for multi-components systems. The second part is devoted to develop the negative saturations method which was proposed earlier by our group for the case of two-phase binary mixtures. First, we have developed the mathematical theory of the method for ideal mixtures in 1D case. Next, we have generalized the method for the case of any number of phases and chemical components. We have obtained the new equivalent uniform multi-phase equations which contain additional non-classical terms responsible of diffusion and gravity across the interfaces of phase transition

L’extraction des cellules cancéreuses d’un fluide corporel est une procédure importante lors d’un diagnostic clinique et d’une thérapie. En particulier, lorsque la technique de séparation est basée sur la chromatographie cellulaire, il est important de disposer de connaissances précises sur les capacités de liaison des cellules cibles avec le milieu poreux. Pour cette raison, des expériences utilisant la tomodensitométrie à résolution temporelle ont été́ conçues et réalisées à l’Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron. Les distributions des courbures et des torsions des trajectoires de cellules situées dans suspension s’écoulant à travers un milieu poreux sont des informations précieuses pour caractériser l’efficacité́ des procédés chromatographiques. Cependant, le calcul de la torsion est un défi car étant basé sur des dérivées d’ordre supérieur qui sont très sensibles au bruit de discrétisation. Cette thèse présente deux nouvelles méthodes d’estimation des courbures et des torsions de trajectoires de particules données respectivement sous la forme de points discrets connectes ou non connectes. La première méthode est basée sur une approche dite d’approximation de Fourier. Des études de cas ont mis en lumière une diminution de l’erreur d’estimation des torsions d’au moins 65% par rapport à la méthode de référence d’approximation par les splines. Par ailleurs, le paramètre de lissage de l’approximation de Fourier peut rester constant pour une large plage de résolutions latérales et pour différentes valeurs de courbures et de torsion. La méthode dite d’approximation de Fourier n’étant pas applicable à des courbes échantillonnées avec un pas variable, une deuxième méthode basée sur la discrétisation des formules géométriques différentielles (DDGF) a été́ développée. L’approximation par les splines et la DDGF conduisent à des erreurs moyennes similaires. Cependant, le masque filtrant reste inchangé́ pour le DDGF, alors que le paramètre de lissage de l’approximation par les splines doit être adapté à la forme ainsi qu’au pas d’échantillonnage de la courbe / The extraction of cancerous cells from body uids is an important procedure in clinical diagnostics and therapy. Notably, when the separation technique is based on cell chromatography, it is important to have precise knowledge about binding capacities of target cells in porous media. Therefore, experiments using time-resolved micro-computed tomography were designed and carried out at the European Synchrotron Radiation Facility. The curvature and torsion distributions of cell paths in a two-phase ow through a porous medium are valuable information to characterize the efficiency of chromatographic processes. However, the computation of torsion is very challenging, since it is based on higher order derivatives which are very sensitive towards discretization noise. In this thesis, two new curvature and torsion estimation methods of particle paths are presented. The first method is based on a Fourier approximation. Case studies showed a decrease of the torsion estimation error of at least 65% compared to the commonly used spline approximation. Moreover, the smoothing parameter of the Fourier approximation can remain unchanged for both a wide range of lateral resolutions and curvatures and torsion values. Since this Fourier approximation approach cannot be applied at non-equidistant points, a second method based on the discretization of the differential-geometric formulas (DDGF) was developed. The spline approximation and the DDGF led to similar mean torsion errors. However, the filter mask remains unchanged for the DDGF, whereas the smoothing parameter of the spline approximation must be adapted to the curve shape and discretization

La thèse a pour but de développer une méthodologie de calcul instationnaire permettant une étude qualitative et quantitative de l’aérodynamique externe d’une automobile. La première partie de l’étude est consacrée au développement de la méthodologie numérique sur les différents corps d’Ahmed à 25°, géométries simplifiées d’une automobile réelle, afin de valider les choix stratégiques de maillages et de méthodes numériques ainsi que s’assurer de la bonne résolution de l’écoulement. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales obtenues au cours d’essais réalisés à la soufflerie La Ferté Vidame lors de travaux de thèse précédents. A l’issue de ce travail, la méthode hybride Delayed Detached Eddy Simulation Shear-Stress Transport (DDES SST) est sélectionnée pour la suite de l’étude au vu des meilleures performances obtenues (torseur aérodynamique, coefficient de pression, topologie d’écoulement) par rapport aux méthodes Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) et Stress-Blended Eddy Simulation (SBES). La seconde phase de l’étude consiste à adapter la méthodologie précédemment développée sur un véhicule réel, la Peugeot 308 SW. Au préalable, une base de données expérimentales conséquente a été réalisée au sein du Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) au cours de ces travaux. La géométrie est tout d’abord simplifiée afin de faciliter la mise en place de la méthodologie numérique : entrées d’air fermées, soubassement lissé, roues remplacées par des carénages. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent globalement la supériorité de la DDES par rapport aux méthodes RANS classiques. La topologie d’écoulement est mieux prédite (soubassement et sillage), même si la prédiction du coefficient de portance reste une difficulté majeure pour ce type de méthode hybride. / The main goal of this PhD is to develop an unsteady numerical method to study the external aerodynamic flow around real vehicles. The first part of the study focuses on the flow around simplified geometries, such as 25° Ahmed bodies (with sharp and rounded edges on the back of the body), in order to determine the optimal turbulence model, mesh setup and numerical parameters. Computational Fluid Dynamics (CFD) results are compared to experimental data reported in literature conducted in the La Ferté Vidame wind tunnel. Based on this study, Shear-Stress Transport Delayed Detached Eddy Simulation (SST DDES) demonstrates superiority over Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) and Stress Blended Eddy Simulation (SBES) turbulence models, regarding both drag and lift coefficients predictions, and flow topology.Secondly, the numerical procedure is adapted for a real vehicle, the Peugeot 308 SW estate car. A substantial experimental campaign was carried out in the Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) wind tunnel to provide data against which the numerical results are compared. Given the geometric complexity of a real vehicle, the car is simplified for this study as follows: the front air inlets are closed, the underbody is smoothed with additional panels and the wheels are replaced by fairings. DDES computations show encouraging results. A significant improvement of the flow topology is obtained with DDES compared to RANS models. However, the prediction of the lift coefficient remains a major difficulty with these hybrid methods.

The scope of this work is the theoretical and computational modeling of the interaction between a Newtonian fluid and a cellular biological medium attached on the surface of a vessel. First and foremost, an extensive and comprehensive review is presented with regard to the available approaches for modeling momentum transfer within cellular biological media, including single-scale-single-phase approaches, Biot's poroelasticity, mixture theory, upscaling methods and multiscale computational equation free methods. Thereafter, at the cellular biological medium level, a theoretical model is developed for the description of momentum transfer within a poroelastic biomaterial, taking into account the interaction between the extracellular fluid and the solid skeleton that consists of cells and extracellular matrix (ECM). A continuum based formulation of momentum transport in a fluid-solid system at the finer spatial scale is used as starting point, and then the method of local spatial averaging with a weight function is implemented in order to establish the partial differential equations that describe the dynamics of fluid flow and matrix deformation at the coarser (macroscopic) spatial scale. In the special case of a homogeneous medium and under certain other conditions, the derived equations become similar to those which are postulated in the theory of interacting continua (mixture theory) and Biot's theory of poroelasticity. At the vessel level, the contribution of this work is twofold. First, a benchmark problem is developed for the validation of numerical methods used to solve problems that involve interactions between a fluid and a poroelastic material. Specifically, an analytical solution is developed for the problem of plane Couette-Poiseuille flow past a poroelastic layer. Second, a computational study is performed for plane Poiseuille flow past and through a semi-elliptical poroelastic biomaterial, which is attached to the surface of a straight vessel. Fluid flow in the clear fluid region is described by the Navier-Stokes equations, and momentum transfer within the biomaterial is described by the upscaled biphasic equations established in this work. The effect of the Reynolds and Darcy number that characterize the flow past and through the biomaterial, respectively, is investigated for obstacles with different configuration with respect to flow (semicircle, oblate semi-ellipse, prolate semi-ellipse). The distribution of the von Mises stress within the biomaterial is determined and, also, the drag and lift forces exerted by the fluid on the biomaterial are calculated. / Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η θεωρητική και υπολογιστική μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός Νευτώνειου ρευστού και ενός κυτταρικού βιολογικού υλικού το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός αγγείου. Αρχικά παρουσιάζεται μια εκτεταμένη και περιεκτική ανασκόπηση των διαθέσιμων προσεγγίσεων για τη μοντελοποίηση της μεταφοράς ορμής σε κυτταρικά βιολογικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των προσεγγίσεων μιας κλίμακας και μιας φάσης, της θεωρίας ποροελαστικότητας του Biot, της θεωρίας αλληλεπιδρώντων συνεχών, των τεχνικών αλλαγής κλίμακας προς τα άνω, και τέλος, των υπολογιστικών τεχνικών πολλαπλών κλιμάκων χωρις τον ορισμό καταστατικών εξισώσεων. Στην συνέχεια, στο επίπεδο του κυτταρικού βιολογικού υλικού, αναπτύσεται ένα θεωρητικό μοντέλο για την περιγραφή της μεταφοράς ορμής εντός ενός ποροελαστικού υλικού, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ του εξωκυτταρικού ρευστού και της στερεής μήτρας που αποτελείται από τα κύτταρα και το δίκτυο εξωκυτταρικών πολυμερών. Ως σημείο εκκίνησης στην μικρότερη κλίμακα παρατήρησης, χρησιμοποιείται μια περιγραφή της μεταφοράς ορμής που βασίζεται σε ένα συνεχές μοντέλο και έπειτα εφαρμόζεται η μέθοδος χωρικής στάθμισης μέσω συνάρτησης βάρους προκειμένου να εξαχθούν οι μερικές διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την δυναμική της ροής του εξωκυτταρικού ρευστού και της παραμόρφωσης της στερεής μήτρας στην μακροσκοπική κλίμακα. Για την ειδική περίπτωση ενός ομογενούς μέσου και υπό την ισχύ ορισμένων πρόσθετων συνθηκών, οι εξαχθείσες εξισώσεις λαμβάνουν μορφή παρόμοια με αυτή των αντίστοιχων εξισώσεων οι οποίες ισχύουν στην θεωρία αλληλεπιδρώντων συνεχών καθώς και στην θεωρία ποροελαστικότητας του Biot. Στο επίπεδο του αγγείου, η συνεισφορά της παρούσας εργασίας λαμβάνει χώρα σε δύο άξονες. Κατά πρώτον, αναπτύσσεται ένα πρότυπο πρόβλημα το οποίο μπορεί να χρησιμεύσει για την επαλήθευση αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την επίλυση προβλημάτων στα οποία ενέχεται η αλληλεπίδραση ενός ρευστού με ένα ποροελαστικό υλικό. Συγκεκριμένα, εξάγεται μια αναλυτική λύση σε κλειστή μορφή για το πρόβλημα της επίπεδης ροής Couette-Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ποροελαστικό στρώμα. Κατά δεύτερον, διεξάγεται μια υπολογιστική μελέτη της επίπεδης ροής Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ημιελλειπτικό ποροελαστικό βιολογικό υλικό, το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός ευθύγραμμου αγγείου. Στην περιοχή καθαρού ρευστού, η ροή περιγράφεται από τις εξισώσεις Navier-Stokes , ενώ η μεταφορά ορμής εντός του βιολογικού υλικού περιγράφεται με τις εξισώσεις που εξήχθησαν σε αυτή την εργασία μέσω της μεθόδου χωρικής στάθμισης. Η επίδραση των αριθμών Reynolds και Darcy, οι οποίοι χαρακτηρίζουν τη ροή γύρω και μέσα από το βιολογικό υλικό αντίστοιχα, διερευνάται για εμπόδια με διάφορες γωμετρικές διαμορφώσεις (ημικύκλιο, και ημιέλλειψη). Προσδιορίζεται η χωρική κατανομή της τάσης von Mises εντός του βιολογικού υλικού και, επιπρόσθετα, υπολογίζονται η οπισθέλκουσα και η ανυψωτική δύναμη που ασκούνται από το ρευστό στο υλικό.

Ce doctorat est consacré à la modélisation de l’abattage humide comme procédé d’assainissement de l’air. Les situations d’abattage humide étudiées concernent des particules d’aérosol de diamètre aérodynamique variant entre 1 nm et 100 µm capturées dans l’air par des gouttes d’eau de diamètre compris entre 80 µm et 600 µm (nombre de Reynolds de goutte dans la gamme [1 ; 100]). La modélisation de l’assainissement de l’air par abattage humide nécessite deux phases complémentaires. La première étape consiste à définir un noyau de capture calculant le débit d’aérosols capturés par une goutte dans une situation qui peut être complexe de par la grande variété de collectes différentes (brownienne, phorétique, électrostatique et inertielle). La deuxième étape repose sur la définition d’une approche de simulation numérique des phénomènes prenant place dans l’abattage humide. À cet effet, l’approche de simulation de l’abattage humide proposée comporte une modélisation RANS pour simuler l’écoulement de l’air, une approche lagrangienne donnant la trajectoire des gouttes d’eau et une méthode eulérienne permettant de suivre l’évolution du champ de concentration en particules d’aérosol. Ainsi, la capture de particules d’aérosol par des gouttes d’eau est modélisée via l’implémentation du noyau de capture précédemment défini dans un terme puits au sein du modèle Diffusion-Inertia de Zaichik et al., (2004) / This PhD-Thesis is dedicated to the numerical modeling of aerosol particles scavenging by drops. Investigated situations are about aerosol particles of aerodynamic diameter ranging from 1 nm to 100 µm captured in the air by water drops of diameter varying between 80 µm and 600 µm, with corresponding droplet Reynolds number ranging between 1 and 100. This air depollution modeling is achieved in two steps. The first step consists in obtaining a scavenging kernel predicting the flow rate of aerosol particles captured by a drop in a situation where several collection mechanisms may take place (Brownian, phoretic, electrostatic and inertial scavenging). The aim of the second step is to propose a numerical simulation modeling the scavenging phenomenon. To do so, the scavenging simulation includes a RANS modeling for the air flow, a Lagrangian approach for the drops and an Eulerian approach for the aerosol particles. Thus, aerosol scavenging by drops is modeled by implementing the collection kernel defined previously into a sink term in the Diffusion-Inertia model of Zaichik et al., (2004)

Dans cette thèse, l’étude des interactions entre des particules ultrafines émises par les pots d’échappement et l’écoulement de sillage créé par le véhicule émetteur a été réalisée principalement selon une approche numérique. Une campagne expérimentale a été conduite à des fins de validation. L’objet de la thèse vise à comprendre l’impact des particules issues des pots d’échappement sur l’environnement proche tant du côté piéton que du côté des passagers des véhicules suiveurs. Pour cela, l’écoulement du fluide a été traité avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien pour les nanoparticules. En effet, cette thèse est conduite en parallèle d’un projet collaboratif financé par l’ADEME (CAPTIHV) dont le but est d’évaluer la qualité de l’air des habitacles des véhicules automobiles, et en particulier de l’infiltration des particules ultrafines issues du trafic environnant. L’étude de la dispersion des particules fines en écoulements turbulents nécessite une analyse fine des structures turbulentes qui s’y développent. Notre étude numérique a donc consisté, en premier lieu, à analyser cette dispersion dans le cas d’un écoulement de sillage classique à l’aval d’un cylindre. Cela nous a permis de caractériser la dynamique d’interactions de nanoparticules solides de carbone avec les structures tourbillonnaires en considérant l’impact de la turbulence et de la diffusion brownienne. Cela a permis d’évaluer l’influence des principaux mécanismes influençant la dispersion. Les résultats de ces simulations nous ont permis de sélectionner les mécanismes/forces importants pouvant influencer la dispersion de telles particules dans le sillage d’un véhicule automobile ; Cela nous a facilité la mise en place et l’analyse des simulations relativement plus complexes de l’aérodynamique du corps d’Ahmed à culot droit en présence des nanoparticules simulant les suies des gaz d’échappement. Les interactions des particules ultrafines avec les structures tourbillonnaires se créant dans le sillage des véhicules ont été évaluées à partir de profils de concentrations et les coefficients de dispersions transversales. La dernière étape a consisté en une campagne d’essais en soufflerie qui nous a permis de caractériser les champs de vitesses moyens et turbulents ainsi que les champs de concentrations particulaires à l’aval du véhicule pour valider les résultats numériques / In this thesis, the study of the interactions between ultrafine particles emitted by the exhaust pipes and the wake flow generated by the emitting vehicle was carried out mainly using a numerical approach. An experimental campaign was conducted for validation purpose. The goal of the thesis is to understand the impact of exhaust particles on the surrounding environment on both the pedestrian and the passengers of the following vehicles. For this purpose, the fluid flow was resolved with an Eulerian type URANS model (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combined to the Lagrangian approach for the nanoparticles trajectories calculation. This thesis is conducted simultaneously with a collaborative project funded by ADEME (CAPTIHV) whose purpose is to assess the air quality of automotive car cabins, and particulate infiltration from the surrounding traffic in particular of ultrafine particles. The study of the dispersion of fine particles in turbulent flows requires a fine analysis of the turbulent structures that develop in such flows. Our numerical study therefore consisted, first, in analyzing this dispersion in the case of a classic wake flow downstream of a cylinder. This enabled us to characterize the interaction of solid carbon nanoparticles with vortical structures evaluating at the same time the impact of turbulence and Brownian diffusion. This allowed determining the influence of the main mechanisms influencing nanoparticles dispersion. In a second step, we replaced the cylinder configuration by a simplified geometry of a motor vehicle, Ahmed body configuration. Therefore, simulations with and without of particles presence have been conducted and have allowed to highlight the swirls structures and to characterize the particles dispersion through particle concentration profiles and the particles dispersion coefficients. The results of these simulations allowed us determining the important mechanisms / forces that can influence the dispersion of such particles in the wake of a ground vehicle; this facilitated the implementation and analysis of relatively more complex simulations of the aerodynamics of the square back Ahmed body in the presence of nanoparticles simulating soot from the exhaust gases. The interactions of ultrafine particles with vortical structures appearing in the wake of vehicles were evaluated from concentration profiles and transverse dispersion coefficients. The final step was a wind tunnel experimental campaign that allowed us to characterize the average and turbulent velocity fields as well as the particle concentration fields downstream of the vehicle to validate the numerical results

L’industrie automobile fournie de plus en plus d’effort pour optimiser l’aérodynamique externe des véhicules afin de réduire son empreinte écologique. Dans ce cadre, l’objectif de ce projet est d’examiner les structures tourbillonnaires responsables de la dégradation de traînée et de proposer une solution de contrôle actif permettant d’améliorer l’efficacité aérodynamique d’un véhicule SUV. Après une étude expérimentale de la maquette POSUV échelle réduite, une analyse modale croisée permet d’identifier les structures périodiques corrélées de l’écoulement qui pilotent la dépression sur le hayon. Une solution de contrôle optimale par jets pulsés sur le parechoc arrière, est obtenue avec un algorithme génétique. Celle-ci permet de réduire la dépression du hayon de 20% et l’analyse croisée des résultats instationnaires avec contrôle montre un changement significatif de la distribution spectrale. Après deux études préliminaires sur la rampe inclinée à 25° et sur le Corps d’Ahmed à 47°, la simulation de POSUV à partir d’un solveur LES, en éléments finis, est validé par rapport aux résultats expérimentaux. L’approfondissement des résultats 3D permet de comprendre les pertes aérodynamiques. La simulation de l’écoulement contrôlé permet également d’identifier les mécanismes du contrôle d’écoulements. / The automotive industry dedicates a lot of effort to improve the aerodynamical performances of road vehicles in order to reduce its carbon footprint. In this context, the target of the present work is to analyze the origin of aerodynamic losses on a reduced scale generic Sport Utility Vehicle and to achieve a drag reduction using an active flow control strategy. After an experimental characterization of the flow past the POSUV, a cross-modal DMD analysis is used to identify the correlated periodical features responsible for the tailgate pressure loss. Thanks to a genetic algorithm procedure, 20% gain on the tailgate pressure is obtained with optimal pulsed blowing jets on the rear bumper. The same cross-modal methodology allows to improve our understanding of the actuation mechanism. After a preliminary study of the 25° inclined ramp and of the Ahmed Body computations, the numerical simulation of the POSUV is corroborated with experiments using the cross-modal method. Deeper investigations on the three-dimensional flow characteristics explain more accurately the wake flow behavior. Finally, the controlled flow simulations propose additional insights on the actuation mechanisms allowing to reduce the aerodynamic losses.