The study of finite-sized, deformable droplets adverted by turbulent flows is an active area of research. It spans many streams of sciences and engineering, which include chemical engineering, fluid mechanics, statistical physics, nonlinear dynamics, and also biology. Advances in experimental techniques and high-performance computing have made it possible to investigate the properties of turbulent fluids laden with droplets. The main focus of this thesis is to study the statistical properties of the dynamics of such finite-size droplets in turbulent flows by using direct numerical simulations (DNSs). The most important feature of the model we use is that the droplets have a back-reaction on the advecting fluid: the turbulent fluid affects the droplets and they, in turn, affect the turbulence of the fluid. Our study uncovers (a) statistical properties that characterize the spatiotemporal evolution of droplets in turbulent flows, which are statistically homogeneous and isotropic, and (b) the modification of the statistical properties of this turbulence by the droplets. This thesis is divided into seven Chapters. Chapter 1 contains an introduction to the background material that is required for this thesis, especially the details about the equations we use; it also contains an outline of the problems we study in subsequent Chapters. Chapter 2 contains our study of “Droplets in Statistically Homogeneous Turbulence: From Many Droplets to a few Droplets”. Chapter 3 is devoted to our study of “Coalescence of Two Droplets”. Chapter 4 deals with “Binary-Fluid Turbulence: Signatures of Multifractal Droplet Dynamics and Dissipation Reduction”. Chapter 5 deals with “A BKM-type theorem and associated computations of solutions of the three-dimensional Cahn-Hilliard-Navier-Stokes equations”. Chapter 6 is devoted to our study of “Turbulence-induced Suppression of Phase Separation in Binary-Fluid Mixtures”. Chapter 7 is devoted to our study of “Antibubbles: Insights from the Cahn-Hilliard-Navier-Stokes Equations”.

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On étudie l'évolution d'une solution initialement homogène constituée de deux espèces soumises à un gradient thermique qui génère un transfert de matière, ce qui peut conduire à la séparation des espèces du fluide binaire. La configuration choisie pour étudier la séparation est une cellule rectangulaire (ou parallélépipédique), horizontale et placée dans le champ de pesanteur. La présence d'une source piézo-électrique, sur l'une des parois verticales de la cavité, permet de générer un écoulement stationnaire à grande échelle. L'écoulement est induit par la propagation d'ondes ultrasonores au sein du fluide visqueux : la dissipation de l'énergie acoustique de l'onde au sein du fluide porte le nom d'Eckart streaming. On cherche à optimiser la séparation en combinant gradient thermique et source acoustique. La première partie consiste en l'étude de l'écoulement isotherme généré par l'onde ultrasonore dans un fluide mono-constituant. Après avoir calculé le champ d'intensité acoustique avec l'intégrale de Rayleigh, le profil est implémenté dans un code aux éléments finis Comsol Multiphysics. Les résultats numériques sont comparés avec des résultats expérimentaux antérieurs. Dans une seconde partie, on considère une cavité contenant un fluide binaire. On détermine analytiquement, à l'aide du logiciel Maple, la séparation (différence de fraction massique entre les deux extrémités de la cellule) en fonction des paramètres de contrôle du problème. Des simulations numériques 2D et 3D ont montré un bon accord entre les résultats analytiques et numériques, pour un paramètre acoustique constant et un chauffage par le bas ou par le haut de la cellule. Le problème considéré dépend alors de huit paramètres adimensionnels. Trois d'entre eux sont propres à la nature du fluide binaire : le nombre de Lewis Le, de Prandtl Pr et le facteur de séparation ψ. Il y a ensuite deux paramètres de contrôle, le nombre de Rayleigh thermique Ra et la force acoustique adimensionnelle A. Enfin, les autres paramètres adimensionnels sont les deux rapports d'aspect de la cavité, ainsi que l'épaisseur relative du faisceau acoustique / The evolution of an initially homogeneous solution consisting of two species subjected to a thermal gradient which generates a mass transfer, which can lead to the separation species from the binary fluid, is studied. The configuration chosen to study the separation is a rectangular (or parallelepipedic) cell, horizontal and placed in the gravitational field. The presence of a piezoelectric source on one of the vertical walls of the cavity makes it possible to generate a stationary flow on a large scale. The flow is induced by the propagation of ultra-sonic waves within the viscous fluid : the dissipation of the acoustic energy of the wave within the fluid is called Eckart streaming. We seek to optimize the separation by combining thermal gradient and acoustic source. The first part consists of the study of the isothermal flow generated by the ultrasonic wave in a monoconstituent fluid. After calculating the acoustic intensity field with the Rayleigh integral, the profile is implemented in a Comsol Multiphysics finite element code. The numerical results are compared with previous experimental results. In a second part, we consider a cavity containing a binary fluid. A configuration heated from the top is privilegied to allow the insertion of an acoustic source. The separation (difference of mass fraction between the two ends of the cell) is determined analytically using the Maple software as a function of the control parameters of the problem. 2D and 3D numerical simulations showed a good agreement between the analytical and numerical results, for a constant acoustic parameter. The problem considered depends on eight dimensionless parameters. Three of them are specific to the nature of the binary fluid : the Lewis number Le, the Prandtl number Pr and the separation factor ψ. There are then two control parameters, the thermal Rayleigh number Ra and the adimensional acoustic force A. Finally, the other dimensionless parameters are the two aspect ratios of the cavity, as well as the relative thickness of the beam.