Supercavitating torpedoes pose new threats to submarines, surface ships, and shore targets whose current countermeasures are inadequate against this technology. These torpedoes have the advantage over their predecessors and companion weapons of dramatically increased speed, which reduces the reaction time available for deploying a countermeasure heightening the threat to their intended target. Proliferation of supercavitating torpedoes has motivated research on countermeasures against them as well as on the fluid phenomenon which makes them possible. The goal of this research was to investigate an envisaged countermeasure; an acoustic field capable of slowing or diverting the weapon by disrupting the cavitation envelope. The research focused on the interactions between high-level sound signals and a supercavity produced by a small free-flying projectile. In order to conduct this study it was necessary to achieve three preliminary accomplishments involving the design of: 1) experimental apparatus that allowed for the study of a small-scale supercavitating projectile in the laboratory environment; 2) apparatus and software for measuring and recording information about projectile dynamics and supercavity geometry; and 3) an acoustic array and power source capable of focusing the desired sound signal in the path of the supercavitating object. Positive results have been found which show that the accuracy of a supercavitating projectile can indeed be adversely affected by the sound signal. This research concludes with results that indicate that it is acoustic cavitation in the medium surrounding the supercavity that is responsible for the reduced accuracy. A hypothesis has been presented addressing the means by which the acoustic cavitation could cause this effect. Additionally, corrugations on the cavity/water interface imposed by the pressure signal have been observed and characterized.

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'écoulement peut entraîner un endommagement important sur la surface des matériaux. La quantification de l'intensité de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile à la fois pour mieux concevoir les nouveaux équipements en projet, mais aussi pour améliorer la conduite et optimiser la maintenance des matériels existants. Au vu du grand nombre de paramètres régissant les écoulements cavitants, l'élaboration de lois de similitudes universelles à partir d'expériences est délicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numérique est un outil pour étudier ce phénomène sur des géométries variées. La principale difficulté de cette démarche réside dans la différence d'échelles existant entre les simulations numériques U-RANS servant à simuler l'écoulement cavitant et les mécanismes d'implosion de bulles jugés responsables de l'endommagement sur le solide. La méthode proposée dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caractériser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements à de plus petites échelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste à expliciter les équations locales de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour un écoulement liquide/gaz comprenant deux espèces eau/air. Ce travail mène à l'élaboration de grandeurs de mélange prenant notamment en compte la présence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypothèses permettent de rendre ce système équivalent à ceux, utilisant une approche homogène, implémentés dans les codes de simulations d'écoulements cavitants instationnaires développés précédemment au laboratoire. La caractérisation des populations de bulles effectuée par le post-traitement prend ainsi en considération à la fois la tension superficielle et la présence de gaz incondensables. Dans un deuxième temps, l'élaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est débutée. Ce dernier a pour ambition de tenir compte à la fois des interactions entre les bulles et des déformations non sphériques que celles-ci peuvent subir à l'aide d'une méthode potentielle. Des premiers résultats de simulations sont présentés dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles déformations des bulles. La dernière étape de ce travail consiste à proposer une méthode de chaînage entre ces deux échelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles à l'aide des résultats du calcul U-RANS. L'énergie émise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculée, caractérisant de ce fait le chargement imposé par l'écoulement sur le matériau. Cette méthode est par la suite appliquée sur différentes géométries en comparant à chaque fois les résultats obtenus à des expériences. Nous comparons également nos résultats à des méthodes précédemment établies au sein du laboratoire afin d'évaluer la pertinence de cette approche. / During the life's cycle of a hydraulic installation, the occurrence of cavitation can cause significant damages on the material's surface. The quantification of the cavitation intensity in different geometry can be useful to get better designs for new installations, but also to improve the operating and to optimize maintenance of existing equipments. The development of universal laws of similarity from experiments is difficult due to the large number of parameters governing cavitating flows. With the increase of computational performance, numerical simulations offer the opportunity to study this phenomenon in various geometries. The main difficulty of this approach is the scale's difference existing between the numerical simulations U-RANS used to calculate the cavitating flow and mechanisms of bubble's collapse held responsible for damages on the solid. The proposed method in this thesis is based on a textbf{post-treatment} of the textbf{U-RANS} simulations to characterize a distribution of bubbles and to simulate their behavior at lower spatial and temporal scales. Our first objective is to make explicit a system of equations corresponding to phenomena occurring locally in the two-phase flow. This work leads to the development of mixture variables taking into account the presence of non-condensable gases in the fluid. Assumptions are taken to make the system, after using the Reynolds averaging procedure, equivalent to those, using a homogeneous approach, implemented in the unsteady cavitating flows solvers previously developed in the laboratory. The characterization of bubbles made by this post-treatment takes into account both the surface tension and the presence of non-condensable gases. The development of a solver for the simulation of the dynamic of a bubble cloud is started. It aims to take into account both the interactions between bubbles and non-spherical deformations with a potential method. First results of these simulations are presented and small non-spherical deformations occurring during the collapse can be observed. Finally, we propose a chained method between these two systems initializing the bubble dynamic solver with results of U-RANS simulations. The energy emitted during the implosion of bubbles impacting the solid surface is calculated. So the aggressiveness of the flow on the material can be characterized. We apply this method on different flows to compare numerical and experimental results.

Lorsqu’un liquide est soumis à de fortes dépressions, des bulles de gaz etde vapeur peuvent apparaître en son sein. Ce phénomène est appelé cavitation Ces bulles sont susceptibles d’imploser dans les zones de surpression etd’endommager les parois solides environnantes à travers la création d’écoulements violents. Dans les applications industrielles, ce phénomène d’érosionpar cavitation peut réduire la durée de vie des machines hydrauliques. Dans ledomaine biomédical, le phénomène d’érosion par onde de choc est utilisé pourl’ablation de tissus mous ou la destruction de calculs rénaux.Dans ce travail, à caractère numérique, nous nous intéressons à une bulled’air isolée implosant au voisinage d’une paroi déformable sous l’effet d’unesurpression générée par une onde de choc incidente. Le travail de thèse aconsisté à mettre en place un couplage fluide structure pour simuler le phénomène d’implosion de la bulle dans la partie fluide et la déformation plastiqueengendrée dans la partie solide. Pour cela, une stratégie en deux étapes a étémise en oeuvre. La première étape a consisté à construire un code fluide avecmaillage mobile pour gérer le déplacement de l’interface fluide/solide. Le codedéveloppé est dérivé du modèle numérique développé par Eric Johnsen et al.à University of Michigan dans lequel nous avons implémenté une méthodeALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) permettant de passer d’une descriptioneulérienne sur maillage fixe à une description eulérienne sur maillage mobile.La seconde étape a consisté à modéliser la déformation élasto-plastique de lapartie solide au cours de l’implosion de la bulle grâce à un couplage fort ducode fluide avec le logiciel CAST3M. La communication entre les deux codesutilise la bibliothèque MPI.A l’issue du couplage, nous avons été en mesure de simuler l’implosiond’une bulle d’air à proximité d’une paroi déformable. Nous avons pu calculerle niveau de déformation de la paroi solide ainsi que l’amortissement de la sur-pression en paroi pour plusieurs matériaux. L’outil numérique ainsi développépermettra à terme d’étudier le comportement de revêtements amortissants capables de protéger des structures industrielles de l’érosion de cavitation oud’optimiser les effets bénéfiques des traitements par onde de choc dans lesapplications biomédicales. / His numerical work focuses on the collapse of a single air bubble close to adeformable wall generated by the impact of an incident high-pressure wave. A CFD code was fully coupled to a FEM solid code in order to compute the bubble collapse and the subsequent plastic deformation in the material. The CFD code was developed from the numerical model of Johnsen et al. (University of Michigan). A mobile mesh capability was added in order to account for the displacement of the fluid-structure interface. An ALE (Arbitrary LagrangianEulerian) method was implemented to switch from an Eulerian description in a fixed mesh to an Eulerian description in a moving mesh. The solid response to bubble collapse was computed with the FEM software CAST3M (developed by CEA) assuming an elastic-plastic constitutive law for the material. The communication between the two codes is achieved through the MPI library.For the CFD code, bubble collapse dynamics was validated by comparison with two others codes: research software CaviFlow and commercial software Ansys Fluent. The coupling between the CFD and the FEM code was validated on the case of the impact of a wave on an elastic medium.The paper will present a detailed analysis in 2D of both the dynamics of bubble collapse and solid behaviour for various conditions. They were obtained by changing the amplitude of the incident shock wave, the standoff distance and the material properties. Special attention will be given to the shock wave that forms when the microjet hits the bubble interface and to the impact of this shock wave on the material surface. In particular, the damping of the impactpressure with respect to a perfectly rigid wall was computed as well as the plastic deformation of the material surface. These final data gave us crucial information about the requirement of taking account of fluid-structure interaction in numerical modeling of cavitation erosion.

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

La cavitation est un enjeu majeur dans de nombreux systèmes hydrauliques à cause des chutes de performances, des vibrations et de l'endommagement qu'elle peut générer.Cette thèse est dédiée au phénomène d'érosion par cavitation et vise à proposer des outils pour quantifier le potentiel érosif d'un écoulement cavitant.La géométrie retenue est celle d'un hydrofoil symétrique basé sur un NACA0015 avec une partie plane entre 27% et 70% de la corde pour faciliter la mise en place de capteurs.L’étude se focalise sur une cavitation par poche oscillante se développant au bord d’attaque de l’hydrofoil.Les essais sont réalisés dans le tunnel hydrodynamique du LEGI, rénové en partie pour répondre aux nouveaux besoins de cette thèse.En parallèle, des calculs numériques sont menés avec le code de calcul 2D instationnaire cavitant IZ développé au LEGI.L'écoulement cavitant est analysé sur la base de vidéos rapides et de simulations numériques.Cette analyse permet de déterminer la dynamique de la poche, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers, ainsi que l'influence des paramètres hydrodynamiques (vitesse de l'écoulement, incidence du profil, nombre de cavitation) sur le comportement de la poche.De forts effets tridimensionnels observés expérimentalement rendent difficile la prévision de la dynamique de la poche avec le code bidimensionnel.Cependant, la longueur maximale de la poche et la fréquence de lâchers sont bien prévues numériquement.Une matrice de huit capteurs PVDF, de surfaces actives 2x2 mm$^2$, est fabriquée et collée sur l’hydrofoil entre 30% et 67% de la corde. Cette instrumentation permet de mesurer les pics de pression dus à l'implosion des structures de vapeur à une fréquence d'acquisition de 10~MHz sur huit voies en simultané.L’agressivité de l’écoulement cavitant est déterminée expérimentalement à partir de la distribution de la fréquence des pics de pression en fonction de leur amplitude.Numériquement, un paramètre d’agressivité est défini à partir d’un modèle développé précédemment au LEGI.Il permet d’estimer une agressivité instantanée et moyenne à la surface de l’hydrofoil.Des études locales sur l’agressivité instantanée et moyenne numériques permettent d’identifier l’origine des zones les plus agressives. Une comparaison qualitative entre expérience et numérique montre que le calcul numérique surestime l’agressivité au voisinage du bord d’attaque.Globalement, les résultats expérimentaux et numériques sont en bon accord pour une faible incidence et montrent que la zone de plus forte agressivité est localisée au niveau de la fermeture de poche et que la vitesse de l'écoulement a une forte influence sur le niveau d'agressivité. / Cavitation is a major issue in hydraulic machinery, due to its negative consequences: performance drop, vibrations increase and damage.This PhD is dedicated to cavitation erosion and aims to propose tools in order to quantify the erosive potential of a cavitating flow.Experiments were carried out on a symmetrical hydrofoil based on a NACA0015 with a flat area between 27% and 70% of the chord length for an easy instrumentation with pressure sensors.The study is focused on partial cavitation that detaches from the leading edge of the hydrofoil and periodically sheds vapor clouds.All experiments are conducted in the LEGI cavitation tunnel, partly renovated for the new purposes of this PhD.Meanwhile, numerical calculations are performed with the in-house 2D cavitating unsteady code IZ developed at LEGI.Flow analyses are based on high-speed videos and numerical simulations.These analyses give the cavity dynamics, the maximum cavity length and the shedding frequency.The influence of the hydrodynamic parameters (flow velocity, hydrofoil angle of attack, cavitation number) on the cavity behavior is studied.Strong 3D effects observed experimentally make it difficult to predict the cavity dynamics with the two-dimensional code. Nevertheless the maximum cavity length and the shedding frequency are well predicted numerically.A matrix of eight sensors, with an active area of 2x2~mm$^2$, was made and flush mounted on the hydrofoil between 30% and 67% of the chord length.These sensors allow measuring pressure peaks due to the collapse of vapor structures on the hydrofoil surface. Acquisitions are made simultaneously on the eight sensors at a sampling rate of 10 MHz.The flow aggressiveness is estimated experimentally from the peak frequency distribution as a function of the peak amplitude.Numerically an aggressiveness parameter is defined from a model developed previously at LEGI. This parameter allows estimating an instantaneous and mean aggressiveness at the surface of the hydrofoil.The origins of the most aggressive areas are identified from local studies.Comparison between experimental and numerical results shows that the numerical approach overestimates the aggressiveness close to the hydrofoil leading edge.Globally, the experimental and numerical results are in pretty good agreement for low incidence.The most aggressive area is localized at the cavity closure and the flow velocity has a huge influence on the aggressiveness level.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des énergies renouvelables au sein du programme HARVEST centré sur le développement d'un concept d'hydrolienne dérivé des turbines Darrieus et Gorlov. L'ajout d'un dispositif appelé carénage à la turbine permet à celle-ci d'extraire une portion de l'énergie cinétique du courant plus grande. Toutefois ce dernier peut favoriser la cavitation qui nuit à la turbine. Parmi les différents axes du programme, les travaux de thèse se situent dans cette problématique. En régime subcavitant et cavitant, l'analyse de l'hydrolienne a été menée suivant une approche numérique et expérimentale. Pour ce faire deux outils ont été mis en place. Du coté expérimental, le tunnel hydrodynamique du LEGI a été équipé d'une balance qui donne la mesure instantanée des forces et du couple qui s'exercent sur la turbine. Du coté numérique, les efforts ont été orientés sur l'amélioration et le développement du code de calcul universitaire, CAVKA. L'utilisation intensive de ces deux moyens, couplée à des modèles théoriques, a permis de mettre en évidence d'une part le fonctionnement de la turbine libre ou carénée et, d'autre part, les limites de fonctionnement vis-à-vis de la cavitation. / The general context of the present thesis is renewable energies within the HARVEST project, which consists in a water current turbine (WCT) development, inspired from the Darrieus and Gorlov geometries. The main advantage of the HARVEST WCT is the introduction of a channelling device, which allows extracting a bigger amount of the kinetic energy contained in the flowstream. However, the shrouding device can eventually increase cavitating risks, which generally damage the WCT itself and its performance. The main topic of this work is cavitation. The hydrodynamic behavior of the WCT is analyzed both numerically and experimentally, in non cavitating and cavitating conditions. For this analysis, two devices have been developed. On the one hand, the LEGI hydrodynamic channel is equipped with a measurement platform which provides the instantaneous and average measurements of two dimensional thrusts as well as the hydrodynamic torque. On the other hand, in the numerical domain, the work has been oriented to the improvement and the development of a CFD code, named Cavka. The intensive utilisation of these two devices, coupled to theoretical models, allow highlighting the functioning of the bare and shrouded WCTs and their limits in cavitating conditions.

Il existe trop d'exemples autour de nous qui prouvent qu'en hydrodynamique une surface polie ne présente pas systématiquement les avantages hydrodynamiques escomptés sur une surface rugueuse. Les rugosités influent activement sur le développement des couches limites turbulentes et interagissent différemment en fonction de leurs caractéristiques physiques. Plongé dans un écoulement hydraulique à nombre de Reynolds élevé, les aubes ou pales d'hélices déclenchent localement un phénomène physique, appelé cavitation, qui correspond à l'apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Dans le cadre de cette thèse, les expérimentations sont menées dans un tunnel de cavitation, de plus des mesures par LDV ont été réalisées de sorte à définir le profil du vecteur vitesse de l'écoulement dans le sens longitudinal. Une caméra CCD à très grande vitesse permet la prise d'image sur la formation des poches et nuages de cavitation. Dans le cas de l'hydrofoil 2D, les expérimentations menées sur les différentes plaques partiellement rainurées ont mis en évidence le caractère hydrodynamique différent sur chacune d'entre elles, car la taille de poches cavitantes diffère en fonction des caractéristiques des indentations. Les résultats ont montré que la profondeur des indentations est un paramètre déterminant, alors que les plus petites profondeurs des rainures (plus petites que la hauteur de la sous-couche visqueuse) n'ont pas d'effet sur la longueur des poches cavitantes. Certaines plaques provoquent des variations sur les instabilités de cavitation pour lesquelles la longueur des poches cavitantes est réduite. L'étude de la fréquence d'expulsion des poches cavitantes, par le moyen de la caméra rapide a permis de mettre en évidence deux régimes de cavitation différents. Cette étude a démontré la faisabilité d'un contrôle passif de la cavitation sur un profil de venturi en modifiant l'état de surface par des indentations organisées dans le sens de l'écoulement. / There are too many examples around us which prove that in hydrodynamics a polite surface does not present systematically the hydrodynamics advantages were expected on a rough surface. The roughness influence actively the development of the turbulent boundary layers and interact differently according to their physical characteristics. Plunged into a hydraulic flow to high number of Reynolds, blades of propellers activate locally a physical phenomenon, called cavitation, which corresponds to the appearance of bubbles of gas and vapor in a liquid submitted to a depression. Within the framework of this thesis, the experiments are led in a tunnel of cavitation, and measures by LDV were realized so as to define the profile of the speed vector of the flow in the longitudinal direction. A very high-speed camera CCD allows the taking of image on the formation of pockets and clouds of cavitation. In the case of the 2D hydrofoil, the experiments led on the various partially grooved patches highlighted the character hydrodynamics different on each of them, because the size of cavitants pockets differs according to the characteristics of the indentations. The results showed that the depth of the indentations is a determining parameter, while the smallest depths of grooves (smaller than the height of the viscous sublayer) have no effect on the length of cavitants pockets. Certain patches provoke variations on the instabilities of cavitation for which the length of cavitants pockets is reduced. The study of the frequency of detachment of cavitants pockets, by means of the fast camera allowed to highlight two regimes of different cavitation. This study demonstrated the feasibility of a passive control of the cavitation over a profile of venturi by modifying the state of surface by indentations organized in the direction of the flow.

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.

L'objectif de ce travail de thèse concerne l'étude et la mise en œuvre de deux modèles de cavitation dans le solveur NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks): les modèles HEM (Homogeneous Equilibrium Model) et une équation pour le taux de vide: le modèle à transport de taux de vide (TTV). Le phénomène de cavitation est modélisé par différentes équations d'état de mélange liquide-vapeur (EOS). Des simulations numériques sont réalisées sur des écoulements diphasiques compressibles unidimensionnels et bidimensionnels avec des conditions d'interface et comparées à des solutions de référence. De plus, la méthode TTV basée sur le taux de vide incluant les termes source pour la vaporisation et la condensation dans le logiciel libre open source OpenFOAM est également présentée sur la géométrie Venturi pour capturer le phénomène du jet réentrant. La modélisation de la turbulence joue un rôle majeur dans la capture des comportements instationnaires et un limiteur est introduit pour réduire la viscosité turbulente afin de mieux prédire la structure à deux phases. Une comparaison de divers modèles de cavitation couplés avec des modèles de turbulence est étudiée. Les résultats computationnels sont comparés aux données expérimentales existantes. / The objective of this thesis work concerns the study and implement of two cavitation models in the NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks) flow solver: the Homogeneous Equilibrium Models (HEM) and a void ratio Transport-based Equation Model (TEM). The cavitation phenomenon is modeled by different liquid-vapor mixture equation of state (EOS). Numerical simulation are performed on some one- and two-dimensional compressible two-phase flows with interface conditions and compared with reference solutions. Moreover, The TEM based method for the void ratio including the source terms for vaporization and condensation in the free, open source software OpenFOAM is also presented on the Venturi geometry to capture the re-entrant jet phenomenon. The turbulence modeling plays a major role in the capture of unsteady behaviors and a limiter is introduced to reduce the eddy-viscosity to better predict the two-phase structure. A comparison of various cavitation models coupled with turbulence models are investigated. Computational results are compared with existing experimental data.

L'hélium solide métastable est un candidat possible pour la supersolidité. Notre équipe a démontré en 2011 qu'on pouvait obtenir de l'hélium solide métastable à des pressions inférieures à la pression de fusion à l'aide d'une onde acoustique focalisée. Cependant, une instabilité inattendue apparaît lorsque la pression locale du crystal atteint 21 bar c'est à dire 4 bar sous la pression de fusion. J'ai donc commencé ma thèse en étudiant le temps d'apparition de l'instabilité, et j'ai confirmé qu'elle apparaît toujours dans des phases de décompression de l'onde sonore, c'est à dire à une pression inférieure à la pression de fusion. Ensuite, j'ai étudié la limite de cavitation de l'hélium superfluide à pression négative. En utilisant une méthode interférométrique développée par mon prédécesseur Fabien Souris, j'ai mesuré directement la densité de cavitation de l'hélium superfluide métastable. J'ai trouvé que, à 1 K, l'hélium superfluide cavite lorsque sa densité locale a diminué de 8.4%. En utilisant une équation d'état bien établie théoriquement, on peut convertir ce résultat en pression de cavitation pour le comparer avec ceux obtenus par d'autres groupes. À ma grande surprise, mon résultat n'est pas compatible avec ces derniers. Cette incompatibilité soulève des questions intéressantes quant à la possibilité de nucléation de la bulle sur des vortex quantifiés. Enfin, j'ai étudié la dynamique de la bulle d'hélium déclenchée par la cavitation. En analysant l'équation du mouvement de la bulle et le transfert de chaleur correspondant, j'ai expliqué avec succès pourquoi la durée de vie de la bulle a une transition dramatique quand l'hélium passe de liquide normal à superfluide. / Metastable solid helium is a possible candidate for supersolidity. In 2011, our group has demonstrated that we could obtain the metastable solid helium at pressures below the melting pressure using a focused acoustic wave. However, an unexpected instability occurs when the local pressure of the crystal reaches 21 bar which is 4 bar below the melting pressure. So I started my thesis by studying the appearance time of the instability, and I confirmed that it always appears at the low pressure swing of the acoustic wave. Then, I studied the cavitation limit of superfluid helium at negative pressure. Using an interferometric method developed by my predecessor Fabien Souris, I directly measured the cavitation density of metastable superfluid helium. I found that at 1 K, superfluid helium cavitates when its local density is lowered by 8.4%. Using a theoretically well-established equation of state, this result can be converted to a cavitation pressure in order to compare our results with those obtained by others groups. To my surprise, my result is not consistent with the others'. This incompatibility raises interesting questions about the possibility of nucleation of the bubble on quantified vortices. Finally, I studied the dynamics of the helium bubble triggered by cavitation. By analyzing the equation of motion of bubble and the corresponding heat transfer, I have successfully explained why the bubble's lifetime has a dramatic transition as the helium passes from normal liquid to superfluid.