Un programme expérimental a été conçu afin d'étudier la dispersion des polluants sur un terrain complexe avec un accent mis sur des conditions stables qui restent délicates pour la modélisation numérique. Ce programme expérimental est mené sur le site du SIRTA dans la banlieue sud de Paris et consiste à mesurer en champ proche la turbulence et la dispersion des polluants. L'objectif de ce programme est de caractériser la structure fine de la turbulence et de la dispersion associée par des mesures à haute résolution temporelle et spatiale. Ensuite, ces mesures permettent de valider et d'améliorer la qualité de simulations CFD pour la turbulence et la dispersion sur un site fortement hétérogène. Le dispositif instrumental comprend 12 anémomètres ultrasoniques mesurant en continu la vitesse du vent et la température à 10 Hz, et 6 détecteurs à photo-ionisation (PID) mesurant la concentration de gaz à 50 Hz pendant des essais de traçage. Plusieurs périodes d’observations intensives (POIs) avec des rejets de gaz ont été réalisées depuis Mars 2012.Tout d'abord, une étude détaillée de l'écoulement du vent sur le site est réalisée, car l’écoulement doit être caractérisé et correctement simulé avant de simuler la dispersion des polluants. Cette étude est basée sur deux ans de mesures en continu et sur les mesures acquises durant les POIs. La forte anisotropie de la turbulence dans la couche de surface est caractérisée à l’aide du calcul des variances, des échelles de longueur intégrales et des spectres des trois composantes de la vitesse du vent. La propagation des structures turbulentes entre les capteurs est caractérisée en utilisant les corrélations de vitesse. Les spectres de vitesse montrent plusieurs pentes dans différentes zones de fréquence. En outre, l’analyse des données montre l’impact de l'hétérogénéité du terrain sur les mesures. La forêt au nord du site expérimental modifie la vitesse et la direction du vent pour un grand secteur nord. Il induit un fort cisaillement de la direction du vent et une décélération en dessous de la hauteur de la forêt. Les simulations numériques sont effectuées avec le code de CFD Code_Saturne en mode RANS avec une fermeture k-ε adaptée pour les écoulements atmosphériques et un modèle de canopée pour la forêt. Ces simulations reproduisent correctement les caractéristiques de l'écoulement moyen sur le site des mesures, en particulier l'impact de la forêt pour les différentes directions du vent et pour la stratification neutre et stable. Les résultats de simulation montrent aussi le cisaillement de direction du vent et l’augmentation de l’énergie cinétique turbulente induits par la forêt. Une étude de sensibilité montre que ces effets sur l'écoulement s’accentuent quand la densité foliaire augmente. L’étude de dispersion est réalisée pour plusieurs POIs. L’analyse des données de concentration montre la cohérence avec les mesures de campagnes précédentes réalisées dans des zones proches de la source. Les fluctuations de concentrations sont caractérisées à travers les séries temporelles, l'histogramme et l'analyse statistique des concentrations. Une zone inertielle peut également être identifiée dans les spectres de concentration. Ensuite, la dispersion des polluants est modélisée par les équations de transport pour la concentration et sa variance. La concentration moyenne est globalement en bon accord avec les mesures pour toutes les POIs étudiées. L’accord avec les mesures sur la position du maximum de concentration dépend de la précision de la rotation du vent simulée en-dessous de la hauteur de la forêt. Les fluctuations de concentration obtenues dans les simulations semblent être affectées de manière significative par la condition initiale et la modélisation du terme de dissipation. Une étude de sensibilité à la paramétrisation est ensuite présentée / An experimental program has been designed in order to study pollutants dispersion at a complex site with a focus on stable conditions, which are still challenging for numerical modelling. This experimental program is being conducted at the SIRTA site in a southern suburb of Paris and consists in measuring, in near field, the turbulence and the pollutants dispersion. The aim of this program is to characterize the fine structure of turbulence and associated dispersion through high temporal and spatial resolution measurements. Then, these measurements allow to validate and improve the performance of CFD simulation for turbulence and dispersion in a heterogeneous field. The instrumental set up includes 12 ultrasonic anemometers measuring continuously wind velocity and temperature at 10 Hz, and 6 photo-ionization detectors (PIDs) measuring gas concentration at 50 Hz during tracer tests. Intensive observations periods (IOPs) with gas releases have been performed since March 2012.First of all, a detailed study of flow on the site is made, because it must be characterised and properly simulated before attempting to simulate the pollutants dispersion. This study is based on two years of continuous measurements and on measurements performed during IOPs. Turbulence strong anisotropy in the surface layer is characterized by calculating variances, integral length scales and power spectra of the three wind velocity components. Propagation of turbulent structures between sensors has been characterized with velocity correlations. Energy spectra show several slopes in different frequency regions. Also, data analyses show impact of terrain heterogeneity on the measurements. The forest to the north of experimental field modifies wind velocity and direction for a large northerly sector. It induces a strong directional wind shear and a wind deceleration below the forest height. Numerical simulations are carried out using the CFD code Code_Saturne in RANS mode with a standard k-ε closure adapted for atmospheric flows and a canopy model for the forest. These simulations are shown to reproduce correctly the characteristics of the mean flow on the measurements site, especially the impact of the forest for different wind directions, in both neutral and stable stratification. Simulations results also show the directional wind shear and the turbulent kinetic energy increase induced by the forest. A sensitivity study has been made for various values of forest density and shows that the typical features of canopy flow become more pronounced as canopy density increases. Pollutants dispersion study are made for several IOPs. Concentration data analysis shows a consistency with previous measurements made in a near-source region where the plume scale is smaller than the large-scale turbulence eddies. Concentration fluctuations are characterized through concentration time series, histogram and statistical analysis. The internal subrange can be observed in the concentration spectra. Next, pollutants dispersion are modelled by transport equations for concentration and its variance. The mean concentrations show a good agreement with measurements in values for all the IOPs studied, except that the position of the concentration peak depends on the accuracy of simulated wind rotation below the forest height. The concentration fluctuations obtained from simulations seem to be affected significantly by the initial condition and the modelling of the dissipation term. A sensitivity study to the parameterisation is then presented

L'exploitation de l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux est une source d'énergie prometteuse et renouvelable. Les performances hydrodynamiques des hydroliennes sont à ce jour bien connues et l'attention se porte sur la compréhension des phénomènes de parc et l'interaction entre machines. Ce document présente la construction d'un modèle simplifié (ou méthode d'équivalence) pour les turbines à axe de rotation vertical. Une étape préliminaire consiste à valider l'utilisation de la méthode de maillage rotatif proposée par Code_Saturne (solveur CFD open source). La simulation de la turbine Darrieus/Achard A10 en 2D met en évidence une bonne concordance des mesures expérimentales (PIV). Cet outil sert dans une seconde étape à mettre au point un modèle simplifié de ces mêmes turbines. Celui-ci consiste à représenter la turbine dans l'écoulement par son équivalent en termes sources de quantité de mouvement sur la base d'une paramétrisation efficace des données empiriques. La méthode est validée pour une large plage de vitesses de rotation et de confinements, et sur plusieurs machines. La représentation du sillage par par les deux méthode de simulation est ensuite étudiée en détail. Des mesures par la technique de LDV dans le sillage proche d'un modèle réduit sont effectuées et établissent une référence expérimentale nécessaire pour ce type de machine. La dépendance forte des deux méthodes de simulation aux paramètres et aux modèles de turbulence est constatée. Deux phénomènes principaux sont relevés : la diffusion turbulente et les instabilités à grandes échelles. Des calculs de rendement sur des dispositions de machines variables illustrent l'applicabilité du modèle. Ils mettent notamment en avant l'effet positif de l'intensité turbulente ambiante sur le rendement dans un parc. / Harnessing kinetic energy from oceans or rivers is a promising source of renewable energy. The hydrodynamical performance of water turbines is well known and the focus is now on array optimization and turbine interaction. The present document aims to introduce a new modeling solution for vertical axis water current turbine of Darrieus/Achard type and its construction methodology. A preliminary stage consists in the validation of the new sliding mesh method available in Code_Saturne, EDF CFD open source solver. The good results obtained by comparison with PIV measurements on the Achard type turbine allow the use of this method as a reference tool. The second stage sees the construction of an equivalence model for the Darrieus turbine using momentum source terms. These terms are calculated thanks to an efficient parametrization of empirical data. The comparison of the model with full geometry calculation shows a good agreement in terms of power for a wide range of rotational velocity and blocking ratio. LDV measurements in the near wake of a small scale Achard turbine give a necessary reference set of data. The wake given by both simulations is strongly dependent of turbulence parameters or models, with the cohabitation of two main phenomena : momentum turbulent diffusion, and large scale fluctuations. To conclude, a calculation of the power output for several turbine distributions in an array illustrates the model capability.

Grâce à la qualité des cordons de soudure produits, le soudage TIG est l’un des procédés de soudage à l’arc les plus répandus dans l’industrie nucléaire. Au cours des travaux de cette thèse, nous proposons un modèle physique pour la simulation numérique du bain de fusion en soudage TIG d’aciers inoxydables austénitiques avec des teneurs en éléments tensioactifs différentes. L’objectif du modèle développé est de prédire la morphologie et les dimensions du cordon de soudure ainsi que les contraintes thermiques résultantes dans les pièces soudées en fonction des paramètres opératoires du procédé mais aussi en fonction des teneurs en éléments tensioactifs des métaux assemblés. Pour ce faire, les équations de la thermohydraulique sont couplées à celles de l’électromagnétisme et sont résolues en se basant sur le module « électrique » de Code_Saturne. Ce modèle a été vérifié dans un premier temps sur des configurations de soudage de matériaux homogènes avant d’être confronté à la simulation du soudage de matériaux de teneurs en éléments tensioactifs différentes. Des simulations des essais expérimentaux correspondants ont été réalisées et comparées aux mesures. La démarche adoptée a consisté à étudier les effets thermo-capillaires de manière découplée des effets électromagnétiques à partir d’essais de soudage laser en mode conduction. Les résultats de la confrontation des résultats numériques aux mesures expérimentaux démontrent que le modèle reproduit globalement bien la physique du procédé. Les limitations de notre modèle et les phénomènes qu’elle a permis de mettre en évidence ont été discutés et ont permis de proposer des pistes d’amélioration pour la modélisation. / The high quality of the weld bead makes GTA welding one of the most used welding processes in the nuclear industry. During this work, a physical model is proposed to simulate the weld pool during the GTA welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements. This model aims to predict the weld bead shape, its geometrical characteristics and the thermal field induced by the process according to the operating parameters but also as a function of the surface active elements concentrations of welded metals.Based on the “electric” module of Code_Saturne®, the set of solved equations includes both fluid dynamics equations and electromagnetic ones. Before applying the model to the simulation of welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements, this model has been studied through configurations of homogenous materials welding. Experiments are carried out and are compared to the corresponding simulations. In the approach used in this study, the thermo-capillary effects are studied separately from electromagnetic ones using conduction mode laser beam welding. The agreement obtained from comparative analysis between experimental results and numerical ones shows good reproduction of the process physics by the model developed. The modeling limitations and the phenomena identified by this study are discussed and orientations for future development are defined.

The predictable nature of the tides offers a regular, reliable source of renewable energy that can be harnessed using tidal stream turbines (TSTs). The UK's practically extractable tidal stream energy resource has the potential to supply around 7 % of the country's annual electricity demand. As of 2016, the world's first commercial scale arrays have been deployed around the UK and France. The harsh nature of the marine operating environment poses a number of engineering challenges, where the optimal turbine design solution remains under investigation. In this thesis, a numerical model is developed to assess the power production and hydrodynamic behaviour of horizontal axis tidal turbines. The developed model builds upon well established and computationally efficient Blade Element Momentum Theory (BEMT) method for modern three-bladed wind turbines. The main novel contribution of this thesis is extending the application to an alternative design of a ducted, high solidity and open centre TST. A validation study using measurements from multiple different scale model experimental tank tests has proven the applicability of the model and suitability of the imposed correction factors. The analytical modifications to account for ducted flow were subsequently indirectly verified, where predictions of turbine power and axial thrust forces under optimal operating speeds were within 2 % of those using more advanced computational fluid dynamics (CFD) methods. This thesis presents a commercial application case of two turbines designed by OpenHydro, examining the BEMT performance with a sophisticated blade resolved CFD study. A comparison of results finds that the model is capable of predicting the average peak power to within 12 %, however it under predicts thrust levels by an average of 35 %. This study concludes that the model is applicable to ducted turbine configurations, but is limited in capturing the complex flow interactions towards the open centre, which requires further investigation. The computational efficiency of the newly developed model allowed a structural analysis of the composite blades, thus demonstrating it is suitable to effectively evaluate engineering applications. Stresses are seen to be dominated by flap-wise bending moments, which peak at the mid-length of the blade. This tool will further enable EDF to perform third party assessments of the different turbine designs, to aid decision making for future projects.