En raison du développement croissant des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), l'étude des écoulements de liquide ou de gaz et des transferts thermiques dans des conduites, chauffées ou non, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre de quelques microns, a suscité un nombre considérable de travaux au cours des vingt dernières années. À cette échelle, le nombre de Knudsen peut être important (Kn>0,01), ce qui donne naissance à des phénomènes de glissement, de saut de température et de pompage thermique qui s'ajoutent aux effets de compressibilité, telles que la puissance due aux forces de pression et à la puissance des contraintes visqueuses et aux variations des propriétés du fluide avec la température. Dans les modélisations de la littérature, ces phénomènes sont rarement pris en compte simultanément et sont souvent partiellement négligés, sans justification. Notre démarche consiste à proposer une modélisation des micro-écoulements gazeux se rapprochant au mieux de la réalité en prenant en compte tous les phénomènes et à étudier les effets de chacun d'entre eux. L'étude est, en premier lieu, menée en utilisant un code commercial, résolvant les équations de conservation par la méthode des volumes finis et adapté par le biais de sous-programmes développés au cours de cette thèse. Des validations ont été effectuées pour des problèmes allant des plus simples (incompressibles, non glissants) aux plus complexes (compressibles, glissants). Cette étude a permis de mettre en évidence les problèmes liés à la modélisation quand les nombres de Péclet des écoulements sont inférieurs à l'unité (Pe < 1). Dans ce cas, les effets de diffusion inverse sont dominants et l'utilisation d'extensions à l'amont de la conduite devient incontournable. Les effets de compressibilité qui se traduisent par des détentes du gaz près de la sortie de la conduite (accélération + refroidissement) ont été analysés. Enfin, des comparaisons ont été effectuées avec des solutions analytiques d'écoulements compressibles et glissants, supposés isothermes en imposant de faibles variations de pression. Nous avons pu montrer que ces solutions restent valables, même lorsque les variations de pression sont importantes parce que les détentes ne sont localisées que près de la sortie de la conduite et n'influencent donc pas les propriétés globales de l'écoulement. La suite du travail a été réalisée à l'aide d'un code de calcul développé au laboratoire et validé pour les écoulements à grandes échelles. Des conditions aux limites de glissement ont été introduites afin de l'adapter à la problématique de ce travail de thèse. Compte-tenu de ses performances (précision et rapidité des calculs en particulier), ce code a permis de réaliser une étude paramétrique sur une large gamme de pressions d'entrée et de sortie, de telle sorte à balayer tous les types d'écoulements : de peu à très compressibles et de peu à très glissants. Les résultats sont d'abord présentés pour des écoulements quasi-isothermes puis comparés aux solutions analytiques afin de tester ces dernières sur une plus large gamme de pression. Enfin, de nouveaux résultats ont été obtenus pour des écoulements chauffés. Des corrélations, en fonction des paramètres adimensionnels caractéristiques de ces écoulements, ont été obtenues pour les modèles complets à l'aide d'un logiciel de statistiques et de plans d'expériences. Des comparaisons à des modèles simplifiés ont été effectuées pour évaluer les erreurs commises lorsque certains termes sont négligés / These phenomena are rarely taken into account all at once, at least one of them is neglected and often without justification. Our approach is to get as close as possible to reality by taking into account all the phenomena that appear at once and then to study the effect of the phenomena most often overlooked. First, the study is conducted using a commercial code for solving the conservation equations by the finite volume method. Validations were performed for problems ranging from the simplest (incompressible, non-slip flow) to the more complex (compressible, slip flow). This study highlighted the problems associated with simulations when the flows Peclet numbers are less than unity (Pe <1). In this case, the inverse diffusion effects are dominant and the use of extensions at the upstream becomes unavoidable. In addition, compressibility effects were identified; they have resulted in expansions of the gas near the exit of the pipe (acceleration + cooling). Finally, comparisons were made with analytical solutions of compressible slip flows assumed isothermal by imposing small variations of pressure. We showed that these solutions remain valid even if the pressure variations are important because the detents are located only near the exit of the pipe. In this case, they do not affect the properties of the flow. Further works were carried out using an in-house computer code, previously developed and validated in the laboratory for flows with large scales and for which slipping limits conditions have been added so that it can properly resolve slip flows. In view of its accuracy and performances in terms of CPU-time, the code allowed us to achieve a parametric study on a wide range of input and output pressures, so as to sweep all runoff from few to very compressible and few to very slip flow. The results were first presented for quasi-isothermal flow, which subsequently were compared to analytical solutions to test these ones on a wider range of pressure. Finally, the results were made for heated flows. Correlations have been obtained for a complete model using a statistical based software and design of experiments. Comparisons to simplified models were performed to assess the inaccuracies linked to the omission of terms often overlooked in the literature

La validation des acquis de l'expérience est ici développée autour d'une thématique concernant l'électropneumatique asservie. Une première partie énumère les participations et les contributions à des travaux de recherches afin d'utiliser ceux-ci à la réalisation de produits industriels innovants et utilisant des connaissances multidisciplinaires. Puis l'on montre que l'expérience concrète tirée des activités précédentes, suivie d'analyses critiques et de réflexion, a conduit à la création et à la participation active de travaux de normalisation au niveau international. Enfin une synthèse et une formalisation de ces activités de recherches et d'applications industrielles innovantes ont permis le développement d'activités de formation. Une seconde partie développe l'approche théorique et technique permettant de mieux comprendre et juger le saut technologique nécessaire à la création et à l'adaptation de produits industriels innovants axes asservis et modulateurs de puissance électropneumatiques à partir de demandes marché plus ou moins formalisées. Tout au long de ce document, les interactions entre les aspects industriels et recherches universitaires sont exposées. Cette interaction conduisant à un enrichissement mutuel par l'acquis de l'expérience vécue / The validation of experience is here developed around a theme concerning the electropneumatic servocontrolled. A first part lists the interests and contributions to research work in order to use them in the realization of innovative industrial products and using multidisciplinary knowledge. Then we show that the practical experience of previous activities, followed by critical analysis and reflection, led to the creation and active participation in standardization activities at international level. Finally a synthesis and formalization of these research activities and innovative industrial applications led to the development of training activities. A second part develops the theoretical and technical approach to better understand and assess the technological leap required for the creation and adaptation of innovative industrial products servo axes and modulators of electro power from market demands more or less formalized. Throughout this document the interactions between industrial and academic research aspects are discussed. This interaction leads to mutual enrichment acquired through experience

Pour satisfaire aux dernières réglementations en matière d'émissions, des progrès importants sont encore attendus des moteurs à combustion interne. De plus, améliorer l'efficacité du moteur pour réduire les émissions et la consommation de carburant est devenu plus essentiel qu'auparavant. Mais, de nombreux phénomènes complexes restent mal compris dans ce domaine, tels que le processus d'injection de carburant. Nombreux logiciels pour la dynamique des fluides numérique (CFD) prenant en compte le changement de phase (comme la cavitation) et la modélisation de l’injection ont été développés et utilisés avec succès dans le processus d’injection. Néanmoins, il existe peu de codes CFD capables de simuler avec précision des conditions d’injection transcritiques, à partir d'une condition de température de carburant sous-critique vers un mélange supercritique dans la chambre de combustion. En effet, la plupart des modèles existants peuvent simuler des écoulements à phase unique, éventuellement dans des conditions supercritiques, ou des écoulements diphasiques dans des conditions sous-critiques. Par conséquent, il manque un modèle complet capable de traiter les conditions transcritiques, y compris la transition de phase possible entre les régimes souscritiques et supercritiques, ou entre les écoulements monophasiques et diphasiques, de manière dynamique. Cette thèse a pour objectif de relever ce défi.Pour cela, des modèles d'écoulement diphasique compressible de fluide réel basés sur une approche eulérienne-eulérienne avec prise en compte de l'équilibre de phase ont été développés et discutés dans le présent travail. Plus précisément, un modèle à 6-équation entièrement compressibles incluant les équations de bilan des phases liquide et gazeuse résolues séparément ; et un modèle à 4-équation qui résout les équations des bilans liquide et gazeux en équilibre mécanique et thermique sont proposés dans ce manuscrit. L’équation d’état Peng-Robinson EoS est sélectionné pour fermer les deux systèmes et pour faire face aux éventuels changements de phase et à la transition ou à la séparation des phases. En particulier, un solveur d'équilibre de phase a été développé et validé. Ensuite, une série de tests académiques 1D portant sur les phénomènes d'évaporation et de condensation effectués dans des conditions sous-critiques et supercritiques a été simulée et comparée aux données de la littérature et aux résultats académiques disponibles. Ensuite, les modèles d'écoulement en deux phases entièrement compressibles (systèmes à 6-équation et à 4- équation) ont été utilisés pour simuler les phénomènes de cavitation dans une buse 3D de taille réelle afin d'étudier l'effet de l’azote dissous sur la création et le développement de la cavitation. Le bon accord avec les données expérimentales prouve que le solveur proposé est capable de gérer le comportement complexe du changement de phase dans des conditions sous-critiques. Enfin, la capacité du solveur à traiter l’injection transcritique à des pressions et températures élevées a été validée par la modélisation réussie de l’injecteur Spray A du réseau de combustion moteur (ECN). / To satisfy latest stringent emission regulations, important progress is still be expected from internal combustion engines. In addition, improving engine efficiency to reduce the emission and fuel consumption has become more essential than before. But many complex phenomena remain poorly understood in this field, such as the fuel injection process. Numerous software programs for computational fluid dynamics (CFD) considering phase change (such as cavitation) and injection modelling, have been developed and used successfully in the injection process. Nevertheless, there are few CFD codes able to simulate correctly transcritical conditions starting from a subcritical fuel temperature condition towards a supercritical mixture in the combustion chamber. Indeed, most of the existing models can simulate either single-phase flows possibly in supercritical condition or two-phase flows in subcritical condition; lacking therefore, a comprehensive model which can deal with transcritical condition including possible phase transition from subcritical to supercritical regimes, or from single-phase to two-phase flows, dynamically. This thesis aims at dealing with this challenge. For that, real fluid compressible two-phase flow models based on Eulerian-Eulerian approach with the consideration of phase equilibrium have been developed and discussed in the present work. More precisely, a fully compressible 6-equation model including liquid and gas phases balance equations solved separately; and a 4-equation model which solves the liquid and gas balance equations in mechanical and thermal equilibrium, are proposed in this manuscript. The Peng-Robinson equation of state (EoS) is selected to close both systems and to deal with the eventual phase change or phase transition. Particularly, a phase equilibrium solver has been developed and validated. Then, a series of 1D academic tests involving the evaporation and condensation phenomena performed under subcritical and supercritical conditions have been simulated and compared with available literature data and analytical results. Then the fully compressible two-phase flow models (6-Equation and 4-Equation systems) have been employed to simulate the cavitation phenomena in a real size 3D nozzle to investigate the effect of dissolved N2 on the inception and developing of cavitation. The good agreement with experimental data proves the solver can handle the complex phase change behavior in subcritical condition. Finally, the capability of the solver in dealing with the transcritical injection at high pressure and temperature conditions has been further validated through the successful modelling of the engine combustion network (ECN) Spray A injector.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d’un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb’Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence. / Virtual prototyping pneumatic circuits for power transmission, for example braking circuits of trucks, is still a difficulty because of the complexity of the flow behavior in transonic conditions and of the coupling between local and macroscopic scales. These problems are met during system design, control synthesis and for static and dynamic performance analysis. Tuning accurate numerical models requires important costs and time when compared to other systems. The methodology proposed in this PhD thesis relies on numerically determining a data base that characterizes the local and macroscopic behavior of a circuit component according the variation from a reference point of some physical or geometrical parameters. The data bases are obtained from the extrapolation of the Mean Navier Stokes solution (RANS) for a given reference point with the help of a parametrization software dedicated to fluid mechanics (Turb'Flow). The main contribution of this thesis relies io the analysis of the solution obtained from the parametrization in two different cases: the De Laval nozzle and un "elbow" connecting element, which are elementary component in a circuit. We have shown that these two "simple" cases lead already to important difficulties in term of problem parametrization and calculation of the derivatives of the aerodynamic fields because of the problem dimension. In order to tackle this, we proposed to reduce the spatial discretization (mesh derefining) and we showed that this approach could sometimes lead to damp or move some phenomena (shocks). The second contribution of this work relies on evaluating the quality of the extrapolated solution and their validity domain, and on building links between local and macroscopic behavior. Finally, we proposed a method that allows the mass flow rate characteristic of a component to be determined from the calculation of the extrapolated solution issued from a limited number of reference points.

L'objectif de c e mémoire est d'apporter une contribution à la modélisation et la simulation numérique de la convection thermosolutale de mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités. Un modèle a été élaboré en se basant sur l'approximation de faible compressibilité. Le premier chapitre précise la démarche suivie dans la modélisation et une formulation originale en est déduite afin de traiter les différents types de conditions aux limites et de conditions de références hydrostatiques analysés dans le mémoire. Les variations de masse volumique sont déduites de la loi des gaz parfaits et la pression thermodynamique est calculée à partir de la conservation de la masse totale. La méthode numérique repose sur la méthode des volumes finis mise en uvre sur des maillages décalés. Le couplage vitesse-pression est traité par un nouvel algorithme dont l'efficacité est discutée en détail. La démarche numérique est validée via des comparaisons avec des solutions de références, en régime stationnaire comme en régime transitoire pour des écoulements transitionnels. Dans la seconde partie du mémoire, on considère d'abord la convection thermosolutale dans une cavité rectangulaire verticale dans le cas où les écoulements sont induits par des gradients horizontaux de température et de concentration. On discute en particulier les limites de l'approximation d'extrême dilution. La condensation de vapeur d'eau et l'évaporation d'un film d'eau liquide sur les parois d'une cavité sont ensuite étudiées en régime transitoire. Ces changements de phase surfaciques sont associés à la convection naturelle dans une cavité dont les températures des quatre parois varient au cours du temps / The aim of this dissertation is at modeling and numerically simulating thermosolutal convection within cavities filled by binary gas mixtures of ideal gases. A new problem formulation, based on the weakly compressible approximation, has been derived in order to account for the changes in density as well as thermodynamic pressure. The ideal gas law and global conservation of mass are invoked for the predictions of density field and thermodynamic pressure. The first part of the manuscript is devoted to the mathematical derivation of the governing equations and boundary conditions, numerical procedure implemented and, checks of the accuracy of the results through deeply comparisons with updated benchmark solutions. The emphasis is put on the efficiency of algorithm used for solving the pressure-velocity coupling for unsteady, transitional flow regimes. Thermosolutal convection without phase changes at the cavity surfaces is first considered in the second part of the manuscript. We investigated the case of vertical cavities with horizontal gradients of concentration and temperature. The results clearly show that the dilute approximation fails to be valid as soon as the maximum concentration difference exceeds a critical value function of the flow parameters. Surface condensation of water vapor or evaporation of liquid water film in vertical cavities is then considered. The specific thermal boundary conditions of uniform but time-varying temperatures of the four walls are considered. Periodic variations of the flow, temperature and relative humidity fields are discussed in detail. The evolutions of thicknesses of the water film over the four walls are also predicted

Un nouveau procédé propre et performant de préparation de surface reposant sur l'utilisation d'un jet d'azote sous très haute pression et basse température est développé. Comparativement aux techniques classiques de préparation de surface, ce nouveau procédé apporte des avantages environnementaux (pas de génération de déchets additionnels), techniques (modes d'action sur le revêtement à traiter) et énergétiques (consommation d'énergie). Cependant, le fonctionnement du procédé de traitement de surface en question, qui existe sous forme de prototype à l'heure actuelle, repose sur des bases empiriques et les phénomènes physiques qu'il met en jeu sont encore bien mal appréhendés. Pour comprendre ces phénomènes et les modéliser, une analyse numérique est présentée. Cette analyse s'inclut dans une stratégie d'étude qui vise à augmenter progressivement le degré de complexité de la modélisation. Un premier modèle vise à décrire l'évolution du fluide en temps et en espace en supposant un écoulement compressible visqueux et axisymétrique. Dans ce modèle, le fluide est considéré comme parfait. Une extension directe de ce modèle est ensuite présentée, elle propose de tenir compte des effets de fluide réel dans l'écoulement compressible monophasique. Ces modèles sont implémentés dans un code de calculs par volumes finis. Des cas tests sont étudiés afin de valider les modèles numériques. Une étude sur des configurations de type industrielles, représentatives des conditions d'utilisation du procédé de traitement de surface par jet d'azote, est ensuite menée / A new and efficient process of surface treatment is developed and exists in prototype form at present. The process aims at injecting an inert gas, such as nitrogen, at supercritical conditions through a nozzle. The jet resulting from the expansion of the fluid at high pressure and supercritical temperature impinges normally a flat surface. Alternatively to water jet technologies, which need expansive purification of water after use, and to other classical surface treatment process, this process provides environmental (no generation of additional waste), technical (action on the coating) and energetical (efficiency) benefits. However, the physical phenomena involved in the jet are still poorly understood at present. To understand and model these phenomena, numerical analysis is presented. This analysis is part of a study strategy that aims at gradually increasing the complexity of modeling. A first model aims at describing the evolution of the fluid in time and space, assuming a compressible axisymmetric viscous flow. In this model, the fluid is assumed perfect. A direct extension of this model is then presented where real fluid effects are taken into account in the compressible flow. These models are implemented in finite volume CFD code. Test cases are studied to validate the numerical models. A study of industrial-type configurations, representative of the conditions of use of the process of surface treatment by nitrogen is then conducted

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA / Large-Eddy Simulation (LES) becomes a more and more demanded tool to improve the design of aero-engines. The main reason for this request stems from the constraints imposed on the next generation low-emission engines at the industrial development level and the ability for LES to provide information on the instantaneous turbulent flow field which greatly contributes to improving the prediction of mixing and combustion thereby offering an improved prediction of the exhaust emission. The work presented in this thesis discusses two recurring issues of LES. For one, numerical schemes for LES require certain properties, i.e. low-diffusion schemes of high order of accuracy so as not to interfere with the turbulence models. To meet this purpose in the context of fully unstructured solvers, a new family of high-order time-integration schemes is proposed. With this class of schemes, the diffusion implied by the numerical scheme become adjustable and built-in. Second, since fully unsteady by nature, LES is very consuming in terms of CPU time. Even with today's supercomputers complex problems require long simulation times. Due to the low flow velocities often occurring in industrial applications, the use of a low-Mach number solver seems suitable and can lead to large reductions in CPU time if comparable to fully compressible solvers. The impact of the incompressibility assumption and the different nature of the numerical algorithms are rarely discussed. To partly answer the question, detailed comparisons are proposed for an experimental swirled configuration representative of a real burner that is simulated by LES using a fully explicit compressible solver and an incompressible solution developed at CORIA

Dans cette thèse on s'est intéressé à l'étude de problèmes concernant la théorie des écoulements compressibles. Dans une première partie on a traité le problème de transport instationnaire avec un champ de vitesse peu régulier, on a établi un résultat d'existence en passant à la limite sur des schémas numériques volumes finis avec un choix décentré amont qui garantie la positivité de la masse volumique. Pour le problème de Stokes, le résultat est démontré par deux approches : une approche par schéma numérique et une approche par régularité visqueuse.Dans la première méthode on propose une discrétisation qui combine la méthode des éléments finis et la méthode des volumes finis qui repose sur les espaces Crouzeix-Raviart. Une première difficulté de ce travail est de démontrer les estimations sur la solution discrète, en particulier à cause de la présence de la gravité dans le terme source de l'équation de quantité de mouvement. Le fait de considérer une loi d'état très générale conduit des difficultés supplémentaires en particulier dans le passage à la limite sur cette équation.Dans la deuxième méthode, le résultat d'existence est démontré en utilisant une approximation par viscosité. Ceci consiste essentiellement en deux parties : l'étude du problème de convection diffusion (qui apparait dans le problème régularisé) où on démontre l'existence et l'unicité de solution et en deuxième partie le passage à la limite sur le problème régularisé. / This thesis is concerned with the study of problems relating in the theory of compressible flows . We prove the existence of the considered problems in a first part by passing to the limit on the numerical schemes proposed for the discretisation of these problems. In the second part, the existence result is obtained by passing to the limit on the approximate solutions given by a corresponding regularized problem.The main result is to prove the existence of a solution of the stationnary compressible Stokes problem with a general equation of state.We first prove this result by passing to the limit on the numerical scheme as the mesh size tends to zero. The fact to consider a general E.O.S induces some additional difficulties in particular to get estimates on the discrete solution (which comes also from the presence of the gravity in the momentum equation) and in the passage to the limit on the E.O.S.We also prove the existence result by passing to the limit on a regularized problem. We first treat the convection-diffusion problem (which appears in the regularized problem), we give an existence and uniqueness result, and we then prove estimates on the approwimate solutions and pass to the limit on the regularized problem.

Le présent manuscrit de thèse présente l'étude de différents phénomènes dans un convertisseur d?acier, grâce au développement de deux modèles distincts. Le premier modèle décrit la cavité produite à la surface libre du bain de métal par l'impact du jet d'oxygène supersonique. Il est basé sur le découpage du domaine de calcul en deux régions. Les effets de compressibilité du gaz sont pris en compte uniquement dans la région du jet où la vitesse est élevée, alors que partout ailleurs, le gaz est considéré comme incompressible. La méthode Volume Of Fluid (VOF) est utilisée pour suivre la déformation de la surface libre du bain. Les résultats de simulations sont présentés pour des systèmes bi- et triphasés et comparés à des données expérimentales obtenues dans diverses maquettes froides. L'influence sur la taille et la forme de la cavité de différents paramètres (parmi lesquels les conditions aux limites en sortie de la lance d'injection, le schéma d'advection de la méthode VOF et le modèle de turbulence) est étudiée. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler l'interaction entre un jet supersonique d'oxygène et la surface libre d'un bain d'acier liquide dans un convertisseur de taille pilote. Le second modèle se focalise sur l'écoulement du gaz, le transfert de chaleur et la réaction de postcombustion dans la phase gazeuse au-dessus du bain de métal. Il utilise l'algorithme Simple Chemical Reaction Scheme pour décrire le transport des espèces chimiques, et prend en compte l'absorption d'oxygène dans le bain et les transferts thermiques par rayonnement. Les prédictions numériques sont en assez bon accord avec les mesures recueillies dans une expérience de laboratoire et dans un four à l'échelle pilote / The present thesis treats different phenomena taking place in a steelmaking converter through the development of two separate models. The first model describes the cavity produced at the free surface of the metal bath by the high speed impinging oxygen jet. It is based on a zonal approach, where gas compressibility effects are taken into account only in the high velocity jet region while elsewhere the gas is treated as incompressible. The Volume Of Fluid (VOF) method is employed to follow the deformation of the bath free surface. Calculations are presented for two- and three-phase systems and compared against experimental data obtained in various cold model experiments. The influence on the size and shape of the cavity of various parameters (including the jet inlet boundary conditions, the VOF advection scheme and the turbulence modelling) is studied. Next, the model is used to simulate the interaction of a supersonic oxygen jet with the surface of a liquid steel bath in a pilot-scale converter. The second model concentrates on fluid flow, heat transfer and the post-combustion reaction in the gas phase above the metal bath. It uses the Simple Chemical Reaction Scheme approach to describe the transport of the chemical species and takes into account the consumption of oxygen by the bath and thermal radiative transfer. The numerical predictions are in reasonable agreement with measurements collected in a laboratory experiment and in a pilot-scale furnace

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure entre un fluide compressible et une structure déformable. En particulier, nous nous sommes intéressés au couplage par une approche partitionnée entre une méthode de Volumes Finis pour résoudre les équations de la mécanique des fluides compressibles et une méthode d'Eléments discrets pour le solide, capable de prendre en compte la fissuration. La revue des méthodes existantes de domaines fictifs ainsi que des algorithmes partitionnés couramment utilisés pour le couplage conduit à choisir une méthode de frontières immergées conservative et un schéma de couplage explicite. Il est établi que la méthode d'Eléments Discrets utilisée permet de retrouver le comportement macroscopique du matériau et que le schéma symplectique employé assure la préservation de l'énergie du solide. Puis nous avons développé un algorithme de couplage explicite entre un fluide compressible non-visqueux et un solide indéformable. Nous avons montré des propriétés de conservation exacte de masse, de quantité de mouvement et d'énergie du système ainsi que de consistance du schéma de couplage. Cet algorithme a été étendu au couplage avec un solide déformable, sous la forme d'un schéma semi-implicite. Cette méthode a été appliquée à l'étude de problèmes d'écoulements non-visqueux autour de structures mobiles : les comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux existants démontrent la très bonne précision de notre méthode / This work aims at the numerical simulation of compressible fluid/deformable structure interactions. In particular, we have developed a partitioned coupling algorithm between a Finite Volume method for the compressible fluid and a Discrete Element method capable of taking into account fractures in the solid. A survey of existing fictitious domain methods and partitioned algorithms has led to choose an Embedded Boundary method and an explicit coupling scheme. We first showed that the Discrete Element method used for the solid yielded the correct macroscopic behaviour and that the symplectic time-integration scheme ensured the preservation of energy. We then developed an explicit coupling algorithm between a compressible inviscid fluid and an undeformable solid. Mass, momentum and energy conservation and consistency properties were proved for the coupling scheme. The algorithm was then extended to the coupling with a deformable solid, in the form of a semi-implicit scheme. Finally, we applied this method to unsteady inviscid flows around moving structures: comparisons with existing numerical and experimental results demonstrate the excellent accuracy of our method