Dans ce travail de thèse, réalisé à l'IMFT, nous nous sommes intéressés aux écoulements turbulents diphasiques gaz-solides et plus particulièrement au phénomène de couplage inverse qui correspond à la modulation de la turbulence par la phase dispersée. Ce mécanisme est crucial pour les écoulements à forts chargements massiques. Dans cette thèse, nous avons considéré une turbulence homogène isotrope stationnaire sans gravité dans laquelle des particules sont suivies individuellement d'une façon Lagrangienne. La turbulence du fluide porteur est obtenue par des simulations directes (DNS). Les particules sont sphériques, rigides et d'une taille inférieure aux plus petites échelles de la turbulence. Leur densité est bien plus grande que la densité du fluide. Dans ce cadre, la force la plus importante agissant sur les particules est celle de traînée. Les interactions inter-particules ainsi que la gravité ne sont pas prises en compte. Pour modéliser ce type d'écoulement, une approche stochastique est utilisée pour laquelle l'accélération du fluide est modélisée par une équation de Langevin. L'originalité de ce travail est la prise en compte de l'effet de la modulation de la turbulence par un terme additionnel. Nous avons proposé deux modèles : une force de couplage moyenne qui est définie à partir des vitesses moyennes des phases, et une force instantanée qui est définie à l'aide du formalisme mésoscopique Eulérien. La fermeture des modèles s’appuie sur la fonction d’autocorrélation Lagrangienne et l’équation de transport de l’énergie cinétique. Les modèles sont testés en terme de prédiction de la vitesse de dérive et des corrélations fluide-particule. Les résultats montrent que le modèle moyen, plus simple, prend en compte les effets principaux du couplage inverse. Cependant, le problème de fermeture pratique est reporté sur la modélisation de l’échelle intégrale Lagrangienne et l’énergie cinétique de la turbulence du fluide vue par les particules. / In this thesis, performed in IMFT, we are interested in the turbulent gas-solid flows and more specifically, in the phenomenon of turbulence modulation which is the modification of the structure of the turbulence due to the solid particles. This mechanism is crucial in flows with high particle mass-loadings. In this work, we considered a homogeneous isotropic turbulence without gravity kept stationary with stochastic type forcing. Discrete particles are tracked individually in Lagrangian manner. Turbulence of the carrier phase is obtained by using DNS. The particles are spherical, rigid and of a diameter smaller than the smallest scales of turbulence. Their density is very large in comparison to the density of the fluid. In this configuration the only force acting on the particles is the drag force. Volume fraction of particles is very small and inter-particle interactions are not considered. To model this type of flow, a stochastic approach is used where the fluid element accel- eration is modeled using stochastic Langevin equation. The originality in this work is an additional term in the stochastic equation which integrates the effect of the particles on the trajectory of fluid elements. To model this term, we proposed two types of modeling: a mean drag model which is defined using the mean velocities from the mean transport equations of the both phases and an instantaneous drag term which is written with the help of the Mesoscopic Eulerian Approach. The closure of the models is based on the Lagrangian auto- correlation function of the fluid velocity and on the transport equation of the fluid kinetic energies. The models are tested in terms of the fluid-particle correlations and fluid-particle turbulent drift velocity. The results show that the mean model, simple, takes into account the principal physical mechanism of turbulence modulation. However, practical closure problem is brought forward to the Lagrangian integral scale and the fluid kinetic energy of the fluid turbulence viewed by the particles.

Une des problématiques majeures dans l’industrie des bioprocédés réside dans l’extrapolation des procédés biologiques à grande échelle. On observe généralement à l’échelle industrielle des écarts de rendement de croissance de la biomasse, ainsi que la formation de sous-produits comparativement à l’échelle du laboratoire. La formation de gradients de concentration à l’échelle des bioréacteurs est souvent évoquée. Dans ce travail, les interactions entre micromélange et assimilation du substrat sont abordées à l’échelle du microorganisme. Un modèle couplant transport et assimilation à l’échelle d’un microorganisme est proposé. L’existence de régimes physique et biologique, limitant l’assimilation du substrat est mise en lumière. Une approche basée sur le suivi Lagrangien de particules dans un champ de turbulence homogène isotrope est ensuite retenue. Les effets des hétérogénéités de concentration vues par les microorganismes, sont traduits à l’échelle de la population entière. Une loi analytique permettant de construire la distribution de flux reçus par les microorganismes à partir de la distribution de concentration en substrat dans le fluide, est proposée. Partant de cette distribution de concentrations vues, l’adjonction d’un modèle métabolique simplifié permet d’expliquer les baisses de vitesse spécifiques de croissance et la formation de sous-produits observées expérimentalement. Enfin, de premiers résultats sur le couplage inverse biologique sont présentés. L’effet des microorganismes sur le champ de concentration est caractérisé et une étude paramétrique sur les propriétés dynamiques et biologiques est réalisée. / The scale-up of biological process is a critical issue in the bioprocess industry. When passing from a laboratory to an industrial scale, the conversion yield of substrate into biomass is often overestimated and by-products are formed. Different existing works attempt to predict the effect of mixing on biomass growth and the emergence of substrate concentration gradients at the reactor scale are a first explanation of the degraded performances. In this work the interactions between micro-mixing and substrate assimilation are addressed at the microorganism scale. A coupled transport-assimilation model is proposed for an isolated microorganism. The emergence of physical and biological regimes limiting the substrate assimilation is enlightened. An approach based on the Lagrangian tracking of microorganisms in a homogeneous isotropic turbulent field is then chosen. The effects of local concentration heterogeneities seen by microorganisms are observed at the population scale. An analytical expression is proposed for the assimilated substrate flux distribution by the microorganisms, based on the substrate concentration distribution in the fluid. From these concentrations encountered by microorganisms, we coupled a simplified metabolic model that explains the decreased specific growth rate, and the by-products formation often observed in many experiments. Finally, first results on the biological two-way coupling are proposed. The effect of microorganisms on the substrate field is characterised and a parametric study on the dynamics as well as biological parameters is realised.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique et théorique de la modulation de la turbulence par des particules. Cette étude s'appuie sur des résultats issus de simulations de type Euler/Lagrange qui résolvent directement les équations instantanées de la phase gazeuse et effectuent un suivi de trajectoires des particules. La configuration étudiée représente une nappe de particules injectées à haute vitesse dans une turbulence homogène isotrope décroissante. Le mouvement des particules est supposé uniquement gouverné par la force de traînée visqueuse. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage inverse) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement est menée pour déterminer les effets directs et indirects des particules sur la turbulence fluide. L'étude des transferts d'énergie entre phases montre que la présence des particules tend à détruire la turbulence gazeuse au centre de la nappe et à l'augmenter à la périphérie. Ce dernier effet est causé par la forte corrélation entre la distribution de particules et la vitesse instantanée du gaz. Le modèle k-epsilon est ensuite étudié et la validité de ses hypothèses de fermeture en écoulement diphasique est éprouvée à l'aide de tests a priori. une nouvelle formulation de type viscosité turbulente, fonction des paramètres diphasiques, est utilisée pour modéliser le tenseur de Reynolds du gaz. Une équation de Langevin diphasique est également testée pour modéliser les équations de vitesse de dérive et de covariance des fluctuations de vitesse fluide-particules.