Ce manuscrit présente des études expérimentales sur l'évaporation de gouttes et la chimiotaxie de la mite.Une première partie s'intéresse à l'évaporation de spray dense au moyen d'une nouvelle approche, par analogie avec le mélange scalaire. Dans cette limite de forte densité en gouttes, où il y a saturation en vapeur au sein des structures constituantes, l'évaporation est principalement fonction de l'étirement auxquelles ces structures sont soumises. C'est en effet celui-ci qui conditionne le taux d'évacuation de cette vapeur interstitielle, ce qui permet de mettre les gouttes en contact avec un environnement plus sec, déclenchant ainsi leurs évaporations.Une deuxième partie s'intéresse à une application de la compréhension de cette dynamique d'évaporation de spray dense à un contexte d'entomologie: la chimiotaxie de la mite. Il s'agit du processus par lequel l'animal va se repérer dans un champ de concentration, pour localiser la source d'une substance attractive par exemple (ici de la phéromone sexuelle). Cette partie a tendu vers l'obtention d'une visualisation conjointe de la trajectoire de l'animal et du champ de concentration sous-jacent par la visualisation des gouttes. / This thesis present some experiments on droplets evaporation and moth chemotaxis.In a first part, dense spray evaporation is explained through a new approach, drawing an analogy with scalar mixing. In this high density droplets limit, where vapor saturation is reached within the structures, evaporation is mainly controlled by the intensity at which these structures are stretch. It is indeed the stretching that controls the rate at witch interstitial vapor is evacuated: droplets are thus in contact with a dryer environment, so they can start to evaporate.A second part take an interest in applying dense spray evaporation dynamic understanding to an entomologist situation: moth chemotaxis. This is the process by which animals find their way in a concentration field, such at finding a chemoattractant source for instance (sexual pheromone in our case). This part tended towards visualizing animal trajectory and concentration field underlying through droplets visualization simultaneously.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23614号 / 工博第4935号 / 新制||工||1771(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 黒瀬 良一, 教授 花崎 秀史, 教授 岩井 裕 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Dans un moteur à propergol solide, l’écoulement dépend fortement des gouttes d’alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s’élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d’aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu’elles coalescent lorsqu’elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d’inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des “fluides” de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d’ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d’effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l’ordre deux sur maillages structurés ainsi qu’un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d’inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d’intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L’ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d’une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d’évaluer la faisabilité de l’approche et d’orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticules. / In solid rocket motors, the internal flow depends strongly on the alumina droplets, which have a high mass fraction. The droplet size distribution, which is wide and spreads up with coalescence, plays a key role. Solving for unsteady polydisperse two- phase flows with high accuracy on the droplet sizes is a challenge for both modeling and scientific computing: (1) very small droplets, e.g. resulting from the combustion of nanoparticles of aluminum fuel, encounter Brownian motion and coalescence, (2) small droplets have their velocity conditioned by size so they coalesce when having different sizes, (3) bigger droplets have an inertial behavior and may cross each other’s trajectory, and (4) all droplets interact in a two-way coupled manner with the carrier phase. As an alternative to Lagrangian approaches, some Eulerian models can describe the disperse phase at a moderate cost, with an easy coupling to the carrier phase and with massively parallel codes: they are well-suited for industrial computations. The Multi- Fluid model allows the detailed description of polydispersity, size/velocity correlations and coalescence by separately solving “fluids” of size-sorted droplets, the so-called sections. In the present work, we assess an ensemble of models and we develop a numerical strategy to perform industrial computations of solid rocket motor flows. (1) The physics of nanoparticles is assessed and included in a polydisperse coalescing model. High order moment methods are then developed: (2) a Two-Size moment method is ex- tended to coalescence to treat accurately the physics of polydispersity and coalescence and the related numerical developments allow to perform applicative computations in the industrial code CEDRE; (3) a second order velocity moment method is developed, together with a second order transport scheme, to evaluate a strategy for a moderately inertial disperse phase, and academic validations are performed on complex flow fields; (4) a time integration strategy is developed and implemented in CEDRE to treat efficiently two-way coupling, in unsteady polydisperse cases including very small particles. The developments are carefully validated, either through purposely derived analytical formulae (for coalescence and two-way acoustic coupling), through numerical cross-comparisons (for coalescence with a Point-Particle DNS, for applicative cases featuring coalescence and two-way coupling with a Lagrangian method), or through available experimental results (for coalescence with an academic experiment, for the overall physics with a sub-scale motor firing). The whole strategy allows to perform applicative computations in a cost effective way. In particular, a solid rocket motor with nanoparticles is computed as a feasibility case and to guide the research effort on motors with nanoparticle fuel propellants.

Le développement actuel des moteurs doit répondre à une volonté de réduction de la consommation et à des normes de plus en plus sévères. Les moteurs Diesel, bien que performants, présentent des émissions trop importantes d'oxydes d'azote (NOx) et de particules de suies. Ces émissions polluantes proviennent essentiellement de l'existence de zones riches en carburant ne permettant pas une combustion optimale. La préparation du mélange air / carburant, fortement conditionné par l'entraînement d'air par le spray est donc essentielle. La Vélocimétrie par Images de Particules sur traceurs Fluorescents, associée à un traitement spécifique des champs de vitesses instantanés de la phase gazeuse externe sont utilisés afin d'obtenir des mesures en proche frontière du spray. Dans la zone quasi statique du spray, un effet important de la densité ambiante sur le taux de mélange est mis en évidence. D'autre part, la diminution du diamètre de trou d'injecteur améliore sensiblement le taux de mélange local. Pour compléter cette analyse, un gain du taux de mélange entre les deux injecteurs est calculé pour chaque densité ambiante. Pour les fortes densités, le gain issu de la réduction du diamètre de trou peut at! teindre une valeur importante (> 60%). La phase gazeuse latérale dans la zone instationnaire du spray est ensuite investiguée et la méthodologie de la F-PIV est transposée à cette zone. Un lien entre la longueur de pénétration du spray et des longueurs d'entraînement est défini. La densité ambiante n'a pas d'effet sur ces longueurs d'entraînement. La diminution du diamètre de trou engendre une augmentation du gaz entraîné à une distance plus courte du nez de l'injecteur. Cependant, cette étude montre que les deux sprays n'engendrent pas un entraînement de gaz similaire. / The actual development of the engine must reply to a will of fuel consumption reduction and to stricter norms concerning the pollutant emissions. Although the Diesel engines are competitive, the NOx and soot particle emissions mainly come from the existence of wealthy fuel zone preventing an optimal combustion. Therefore, the air / fuel mixing preparation, highly controlled by the air entrainment in spray, is essential. Particle Image Velocimetry on fluorescent tracers, associated with a specific processing of the instantaneous velocity fields have been applied to obtain measurements in the near vicinity of the spray edge. In the "quasi- teady" region of the spray, the important effect of the ambient density on the mixing rate has been pointed out. On the other hand, an orifice diameter decrease significantly improves the local air / fuel ratio. To complete this analyse, a gain in mixing rate between two different injectors has! been calculated for each gas density. For high densities, the gain due to a reduction of the hole diameter can reach important value (> 60%). Then, lateral gaseous phase in no stationary zone of spray is studying and F-PIV method is transposed to this zone. A link between the penetration length and entrainment lengths is defined. Ambient density has not effect on entrainment lengths. The hole diameter decrease generates entrained gas increase at shorter distance of injector nozzle. However, this study shows two sprays do not generated the same gas entrainment