Ce travail est consacré à l'étude de la propagation et de la structure des flammes dans le cas des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, un code de simulation numérique directe (DNS) est utilisé. Les équations et le modèle chimique employés dans le code de DNS sont tout d'abord présentés. Ensuite, une étude des flammes diphasiques laminaires est réalisée. Dans un premier temps, une étude analytique portant sur la dynamique d'évaporation des gouttes est proposée. L'influence importante sur le mode de combustion du rapport entre le temps de préchauffage de la goutte et le temps d'évaporation, est mise en évidence. La simulation de la propagation d'une flamme au sein d'un nuage de gouttes est réalisée et un comportement de flamme pulsée est abordée. Une étude de ces flammes en fonction de la topologie du combustible liquide nous a permis de montrer qu'elles avaient une structure de flamme double composée d'une flamme de prémélange suivie d'une flamme de diffusion. L'étude des flammes turbulentes diphasiques fait l'objet de notre dernière étude. Des DNS de l'injection de sprays monodisperses sont effectuées en variant les paramètres d'injection de la phase liquide (densité, rapport d'équivalence). La base de données obtenue nous permet de décrire les régimes de flamme locaux et globaux apparaissant dans la combustion de sprays, et qui sont répertoriés en quatre familles principales : régime externe ouvert et fermé, combustion de groupe et combustion mixte. Enfin, un diagramme de combustion est développé, impliquant le temps d'évaporation des gouttes, la distance inter-gouttes ou inter-groupes de gouttes, et enfin le rapport d'équivalence injecté.

Cette étude porte sur le transfert thermique entre un bain d'HeII pressurisé et un écoulement forcé d'HeII diphasique. Nous avons confirmé des résultats précédents ayant mis en évidence une amélioration de l'échange thermique à forte vitesse de vapeur par rapport à celui attendu. Nous sommes en mesure d'expliquer cette amélioration par la présence d'un film liquide de quelques microns sur les parois, mesuré par une sonde capacitive pariétale. En parallèle, nous avons détecté et caractérisé un brouillard de gouttes qui apparaît également à forte vitesse de vapeur. A partir de cette caractérisation, nous avons tenté d'estimer la puissance frigorifique fournie par les gouttes heurtant la paroi, pour la comparer aux non-linéarités observées du transfert thermique. Cette approche suggère que c'est bien le brouillard qui conduit à la formation du film en paroi, même si, faute d'un modèle complet de dépôt des gouttes, nous ne pouvons confirmer définitivement ce scénario.

Les simulations et l'étude expérimentale présentée dans ce mémoire ont pour but d'améliorer les diagnostics optiques afin de comprendre la physique de la pulvérisation et l'évaporation des gouttes. L'anémométrie Phase Doppler permet déjà de connaître la corrélation taille-vitesse dans un milieu relativement dilué. L'objectif des simulations numériques expliquées dans ce mémoire est de présenter la faisabilité d'étendre les mesures PDA à la mesure de d'indice de réfraction des gouttes. L'extension proposée, appelée l'anémométrie Phase Doppler à point sde gloire est basée sur l'analyse de la lumière diffusée par les points de gloires de la réflexion et de la réfraction d'une goutte se séplaçant dans un volume de mesure type PDA. Une des autres difficulté concernant l'étude de l'atomisation est la forte densité des sprys à la sortie des injecteurs de types automobile. la vélocimétrie laser par corrélation permet de connaître la vitesse des structures par l amesure d'un temps de vol. Dans le cadre de ce travail de thèse, cette technique a été validée et implantée au laboratoire.

L'effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d'un gradient de tension interfaciale induit par la présence d'un gradient de température sur une interface fluide. Il se manifeste par (i) la migration d'un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion de l'interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notamment en microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaire induit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiques élémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative. La déstabilisation d'un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est également présentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact, pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d'une microfabrication dédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites, et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectronique simple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé.

On s'intéresse dans ce travail à la simulation et l'approximation d'écoulements diphasiques avec transition de phase. Il s'agit de modéliser la dynamique d'une bulle de cavitation. Le modèle repose sur les équations d'Euler en coordonnées sphériques, l'interface gaz-liquide étant indiquée par une fonction de couleur. Dans une première partie, aucun transfert de masse n'est supposé. Un schéma Lagrange-projection est d'abord proposé : seule l'interface est déplacée à la vitesse du fluide. La projection repose sur un algorithme de suppression-découpage qui assure que les volumes ne deviennent pas négatifs. Le second chapitre traite du terme source géométrique. On construit un schéma équilibre articulé autour du schéma VFRoe-ncv pour lequel on propose une correction entropique non paramétrique. Un méthode d'ordre élevé de type Galerkin discontinu est ensuite étudiée dans le cadre de la magnétohydrodynamique. L'intégration en temps est réalisée par une méthode de type Adams-Bashforth, qui s'avère bien adaptée aux algorithmes de pas de temps local. La deuxième partie de la thèse traite de la modélisation du changement de phase liquide-vapeur. L'inf-convolution et la transformée de Legendre définissent une structure naturelle pour la construction de loi de pression de mélange. En particulier on montre que la construction de Maxwell est équivalente à la construction de l'enveloppe convexe de l'énergie de van der Waals. Un algorithme de transformée de Legendre rapide, adapté à la prise en compte correcte des bords du domaine de calcul de loi d'état, est développé. La méthode est appliquée à la construction de lois de pression tabulées de mélanges binaires miscibles ou immiscibles de gaz raides.

L'allumage ou le rallumage d'une turbine à gaz dans une atmosphère froide et raréfiée est un problème crucial pour les constructeurs aéronautiques. Le but de cette thèse est de développer une méthode de simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier la combustion et l'allumage dans les géométries réalistes de foyers aéronautiques. L'approche théorique instationnaire prend en compte les caractéristiques essentielles de ces phénomènes en réalisant le couplage entre les modèles de turbulence, de dispersion du spray de carburant et de combustion. L'outil LES est validé dans des cas académiques puis appliqué à une configuration réaliste de foyer d'hélicoptère comportant 18 secteurs identiques. Le régime stationnaire et la séquence d'allumage d'un secteur isolé sont d'abord analysés. Grâce au calcul massivement parallèle, l'étude est ensuite étendue à l'allumage complet des 18 secteurs, apportant un éclairage nouveau sur la physique du phénomène.

Dans une optique de sécurité pyrotechnique, le CEA DAM s'intéresse aux moyens d'atténuer les ondes de souffle par des mousses aqueuses. L'objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques régissant la propagation et l'interaction d'une onde de choc avec une mousse, et d'en proposer une modélisation. Une mousse aqueuse est un milieu diphasique constitué d'un assemblage de cellules de gaz séparées par une phase liquide. Cette thèse s'intéresse principalement à des mousses aqueuses, qualifiées de sèches dont le foisonnement (inverse de la fraction volumique) est supérieur à 20. Les travaux ont été organisés autour de la conception et la réalisation de deux campagnes expérimentales. La première, réalisée en Tube à Choc (TaC) à l'IUSTI Marseille, a permis de déterminer le comportement de la mousse soumise à une onde de choc plane. La seconde campagne a été effectuée sur le champ de tir du CEA au Polygone d'Expérimentation de Moronvilliers. Cette expérience a été conçue dans le but d'obtenir une base de données pyrotechniques. Ces deux campagnes ont alors servi au développement d'un modèle numérique, reposant sur un formalisme multiphasique eulérien résolu grâce à la Méthode des Equations Discrètes. L'analyse des résultats expérimentaux en TaC a permis de montrer que, sous l'effet de forts gradients de pression, les films rompent et la mousse s'effondre en un ensemble de ligaments liquides : les Bords de Plateau se déforment puis se fragmentent en un spray. La structure de l'onde incidente est alors composée de deux parties, un choc précurseur générant une surpression de plus d'une centaine de millibars et qui est la signature de la fragmentation de la mousse et un train d'ondes de compression traduisant la mise en vitesse des Bords de Plateau dans l'écoulement gazeux. Les expérimentations pyrotechniques ont permis de corroborer ces résultats obtenus en TaC. Enfin, l'analyse numérique effectuée confirme également que le foisonnement de la mousse est le paramètre principal qui permet de contrôler l'atténuation des ondes de souffle dans les mousses aqueuses. Les simulations numériques ont également permis de restituer la structure complexe de l'onde de souffle et de déterminer les phénomènes prépondérants.

En cas de perte de confinement (rupture d'un piquage) sur un réservoir de gaz liquéfié sous pression, il y aurait un écoulement diphasique (liquide-vapeur) critique. L'objet de ce mémoire est de valider les modèles décrivant ces écoulements vis à vis de differents fluides (eau, R11, méthanol, acétate d'éthyle, butane pur, butane commercial). Une installation expérimentale de taille pilote a été réalisée. Dans la conduite d'essai (L=535 mm, D=8 mm) l'écoulement est quasi-stationnaire, critique, adiabatique et reproductible. L'écart à la saturation en amont est mesuré à 25 mbar près, ce qui permet de mesurer le débit à saturation à +/- 12%. Une représentation adimensionnelle des résultats montre que la pression en amont réduite est le paramètre prépondérant. Ce résultat nouveau semble indiquer qu'un modèle peut être validé avec un minimum de fluides, pour peu que l'on raisonne en coordonnées réduites. Les modèles homogènes hors équilibre thermodynamique (DEM, HRM) sont les plus précis. HRM est le plus adapté au calcul du débit de fuite, même si il peut devenir tres majorant aux pressions réduites élevées. Aucun modèle ne prend correctement en compte la sensibilité du débit à la pression réduite. Ce biais peut avoir au moins deux origines : une influence non négligeable du glissement entre phases ou une cinétique de vaporisation perfectible. Ecrire un bilan énergetique sur la phase vapeur semble physiquement pertinent pour exprimer la cinétique de vaporisation. Mais il est également impératif de quantifier la nucléation.

L'IFPEN (Institut Français du Pétrole-Énergies Nouvelles) développe, depuis les années 80, un type de pompe polyphasique rotodynamique axiale pour le transport de pétrole brut et de gaz naturel utilisant une seule et même tuyauterie de production. S'agissant maintenant d'une technologie mature et commercialisée par des sociétés licenciées, IFPEN souhaite désormais étendre le domaine d'application de ces pompes polyphasiques dites de type "Poséidon" au conditionnement et au transport du CO2 en vue de son injection dans les aquifères salins profonds ou dans des réservoirs épuisés. Comme toutes les pompes ou les compresseurs, on caractérise le fonctionnement de ces pompes par des courbes qui donnent, en fonction du débit, une élévation de pression et un rendement pour une vitesse de rotation donnée. Dans le cas de pompes diphasiques, on associe généralement un paramètre supplémentaire que l'on appelle "efficacité diphasique". L'IFPEN définit l'efficacité diphasique comme le rapport du gain de pression réel de la pompe et du gain de pression idéal c'est-à-dire l'augmentation de la pression que subirait un fluide considéré comme homogène avec une masse volumique équivalente à celle d'un mélange diphasique connu. Ce paramètre supplémentaire est supposé quantifier la dégradation du gain de pression liée à la présence de gaz à la traversée de la pompe. La littérature montre que la dégradation des performances est liée à une accumulation de la phase dispersée dans une zone bien précise des canaux des rotors. La physique des phénomènes mis en jeu est relativement bien décrite et il est admis que les paramètres essentiels qui interviennent sur les dégradations sont liés à la taille des particules de gaz et à la force de traînée qui s'exerce sur elles. Compte tenu des équilibres des forces qui régissent les écoulements, les évolutions des bulles de gaz sont différentes en machines radiales de celles des machines axiales. Différents travaux portent sur la modélisation de ces écoulements utilisant des simulations numériques 3D surtout dans les machines radiales. Ils visent généralement à vérifier le comportement des bulles dans les canaux entre les aubes. Aucun d'entre eux cependant ne donne une évaluation de la dégradation des performances de la pompe, et même si des tentatives existent, elles ne s'appliquent qu'au point nominal de fonctionnement et pour des très faibles taux de gaz. L'objectif de notre étude est d'apporter un éclairage nouveau sur les évolutions de l'efficacité diphasique d'une pompe diphasique, en particulier en fonction de ses paramètres géométriques globaux, des paramètres physiques des fluides en présence, en particulier du CO2, et des conditions opératoires à l'entrée de la pompe. Pour ce faire, il est nécessaire de bien cerner les mécanismes responsables de la dégradation des performances des pompes poly-phasiques. Nous sommes parti du principe que l'efficacité diphasique traduisait à la fois une hétérogénéité du mélange liquide / gaz et une modification de l'écoulement au voisinage du bord de fuite des étages de la pompe sous l'effet de glissement entre la phase continue et la phase dispersée. L'objectif de nos travaux est d'apporter une contribution à la quantification de ces effets et en particulier ceux qui proviennent des modifications angulaires des écoulements au bord de fuite des aubages des roues de pompes.

Cette thèse constitue une contribution à la modélisation numérique diphasique du transport sédimentaire en milieux côtiers et estuariens. L'approche diphasique diffère de l'approche dite classique en résolvant des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de transport pour l'énergie cinétique turbulente séparément pour chaque phase. Les interactions entre le fluide et les particules sont alors représentées par des termes de transfert entre les deux phases. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la modélisation de la turbulence dans les écoulements diphasiques fluide particule.<br /><br />En terme de résultats, nous montrons que l'approche développée est capable de reproduire quantitativement les principaux processus mis en jeu dans le transport sédimentaire de particules non cohésives : la sédimentation et la dispersion turbulente des particules en milieu dilué. Le modèle développé confirme l'existence d'une différence de vitesse horizontale entre les particules et l'eau. Il simule les effets de dispersion des particules par le mouvement turbulent du fluide et l'atténuation de l'énergie cinétique turbulente du fluide due à la présence des particules. Une autre originalité de ce travail est de proposer un modèle diphasique à surface libre, bidimensionnel vertical, pour la simulation du transport sédimentaire. Nous avons identifié des lacunes entre les théories et les expériences notamment pour la simulation de la turbulence en écoulement dense. Nous proposons des solutions pour améliorer la simulation du comportement de matériaux cohésifs. Une tentative de simulation hydrosédimentaire sur l'estuaire de la Seine est présentée. Le phénomène de bouchon vaseux est qualitativement reproduit par le modèle sans qu'aucune loi d'érosion ou de dépôt ne soit imposée.