Dans ce mémoire, on s'intéresse à la simulation des écoulements liquide-vapeur en transition de phase. Pour décrire ces écoulements, une approche bifluide moyennée à deux pressions indépendantes est retenue. Cette description du mélange liquide-vapeur s'appuie sur le modèle à sept équations de Baer et Nunziato. On étudie les aptitudes de cette modélisation à simuler les transitions de phase apparaissant en ingénierie nucléaire.<br /><br />Dans un premier temps, on élabore un cadre thermodynamique théorique pour décrire les écoulements liquide-vapeur. Dans ce cadre, on réalise la fermeture du modèle de Baer et Nunziato. De nouvelles modélisations sont proposées pour les termes d'interaction entre les phases. Ces nouvelles modélisations dotent le modèle bifluide à deux pressions d'une inégalité d'entropie. On étudie ensuite les propriétés mathématiques de ce modèle. Sa partie convective hyperbolique se présente sous une forme non-conservative. On étudie tout d'abord la définition de ses solutions faibles. Divers régimes d'écoulement sont alors mis à jour pour le mélange diphasique. Ces différents régimes d'écoulement présentent des analogies avec le comportement fluvial et torrentiel des écoulements en rivière. Les stabilités linéaire et non-linéaire de l'équilibre liquide-vapeur sont ensuite établies. Pour affiner notre description des interactions diphasiques, on étudie pour finir l'implémentation d'un modèle de turbulence, ainsi que l'implémentation d'une procédure de reconstruction pour la densité d'aire interfaciale.<br /><br />On s'intéresse ensuite à la simulation de ce modèle. Suivant une approche à pas fractionnaires, une méthode numérique est élaborée dans un formalisme Volumes Finis. Pour réaliser l'approximation de la partie convective, diverses adaptations non-conservatives de solveurs de Riemann standard sont tout d'abord proposées. A l'inverse du cadre non-conservatif classique, l'ensemble de ces schémas converge vers une unique solution. Un nouveau schéma de relaxation est ensuite proposé pour approcher la dynamique des transferts interfaciaux. L'ensemble de la méthode numérique se caractérise alors par la préservation des équilibres liquide-vapeur. Dans un premier temps, cette méthode numérique est employée à la comparaison des différentes modélisations bifluides à une et deux pressions. On l'applique ensuite à la simulation des écoulements liquide-vapeur dans les circuits hydrauliques des réacteurs à eau sous pression en configuration accidentelle.

France Télécom possède des armoires de télécommunication dont la puissance est limitée à cause de la dissipation thermique des équipements actifs qui entraîne une augmentation de leur température interne. La puissance des équipements limite le nombre de clients qu'il est possible de connecter aux services des réseaux à hauts débits. En plus de cette contrainte, les armoires sont soumises à des effets liés au climat (ensoleillement) qui peuvent être sévères et difficiles à maîtriser. Ceci nécessite l'intégration de systèmes de refroidissement permettant de maintenir la température des composants en dessous de la limite imposée (55°C). C'est dans cet objectif que ce travail de thèse a été mené au sein du laboratoire FEMTO-ST en collaboration avec le service R&D de France Télécom à Lannion. Le refroidissement par changement de phase est favorisé pour maintenir la température de fonctionnement du système stable et pour être utilisé dans les systèmes à haute densité de puissance. Les boucles diphasiques sont des systèmes de refroidissement pour le contrôle thermique et fonctionnent passivement sans pompage mécanique du fluide caloporteur. Après une étude bibliographique sur les boucles de refroidissement diphasiques et leurs applications, on a constaté que les boucles thermosiphons sont particulièrement adaptées aux applications où le faible coût, l'efficacité énergétique et la fiabilité d'entretien sont souhaités. Cette étude a été conduite en suivant un cahier de charge proposé par France Télécom qui consiste à : (i) développer un modèle numérique permettant de modéliser les transferts échangés entre l'armoire de télécommunication et le milieu ambiant, (ii) mener une étude expérimentale en vue de concevoir une boucle thermosiphon pour le refroidissement d'armoires de télécommunication.Le mémoire de cette thèse montre la limitation des systèmes de refroidissement classiques utilisant des écoulements d'air en convection forcée ou autre fluides sans changement de phase. Un modèle numérique est développé afin de permettre la prédiction des températures à l'entrée des boitiers chauffants pour différentes conditions climatiques. Le choix est porté sur l'utilisation d'une modélisation par réseau nodal. La modélisation est effectuée en tridimensionnel et en régime transitoire. Nous avons également modélisé le rayonnement solaire auquel est soumise l'armoire de télécommunication. Le modèle développé a été validé en effectuant une comparaison entre les résultats issus de la modélisation et ceux obtenus à partir des expériences menées au laboratoire et à la plateforme CLIMA chez France Télécom. Les essais sont effectués en régime transitoire en imposant une puissance électrique et en faisant varier la température ambiante ou la densité de flux thermique solaire. L'ensemble des résultats obtenus ont permis de constituer une base de données. Le deuxième objectif fixé dans le cadre de ce travail de thèse est la conception d'un système de refroidissement sous forme d'une boucle thermosiphon. La contrainte principale qui a guidée cette conception était le fait que la boucle doit refroidir l'armoire et assurer une température d'air à l'entrée des équipements inférieure à la limite imposée par la norme ETSI. Ceci nous a mené à concevoir un prototype de boucle thermosiphon dont la puissance thermique qu'il doit dissiper est imposée. On a montré que ce prototype permet de dissiper des puissances thermiques allant jusqu'à 470 W en utilisant une petite charge de npentane. Nous avons effectué des essais sur le refroidissement du prototype d'armoire de télécommunication en utilisant la boucle thermosiphon légèrement modifiée. On montre que les performances thermiques obtenues en utilisant un mode de refroidissement en boucle thermosiphon sont meilleures. Les boucles thermosiphons semblent intéressantes pour un refroidissement passif de matériels déployés dans un réseau de télécommunication...

En simulation de réservoir, les variations spatiales des propriétés des roches sont données par un modèle géologique défini sur une grille pouvant comporter plusieurs centaines de millions de mailles. Simuler des écoulements polyphasiques sur ce type de grille peut être très coûteux en temps de calculs. Les ingénieurs de gisement procèdent souvent à une mise à l'échelle de ces propriétés sur une grille plus grossière, utilisée ensuite pour la simulation. Cette façon de procéder ne permet pas toujours de bien prendre en compte l'influence sur l'écoulement des hétérogénéités présentes à l'échelle fine. Plusieurs méthodes multi-échelles ont donc été proposées ces dernières années afin d'obtenir un meilleur compromis entre les temps de calculs et la précision des solutions obtenues. Actuellement, la plupart de ces méthodes permettent de résoudre plus efficacement l'équation en pression. Les équations de transport sont, quant à elles, toujours résolues sur la grille fine. La première partie de cette thèse présente la mise en œuvre et les résultats de tests réalisés sur la méthode des éléments finis mixtes multi-échelles dans un environnement de calcul parallèle. Le second et principal objectif de ce travail est de proposer une nouvelle méthode multi-échelle pour la simulation du transport d'un traceur dans un milieu poreux. Cette méthode est construite à partir de résultats rigoureux d'homogénéisation en milieux périodiques. Cette thèse fournit une vitesse de convergence explicite pour ce procédé d'homogénéisation ainsi qu'une estimation d'erreur pour la méthode numérique multi-échelle associée. Des exemples numériques sont ensuite présentés.

Lors de sa détente dans une turbine, la vapeur subit une chute d'enthalpie qui entraîne sa condensation spontanée sous forme d'un nuage de gouttelettes submicroniques. Ces gouttes vont se déposer sur les aubes aval et y former un film d'eau. Ce dernier est arraché sous l'effet de l'écoulement de vapeur environnant ce qui crée des gouttes de quelques dizaines de microns qui peuvent se redéposer sur les aubes aval. Ces phénomènes sont à l'origine de pertes, généralement regroupées sous le terme générique de "pertes par humidité", estimées grâce à la loi de Baumann. Le but de cette thèse est de mettre en place dans un code méridien des modèles permettant la prise en compte des phénomènes de condensation, de déposition et d'écoulement des films liquides afin de pouvoir estimer les pertes liées à chacun d'entre eux. Dans cette optique un modèle diphasique homogène permettant d'avoir accès à la fraction massique de liquide et au nombre de gouttes est implanté dans le code méridien. Ce modèle est validé sur un cas test expérimental de détente en tuyère et alimente le modèle de déposition. Les contributions de la diffusion, de la turbophorèse, de la thermophorèse, de la gravité et de l'inertie des gouttes à la déposition sont étudiées. Il apparaît nécessaire de prendre en compte la diffusion, la turbophorèse et la déposition inertielle sur les bords d'attaque des aubes. Un modèle permettant d'avoir accès à l'épaisseur et à la vitesse d'un film liquide soumis au cisaillement d'un écoulement environnant, à la force de frottement sur la paroi et aux effets de la rotation est mis en place. Ce modèle est validé par rapport à des résultats expérimentaux d'écoulement de film liquide sur une plaque plane dans des conditions proches de celles rencontrées en turbine à vapeur basse pression. Finalement, un calcul réalisé sur une géométrie réelle de turbine basse pression de 8 étages permet de démontrer l'applicabilité de la méthodologie mise en place sur un cas industriel. Les contributions des phénomènes étudiés aux pertes par humidité sont explicitées.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude de l'évolution des régimes d'écoulements diphasiques lors de l'évaporation progressive dans un canal horizontal. Le but est de mieux comprendre l'écoulement à l'intérieur d'un tube récepteur d'une centrale solaire à concentration à génération directe de vapeur. Cette technologie, présentée comme une amélioration des systèmes actuels pouvant permettre une réduction des coûts, consiste en la production de vapeur directement sous l'effet du rayonnement solaire concentré. La prévision de l'écoulement liquide-vapeur alors généré dans le tube est encore de nos jours difficile, c'est pourquoi le recours à la simulation numérique est intéressant. Pour cela un modèle a été développé permettant la simulation de ces écoulements, depuis le début de la création de la vapeur jusqu'à l'existence de larges poches. Basé sur le modèle diphasique VOF du code Fluent, par l'ajout de fonctions personnalisées et d'une phase dispersée supplémentaire, il permet de modéliser différents phénomènes liés au processus d'évaporation : création en paroi, transport, recondensation et création de larges structures. Ce développement a été mis en oeuvre pour simuler des écoulements en évaporation, permettant de reproduire l'évolution des régimes d'écoulement. La validation est faite grâce à une étude expérimentale de la littérature, en comparant les régimes d'écoulements obtenus pour différents débits de liquide et sous l'effet de différents flux de chaleur. Enfin, le modèle a été appliqué à la simulation de la génération de vapeur dans le tube récepteur d'une centrale solaire, mettant en évidence l'apparition et l'évolution des différents régimes d'écoulement. Au vu du peu d'installations expérimentales trouvées dans la littérature sur le sujet, et afin de valider au mieux les fonctions développées, une installation expérimentale a été conçue et dimensionnée. / This PhD thesis is about the study of two-phase flow patterns evolution during progressive evaporation in horizontal tubes. The goal is to better understand the flow regimes inside a receiver tube of a concentrated solar power plant with direct steam generation. This technological evolution allows vapor production directly inside the solar field, which can lead to coast reductions. A two-phase liquid-vapor flow occurs inside the tube, which is currently still difficult to predict. Numerical simulation is an interesting way to investigate these complex phenomena. A model has been developed in order to simulate the flow patterns, from first vapor generation to large vapor slugs. It is based on Fluent software's two-phase VOF model, to which are added user-defined functions and a new dispersed phase. Different phenomena linked to the evaporating process are taken into account: vapor creation at the wall, its transport, recondensation and large structures creation. The model is used to simulate evaporating flows, and retrieves well two-phase flow patterns evolution. Validation is made using experimental data from the literature, by comparing flow regimes obtained for different flow rates and heat fluxes. Finally numerical simulation of direct steam generation inside a concentrated solar plant receiver is conducted, clearly showing apparition and evolution of two-phase flow patterns. Because few experimental data where found in the literature concerning evaporating two-phase flows visualization, a new experimental apparatus has been conceived and sized in order to better validate our numerical results.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude de l'évolution des régimes d'écoulements diphasiques lors de l'évaporation progressive dans un canal horizontal. Le but est de mieux comprendre l'écoulement à l'intérieur d'un tube récepteur d'une centrale solaire à concentration à génération directe de vapeur. Cette technologie, présentée comme une amélioration des systèmes actuels pouvant permettre une réduction des coûts, consiste en la production de vapeur directement sous l'effet du rayonnement solaire concentré. La prévision de l'écoulement liquide-vapeur alors généré dans le tube est encore de nos jours difficile, c'est pourquoi le recours à la simulation numérique est intéressant. Pour cela un modèle a été développé permettant la simulation de ces écoulements, depuis le début de la création de la vapeur jusqu'à l'existence de larges poches. Basé sur le modèle diphasique VOF du code Fluent, par l'ajout de fonctions personnalisées et d'une phase dispersée supplémentaire, il permet de modéliser différents phénomènes liés au processus d'évaporation : création en paroi, transport, recondensation et création de larges structures. Ce développement a été mis en oeuvre pour simuler des écoulements en évaporation, permettant de reproduire l'évolution des régimes d'écoulement. La validation est faite grâce à une étude expérimentale de la littérature, en comparant les régimes d'écoulements obtenus pour différents débits de liquide et sous l'effet de différents flux de chaleur. Enfin, le modèle a été appliqué à la simulation de la génération de vapeur dans le tube récepteur d'une centrale solaire, mettant en évidence l'apparition et l'évolution des différents régimes d'écoulement. Au vu du peu d'installations expérimentales trouvées dans la littérature sur le sujet, et afin de valider au mieux les fonctions développées, une installation expérimentale a été conçue et dimensionnée. / This PhD thesis is about the study of two-phase flow patterns evolution during progressive evaporation in horizontal tubes. The goal is to better understand the flow regimes inside a receiver tube of a concentrated solar power plant with direct steam generation. This technological evolution allows vapor production directly inside the solar field, which can lead to coast reductions. A two-phase liquid-vapor flow occurs inside the tube, which is currently still difficult to predict. Numerical simulation is an interesting way to investigate these complex phenomena. A model has been developed in order to simulate the flow patterns, from first vapor generation to large vapor slugs. It is based on Fluent software's two-phase VOF model, to which are added user-defined functions and a new dispersed phase. Different phenomena linked to the evaporating process are taken into account: vapor creation at the wall, its transport, recondensation and large structures creation. The model is used to simulate evaporating flows, and retrieves well two-phase flow patterns evolution. Validation is made using experimental data from the literature, by comparing flow regimes obtained for different flow rates and heat fluxes. Finally numerical simulation of direct steam generation inside a concentrated solar plant receiver is conducted, clearly showing apparition and evolution of two-phase flow patterns. Because few experimental data where found in the literature concerning evaporating two-phase flows visualization, a new experimental apparatus has been conceived and sized in order to better validate our numerical results.

Dans l'objectif de maîtriser le démarrage des moteurs fusées en vol balistique, il est proposé de caractériser le transitoire de remplissage des cavités d'injection des organes de combustion. L'étude s'effectue principalement sur la cavité tampon, appelée dôme. Le comburant est maintenu sous pression en amont d'une vanne dont l'ouverture contrôle son passage vers une chambre tampon qui est liée à la chambre de combustion à travers un réseau d'injecteurs. Afin d'empêcher la remontée du carburant vers la chambre tampon, un gaz balaye la chambre de l'entrée vers les injecteurs. Cette étude expérimentale consiste à décrire la structure spatio-temporelle de l'écoulement diphasique dans la cavité tampon suite à l'ouverture de la vanne en présence de l'écoulement du gaz de balayage. Il s'agit de suivre l'évolution de l'écoulement sur des temps courts (quelques centaine ms) par un ensemble de mesures (débits, pressions, distribution spatiale des phases, suivi de l'interface) sans ou avec transfert thermique aux parois de la cavité. Des fluides de substitutions sont utilisés. Pour la partie expérimentale sans transfert thermique, de l'eau et de l'air sont utilisés à la place du comburant et du gaz inerte et pour la partie non isotherme du "x" (fluorocarbone) et un gaz "y" ont été choisis. Dans le premier cas, les expériences isothermes ont mis en évidence le comportement typique des grandeurs comme la pression dans la cavité et le débit de liquide entrant ainsi que la distribution des phases en sortie d'injection, tandis qu'une analyse des résultats a montré l'importance des différentes échelles de temps qui interviennent pendant le remplissage: temps d'ouverture de la vanne, temps de recouvrement des injecteurs par le liquide et les temps de remplissage et de vidange de la cavité tampon. Dans le deuxième cas, les parois sont chauffées au-dessus de la valeur d'ébullition du liquide, pour la gamme de pression envisagée dans le dôme. Le but est de quantifier les effets d'un possible changement de phase aux parois et d'évaluer leur importance sur l'écoulement. De plus, les conséquences dues à l'échauffement du gaz de balayage constituent une partie significative du programme expérimental. Le gaz est chauffé indépendamment des parois. Un modèle théorique traitant des différents régimes d'écoulements pendant le transitoire de remplissage permet de reproduire le comportement des pressions, débit liquide et fraction volumique de gaz dans la cavité. L'ensemble de ces mesures permettent de comprendre le transitoire de remplissage de la cavité d'injection dôme et l'analyse théorique qui accompagne ces expériences doit permettre l'extrapolation des résultats obtenus en laboratoire aux conditions réelles (fluides cryogéniques sous microgravité). Elle doit aussi fournir les conditions aux limites requises pour les approches numériques développées par ailleurs ainsi que les bases de données permettant de tester ces simulations. / In order to control the ignition of rocket motors during ballistic flight, the transient flow of comburant into a reservoir or buffer cavity (dôme) and then through a grid of injectors must be carefully characterised. The liquid oxygen is held under pressure upstream of a valve which opens into the dome. The valve opening is a control parameter. To avoid any possible flow of carburant from combustion chamber back into reservoir, the latter is swept with an inert gas, thus ensuring that the pressure in the reservoir remains higher than in the combustion chamber. This experimental study has the aim of characterising the spatio-temporal structure of two-phase flow into the dome following opening of principal liquid valve. Filling the dome and forcing the liquid through the injectors has an overall time scale of some hundred milliseconds. High resolution measurements of liquid and gas flow rates, pressure, phase distribution, interface velocity and temperatures are recorded for different values of the key parameters as well as visualisations. For the experimental program with heat transfer, the comburant was replaced with "x". Much work was carried out on the effects of heat transfer from either the gas or the walls or both to the liquid entering the dome once these were above the liquid boiling point. Previous studies in the LEGI using water and air, and without heat transfer brought to light the important variations in dome pressure and liquid flow rate during the transient, while analysis of results indicated the importance of a number of time scales : value opening time, time for the liquid to cover the injectors, time to fill the dome, time to empty it. For the heat transfer experiments, the walls are heated for the pressure range chosen. The sweep gas is heated too. The aim of these experiments is to seek evidence of a phase-change at the walls or during interaction with the gas and to evaluate its importance. To carry out these experiments, specific instrumentation was used. The whole of these mesures enable us to understand the transient filling of the injection cavity. Thus, theoretical analysis have to allow extrapolations of results obteined in laboratory to real cases (cryogenic liquid under microgravity). Then, we have to give a data base to developp and validate numerical simulation.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR « Uncertain flow optimization » (UFO) consacré au développement et à l’application de méthodes efficaces de quantification d’incertitudes pour l’analyse et l’optimisation d’écoulements. Dans ce contexte, ces méthodes sont appliquées à des gazosiphons de grande échelle utilisés comme pompe. Plus particulièrement, on s’intéresse à de tels gazosiphons choisis pour constituer l’organe central d’un système géothermique innovant,  compatible avec un environnement urbain. On souhaite en quantifier le potentiel énergétique par voie numérique avec la recherche d’un compromis entre justesse des résultats et efficacité optimale. La simulation de l’écoulement diphasique produit dans le gazosiphon est fondée sur un modèle quasi-1D à flux de dérive et s’appuie sur une démarche de résolution implicite. Les résultats sont validés sur les études expérimentales les plus pertinents de la littérature, dont aucune toutefois n’atteint les longueurs requises de l'ordre du kilomètre. Le code de simulation du gazosiphon fait ensuite l’objet d’une démarche de prise en compte d’incertitudes physiques et de modélisation, précédée par une analyse de deux méthodes de quantification d’incertitude : une méthode non-intrusive de type chaos polynomial, et une méthode plus récente dite semi-intrusive qui fut développée en amont du projet UFO. Cet outil est intégré dans une modélisation simplifiée du système géothermique urbain dans son ensemble impliquant les composants en surface, notamment le compresseur d'air. Il en résulte une optimisation énergétique robuste préliminaire de deux variantes du système géothermique urbain proposé, respectivement de récupération de chaleur et de production d’électricité. / This PhD thesis is part of the ANR project « Uncertain Flow Optimization » (UFO). The project is devoted to the development and application of efficient uncertainty quantification methods for flow analysis and optimization. In this framework, these methods are applied to the study of a large-scale airlift pump. The airlift pump is selected to be part of an innovative geothermal system, which can be exploited within an urban environment. We wish to quantify and optimize the energy potential of this new system with numerical tools. They provide both good accuracy and efficiency properties. The airlift two-phase flow simulation is based on a quasi one-dimensional drift flux model, which is implicitly solved. The solver is validated by comparison with relevant experimental airlift studies from the literature. However, these studies remain below the kilometric-targeted pipe length. Thanks to the analysis of two uncertainty quantification methods, a non-intrusive approach relying on polynomial chaos expansion and a new semi-intrusive method developed ahead of the UFO project, we perform airlift pump simulations taking into account physical and modelling uncertainties. This numerical tool is inserted into a simplified model of the complete urban geothermal system that involves surface devices, such as an air compressor. Finally, a robust preliminary optimization process is performed for two versions of the proposed geothermal urban system. They are designed respectively for heat recovery and electricity production.

La production pariétale de bulles de gaz et son impact sur la dynamique de la phase liquide en canal vertical est étudiée numériquement et expérimentalement. Dans un premier temps, un modèle de mélange 2D stationnaire est utilisé pour décrire l’évolution moyenne des panaches de gaz. Grâce à cette approche, un modèle de couche limite a pu être développé et a permis l’identification des nombres adimensionnels pertinents (analogues aux nombres de Rayleigh et de Prandtl pour la thermique) afin de caractériser les écoulements à bulles dispersées. Dans un second temps, un modèle Eulérien-Lagrangien 3D instationnaire, prenant en compte le couplage quadrilatéral (interactions bullesliquide et bullesbulles) est résolu par Simulation Numérique Directe (DNS) et permet ainsi une description plus fine de l’écoulement à l’échelle de la phase dispersée. Enfin, ces approches numériques sont complétées par des mesures de Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE) lors de la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse alcaline. Les modèles d’écoulement proposés ici montrent globalement un très bon accord avec les résultats expérimentaux tirés de la littérature. Les approches homogènes et DNS présentent toutefois quelques disparités sur l’évaluation du taux de vide dans certaines conditions. Parallèlement, les mesures et simulations de SIE ont montré être clairement affectées par les évolutions du panache de bulles, les spectres d’impédance ont notamment mis en évidence une contribution basse fréquence fortement dépendante de la nature de la phase dispersée (taille de bulle et lois de dispersion). Les trois approches (modèle homogène, DNS et SIE) menées conjointement sont donc fortement complémentaires. Elles permettent non seulement une meilleure compréhension de la physique de l’écoulement diphasique, mais offrent aussi une capacité d’analyse de la pertinence des modèles existants tout en ouvrant la voie à leurs futures améliorations / The wall production of gas bubbles and its impact on the liquid dynamics in a vertical channel is studied by means of numerical simulations and experimentation. First, a 2D stationary mixture model is used to describe the averaged plumes evolutions. Through this approach, a boundary layer model has been developed and identified dimensionless numbers (Raleigh-like and Prandtl-like) characteristic of bubbly flows. Secondly, a 3D non-stationary four-way coupled (with bubblesliquid and bubblesbubbles interactions) Eulerian-Lagrangian model is solved by Direct Numerical Simulation (DNS) and allows a finer description of the two-phase flows at bubble-scale. Finally, the numerical methods are completed by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements during hydrogen and oxygen production by alkaline electrolysis.The two-phase flow models are in good agreement with experimental results from literature. There are still some disparities between the homogeneous model and the DNS about the void fraction calculation under certain conditions, though. In the meantime, both EIS measurements and simulations were clearly affected by bubbles plume evolutions, the impedance spectra highlighted a low frequency contribution highly sensible to the nature of the dispersed phase (bubble size a dispersion laws). The 3 approaches (homogeneous model, DNS and EIS) used collectively are strongly complementary. They allow not only a better comprehension of the physics of the two-phase flow, but also serve the analysis of existing models while leading the way for further improvements

Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d’un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l’eau de pluie et à alimenter l’habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d’évacuation et d’augmenter le niveau d’eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l’inconfort pour les occupants du véhicule jusqu’à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l’écoulement est d’abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d’images obtenues par caméra rapide, un algorithme d’analyse d’images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d’air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d’étudier la structure du tourbillon et montrent qu’il existe une interaction entre le tourbillon et l’écoulement d’air destiné à la ventilation de l’habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l’écoulement d’air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d’équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d’eau en modifiant l’écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l’objet d’un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l’aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l’écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d’eau, les dimensions et la position du noyau d’air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature. / This thesis aims to improve the performance of the cowl box in automotive vehicles ; a system dedicated to draining rainwater and providing clean and dry air to the passenger compartment. This work places emphasis on the bathtub vortex phenomenon which leads to decreased drain rate and increased water level in the box. This increase can cause a variety of issues from passenger discomfort to the breakdown of the heating, ventilation and air conditioning unit. An experimental study of the flow was firstly conducted on a simplified geometry. Particle Image Velocimetry (PIV) and capacitive probe for water level measurement have been applied to study the flow structure. In addition, an image processing algorithm has been developped to measure the size of the air core with a fast camera. It enables to study the vortex structure and demonstrates that there is an interaction between the vortex and airflow intended for the ventilation of the passenger compartment. This interaction is caused by the depression created by the airflow which temporarily modifies the vortex structure and leads to a new equilibrium state at a lower water level. A device that allows the efficient reduction of the water level by modifying the upstream flow has also been studied. This device has been patented. Following the experimental aspect of the study, numerical simulations were generated using the OpenFOAM software package. Simulations qualitatively reproduce the flow which had been experimentally observed. Despite the difference on the water level, the size and position of the air core is correctly simulated. Simulation also demonstrates the existence of an airflow sucked through the drain in the air core. Lastly, the experimental and numerical results were compared to various vortex models existing in the literature.