Cette thèse traite principalement des connaissances fondamentales en hydrodynamique et des caractéristiques des réactions gaz-liquide dans des microréacteurs capillaires. Dans une première partie, nous avons effectué des essais dans trois microcanaux circulaires en verre placés horizontalement. Les diamètres étudiés étaient de 302, 496 et 916 µm. Les arrivées de gaz et de liquide se font de manière symétrique et forme un angle de 120° entre elles. Une cartographie des écoulements diphasiques gaz-liquide a été systématiquement faite pour des vitesses du liquide comprises entre 0,1 et. 2 m/s et des vitesses du gaz comprises entre 0,01 et 50 m/s Ces essais mettent en évidence l'influence du diamètre des canaux, de la viscosité du liquide et de leur tension superficielle. Ces mesures ont été comparées avec les cartes décrivant les différents régimes d'écoulement (à bulles, en bouchons de Taylor, annulaires ou sous forme de mousse) et confrontés aux modèles de la littérature qui prédisent les transitions entre les différents régimes. Nous avons mis en évidence que ces derniers n'étaient pas totalement satisfaisant et en conséquence, un nouveau modèle de transition prenant en compte les effets de taille du canal, les propriétés physiques du liquide a été proposé. Les pertes de charge engendrées par ces écoulements gaz- ont été étudiées. Nous avons constaté que la chute de pression est très dépendante du régime d'écoulement. Cependant pour décrire l'évolution de la perte de charge il est commode de la scinder en trois régions: une où les forces de tension superficielle sont le paramètre prépondérant et qui correspond aux faibles vitesses superficielle du gaz, une zone de transition et une dans laquelle les forces d'inertie sont dominantes et qui correspond aux grandes vitesses superficielles du gaz. La prédiction de cette chute de pression dans la troisième zone a été faite à partir d'un modèle de Lockhart-Martinelli. Ce modèle qui prend en compte les flux de chaque phase dépend d'un paramètre semi empirique C. Nous avons proposé de le corréler avec les nombres de Reynolds correspondant à chacune des deux phases en présence. Cette méthode permet de bien rendre compte de nos mesures. Les caractéristiques hydrodynamiques en écoulement de Taylor ont été examinées. Il a été montré que la formation des bulles dans un écoulement de Taylor est dominée par un mécanisme d'étranglement en entrée du capillaire. La taille des bulles dépend fortement de la viscosité du liquide et la tension superficielle. La chute de pression dans cette zone, lorsque le nombre capillaire est relativement faible, peut assez être bien décrite par le modèle de Kreutzer modifiée par Walsh et al… En fin dans une dernière partie, nous avons réalisé une réaction chimique en écoulement de Taylor. L'oxydation du 2-hydrogéne-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) pour former du peroxyde d'hydrogène a été expérimentalement étudiée dans un microcanal circulaire horizontal de 900 µm de diamètre et 30 cm de long. La présence d'une réaction chimique ne modifie que très peu les transitions entre les différents régimes d'écoulement ni l'évolution des pertes de charge. Les cinétiques de conversion du peroxyde d'hydrogène sont environ deux fois plus rapides celles obtenues dans les réacteurs gaz liquide utilisés habituellement. Mots-clés: microcanal, écoulement diphasiques, écoulement de Taylor, pertes de charge, réaction gaz-liquide. / This dissertation mainly deals with the fundamental knowledge of hydrodynamics and reaction characteristics in gas-liquid microreactors. Extensive experimental investigations have been performed in horizontal circular microchannels with diameter from 302 µm to 916 µm. Gas-liquid two-phase flow patterns in the microchannel have been systematic experimental investigated, in which the influence of channel diameters, liquid viscosities and surface tension were considered. Flow pattern regime maps in the present microchannels were developed, and the comparison with existing regime maps and flow pattern transition models in literature implied that transitions in present work could not be well predicted. As a result, a new transition model taking the effects of channel size, liquid physical properties into account was proposed. The gas-liquid two-phase pressure drop characteristics in microchannels were studied. It has been found that the pressure drop was highly flow patterns dependent, and the main trend can be divided into three regions: surface tension-dominated region, transitional region and inertia-dominated region. The pressure drop characteristics in surface tension-dominated and inertia-dominated region were discussed respectively. A modified Lockhart-Martinelli separated flow model in which the effects of channel diameter and liquid properties on the C-value are taken into account was proposed, and it showed a good agreement with respect to our experimental data and others' reported in literature. Hydrodynamics characteristics of Taylor flow have been examined. It was shown that the formation of Taylor flow was dominated by squeezing mechanism, on which the effects of liquid viscosity and surface tension were dramatically. The two-phase pressure drop of Taylor flow could be well predicted with the Kreutzer's model modified by Walsh et al., when capillary number was relatively low. Oxidation of hydrogenated 2-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) in a horizontal circular microchannel have been experimental investigated. Results of visualization study on oxygen-anthraquinone working solution two-phase flow in microchannel showed that the flow pattern transition model and pressure drop model for inertia-dominated region proposed in this dissertation had good predicting accuracy. It was indicated that the gas-liquid interfacial area and space-time yield of hydrogen peroxide in the microchannel are at least one to two orders of magnitude higher than those in the conventional gas-liquid reactors. Keywords: microchannel, two-phase flow pattern, pressure drop, gas-liquid reaction, Taylor flow..

L’objectif de cette thèse est d’étudier l’initiation directe et la propagation d’une détonation dans un milieu cryogénique diphasique GH2-LOx dans le cadre général des moteurs à onde de détonation pour la propulsion spatiale. Un rappel des bases théoriques sur les processus d’atomisation d’un jet liquide, puis sur la détonation en phase gazeuse, et enfin sur la détonation dans un mélange diphasique, constituent le premier chapitre de la thèse. Le deuxième chapitre présente les dispositifs expérimentaux et les techniques utilisés pour mener à bien les expériences de caractérisation du jet diphasique et d’étude de la détonation. Le troisième chapitre est consacré à l’étude dans un tube en quartz de la granulométrie d’un jet diphasique GHe-LOx non réactif. Une cartographie est ainsi réalisée sur l’ensemble du tube, pour différents débits d’injection. Ces résultats sont corroborés par une étude théorique sur une goutte isolée et par une étude numérique sur le comportement du jet en champ proche de l’injecteur. Le quatrième chapitre présente les résultats de l’étude de la détonation dans un tube en acier d’un mélange réactif GH2-LOx. La détonation est étudiée en fonction de divers paramètres : énergie d’initiation stockée, emplacement du dispositif d’initiation par étincelle, richesse globale du mélange. La célérité et la pression de détonation, ainsi que la structure tridimensionnelle de la détonation, sont les principales informations recueillies pour l’étude du phénomène de détonation en mélange diphasique. Une étude théorique des caractéristiques de la détonation apporte des éclairages supplémentaires sur la détonation à très basse température (100 K). / Within the general framework of detonation engines for space propulsion purpose, this work aims to study direct initiation and propagation of detonation in a cryogenic twophase GH2-LO2 mixture. First chapter is constituted by theoretical basis and state of art on atomization processes in liquid jets, then on gas-phase detonation, and finally on two-phase detonation. Second chapter describes experimental set-up and associate techniques in order to carry out two-phase jet characterization and detonation study. Third chapter is dedicated to the study of droplet size distribution of non reactive two-phase GHe-LO2 jet in a quartz tube. Thus, a droplet size map is constituted through the whole tube, for different helium injection speeds. These results are compared with theoretical study dealing with vaporization and movement of a droplet and with numerical simulations on jet behavior close to the injector. Fourth chapter presents results of a detonation study of a reactive GH2-LO2 two-phase mixture in a semi-open tube. Detonation is studied as a function of following parameters: initiation energy, spark initiation device location along the tube, global equivalence ratio. Velocity, peak pressure and three-dimension structure detonation are the main data collected to study two-phase detonation phenomena. A theoretical study of detonation characteristics brings additional information on detonation at low temperature (100 K).

Ce travail porte sur l’étude du procédé de projection plasma par voie liquide et en particulier sur l’interaction entre la phase liquide et l’écoulement de plasma. Différents phénomènes physiques ont lieu comme la fragmentation du jet, l’évaporation du liquide et la fusion des particules. La simulation numérique permet de mieux comprendre les phénomènes physiques et vient en appui des expériences qui sont parfois difficiles voire impossibles à réaliser. Un modèle compressible diphasique est développé afin de prendre en compte les effets compressibles du plasma. Des validations sont réalisées sur des cas test académiques et sur un jet d’argon pur. De bons accords sont obtenus entre les simulations et la théorie ou les expériences. Ensuite différents mélanges de gaz plasmagènes, classiquement utilisés en projection plasma, sont étudiés : l’argon/hydrogène et l’argon/hélium.Une analyse du caractère instationnaire et turbulent est ensuite menée et permet de voir l’importance des effets instationnaires dans ces écoulements. Puis des simulations de l’injection de la phase liquide sous forme de gouttes ou de jet continu dans l’écoulement de plasma sont réalisées. L’influence de la nature des gaz plasmagènes et du mode d’injection est démontrée. Les structures observées expérimentalement sont également obtenues parles simulations. / The study of the plasma spraying process is investigated in this work, in particular the interaction between a liquid phase and a plasma flow. Different physical phenomena occureas the jet fragmentation, the liquid vaporization and the particles fusion. The numerical simulation is used to better understand the physical phenomena and is an alternative to experimental measurements, which could be locally difficult to perform because of the measurement techniques limitations and the particular characteristics of the plasma. A compressible two-phase model is developped to take into account the compressible effects of the plasma flow. Validations are realized on academic test cases and on a argonjet. Good agreements are obtained between simulations and theory or experiments. Then different mixtures of plasmagen gas, classically used in plasma spraying, are studied :argon/hydrogen and argon/helium. An analysis of unsteady and turbulent character isled and allows seeing the importance of unsteady effects in these flows. Numerical simulations of the injection of a liquid phase into the plasma flow are realized. The influence of the plasmagen gas nature and the injection type is anlysed. Structures observed by experiments are also obtained by the simulations.

L’objectif est d’améliorer la connaissance des écoulements de films minces se développant au sein des colonnes servant à distiller les gaz de l’air sous conditions cryogéniques. Ce travail porte sur la caractérisation expérimentale de l’épaisseur du film liquide dans des conditions hydrodynamiques proches de celles rencontrées dans l’industrie. Tout d’abord, ce travail a permis de déterminer les conditions opératoires permettant la réalisation d’écoulement en similitude hydrodynamique avec les écoulements cryogéniques mais à température et pression proches de l’ambiant. Ensuite, un dispositif expérimental a ensuite été développé afin de permettre la réalisation d’écoulement de film liquide avec et sans contre-courant gaz sur plan incliné. Une métrologie optique utilisant un procédé de fluorescence a été développée et calibrée afin de mesurer des épaisseurs de films minces inférieures à 2 mm. Pour finir, l’étude expérimentale a permis de caractériser l’écoulement du film mince par l’étude statistique de son épaisseur, l’étude des régimes d’ondes de surface ainsi que son aire interfaciale. / The aim of this study is to get a better knowledge of thin film flow inside column used to distil the gases of air under cryogenic conditions. Experimental characterisation of the liquid film thickness submitted to hydrodynamic conditions similar to those found in real processes is investigated in this work. First, operating conditions were defined that allow thin film flow in hydrodynamic similitude with cryogenic flows but under conditions close to standard temperature and pression. Then, an experimental setup was designed in order to realize liquid film flows down an inclined plate with and without counter-current air flow. An optical technique using fluorescence was built and calibrated in order to measure the thickness of liquid film up to 2 mm. Finally, thin liquid film flow characteristics were experimentally studied with special attention given to the statistical variation of film thickness, interfacial wave patterns and interfacial area.

L’hydrogène comme vecteur énergétique est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, l’hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie de façon totalement décarbonée. Pour favoriser l’utilisation à grande échelle de l’énergie hydrogène, il est essentiel de réduire le coût des piles à combustible et d‘augmenter leur durabilité et leurs performances. Les matériaux situés au coeur des piles à combustible ont un impact fort sur leurs performances et leur durabilité. Dans ce contexte, optimiser les matériaux est crucial. Nous développons dans cette thèse une démarche de modélisation des matériaux poreux des piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Nous nous concentrons sur un matériau en particulier, celui intervenant dans les couches de diffusion des gaz (GDL). Les GDL ont de multiples fonctions, notamment de permettre en leur sein des transports simultanés de gaz, d’électrons, de chaleur et d’eau sous forme vapeur et liquide. Pour permettre ces transports, les GDL sont composées d’une phase fluide et d’une phase solide, elle-même constituée de plusieurs matériaux. La microstructure des GDL joue un rôle crucial sur les compromis entre les fonctions des GDL et l’efficacité des transports. Nous utilisons la tomographie aux rayons X pour imager la structure interne des GDL à l’échelle micrométrique, et développons des outils numériques pour simuler les transports sur les microstructures. Nous montrons que des simulations sur des images de grandes tailles sont réalisables en temps raisonnables. Nous validons les simulations de transports dans les GDL numériquement et expérimentalement. Le premier chapitre est consacré à la modélisation d’une expérience ex-situ d’injection d’eau dans les GDL. Nous développons un modèle réseau de pores extrait d’images tomographiques, pour simuler les écoulements d’eau dans les GDL en présence de forces capillaires. Nous validons les simulations réseaux de pores en utilisant des images tomographiques montrant l’eau liquide dans une GDL lors d’une expérience d’injection d’eau. Nous montrons que les courbes de pression capillaire peuvent être déterminées par simulations réseau de pores ou par simulations full morphology sur des images tomographiques. Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des transports de gaz et d’électrons dans les GDL. Nous développons une méthode de simulation réseau de pores, consistant à décomposer l’image en régions de formes simples et à calibrer des modèles physiques sur ces régions. Cette approche à deux échelles est économe en temps de calcul. Nous comparons ces simulations à des simulations directes et à des formules analytiques. Une seconde partie concerne la comparaison des simulations directes à des mesures expérimentales. Nous montrons que les transports dans la phase fluide peuvent être déterminés avec fiabilité par simulation directe sur les images tomographiques, tandis que la simulation des transports dans la phase solide nécessite des informations non fournies par la tomographie aux rayons X. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation de la condensation de l’eau dans les GDL. La vapeur d’eau produite par la réaction du dihydrogène avec le dioxygène traverse les GDL et condense dans les zones froides des GDL. Un modèle réseau de pores couplant diffusion de la vapeur d’eau, changement de phase et forces capillaires est développé. Nous étudions ce modèle sur des réseaux de pores générés virtuellement. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de microstructures conçues virtuellement. Nous montrons qu’il est possible de produire virtuellement des microstructures proches de celles de matériaux réels, de chercher des microstructures optimales, et d’étudier des effets physiques par simulation sur matériaux virtuels. / Hydrogen as an energy carrier is a promising solution for reducing emissions of greenhouse gases. Indeed, hydrogen can be used to store large amounts of energy in a completely carbon-free way. To promote the widespread use of hydrogen energy, it is essential to reduce the cost of fuel cells and increase their durability and performance. The materials in the heart of fuel cells have a strong impact on their performance and durability. In this context, opti-mizing the materials is crucial. We develop in this thesis a modeling approach of porous materials in proton exchange membrane fuel cells. We focus on a specific material that takes part in the gas diffusion layers (GDL). The gas diffusion layers are crossed by gas, electron, heat and water fluxes. To allow such multiple transports, GDL are composed of a fluid phase and a solid phase, itself consisting of several materials. The microstructure of the GDL plays an essential role on the tradeoffs between transports. To model these tradeoffs, we use X-ray tomography to image the microstructure at micrometer scales, and develop digital tools to simulate the transport on tomographic images. We validate the simulations with experimental characterizations and tomographic images of GDL. Great care has been taken in the computer performance of the numerical tools, because tomographic images in three dimensions are a challenge because of the size of the data. The first chapter of this thesis is devoted to modeling of an ex-situ water injection experiment in a GDL. We develop a pore network model extracted from tomographic images, to simulate liquid water flows in GDL in the presence of ca-pillary forces. We validate pore networks simulations using tomographic images showing the liquid water in a GDL dur-ing a water injection experiment. We show that the capillary pressure curves can be determined reliably by pore net-work simulations or full morphology simulations on tomographic images. The second chapter is devoted to one-phase transport simulations in GDL. The first part of this chapter is devoted to the development of pore networks simulations for the diffusivity and the electrical conductivities of the GDL. We de-velop a two-scale simulation methodology, which consists of decomposing the image into elements having simple shapes, and to calibrate physical models on these elements. This method considers the effect of the microstructure on the physical transfers in an economical way, reducing the computing time. We compare the pore network simulations to direct simulation on microstructures and to analytical formulas. The second part is devoted to the comparison of transport simulations with experimental measurements. We show that the transports in the fluid phase can be deter-mined reliably by direct simulations on the tomographic images, while transports in the solid phase require additional information not provided by X-ray tomography. The third chapter is devoted to modeling of the condensation of water in the GDL. The steam produced by the reaction of the hydrogen with the oxygen passes through the GDL and condenses in the cold areas of the GDL. A pore network model coupling diffusion of steam, phase change and capillary forces is developed. We study this model on virtually generated pore networks. The last chapter is devoted to the study of virtually designed microstructures. Virtually exploring new materials designs has advantages over the experimental approach, in terms of speed, cost and control over the microstructures. We show that it is possible to virtually produce microstructures close to those of real materials, to seek optimal microstructures, and control the microstructure to better study some physical effects using simulation.

Le développement et la certification de systèmes propulsifs aéronautiques nécessitent une phase d'essais sur banc moteur. Ces essais permettent entre autres de caractériser les limites d'allumage des foyers de combustion de turbomachines, mais sont extrêmement coûteux et générateurs de délais pour l'industriel. Afin de limiter leur recours, il est nécessaire de développer des méthodes permettant de prévoir de la façon la plus fiable possible les performances d'allumage d'un prototype de chambre de combustion, et ce aussi bien pour des conditions de décollage au niveau de la mer que pour le cas critique de la haute altitude.L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d’outils numériques pour la prévision de l'allumage des foyers de combustion à partir de données expérimentales obtenues sur le banc MERCATO de l’ONERA. Ces travaux ont été conduits en étroite coopération avec TURBOMECA. Des améliorations ont été apportées à un modèle permettant de simuler l'allumage d'un brouillard de carburant suite à un dépôt d'énergie par bougie à arc électrique. Ce modèle a été couplé à un code de calcul multiphysique (code CEDRE) afin d'établir des cartographies d'allumage à partir d'un champ aérodiphasique moyenné, mais également de simuler la phase de propagation de la flamme à l’ensemble du foyer par approche RANS pseudo-stationnaire. Afin de valider ces deux approches, une caractérisation expérimentale d'une maquette de chambre mono-secteur a été réalisée sur le banc d'essai MERCATO. Ces essais ont permis de constituer une banque de données très fournie pour différents cas tests. La comparaison de la cartographie d’allumage expérimentale à celle fournie par la simulation numérique donne des résultats très satisfaisants et encourageants en vue d’une application à un foyer réel de turbomachine. En parallèle, des résultats très prometteurs ont été obtenus sur une nouvelle maquette de chambre de combustion trisecteur,dérivée d'un foyer industriel, permettant de comparer ses limites d’allumage à celles obtenues sur la chambre réelle. Cette configuration fera l’objet par la suite d’une étude détaillée de la propagation de la flamme intersecteurs, impossible à réaliser sur la géométrie d'un foyer annulaire complet. / Design of aircraft engines requires tests on engine benches. These tests allow characterizing combustor ignition limits, but are extremely expensive and time consuming. In order to limit their number, it is necessary to develop alternative methods enabling to predict the ignition performances of a combustor prototype, for both ground conditions and high altitude conditions, the latter being particularly critical.The purpose of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools enabling to predict ignition performances of combustor. Validation will be possible using an experimental data base obtained on the MERCATO test bench, at ONERA. This work results from a close cooperation with TURBOMECA. A numerical model, previously developed to predict the ignition of fuel spray following a spark discharge, has been improved. This model has been combined to a multiphysics CFD code (CEDRE) in orderto build ignition map from a mean two-phase flow field, and also to compute the flame propagation stage using RANS approach. In order to validate both methods, experimental characterization of a one-sectorcombustor has been performed on the MERCATO test rig. A complete data base for validation of CFD code isnow available. Comparison of experimental and numerical ignition mapping showed good agreements for the different tests cases, and seems encouraging for an application on an industrial combustor. In the same time,promising results have been obtained with a new experimental three-sector combustor. Its geometry is basedon an industrial combustor, allowing a comparison of ignition performances between the simplified and the industrial combustors

La conception de nouveaux moteurs impose de respecter des normes de sécurité concernant les performances d'allumage et de ré-allumage en conditions critiques. Des campagnes d'essais étant onéreuses, les industriels cherchent donc à disposer d'outils numériques fiables. Afin d'améliorer la simulation des écoulements, le caractère multicomposant du carburant doit être pris en compte. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de l'évaporation d'un brouillard de gouttes sur un écoulement réactif. Pour cela, une étude de la propagation d'une flamme laminaire 1D est réalisée à l'aide d'un code de calcul multiphysique (CEDRE). Un train continu de gouttes monodisperse est injecté, les gouttes étant mono ou bicomposant. L'influence de la dynamique d'évaporation sur la combustion est étudiée. Deux cinétiques chimiques réduites multicomposant sont comparées. La composition, le diamètre et la richesse initiale des gouttes ont un impact sur la structure de flamme, la vitesse de flamme et la composition des gaz brûlés. Ensuite, l'effet de l'évaporation est étudié en phase d'allumage pour un brouillard de gouttes polydisperses monocomposant avec un modèle de noyau d'allumage local. L’écoulement instationnaire non-réactif dans un secteur de chambre industriel (MERCATO) est calculé avec une approche LES. Le caractère instationnaire, voire périodique, de la phase dispersée est mis en évidence en certains points de l'écoulement. Les résultats, associés au modèle d'allumage et à des critères, sont utilisées pour réaliser une carte de probabilité d'allumage. Des essais de calcul d'allumage complet de la chambre sont réalisés. Les résultats indiquent une surestimation des termes sources liés à l'évaporation de la phase dispersée et à la combustion. / The design of new aircraft engines needs in particular to comply with safety standards for the performance of stabilized combustion and ignition or re-ignition under critical conditions. Experimental campaigns are expensive, so numerical tools are needed. To improve the accuracy of the models used to simulate flow, the multicomponent nature of the fuel must be taken into account, whether it is kerosene or alternative fuel. The objective of this thesis is to study the influence of a droplet mist vaporization on a reactive flow. For this, an academic study of the propagation of a 1D laminar flame is performed using a CFD code {CEDRE). A continuous stream of monodisperse droplets is injected, the droplets being mono or bicomponent. The influence of the dynamics of evaporation on combustion is particularly studied. Two reduced multicomponent chemical kinetics are compared. The composition, the diameter and the initial equivalent ratio of droplets have an impact on the structure of the flame, the flame speed and composition of the burnt gases. A local ignition kernel model is applied to study the influence ofvaporization on ignition in the case of monocomponent, polydisperse droplets. Experimental data are available for a monosector combustion chamber (MERCATO) so the non-reactive unsteady flow is simulated with a LES approach. The unsteady, sometimes periodic, nature of the dispersed phase is highlighted in some points of the flow. A ignition model is applied to instantaneous flow fields and criteria are analysed to realise an ignition probability map which validates the approach. Finally, ignition of a combustion chamber is tested. The results point out an overestimation of source terms related to the evaporation of the dispersed phase and combustion.

Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue –réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation. / This thesis is a contribution to the study water transfers within PEM fuel cell, a key element of this technology. A numerical simulation tool is developed coupling a pore network model in the gas diffusion layer (DM), a mixed continuum – pore network approach in the microporous layer (MPL) and a model by compartments in the catalyst layer. The developed approach takes into account the coupled heat and water transfers through the modeling of phase change phenomena (evaporation – condensation) in the DM and in the MPL. In the first part, we study the case where water migrates into the MPL-DM assembly directly in liquid phase. The impact of gas pressure variation on liquid phase distribution is studied. The optimal thickness of MPL is studied too. In the second part we study situations where liquid water essentially formed by condensation in the diffusion layer. We first study the impact of DM and MPL properties on the condensation diagram. Then we analyze the impact of liquid water formation on the local current density distribution. Finally the impact of wettability modifications on the liquid water patterns is studied. This last study is considered as a first step toward the study of degradation mechanisms in the condensation regime.

Cette thèse est motivée par le besoin de compléter les connaissances actuelles des phénomènes ayant lieu lors d’un renvoi d’eau dans un lit de débris radioactifs, opération appelée « renoyage » et qui intervient dans une séquence d’accident grave où un cœur de réacteur nucléaire est dégradé suite à une perte prolongée de refroidissement primaire. Notre étude, de nature expérimentale, vise à mieux caractériser la crise d’ébullition en convection forcée, dans un milieu poreux chauffant. Le cœur du dispositif expérimental est un milieu poreux modèle quasibidimensionnel, composé de 276 cylindres disposés entre deux plaques de céramique distantes de 3 mm, dont l’une, transparente, permet de visualiser les écoulements. Les cylindres, de 2 mm de diamètre, sont des sondes thermo-résistives qui ont une double fonction : elles sont utilisées comme éléments chauffants et comme capteurs de température. Une boucle fluide permet de contrôler le débit d’injection de liquide dans la section test, la température d’injection ainsi que la pression. La section test est placée verticalement, le liquide est injecté par le bas à une température proche de la saturation. Dans une première série d’expériences, la puissance thermique dissipée globalement par un ensemble de cylindres chauffants est augmentée de façon progressive jusqu’à atteindre l’assèchement d’une zone du milieu poreux. Les résultats montrent deux types de phénoménologies dans le déclenchement de la crise d’ébullition. Pour des débits d’injection faibles (densités de flux massique de l’ordre de 4 kg.m^-2.s^-1 maximum), l’atteinte de la puissance d’assèchement se traduit par un lent recul du front diphasique jusqu’à sa stabilisation en haut de la zone chauffée ; en aval de la zone chauffée, l’écoulement est monophasique vapeur. Pour des débits d’injection plus élevés, la crise d’ébullition apparaît autour d’un des éléments chauffants, conduisant à une ébullition en film localisée, tandis qu’un écoulement diphasique liquide-vapeur continue de parcourir l’aval de la section test. Les visualisations de ces expériences permettent d’identifier qualitativement la structure des écoulements. D’autres expériences consistent à mesurer le flux critique local autour d’un cylindre choisi, pour différentes configurations d’écoulements. Le débit d’injection est fixé. Une puissance de chauffe est imposée à une ligne horizontale de cylindres en amont du cylindre choisi. Les résultats montrent que le flux critique sur ce cylindre diminue en fonction de la puissance délivrée à la ligne chauffée. La distance du cylindre étudié à la ligne chauffée semble avoir peu d’influence sur le flux critique. Des visualisations expérimentales sont utilisées pour caractériser l’écoulement diphasique en aval de la ligne chauffée, dans le but de mettre en relation le flux critique local avec des paramètres hydrodynamiques (saturations, vitesses des phases). Les images obtenues sont difficiles à exploiter. Afin de calibrer les paramètres des algorithmes de traitement d’images, nous avons reproduit une cellule d’essai de géométrie identique à l’originale, mais où l’on injecte du gaz par une ligne de cylindres en amont de la section test dans une configuration d’écoulement diphasique isotherme. Dans ce dispositif, le débit d’injection de gaz est contrôlé et mesuré. Les visualisations obtenues servent alors de références auxquelles sont comparées les visualisations d’ébullition convective. / This work is motivated by the need to better understand the phenomena occurring while some water is injected into a heated porous debris bed. This reflooding operation is a part of the planned mitigation procedure used during a Loss Of Coolant Accident (LOCA) that may occur into a nuclear power plant and results into a severe core damage. Our experimental study aims to characterize the boiling crisis that can happen in a boiling flow taking place within a heatgenerating model porous medium. The test section is a two-dimensional model porous medium, composed of an array of 276 cylinders placed between two ceramic plates spaced from one another by 3 mm, one of which is transparent and allows visualizations of the flow. The 2 mm diameter cylinders are Pt100 resistance temperature detectors that perform a dual function: they act as heating elements (heated by Joule effect) and are also used as temperature probes. A fluid loop allows controlling the liquid injection flow rate, its inlet temperature as well as its pressure. The test section is held vertically, the liquid injected from bottom at a temperature close to the saturation temperature. In a first series of experiments, the thermal power applied to a bundle of heating cylinders is progressively increased until a dry zone is detected in the porous medium. Two kinds of phenomenology are observed during these “dryout experiments”. First, at low liquid injection rate (4 kg.m^-2.s^-1 maximum mass flux), reaching the dryout power results into a liquid front receding down to the upper limit of the heated zone, while downstream the heated zone, the porous medium is vapour-saturated. Second, at higher flow rate, the boiling crisis happens at the surface of a single heating element, resulting in a local film boiling, whereas a two-phase flow still go through the whole test section. High-speed visualizations allow characterizing the flow regimes. Other experiments focus on determining the local critical heat flux on a given cylinder, for different upstream flow configurations. The inlet liquid flow rate is fixed. A thermal power is uniformly applied to a line of heating cylinders, upstream the cylinder under study. Results show that the local critical heat flux decreases as the power applied to the heated line increases. The distance from the cylinder under study to the heated line seems not to have a significant effect on the critical heat flux. Visualizations are used to characterize the two-phase flow upstream the heated line, aiming at expressing the critical heat flux as a function of the hydrodynamic parameters (saturations, phase velocities). The image analysis is particularly challenging. In order to calibrate the image processing parameters, we use a second model porous medium with the same geometry as the heat generating one, but where an isothermal two-phase flow is obtained by injecting gas into the liquid flow rather than generated by boiling. The gas injection flow rate is controlled and measured. Isothermal two-phase flow visualizations provide a reference case and are compared to flow boiling visualizations.

Le travail présenté concerne l'étude des instabilités thermo-acoustiques apparaissant dans une chambre de combustion aéronautique. Le montage expérimental permet de faire varier continument les fréquences de résonances et de passer pour une même condition d'écoulement, d'un régime de combustion stable à un régime instable. La caractérisation complète d'un cas instable comprend une mesure des conditions acoustiques aux limites du banc, une analyse du comportement des phases liquide et évaporée, de celui du dégagement de chaleur instationnaire et une mesure de la fonction de transfert de la flamme. Ces travaux ont mis en évidence trois phénomènes jouant sur l’injection cyclique de carburant liquide. Les temps caractéristiques des différents phénomènes intervenant dans le couplage thermo-acoustique et une distribution spatiale de l'indice de Rayleigh sont présentés. / The purpose of this experimental study was to further our understanding of the fuel spray behavior during combustion instability phenomena in combustion chambers. An aeronautical injection system with dual kerosene lines was mounted on the LOTAR setup, which was equipped with an adjustable exhaust length. Stability maps were generated by varying the global equivalent ratio and the fuel split parameter, for two Inner Exhaust Lengths (IEL). A non-unique multiphase flow condition was found to produce stable and unstable combustion for different IELs. Each configuration was fully characterized. Acoustic boundary conditions were measured using the 2-microphone technique. Different optical techniques were used toanalyze the unsteady behavior of the liquid phase, fuel vapor, and heat release. Moreover, two techniques were exploited to study the Flame Transfer Function using velocity measurement supstream and downstream of the injection device. Altogether, these results highlighted three atomization phenomena occurring during the cycles of thermo-acoustic instabilities. The phase-averaged analysis applied on the different measurements permitted to determine thetime scales associated with each process appearing in the thermo acoustic coupling. This cyclic injection of liquid fuel into the chamber was followed by a vapor phase increase corresponding to a wave of equivalent ratio. The delay between the two phenomena was of10°. In addition, OH* emissions showed a cyclic behavior following these waves. The delay between the wave of equivalent ratio and the unsteady heat release was approximately of 25°.Finally, spatial distribution of the Rayleigh index revealed that the inner recirculation zone contributed to sustain the combustion instability.