Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide. / Aeronautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flow field. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objectives of this thesis is to develop phenomenological models describing the liquid phase, in particular the film and its atomization at the injector atomizing lips, in the context of LES. These models are validated or calibrated on the academic experiment performed at Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and applied to a helicopter engine real configuration. In a first step, the thin liquid film is described by a Lagangian approach. Film particles represent an elementary volume of liquid at the wall surface. The equation of motion is given by integrating the Saint-Venant equations over the film thickness. The film dynamics derives from the pressure gradient, the interfacial shear and gravity. In a second step, the film breakup is characterized by the drop size distribution of the spray. The former one is described by a Rosin-Rammler distribution, whose coefficients depend on the gas velocity, the liquid surface tension and the atomizing edge thickness of the injector. The model, labelled PAMELA, is calibrated from the KIT-ITS experiment. The simulation of the KIT-ITS experiment allows to validate the film model, to check PAMELA robustness, and to compare qualitatively the spray angle. The application of these models in a real configuration allows to check PAMELA robustness without constants modification, and to study their impact on the flame structure, in comparison with usual methods of liquid injection.

De nombreux procédés actuels mettent en jeu des écoulements diphasiques (sprays agricoles, pharmaceutiques, peinture...). Néanmoins, la connaissance des mécanismes régissant les interactions entre les phases (entraînement, modification des trajectoires des particules, transfert d'énergie...) est encore incomplète, notamment lors de l'injection directe essence, qui représente le cadre de cette étude. Dans cette étude expérimentale, les dynamiques instantanées des deux phases sont étudiées dans un plan pour mettre en évidence les interactions aérodynamiques entre les phases. Pour ce faire, un diagnostic de FPIV diphasique, utilisant un colorant fluorescent pour chaque phase, est développé afin d'acquérir simultanément des images séparées de chaque phase sur deux caméras indépendantes. Ainsi, les vitesses instantanées et simultanées des deux phases sont mesurées sans recourir à un prétraitement des images. Dans un premier temps, ce diagnostic optique est appliqué à la caractérisation d'une injection dans un gaz au repos. L'injection du spray met en mouvement le gaz par le biais d'un transfert de quantité de mouvement du spray vers le gaz. La dispersion des gouttes du spray et le mélange des deux phases qui résultent de ces transferts d'énergie cinétique dépendent du type de spray et également de la pression d'injection. Dans un second temps, ces interactions sont étudiées dans un moteur monocylindre transparent. La comparaison entre les fonctionnements avec et sans injection indique un impact notable de la présence du spray sur l'aérodynamique interne par le développement de nouvelles structures et la modification des caractéristiques du tumble. L'aérodynamique interne du moteur modifie également le développement du spray en comparaison de l'injection dans un gaz au repos. / Two-phase flows are involved in numerous actual industrial processes (agriculture, pharmacy, painting...). However, the complex interactions between phases (entrainment, particle trajectory modification, energy transfer...) are not well understood, especially for the gasoline direct injection, which represents the context of this study. For this experimental study, instantaneous dynamics of both phases are studied in a plan to highlight the aerodynamic interactions between phases. To achieve that, a two-phase FPIV diagnostic, based on using a fluorescent dye for each phase, is developed to simultaneously acquire separated images of each phase on two independent cameras. Instantaneous and simultaneous velocities of both phases are measured without any image pre-processing. Firstly, this optical diagnostic is applied to the characterisation of a spray injection in a gas at rest. The spray drags the gas by a momentum transfer from spray to gas. The spray droplet dispersion and the mixture between the two phases, which result from this kinetic energy transfer, depend on the spray topology and the injection pressure. Then, these interactions are studied in a transparent monocylinder engine. The comparison between cycles with and without injection reveals a significant impact of the spray presence on the internal aerodynamic through the development of new structures and the modification of tumble characteristics. The internal aerodynamic also modifies the spray development in comparison to the injection in a gas at rest.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la migration par gravité et capillarité du CO₂ supercritique injecté dans un site de séquestration géologique hétérogène. Les simulations sont réalisées à l'aide du code DuMux. Particulièrement, on s'intéresse à la mise à l'échelle, de l'échelle de la cellule à l'échelle du réservoir, d'un modèle d'écoulement diphasique CO₂ -saumure, au sein d'un milieu stratifié périodique constitué d'un réseau de barrières peu perméables horizontales, continues ou discontinues. La mise à l'échelle est effectuée par la méthode asymptotique à double échelle. Dans un premier temps, on considère le cas d'une colonne verticale parfaitement stratifiée. Un modèle homogénéisé est développé puis validé par simulation numérique pour différentes valeurs du nombre capillaire et du flux incident de CO₂ . La méthode d'homogénéisation est appliquée au cas d'un écoulement dans un milieu bidimensionnel constitué de strates discontinues. Par l'effet de gravité, le CO₂ s'accumule sous les strates peu perméables, ce qui conduit à un problème mathématique local non standard. Cette stratification est modélisée à l'aide de l'approche des courants de gravité. L'approche est étendue au cas des strates semi-perméables et en prenant en compte la capillarité. Le modèle mis à l'échelle est comparé à des simulations numériques effectuées pour différents types de strates, avec ou sans pression capillaire, et sa limite de validité est discutée pour chacun de ces cas. La dernière partie de la thèse est dédiée à l'étude des performances du code DuMux pour simuler par calcul parallèle l'injection et la migration de CO₂ dans des milieux hétérogènes tridimensionnels (milieu périodique stratifié, milieu fluviatile et milieu réservoir SPE10). / This work deals with the mathematical modeling and the numerical simulation of the migration under gravity and capillarity effects of the supercritical CO₂ injected into a geological heterogeneous sequestration site. The simulations are performed with the code DuMux. Particularly, we consider the upscaling, from the cell scale to the reservoir scale, of a two-phase (CO₂ -brine) flow model within a periodic stratified medium made up of horizontal low permeability barriers, continuous or discontinuous. The upscaling is done by the two-scale asymptotic method. First, we consider perfectly layered media. An homogenized model is developed and validated by numerical simulation for different values of capillary number and the incident flux of CO₂ . The homogenization method is then applied to the case of a two-dimensional medium made up of discontinuous layers. Due to the gravity effect, the CO₂ accumulates under the low permeability layers, which leads to a non-standard local mathematical problem. This stratification is modeled using the gravity current approach. This approach is then extended to the case of semi-permeable stratas taking into account the capillarity. The upscaled model is compared with numerical simulations for different types of layers, with or without capillary pressure, and its limit of validity is discussed in each of these cases. The final part of this thesis is devoted to the study of the parallel computing performances of the code DuMux to simulate the injection and migration of CO₂ in three-dimensional heterogeneous media (layered periodic media, fluvial media and reservoir model SPE 10).

La compréhension des écoulements souterrains est importante pour de nombreuses applications comme l’énergie ou le stockage des déchets nucléaires. Cette thèse, effectuée en collaboration avec le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), est dédiée à la simulation des écoulements diphasiques compositionnels thermiques en milieux poreux et ses applications à la géothermie haute énergie et plus particulièrement au champ géothermique de Bouillante (Guadeloupe). Tout d’abord, deux formulations à variables persistantes sont comparées en termes d’implémentation et de convergence numérique. Dans ces deux formulations, les fractions molaires d’une phase absente sont étendues par celles à l’équilibre thermodynamique avec la phase présente. Il en résulte que l’ensemble des variables principales et des équations ne dépend pas de l’ensemble de phases présentes. De plus, l’équilibre thermodynamique est exprimé par une contrainte de complémentarité pour chacune des phases, ce qui permet l’utilisation de méthodes de type semi-smooth Newton pour résoudre les systèmes non-linéaires. D’autre part, cette thèse présente une nouvelle méthodologie combinant des discrétisations centrées aux noeuds (le schéma Vertex Approximate Gradient - VAG) et aux faces (le schéma Hybrid Finite Volume - HFV) sur une partition arbitraire des ensembles de mailles ou de faces, dans le but d’adapter le choix du schéma aux différentes parties du maillage. En effet, les maillages hybrides composés de différents types de mailles sont plus adaptés à la discrétisation de la géologie et de la géométrie des différents domaines d’un système géothermique. Ainsi le schéma peut être choisi localement en fonction de la géométrie de la maille et des propriétés pétrophysiques. L’analyse de convergence est effectuée dans le cadre des discrétisations Gradient pour des problèmes de diffusion du second ordre et la convergence est confirmée numériquement sur différents types de maillages hybrides 3D. Ensuite la discrétisation VAG-HFV est étendue au cas des écoulements de Darcy diphasiques non-isothermes compositionnels et est appliquée au cas test 2D représentant le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. Un autre aspect important de la modélisation des flux géothermiques consiste à prendre en compte les interactions entre le flux dans le milieu poreux et l’atmosphère. Puisque le couplage entre le modèle poreux et un modèle 2D surfacique ou 3D atmosphérique n’est pas réaliste en terme de coût de calcul aux échelles spatiale et temporelle géologiques, l’interaction sol-atmosphère est modélisée grâce à une condition limite prenant en compte l’équilibre de matière et d’énergie à l’interface. Ce modèle considère une couche limite atmosphérique avec transfert convectif molaire et thermique (en supposant l’évaporation de la phase liquide), une condition de débordement liquide aux surfaces d’infiltration, ainsi que le rayonnement thermique et la recharge en eau douce due aux précipitations. Cette condition limite est évaluée à l’aide d’une solution de référence couplant les écoulements non-isothermes liquide-gaz en milieu poreux et le gaz dans le milieu libre. Elle est ensuite étudiée numériquement en terme de convergence et de solution sur des cas tests géothermiques, dont le plan de faille vertical du réservoir géothermique de Bouillante. En complément est présenté le travail issu d’une collaboration lors de l’école d’été du CEMRACS 2016. Le projet consistait à ajouter un modèle de puits multi-branche thermique au code ComPASS, un nouveau simulateur géothermique parallèle basé sur des maillages non-structurés avec la possibilité de représenter des fractures. / The study of the subsurface flows is important for various applications such as energy or nuclear waste storage. This thesis, performed in collaboration with the French Geological Survey (BRGM), is dedicated to the simulation of non-isothermal compositional two-phase flows in porous media and its applications to high-energy geothermal fields and more precisely to the Bouillante field (Guadeloupe, French West Indies). First of all, two persistent variable formulations are compared in terms of implementation and numerical convergence. In these two formulations, the choice of the principal variables is based on with the extension of the phase molar fractions by the one at thermodynamic equilibrium with the present phase. It results that the set of principal variables and equations does not depend on the set of present phases. It also has the advantage to express the thermodynamic equilibrium as complementarity constraints, which allows the use of semi-smooth Newton methods to solve the non-linear systems. Moreover, this thesis presents a new methodology to combine a node-centered discretization (the Vertex Approximate Gradient scheme - VAG) and a face-centered discretization (the Hybrid Finite Volume scheme - HFV) on arbitrary subsets of cells or faces in order to choose the best-suited scheme in different parts of the mesh. Indeed, hybrid meshes composed of different types of cells are best suited to discretize the geology and geometry of the different parts of the geothermal system. Then, the scheme is adapted locally to the type of mesh/ cells and to petrophysical properties. The convergence analysis is performed in the gradient discretization framework over second order diffusion problems and the convergence is checked numerically on various types of hybrid three-dimensional meshes. Then, the VAG-HFV discretization is extended to non-isothermal compositional liquid-gas Darcy flows and is applied on the two dimensional cross-section of the Bouillante high temperature geothermal reservoir. Another important aspect of the geothermal flows modelling consists in considering the interactions between the porous medium and the atmosphere. Since the coupling between the porous medium and the 2D surface of 3D atmospheric flows is not computationally realistic at the space and time scales of a geothermal flow, the soil-atmosphere interaction is modelled using an advanced boundary condition accounting for the matter (mole) and energy balance at the interface. The model considers an atmospheric boundary layer with convective molar and energy transfers (assuming the vaporization of the liquid phase in the atmosphere), a liquid outflow condition at seepage surfaces, as well as the heat radiation and the precipitation influx. This boundary condition is assessed using a reference solution coupling the Darcy flow to a full-dimensional gas free flow. Then, it is studied numerically in terms of solution and convergence of the Newton-min non-linear solvers on several geothermal test cases including two-dimensional simulations of the Bouillante geothermal field. In addition is presented the collaborative project which took place during the CEMRACS summer school 2016. The project consisted in adding a multibranch thermal well model into the ComPASS code, a new geothermal simulator based on unstructured meshes and adapted to parallel distributed architectures with the ability to represent fractures.

Ce travail est dédié à l'étude d'écoulement diphasique sous pression en micro et milli-capillaires pour permettre la mesure efficace de propriétés de mélanges sous pression. Dans un premier temps, un montage expérimental comprenant un micro-dispositif pour des applications allant jusqu'à des pressions de 25 MPa a été développé. Ce micro-dispositif à faible coût et transparent, permet la visualisation de l'écoulement grâce à une caméra rapide. Dans un second temps, l'étude du système diphasique du système CO2 supercritique / liquide ionique (1-Butyl-3-Methyl-Imidazolium hexafluorophosphate, [BMIm][PF6]) sous pression est présentée. L'écoulement est réalisé dans des tubes cylindriques de silice de diamètre intérieur de 536 micromètres. Parmi les différents régimes d'écoulements diphasiques, nous nous sommes intéressés aux écoulements périodiques intermittents ou « Taylor flow ». La zone de conditions opératoires couvertes est la suivante : [308 K - 318 K] x [9 MPa - 18 MPa]. Les films de la caméra rapide sont traités par analyse d'image. Le logiciel« μcap2phase » développé pour traiter les films permet d'accéder aux caractéristiques géométriques de l'écoulement (volume et aire de chaque phase, longueur du motif, longueur de la phase dispersée et vitesse de la phase dispersée). Un comportement atypique est observé avec ce binaire. En effet le transfert unidirectionel du CO2SC dans le [BMIm][PF6] induit des changements importants des propriétés physico-chimiques de la phase continue : abaissement de la viscosité (divisée par 10) et augmentation de la masse volumique (multiplié par 1,5). Ces changements impliquent une modification de la forme et de la taille des bulles au cours de l'écoulement. Une importante vitesse de glissement a été identifiée. Elle est générée par la présence d'un film épais de viscosité plus élevée au niveau des parois du capillaire. Un modèle de transfert de matière prenant en compte certaines des observations expérimentales (variations de la taille du film, de la taille des bulles, et des propriétés de la phase continue tout au long du capillaire) a été développé. Ce modèle intégrera dans le futur la tension interfaciale bulle/phase continue et le facteur de forme de la bulle. / The present work deals with the study of two-phase flow in micro-capillaries under high-pressure to enhance properties measurements. As a first step, an experimental setup consisting of a micro-device has been developed for microfluidics high-pressure applications (P < 25 MPa). The set-up combines good optical access, high-pressure resistance, homogeneous operating conditions, fast process control and detection, and the ability to generate a stable two-phase flow. In the following step, we focused our work on the hydrodynamics features of two-phase flow between supercritical carbon dioxide(SC-CO2) and ionic liquid (1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafuorophosphate) ([BMIm][PF6]) .The two-phase flow system is observed with a high-speed camera. The flow is conducted in silica capillary tubing with inner diameter of 536 micrometers. Among the two-phase flow patterns, ours relates to Taylor flow. The range of operating conditions are : [308 K - 318 K] x [9 MPa - 18 MPa]. An image analysis home-made soft, « μcap2phase », has been developed in order to access to the geometric properties and to the velocities of the dispersed phase from images. The two-phase flow presents an unexpected behaviour. In fact, the unidirectional transfer of SC-CO2 in [BMIm][PF6] induces significant changes in physico-chemical properties of continous phase : viscosity decreases(divided by ten) and density increases (1.5 fold). Due to the wide variations of the continuous phase properties along the capillary, size and shape of the dispersed phase bubbles are simultaneously modified. A significant slip velocity has been indentified located between a thick liquid film (at the wall of capillary) and a Taylor flow region (at the center). A mass transfer taking into account some experimental observations (changes in film thickness, in bubble size, and in properties of the continuous phase throughout the capillary) is developed. Further, this model will integrate the interfacial tension between bubbles and continous phase.

Dans un contexte industriel, l’utilisation de modèles diphasiques d’ordre réduit est nécessaire pour pouvoir effectuer des simulations numériques prédictives d’injection de combustible liquide dans les chambres de combustion automobiles et aéronautiques, afin de concevoir des équipements plus performants et moins polluants. Le processus d’atomisation du combustible, depuis sa sortie de l’injecteur sous un régime de phases séparées, jusqu’au brouillard de gouttelettes dispersées, est l’un des facteurs clés d’une combustion de bonne qualité. Aujourd’hui cependant, la prise en compte de toutes les échelles physiques impliquées dans ce processus nécessite une avancée majeure en termes de modélisation, de méthodes numériques et de calcul haute performance (HPC). Ces trois aspects sont abordés dans cette thèse. Premièrement, des modèles de mélange, dérivés par le principe variationnel de Hamilton et le second principe de la thermodynamique sont étudiés. Ils sont alors enrichis afin de pouvoir décrire des pulsations des interfaces au niveau de la sous-échelle. Des comparaisons avec des données expérimentales dans un contexte de milieux à bulles permettent de vérifier la cohérence physique des modèles et de valider la méthodologie. Deuxièmement, une stratégie de discrétisation est développée, basée sur une séparation d’opérateur, permettant la résolution indépendante de la partie convective des systèmes à l’aide de solveurs de Riemann approchés standards et les termes sources à l’aide d’intégrateurs d’équations différentielles ordinaires. Ces différentes méthodes répondent aux particularités des systèmes diphasiques compressibles, ainsi qu’au choix de l’utilisation de maillages adaptatifs (AMR). Pour ces derniers, une stratégie spécifique est développée : il s’agit du choix de critères de raffinement et de la projection de la solution d’une grille à une autre (plus fine ou plus grossière). Enfin, l’utilisation de l’AMR dans un cadre HPC est rendue possible grâce à la bibliothèque AMR p4est, laquelle a montré une excellente scalabilité jusqu’à plusieurs milliers de coeurs de calcul. Un code applicatif, CanoP, a été développé et permet de simuler des écoulements fluides avec des méthodes de volumes finis sur des maillages AMR. CanoP pourra être utilisé pour des futures simulations d’atomisation liquide. / In an industrial context, reduced-order two-phase models are used in predictive simulations of the liquid fuel injection in combustion chambers and help designing more efficient and less polluting devices. The combustion quality strongly depends on the atomization process, starting from the separated phase flow at the exit of the nozzle down to the cloud of fuel droplets characterized by a disperse-phase flow. Today, simulating all the physical scales involved in this process requires a major breakthrough in terms of modeling, numerical methods and high performance computing (HPC). These three aspects are addressed in this thesis. First, we are interested in mixture models, derived through Hamilton’s variational principle and the second principle of thermodynamics. We enrich these models, so that they can describe sub-scale pulsations mechanisms. Comparisons with experimental data in a context of bubbly flows enables to assess the models and the methodology. Based on a geometrical study of the interface evolution, new tracks are then proposed for further enriching the mixture models using the same methodology. Second, we propose a numerical strategy based on finite volume methods composed of an operator splitting strategy, approximate Riemann solvers for the resolution of the convective part and specific ODE solvers for the source terms. These methods have been adapted so as to handle several difficulties related to two-phase flows, like the large acoustic impedance ratio, the stiffness of the source terms and low-Mach issues. Moreover, a cell-based Adaptive Mesh Refinement (AMR) strategy is considered. This involves to develop refinement criteria, the setting of the solution values on the new grids and to adapt the standard methods for regular structured grids to non-conforming grids. Finally, the scalability of this AMR tool relies on the p4est AMR library, that shows excellent scalability on several thousands cores. A code named CanoP has been developed and enables to solve fluid dynamics equations on AMR grids. We show that CanoP can be used for future simulations of the liquid atomization.

La conception de chambres de combustion aéronautiques requiert un compromis entre les différents phénomènes physiques présents, comme les interactions entre la flamme et la turbulence, les pertes thermiques, la dynamique de flamme ou l'évaporation du carburant et son mélange. De nombreux outils numériques existent dans la littérature pour prédire ce genre d'écoulements réactifs turbulents. Les modèles de turbulence instationnaires, par exemple LES (Large Eddy Simulation), sont un excellent compromis pour la prédiction du mélange dans des configurations réalistes. L'approche de chimie tabulée représente un équilibre attrayant entre coût de calcul et précision pour la prédiction de structure de flamme. Dans cette thèse, des modèles de turbulence avancés et de chimie tabulée sont appliqués à des configurations complexes afin d'évaluer leur capacité à prédire la structure de flammes turbulentes. La prédiction de la FDF (Flame Describing Function) par le modèle F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) est comparé à des données expérimentales pour une flamme swirlée, prémélangée et non-adiabatique. La FDF est bien prédite pour une large plage de fréquences et deux niveaux de fluctuations de vitesse. L'origine des différences est analysée. La première application du modèle F-TACLES à un brûleur diphasique est proposée. Le brûleur choisi est la flamme jet diphasique KIAI, récemment étudié au CORIA. Une comparaison détaillée avec l'expérience est faite et montre que F-TACLES est capable de prédire la bonne forme de flamme. Le modèle ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) est étudié dans la configuration TLC, un injecteur aéronautique réaliste. En non-réactif, la ZDES est validée par rapport aux mesures de vitesse expérimentales et comparée à des résultats de LES. En conditions réactives, la prédiction des profils de température dans la chambre de combustion est grandement améliorée en ZDES. / The design of aeronautical combustion chambers requires a precise balance between the different physical phenomena involved, such as flame-turbulence interaction, heat losses, flame dynamics or fuel evaporation and mixing. Numerous numerical tools exist in the literature to predict these kinds of turbulent reacting flows. The unsteady turbulence models, for example LES (Large Eddy Simulation), represent an excellent compromise for the prediction of the mixing in realistic configurations. The tabulated chemistry approach is an attractive trade-off between computation cost and accuracy for predicting the structure of flames. In this thesis, advanced turbulence and tabulated chemistry models are applied to complex configurations in order to assess their ability to predict the structure of turbulent flames. The prediction of the FDF (Flame Describing Function) by the F-TACLES (Filtered TAbulated Chemistry for Large Eddy Simulations) model is compared to experimental data for a non-adiabatic premixed swirled flame. The FDF is well predicted for a wide range of frequencies and two velocity fluctuation levels. The origin of the discrepancies is analyzed. The first application of the F-TACLES model in a two-phase burner is proposed. The chosen burner is the KIAI spray jet flame, recently studied at CORIA. A detailed comparison with the experiments is performed and shows that F-TACLES is able to predict the correct flame shape. The ZDES (Zonal Detached Eddy Simulation) model is studied in a realistic aeronautical injector, the TLC configuration. In cold conditions, the ZDES is validated against velocity measurements and compared to LES results. In reacting conditions, the prediction of temperature profiles in the combustion chamber is greatly improved in the ZDES.

Cette thèse présente la Simulation des Grandes Echelles (LES) de l’injection, de la pulvérisation et de la cavitation dans un injecteur pour les applications liées aux moteurs à combustion interne. Pour la modélisation de l’atomisation, on utilise le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization). Le modèle résout la fraction volumique du combustible liquide ainsi que la densité de surface d’interface liquide-gaz pour décrire le processus complet d’atomisation. Dans cette thèse, l’écoulement à l’intérieur de l’injecteur est également pris en compte pour une étude ultérieure de l’atomisation. L’étude présente l’application du modèle ELSA à un injecteur Diesel typique, à la fois dans le contexte de RANS et de LES.Le modèle est validé à l’aide de données expérimentales disponibles dans Engine Combustion Network (ECN). Le modèle ELSA, qui est normalement conçu pour les interfaces diffuses (non résolues), lorsque l’emplacement exact de l’interface liquide-gaz n’est pas pris en compte, est étendu pour fonctionner avec une formulation de type Volume of Fluid (VOF) de flux à deux phases, où l’interface est explicitement résolu. Le couplage est réalisé à l’aide de critères IRQ (Interface Resolution Quality), qui prennent en compte à la fois la courbure de l’interface et la quantité modélisée de la surface de l’interface. Le modèle ELSA est développé en premier lieu en considérant les deux phases comme incompressibles. L’extension à la phase compressible est également brièvement étudiée dans cette thèse. Il en résulte une formulation ELSA compressible qui prend en compte la densité variable de chaque phase. En collaboration avec l’Imperial College de Londres, la formulation de la fonction de densité de probabilité (PDF) avec les champs stochastiques est également explorée afin d’étudier l’atomisation. Dans les systèmes d’injection de carburant modernes, la pression locale à l’intérieur de l’injecteur tombe souvent en dessous de la pression de saturation en vapeur du carburant, ce qui entraîne une cavitation. La cavitation affecte le flux externe et la formulation du spray. Ainsi, une procédure est nécessaire pour étudier le changement de phase ainsi que la formulation du jet en utilisant une configuration numérique unique et cohérente. Une méthode qui couple le changement de phase à l’intérieur de l’injecteur à la pulvérisation externe du jet est développée dans cette thèse. Ceci est réalisé en utilisant le volume de formulation de fluide où l’interface est considérée entre le liquide et le gaz; le gaz est composé à la fois de vapeur et d’airambiant non condensable. / This thesis presents Large Eddy Simulation (LES) of fuel injection, atomization and cavitation inside the fuel injector for applications related to internal combustion engines. For atomization modeling, Eulerian Lagrangian Spray Atomization (ELSA) model is used. The model solves for volume fraction of liquid fuel as well as liquid-gas interface surface density to describe the complete atomization process. In this thesis, flow inside the injector is also considered for subsequent study of atomization. The study presents the application of ELSA model to a typical diesel injector, both in the context of RANS and LES. The model is validated with the help of experimental data available from Engine Combustion Network (ECN). The ELSA model which is normally designed for diffused (unresolved) interfaces, where the exact location of the liquid-gas interface is not considered, is extended to work with Volume of Fluid (VOF) type formulation of two phase flow, where interface is explicitly resolved. The coupling is achieved with the help of Interface Resolution Quality (IRQ) criteria, that takes into account both the interface curvature and modeled amount of interface surface. ELSA model is developed first considering both phases as incompressible, the extension to compressible phase is also briefly studied in this thesis, resulting in compressible ELSA formulation that takes into account varying density in each phase. In collaboration with Imperial College London, the Probability Density Function (PDF) formulation with Stochastic Fields is also explored to study atomization. In modern fuel injection systems, quite oftenthe local pressure inside the injector falls below the vapor saturation pressure of the fuel, resulting in cavitation. Cavitation effects the external flow and spray formulation. Thus, a procedure is required to study the phase change as well as jet formulation using a single and consistent numerical setup. A method is developed in this thesis that couples the phase change inside the injector to the external jet atomization. This is achieved using the volume of fluid formulation where the interface is considered between liquid and gas; gas consists of both the vapor and non condensible ambient air.

Ce travail concerne l'étude thermohydraulique d'un écoulement d'hélium superfluide diphasique en conduite horizontale, comparable à celui mis en œuvre dans le refroidissement des aimants supraconducteurs du LHC au Cern. On montre que pour des vitesses de vapeur de quelques 3 à 4 m.s\mun, la phase liquide initialement stratifiée subit une atomisation qui se traduit par la présence d'un brouillard de gouttelettes transporté par la phase vapeur. Ceci a pu être montré en hélium superfluide comme en hélium normal sans différence majeure sur l'atomisation. Grâce à différents instruments et dispositifs de visualisation, plusieurs corrélations ont pu être mesurées entre la fraction de gouttelettes entraînées et la capacité frigorifique de l'écoulement diphasique, et ceci en fonction de paramètres expérimentaux comme le niveau liquide, la vitesse de la vapeur, ou encore sa densité.

Dans l’industrie, les fabricants tendent à limiter la lubrification conventionnelle lors de l’usinage et s’orientent de plus en plus vers la microlubrification (MQL : Minimum Quantity Lubrication) pour des raisons économiques, écologiques et pour respecter la santé des opérateurs. Une très faible quantité de lubrifiant de faible pression nécessite une conception optimale des canaux internes de l’outil afin de limiter les pertes de charges et avoir les avantages de la microlubrification. Premièrement, une revue bibliographique introduit l’étude en présentant les avantages qu’induit le passage à la microlubrification. Par la suite, quelques conceptions d’outils avec une lubrification interne qui vise la face de coupe ou la face de dépouille de la plaquette sont passées en revue. / In machining industry, manufacturers tend to limit conventional lubrication and are moving increasingly towards Minimum Quantity Lubrication (MQL) for economic and ecological reasons, and with a view to safeguarding operator health and safety. A very small amount of lubricant at low pressure requires optimized design of the tools internal channels in order to minimize pressure drops and gain benefit from MQL. First, a literature review introduces the study by presenting the benefits induced by switching to MQL. Thereafter, some tool designs with internal lubrication for rake face or flank face lubrication are presented.