Dans un contexte de protection des biens et des personnes, le CEA DAM s’intéresse aux mousses aqueuses pour leur capacité à confiner une détonation.D’une part, le but est d’atténuer les effets de souffle liés à la détonation d’un engin explosif. D’autre part, il est souhaitable de ralentir ou de capturer les particules solides, potentiellement nocives, qui pourraient être dispersées.L’objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes physiques sous-jacents à ces deux problématiques, au travers de la réalisation d’expériences et de leur modélisation numérique.Les mousses aqueuses sont des milieux diphasiques, assemblages de bulles de gaz encapsulées dans une matrice de films liquides et de Bords de Plateau.Cette étude se concentre sur les mousses communément dites sèches, i.e. dont la fraction volumique de liquide est inférieure à 5%. Les travaux réalisés sont présentés en trois grandes parties. La première concerne la propagation des ondes de choc dans les mousses aqueuses. Elle présente une campagne expérimentale en tube à choc, menée à l’ENSTA Bretagne, dont les résultats permettent la mise en évidence de l’influence du gaz composant la mousse sur le ralentissement et l’atténuation du front de choc.La deuxième partie s’intéresse à l’atténuation des ondes de souffle issues d’une détonation. Deux campagnes ont été conduites : l’une à l’ISAE-ENSMA en mettant en œuvre un tube à détonation rempli d’un mélange réactif gazeux, l’autre au CEA/Gramat en utilisant la détonation d’un explosif solide en champ libre. Ces deux configurations amènent à l’observation de l’atténuation des phénomènes de souffle provenant de la détonation.Le modèle numérique qui s’appuie sur un formalisme multiphasique compressible, a permis d’appréhender la phénoménologie et l’importance relative des différents mécanismes de transferts entre phases, en y incluant notamment deux étapes de fragmentation de la mousse. Les résultats expérimentaux des trois précédentes campagnes et les résultats numériques sont en très bon accord.La dernière partie concerne l’étude du ralentissement et de la capture de particules micrométriques par la mousse aqueuse. Deux campagnes ont été menées à cet effet. La première consiste à étudier la dynamique à haute vitesse d’un nuage de particules métalliques, qui a été projeté par un explosif au sein d’une mousse. A l’aide de radiographies X, la position et la forme du nuage sont analysées au cours de sa propagation. Le freinage des particules parla mousse est manifeste. La deuxième campagne quantifie le taux de particules capturées par un confinement de mousse aqueuse.Ainsi, une comparaison de la dispersion de particules métalliques micrométriques a été effectuée pour différentes tailles de confinement. Ces résultats ont permis d’attester des bonnes propriétés de capture des particules dispersées par une charge explosive dans les mousses aqueuses. / In order to improve the protection of goods and persons, the French CEA DAM is interested in aqueous foams for their ability to mitigate the detonation outcome. Two objectives are put forward. The first one is to attenuate the blast effects induced by the detonation of an explosive device. The second one is to slow down or to capture potentially harmful solid particles, which could be dispersed by the considered device.As such, the aim is to understand the underlying physics of such phenomenon. Several experiments have been undertaken and compared to a multiphase numerical modelling.Aqueous foam is a two-phase medium, composed of gaseous bubbles within a liquid matrix made of films and Plateau Borders. This study focuses on dry aqueous foams, i.e. with a liquid volumic fraction lower than 5%. The presentation of the study is divided into three parts. The first one deals with the shock wave propagation through aqueous foam. An experimental campaign on a shock tube, at ENSTA Bretagne, is presented, whose results highlight the influence of the gas which fills the cells of the foam on the shock front behavior.The second part is related to the blast wave attenuation. Two experimental campaigns were conducted: one in a detonation tube with a reactive gaseous mixture, at ISAE-ENSMA and another one, using condensed explosive, at CEA/Gramat. In both cases, the results lead to the mitigation of the detonation induced blast effects.There is a good agreement between these three experimental results and the numerical results from the multiphase model. This enables us to clarify the phenomenology and quantify the different interphase exchange, which evolve as the foam fragmentation proceeds in two steps.The last part is about the aqueous foam ability to slow down or to capture micrometric particles. Two campaigns were conducted on this subject. The first one studied the high velocity dynamics of a cloud of particles propelled by an explosive into an aqueous foam. Using X-ray radiography, both the position and the shape of the cloud are analysed during its propagation through the foam. A strong decrease in speed of the particles is observed. The second campaign aimed to quantify the particle ratio captured by an aqueous foam confinement. To that end, several sizes of aqueous foam confinement have been compared. The results show the good properties of the foam to inhibit the particle dispersal by an explosive.

Le but de cette thèse consiste à créer et développer un modèle de transport de suspension colloïdale en milieu poreux saturé qui sera capable de détecter et de prédire l'apparition de vitesses différentes entre l'eau et la suspension ; de distinguer les cas de l'accélération et de retard des particules colloïdales ainsi que de calculer les deux vitesses en utilisant l'information initiale des propriétés du milieu poreux et des particules. On a procédé de deux manières différentes. Premièrement, on a proposé une méthode analytique de calcul de facteur d'augmentation de la vitesse qu'on peut introduire dans le modèle monophasique classique du transport colloïdal. Deuxièmement, on a proposé un nouvelle approche mathématique phénoménologique pour décrire un transport colloïdal.Pour développer cette approche, on a utilisé le fait que les deux vitesses apparaissent automatiquement dans le modèle diphasique d'écoulement. Ainsi notre modèle doit être proche de celui diphasique. En conséquence, pour notre modèle mathématique, on a écarté l'approche traditionnelle qui suppose un transport d'un liquide monophasique / The aim of this PhD thesis is to create and to develop a colloid suspension transport model in the saturated porous media that will be able to detect and to predict the apparition of the difference between water and suspension velocity; to distinguish cases of acceleration and of deceleration of the colloidal particles and also to calculate the two velocities using the initial information on the properties of porous media and of particles. We are proceeded by two different manners. Firstly, we are proposed an analytical method of calculation of enhancement velocity factor that can be introduced in the classic colloid transport model that is single-phase one. Secondly, we are proposed a new phenomenological mathematical approach to describe a colloid transport. To develop this approach, we are used the fact that two velocities appear automatically in the two-phase transport model. Thus our model must be similar to two-phase one. Therefore, for our mathematical model we are refused the traditional approach that assumes a transport of a single-phase liquid

Les boucles diphasiques à pompage capillaire sont des systèmes performants de transfert thermique qui peuvent transporter, de manière passive, de très importantes quantités de chaleur sur de grandes distances : utilisant les phénomènes qui apparaissent lors de la vaporisation d'un liquide dans un corps poreux (la mèche) contenu dans l'évaporateur, ces dispositifs offrent l'avantage de ne pas utiliser d'organe mécanique de puissance pour mettre lefluide frigorigène en mouvement. Vu les performances dont ces systèmes ont fait preuve dans le domaine spatial, leur utilisation dans le domaine gravitaire est aujourd'hui sérieusement étudiée, en particulier dans le domaine ferroviaire. Le travail de cette thèse porte sur la description du comportement thermodynamique instationnaire global d'une boucle diphasique à pompage capillaire, utilisée par Alstom Transport pour refroidir ses composants d'électronique de puissance. La première partie de ce travail consiste en la modélisation du transfert de masse et de chaleur dans la mèche contenu dans l'évaporateur, qui est le composant clé de la boucle. Un modèle mathématique instationnaire 2D a été développé pour décrire l'écoulement diphasique avec changement de phase dans le milieu poreux. Les résultats numériques de ce modèle montrent la formation d'une poche de vapeur au sein de la mèche poreuse. Une étude approfondie est élaborée pour décrire la dynamique de la croissance de cette poche en fonction de plusieurs paramètres (géométrie, sous-refroidissement, température de saturation, porosité). La deuxième partie de ce travail consiste à coupler le modèle de l'évaporateur au reste de la boucle afin d'obtenir un modèle thermodynamique global avec une interface liquide/vapeur mobile dans la mèche poreuse. Ce modèle est validé en régime transitoire par une confrontation de ses résultats aux mesures obtenues lors d'une précédente campagne expérimentale. Le comportement de la boucle au cours de la phase de démarrage est ensuite étudié. Finalement, la réponse transitoire de la boucle globale est analysée, en portant un intérêt particulier au comportement de l'évaporateur soumis à un créneau de puissance appliqué, à la variation de la température de consigne du réservoir de contrôle et à la variation de la température de la source froide en contact avec le condenseur. / Capillary pumped loop is a two phase device that uses the phase change phenomena occurred in the porous wick to transport large heat loads over long distances (several meters) without the need of any mechanical pump. CPLs have been developed and successfully employed for the thermal control of satellites. Thanks to their heat transport capacity, their use is now seriously considered in the gravity field especially for cooling electronic devices of a railroad traction chain. The work of this thesis focuses on the description of the unsteady thermodynamic behavior of a capillary pumped loop used by Alstom Transport to cool its power electronics components. The first part of the thesis consists to study the key component of CPL: the capillary evaporator. A 2D unsteady mathematical model has been developed to describe the heat and mass transfer inside the porous wick of the CPL evaporator. The numerical results of this model show the formation of a vapor pocket inside the porous wick. The influences of evaporator geometry, liquid subcooling, saturation temperature and wick porosity on the dynamic growth of the vapor pocket are discussed in detail. The second part of this work consists of coupling the CPL evaporator model with other CPL components in order to obtain a global capillary pumped poop model with a mobile liquid/vapor interface in the porous wick. The proposed model is validated by comparing numerical simulations with experimental results obtained in a previous works realized at Alstom Transport. The CPL startup is then studied. Finally, the influences of the applied power, reservoir temperature and heat sink temperature on the dynamic response of the overall loop are analyzed, with a particular interest to the evaporator behavior.

Faisant partie des recherches menées dans le cadre du développement du moteur cryogénique Vinci, prévu pour propulser le dernier étage d'Ariane 6, cette thèse a pour objectif la simulation numérique directe (DNS) de la croissance de bulles de vapeur en paroi.La réalisation de ce type de simulation nécessite que les effets physiques internes aux phases et les interactions entre phases soient correctement modélisés et résolus. Pour cela, des modèles et des schémas numériques adaptés à ce type d'écoulement sont mis au point et ce, couplés à des maillages suffisamment fins pour pouvoir résoudre la structure de l'écoulement et des zones de forts gradients, en particulier à l'interface. / Part of the researches concerning the Vinci cryogenic engine, created to propel the last part of Ariane 6, the main goal of this thesis is the direct numerical simulation of boiling flows.Simulation this kind of flow requires the modelling and the resolution of the multiple internal physical effects as well as phases interactions. To achieve this goal, we created models and numerical schemes suited to the boiling flows. The method is used on fine meshes in order to be able to resolve the flow structure, essentially at the interface.

Cette étude porte sur l'utilisation conjointe (appelée ” couplage ”) de modèle de turbulence à grandes échelles LES (Large Eddy Simulation) et du modèle multiphasique VOF (Volume of Fluid). Cette utilisation conjointe est nécessaire dans de nombreuses applications industrielles comme celles de l'automobile où l'on recherche par exemple à évaluer les prestations diphasiques de l'auvent liées au phénomène d'entraînement et d'ingestion d'une nappe d'eau par le HVAC (système d'air conditionné). Cependant, l'utilisation conjointe de ces méthodes nécessite un traitement particulier de la turbulence proche de la surface liquide afin de reproduire convenablement la quantité de mouvement transmise depuis la phase gazeuse, motrice, jusque dans la phase liquide.<p><p>Basée sur une approche numérique et expérimentale, notre étude est articulée autour de trois axes. Tout d'abord, le développement de techniques de mesures spécifiques pour l'étude expérimentale de notre problématique: le LeDaR pour mesurer les déformées d'une interface et la PIV d'interface afin d'accéder aux champs de vitesse et de turbulence dans chacune des deux phases. Le second axe est la constitution d'une base de données expérimentales sur une configuration de type jet impactant sur une surface liquide représentative des phénomènes rencontrés dans l'auvent. Enfin, le troisième axe de travail est l'évaluation des modèles existants dans le code Ansys Fluent et à partir de cette analyse le développement et la validation de modèles de couplage LES-VOF.<p><p>L'évaluation des modèles développés a permis de valider une stratégie de calcul adaptée aux simulations de l'entraînement d'une surface d'eau par un écoulement d'air turbulent. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse propose une analyse originale des phénomènes de brisure de gouttes et d'action d'un champ électrique dans un système microfluidique.<br /> Une première partie présente l'étude d'une goutte traversant une jonction microfluidique. Après avoir identifié trois scénarios possibles - dont deux entraînent la brisure - nous proposons<br />une étude quantitative des comportements observés dans l'espace des variables locales puis des paramètres de contrôle. Ces résultats ont été appliqués à l'extraction de phase microfluidique.<br /> Dans une seconde partie, nous étudions l'effet du champ électrique sur une goutte fortement confinée. La pertinence de l'approche théorique bidimensionnelle est établie sur deux expériences modèles qui analysent l'évolution de la forme d'une goutte confinée sous champ et la variation de vitesse d'une goutte soumise à un champ inhomogène. Enfin, nous appliquons ces résultats au contrôle de gouttes dans des systèmes microfluidiques d'architectures variées.

Ce document présente l'ensemble des travaux de l'auteur dans le domaine de la thermohydraulique appliquée aux écoulements rencontrés dans les réacteurs nucléaires. Il présente en particulier les développements réalisés pour la simulation numérique des écoulements diphasiques dans les générateurs de vapeur. Il présente une méthode aux éléments finis permettant de calculer ces écoulements.

Lors de la phase de rentrée atmosphérique d'une sonde spatiale, la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes. Nous nous intéressons dans cette thèse au cas où le matériau solide de l'objet de vol comporte plusieurs constituants s'ablatant de façon différentielle. En particulier, l'un de ces constituants subit un changement de phase donnant lieu à l'apparition d'une phase liquide. Nous sommes en présence de trois phases : solide, liquide et gaz. Les travaux effectués dans cette thèse correspondent au développement de méthodes numériques en 2D capables de modéliser les différentes interfaces en présence ainsi que l'évolution des fluides ou des matériaux séparés par celle-ci. L'enjeu principal de la thèse est de proposer des méthodes et des algorithmes de couplage pour l'écoulement diphasique, la thermique multimatériaux et les changements de phase (fusion et sublimation)

Les écoulements diphasiques en fracture se produisent dans de nombreuses applications industrielles et environnementales. Pour modéliser ces écoulements, il est important de connaître le rôle des caractéristiques géométriques des surfaces constituant les fractures.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier expérimentalement les écoulements diphasiques et la dispersion de traceurs dans des fractures réelles dont on connaît la cartographie des surfaces et d’en proposer une modélisation adéquate.L’écoulement diphasique inertiel a été modélisé à l’aide de la généralisation de la loi de Darcy couplée à l’approche de la fonction F. Le modèle proposé permet de prédire les perméabilités relatives et les saturations en fonction des débits des deux fluides avec deux paramètres d’ajustement.Les profils de concentration obtenus lors des expériences de dispersion ont été interprétés avec différents modèles afin d'évaluer leur capacité à décrire la dispersion dans les fractures et donc l’hétérogénéité de celles-ci. Les résultats montrent que le modèle stratifié, avec un seul paramètre estimé, donne des résultats satisfaisants et permet de quantifier l'hétérogénéité.Enfin, avec cinq paramètres estimés, à partir de la courbe de la concentration de traceur à la sortie des fractures, le modèle CTRW permet de décrire avec une bonne précision les profils de concentration de toutes les abscisses / The two-phase flows through fractures occur in many industrial and environmental processes.Modelling these flows needs understanding the role of geometric characteristics of the fractures surfaces. The objective of this thesis is to study experimentally the two-phase flow and the dispersion of tracers in fractures which the aperture map is known and propose a suitable model.The inertial two-phase flow model is based on the generalization of the single-phase full cubiclaw that accounts for non-Darcian effects by using the F function approach. On this approach,the presence of a second fluid is taken into account through a multiplier function introduced into the superficial velocity of each fluid. This model let us predict the relative permeability and the saturation as a function of the two fluid flows with two adjustment parameters.The concentration profiles obtained during dispersion experiments were interpreted with different models to study their ability to describe the dispersion in fractures and hence the heterogeneity of them. The results show that the classical convection-dispersion is not appropriate due to the heterogeneity of the fractures. On the other hand, the stratified model,with only one estimated parameter, gives satisfactory results and allows quantifying heterogeneity. Finally, with five estimated parameters, from the concentration curve at the outlet of the fractures, the CTRW model can describe the concentration profiles of all abscissas with good accuracy

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.