L’objectif est de construire le modèle homogénéisé d’un écoulement diphasique en milieu poreux et fracturé, en mettant en évidence le phénomène de mélange dynamique (mixing) entre les phases, provoqué par l’hétérogénéité du milieu. L’attention est concentrée sur l’influence de la capillarité. L’homogénéisation à double échelle a été appliquée. Le mixing se manifeste sous forme de la dispersion hydrodynamique et de l’advection renormalisée. Le tenseur de dispersion, déterminé à travers le problème cellulaire, est une fonction non linéaire de la saturation, vitesse d’écoulement, rapport de viscosité et du nombre capillaire. Pour les milieux fracturés, une méthode streamline configurations a été avancée pour le cas diphasique. Elle permet d’obtenir la dispersion et la perméabilité effective sous forme analytique pour des réseaux de fracture périodiques, ou semi-analytique pour des réseaux aléatoires. La simulation d’un déplacement diphasique à la base du nouveau modèle a été réalisée / The objective of the thesis is to develop the homogenized model of a two-phase flow through a porous and fractured medium by highlighting the dynamic mixing between the phases, caused by the medium heterogeneity. Attention is focused on the influence of the capillarity. The two-scale homogenization is applied. The mixing is manifested in form of the hydrodynamic dispersion and renormalized advection. The dispersion tensor, determined by the cell problem, is a nonlinear function of saturation, flow velocity, viscosity ratio and capillary number. For a fractured medium the method of streamline configurations was advanced for a two- phase case. This method enables to obtain the dispersion tensor and the effective permeability in analytical form for periodic fractured networks or in semi-analytical form for random networks. The simulation of two- phase displacement based on the new model is performed

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements instationnaires de deux fluides visqueux non miscibles, séparés par une interface mobile. Plus particulièrement des écoulements sans choc constitués d'une phase gazeuse et d'une phase liquide sont considérés. Pour modéliser de tels écoulements, une approche dans laquelle le gaz est décrit par les équations de Navier-Stokes compressible et le liquide par les équations de Navier-Stokes incompressible est proposée. C'est le couplage de ces deux modèles qui constitue l'originalité et l'enjeu principal de de cette thèse. Pour traiter cette difficulté majeure, une méthode globale (i.e. la même dans chaque phase) et simple à mettre en oeuvre est élaborée. L'utilisation des équations de Navier-Stokes formulées de façon unifiée pour les inconnues primitives (pression, vitesse et température) constitue le point de départ pour la construction de notre méthode qui repose sur les composants suivants: une méthode d'éléments finis stabilisés pour la discrétisation spatiale des équations de Navier-Stokes; une approche Level Set pour représenter précisément l'interface dont l'équation de transport a été résolue par une méthode de type Galerkin Discontinu; et des grandeurs moyennes pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels. / In this work, we are interested in the numerical simulation of instationnary viscous flows of two immiscible fluids, separated by a mobile interface. In particular, flows without shock composed of a gas phase and a liquid phase are considered. In order to modelize such flows, an approach in which the gaz is described by compressible Navier-Stokes equations and the liquid by incompressible Navier-Stokes équations is proposed. The coupling between these two models is the originality and the stake of this thesis. To treat this important difficulty, a global (i.e. the same for each phase) and simple method is elaborated. In our procedure we propose, using the Navier-Stokes equations formulated in set of primitives unknowns (pressure, velocity and temperature), to elaborate a strategy that relies on the follow components: the stabilized finite element method to discretize spatially the Navier-Stokes equations; the Level Set method for tracking the interface precisely with a discontinuous Galerkin method to solve the associated transport equation; and some averaged quantities to treat the discontinuities at the interface. The good behaviour of this approach is performed on both one and two spatial dimensions.

Ce travail concerne la généralisation d'un modèle de dépôt de particules. La première partie présente l'approche de modélisation adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le coeur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi (MPP) destiné au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les modèles. La validation est assurée par le passage en particules fluides en vérifiant que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. Ce travail a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le MPP reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons choisi de modéliser la thermophorèse dans le MPP. Nous étudions d'abord la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie est consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le MPP. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt en milieu liquide / We present new results obtained with the generalisation to non isothermal flows of a Near-Wall particle deposition Model (NWM). This work is divided in two parts. The first part consists in coupling the Generalised Langevin Model used to compute the particles statistics in the core of the flow with the NWM that calculates particles motion in the vicinity of the wall. In order to achieve the coupling, we focus on the balance of fluxes of fluid particles crossing the interface between the models. This amounts to assessing if the coupling is valid in the fluid limit case, as non-physical accumulation of fluid particles can occur at the interface. It has lead to theoretical and numerical developments on the conditional statistics of particles crossing an interface. The particle deposition rate is then computed with inertial particles and the model reproduces satisfactorily experimental studies in isothermal flow. In the case of non isothermal flows, particles can experience thermophoresis (which is a mechanism that induces a particle flux in the presence of a temperature gradient) that may strongly affect the particle deposition rate. We thus choose to model thermophoresis in NWM to predict accurate particule deposition in non isothermal flows. We first investigate thermophoresis in gas as it is well explained. Thermophoresis in liquids is then studied. In contrast to the gases, the theory and experiment of thermophoresis in liquids are far from being well established. The last part of this work, dedicated to the modelisation of thermophoresis in liquids in the NWM has lead to new promising numerical results of particle deposition enhanced by thermophoresis

Les écoulements diphasiques liquide-gaz et liquide-vapeur sont présents dans de nombreuses problématiques industrielles. De fait, ils sont rencontrés dans des configurations diverses, tant en termes de dimensions que d’orientation et présentent des caractéristiques variées. Pour autant, il peut être distingué dans la littérature deux cas limites de modélisation de l’écoulement diphasique liées à son confinement : l’échelle micro et l’échelle macro. Cependant, la caractérisation de la transition entre ces deux échelles reste un enjeu majeur de compréhension de l’écoulement diphasique. De plus, les comportements thermiques en ébullition convective sont impactés par le phénomène de nucléation, fortement influencé par la géométrie de l’application et les conditions de saturations. De ce fait, l’objectif principal de la thèse est de contribuer à la compréhension des écoulements diphasiques adiabatiques et non adiabatiques à une échelle intermédiaire entre les échelles micro et macro, où les comportements tant dynamiques que thermiques sont mal définis. Pour ce faire, dans le travail présent, les effets du confinement et de l’inclinaison de l’écoulement diphasique sur les régimes d’écoulement, les chutes de pression et les échanges thermiques sont étudiés et comparés avec les observations et modèles de la littérature. Une section test inclinable de 1,6 mm de diamètre intérieur a été installée sur le banc d’essais de Charnay (2014), permettant l’étude de l’ébullition convective du R-245fa. Celle-ci permet de visualiser l’écoulement à l’intérieur de l’évaporateur ainsi que d’acquérir simultanément les chutes de pression et le champ de température de paroi extérieure. Pour ce faire, un tube en saphir chauffé par un dépôt d’ITO a été employé. Le champ de température a été obtenu par une procédure d’acquisition et de post-traitement infrarouge. Au préalable, une campagne d’essais a été menée en conditions adiabatiques sur la section de Charnay (2014). La section test présente, quant à elle, a permis deux campagnes d’essais en conditions adiabatiques et en ébullition convective. Des études menées en conditions adiabatiques est apparu un fort effet de l’inclinaison et du confinement sur les régimes d’écoulement ainsi que sur les chutes de pression. L’effet de l’inclinaison s’apparente à ce qui a pu être observé en macro-canal dans la littérature. De plus, l’inclinaison n’affecte que peu les échanges thermiques au regard des incertitudes inhérentes au dispositif infrarouge. Enfin, il est observé un effet de l’inclinaison sur le régime d’assèchement. Dans cette configuration, l’évolution temporelle du champ de température de paroi extérieure apparaît synchrone avec l’évolution dynamique de l’écoulement diphasique. / Liquid-gas and liquid-vapour two-phase flows are encountered in a large range of industrial applications. They are observed in multiple configurations, in terms of dimension and orientation and then have various characteristics. In the literature, it can be distinguished two limit cases of the two-phase flow linked to its confinement: micro and macro-scale. Nonetheless, characterisation of the micro-to-macro scale transition is still a main issue for the comprehension of two-phase flow. In addition, thermal behaviours of flow boiling are affected by the nucleation phenomenon, which is strongly influenced by the geometry of the application and the saturation conditions. The main objective of the thesis is to contribute to the comprehension of adiabatic and diabatic two-phase flows in mini-scale, where the general behaviours are not well definite. In the present study, the effects of confinement and orientation of two-phase flows on flow patterns, pressure drops and heat exchanges are studied and compared with observations and models of the literature. An 1.6 mm inner diameter inclinable test section was installed on the test bench of Charnay (2014), which enabled to study R-245fa flow boiling. This test section enables to visualize the flow directly in the evaporator and the simultaneous acquisition of the pressure drops and the outside wall temperature field. A sapphire tube, heated by a transparent ITO coating, is unemployed to insure the transparency. The temperature field is obtained by an IR image processing. Previously, tests were led on the section of Charnay (2014) in adiabatic conditions. The present test section was used for two series of tests, led in both adiabatic and diabatic conditions. It appeared a strong effect of confinement and orientation on the flow patterns and pressure drops. The effect of the orientation is likely the same that one observed in macro-scale. In addition, the orientation slightly affects heat exchanges in comparison with the uncertainties of the IR dispositive. Finally, it is observed an effect of orientation on dryout flow pattern. In this configuration, the temperature field evolution with time is synchronized with the dynamic evolution of the two-phase flow.

La phase d’allumage est une composante critique à prendre en compte lors de la conception et du dimensionnement d’une chambre de combustion aéronautique, en particulier lorsque de nouvelles technologies ou architectures sont envisagées dans l’objectif de réduire les émissions de polluants causées par la combustion de carburants d’origine fossile. Il est donc primordial d’atteindre une compréhension détaillée du processus complexe qu’est l’allumage dans des conditions réalistes afin d’être en mesure de choisir les meilleures géométries qui assurent un fonctionnement fiable, stable et sûr des moteurs tout au long de leur cycle de vie. Des simulations aux grandes échelles de l’allumage circulaire d’une chambre de combustion annulaire avec injection de carburant liquide sont réalisés pour trois points de fonctionnement et comparées avec les données expérimentales en termes de structure de flamme et de délai d’allumage. Une analyse détaillée des trois séquences d’allumage numériques permet d’identifier certains aspects clés de la propagation de la flamme dans le mélange froid diphasique. Enfin, les pertes thermiques aux parois sont prises en compte, dans l’objectif d’évaluer la capacité de la simulation à retrouver la forte chute de la vitesse de propagation observée expérimentalement lorsque les parois sont à température ambiante. / Ignition is one of the critical issues that arise in the design and dimensioning of aeronautic combustors, in particular when new technologies are envisioned to reduce the amount of pollutants generated by the combustion of fossil fuels. It is therefore important to achieve a detailed understanding of this complex process in realistic conditions in order to enable informed design choices leading to reliable, stable and safe operation of the engines.Large eddy simulations of the light-round with two phase injection are carried out for three operating conditions and compared to experimental data in terms of flame structure and global duration. The liquid phase is described with a mono-disperse Eulerian approach.A detailed analysis of the three numerical light-round sequences allows to identify some key aspects of the flame propagation in the two-phase mixture. Interactions between the flame, the flow field and the liquid sprays create heterogeneities in the liquid repartition and wakes on the downstream side of the swirling jets formed by the injectors, with notable effects on the motion of the leading point and on the absolute flame velocity.Finally, heat losses at the walls are accounted for during the light-round in order to assess the simulation's ability to retrieve the marked slowdown of the flame propagation observed experimentally when the quartz walls are at ambient temperature.

Cette thèse de doctorat s’intéresse aux écoulements diphasiques métastables typiques de certains transitoires accidentels qui pourraient intervenir dans les centrales nucléaires. Ces phénomènes sont difficiles à traiter en raison de la complexité topologique de l’écoulement, des transferts entre phases et du couplage fort entre les caractéristiques thermodynamiques et les aspects mathématiques.Les méthodes aujourd’hui en usage dans l’industrie ne décrivent pas complétement la complexité de ces écoulements car elles s’appuient sur des modèles trop simples. En fait ces méthodes ne prennent pas en compte le déséquilibre thermo-chimique entre l’eau liquide et sa vapeur. Par ailleurs, les méthodes hyperboliques proposées récemment dans la littérature pour la simulation des écoulements métastables ne peuvent pas être appliquées dans l’industrie car elles utilisent des lois d’état simples qui ne sont pas adaptées pour les calculs industriels.Le but de cette thèse est de développer une nouvelle approche qui couple les méthodes hyperboliques modernes à des équations d’état précises. Le produit final de ce travail est un nouveau modèle pour l’analyse industrielle des écoulements diphasiques métastables qui associe de nouvelles techniques pour le calcul des transferts interfaciaux et des propriétés de l’eau et de sa vapeur. De plus, cette approche est d’un coût abordable pour les configurations industrielles.Les méthodes développées dans cette thèse ont été systématiquement vérifiées avec des solutions exactes et validées en utilisant des données expérimentales de la littérature. / This Ph.D. thesis deals with the metastable two-phase flows typical of accidental transients that could occur in nuclear power plants. Those phenomena are of difficult treatment due to the topological difficulty of the flow, the interphase transfers and the strong coupling between thermodynamic features and mathematical aspects.The methods today in use in industry do not fully describe the complexity of these flows because based on too simple models. In fact, they do not take into account the thermo-chemical disequilibrium between liquid and vapor water. On the other hand, the hyperbolic methods recently proposed in the literature for the simulation of metastable flows can not be used in the industry because based on simple equations of state that are not adequate for industrial calculations.The purpose of this Ph.D. thesis is to develop a new approach that couples the modern hyperbolic methods to accurate equations of state. The final product of this work is a new model for the industrial analysis of metastable two-phase flows that incorporates novel techniques for the calculation of interfacial transfers and of steam-water properties. Moreover, it is computationally affordable for its use in industrial configurations.The methods developed in this thesis have been sistematically verified against exact solutions and validated using experimental data of the literature.

Modélisation des transferts de masse et de chaleur dans une cellule d'électrolyse de production de fluor. La production de fluor par électrolyse est une étape clé de la conversion de l’uranium dans l’industrie nucléaire. Afin d’optimiser ce procédé, les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit se sont concentrés sur deux axes : le développement d’un modèle numérique de l’électrolyseur et l’étude du phénomène d’hyperpolarisation cathodique néfaste pour le bon fonctionnement de la cellule. Un modèle couplant plusieurs physiques (thermique avec solidification, diphasique, électrocinétique) a été développé et des essais expérimentaux ont été menés afin d’acquérir, d’une part, certaines propriétés physiques de l’électrolyte nécessaires aux simulations (conductivité thermique et capacité thermique à pression constante) et, d’autre part, des données expérimentales permettant de qualifier le modèle obtenu. Ce travail de modélisation a abouti à l’obtention d’un modèle 3D fiable couplant les physiques citées précédemment, ceci à l’échelle d’un pilote R&D semi-industriel. L’impact de la solidification de l’électrolyte sur le transfert de chaleur a également pu être simulé pour la première fois. Ces essais ont également permis de fournir des premières explications sur le phénomène d’hyperpolarisation cathodique en dressant des tendances claires quant à l’influence de certains paramètres de contrôle de l’électrolyseur comme le titre HF et la température de consigne. / Computer modeling of heat transfer and mass transfer in an electrolytic cell for production of fluorineElectrolytic production of fluorine is a key step in uranium conversion for the nuclear industry. In order to improve this process, the work described in this dissertation aims at two main objectives: to build a numerical simulation of the electrolysis cell and to understand the cathodic hyperpolarization effect which lowers the productivity of the cell. A model coupling several physics (heat transfer with solidification, two-phase flow, electrokinetics) has been developed and experiments were made in order to evaluate unknown physical properties of the electrolyte (thermal conductivity and heat capacity at constant pressure). Experimental data were also acquired in order to assess the capacity of the model to simulate various phenomena occurring inside the cell. Eventually, a reliable 3D model of a semi-industrial R&D cell coupling the physics above mentioned has been obtained. The negative impact of the solidification of the electrolyte on the cooling system was simulated for the first time. Thanks to these experiments, it was also possible to determine the major trends which drive the cathodic hyperpolarization effect. The influence of HF mass fraction and temperature on this phenomenon was clearly shown.

La technologie de la microencapsulation comprend généralement deux procédés : les procédés de production de microgouttes/microémulsions et les procédés de leur encapsulation. A cause de difficultés de calibrer la taille de microgouttes, des microcapsules ont souvent une grande dispersion sur leur taille. La technologie microfluidique permet d'améliorer la monodispersité de microcapsules.<br />Cette thèse a pour objet la conception et la réalisation d'un système microfluidique pour la production de gouttes calibrées et leur encapsulation. La contribution de cette thèse consiste en trois aspects : le premier concerne les effets géométriques sur la formation de goutte ; le deuxième concerne la dynamique des écoulements, le comportement d'écoulement laminaire, les propriétés physico-chimiques des couples diphasiques sur la taille de gouttes, les lois corrélant la taille de gouttes. Troisièmement, un système microfluidique est conçu dans lequel le procédé complet de la microencapsulation est réalisé pour la fabrication de microcapsules monodisperses. Les perspectives d'applications sont nombreuses.

Les moteurs fusées sont des milieux confinés où la combustion a lieu dans des conditions extrêmes. Des instabilités de combustion peuvent se déclencher à haute-fréquence ; elles sont liées aux modes acoustiques de la chambre de combustion. Une chambre de recherche commune, CRC, permet d'étudier la réponse d'une flamme diphasique et turbulente aux oscillations acoustiques de faibles ou fortes amplitudes. La chambre est caractérisée à froid pour obtenir, notamment, le coefficient d'amortissement relatif des oscillations acoustiques. La structure et la fréquence des modes sont déterminées dans le cas où la chambre est couplée avec une cavité latérale. L'utilisation d'un canon à poudre, lors de l'étude de la réponse une excitation acoustique forcée de forte amplitude, nous a dirigés vers des flammes plus courtes. Les injecteurs ont été modifiés pour mener l'étude du niveau du bruit de combustion en fonction des conditions d'injection. La vitesse du gaz détermine si les flammes sont accrochées ou décrochées. Le niveau de bruit des flammes décrochées est plus élevé. Celui des flammes accrochées est proportionnel au nombre de Weber. Les flammes courtes, de longueur inférieure au rayon de la CRC, condition nécessaire pour obtenir un couplage efficace, sont les plus sensibles aux perturbations acoustiques. L'utilisation d'une roue dentée différentes positions dans la chambre a permis d'obtenir des renseignements sur l'origine du couplage thermo-acoustique dans la CRC, objectif principal de cette thèse. La flamme est sensible aux oscillations acoustiques de pression, avec un temps de réponse qui est quasi-nul. Ces observations suggèrent que dans les conditions de la CRC, nous observons essentiellement la réponse de la cinétique chimique aux oscillations de pression.

On s'intéresse dans ce travail à la simulation des écoulements diphasiques. Différents modèles, tous hyperboliques, sont considérés suivant les configurations étudiées. Dans un premier temps, plusieurs schémas Volumes Finis sont comparés pour l'approximation du modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model), notamment en présence de faibles densités. Ensuite on démontre l'existence et l'unicité de la solution faible entropique d'une loi de conservation scalaire gouvernant l'évolution de la saturation d'un écoulement diphasique dans un milieu poreux. On propose alors deux schémas Volumes Finis tenant compte du caractère résonnant de cette équation. La troisième partie concerne les écoulements en eaux peu profondes et l'approximation des termes sources raides. Une méthode permettant le maintien d'états au repos ainsi que le recouvrement et l'apparition de zones sèches, est présentée et comparée aux méthodes habituellement utilisées dans l'industrie. Enfin, une classe de modèles hyperboliques non conservatifs se basant sur l'approche bifluide à deux vitesses et deux pressions est proposée. Une étude des solutions discontinues du système convectif permet d'exhiber une classe de fermetures sur la vitesse interfaciale et sur la pression interfaciale, tout en permettant de définir de manière unique les produits non conservatifs. L'approximation se fait à l'aide d'une méthode de splitting d'opérateur. On utilise deux schémas Volumes Finis, le schéma de Rusanov et le schéma de Godunov approché VFRoe-ncv pour l'étape de convection. Plusieurs cas tests sont présentés et commentés : tubes à choc, conditions limites de paroi, robinet d'eau, sédimentation.