Les contraintes actuelles, écologiques et économiques, imposent aux constructeurs automobiles de réduire la consommation et les émissions polluantes des moteurs Diesel. Pour améliorer ces derniers, il faut comprendre finement les phénomènes physiques mis en jeu et en particulier l'injection du carburant dans la chambre de combustion. Une voie d'analyse de la physique et d'optimisation des moteurs Diesel à injection directe est la simulation numérique et plus particulièrement la modélisation. Après avoir détaillé les caractéristiques physiques des sprays, les modélisations existantes du processus d'atomisation ainsi que leurs limitations, un modèle innovant est présenté : le modèle ELSA (pour Euler - Lagrange pour les Sprays et l'Atomisation). Il prend en compte l'écoulement dans la zone dense du spray et traite le phénomène d'atomisation depuis l'intérieur de l'injecteur jusque dans la zone diluée du spray. Les équations fondamentales de ce modèle sont l'équation de transport de la fraction massique moyenne de liquide et l'équation de transport de la densité massique moyenne d'interface liquide/gaz. Dans ces deux équations apparaît un terme de flux turbulent non fermé. Une méthode de couplage des formalismes eulérien et lagrangien est proposée pour sa fermeture. De plus, en prenant en compte chacun des phénomènes physiques agissant sur la quantité d'aire interfaciale liquide/gaz, des évolutions sur la fermeture de cette équation de transport sont apportées. Enfin, les échanges thermique et massique entre les phases liquide et gaz sont intégrés au modèle ELSA à l'aide de deux équations de transport : une pour la fraction massique de vapeur et une pour l'enthalpie massique de la phase liquide. Des cas de validations sont présentés, concernant tout d'abord une étude comparative en zone dense du jet avec des données issues d'une simulation numérique directe puis à l'aide de données expérimentales macroscopiques comme les pénétrations liquide et vapeur pour un spray vaporisant ou le positionnement de flamme dans le cas d'une combustion diphasique en régime stationnaire.

L'objet de cette étude est l'optimisation de la distribution d'un fluide diphasique dans un évaporateur compact à mini-canaux. Une méthode de mesure, basée sur la thermographie infrarouge, a été développée pour caractériser la distribution des échanges thermiques en paroi de l'échangeur, représentatifs de la distribution du fluide. Cette méthode a été validée sur une maquette d'évaporateur à mini-canaux avec un fluide monophasique, puis avec un mélange eau-air. L'influence des débits et des titres en gaz du fluide sur la distribution a été étudiée, ainsi que l'orientation de l'échangeur. Il a été mis en évidence que la distribution dans l'échangeur est fortement dépendante de l'inertie de la phase liquide du fluide. L'introduction d'un corps poreux dans le distributeur permet de limiter cet effet. Un outil de simulation numérique de la distribution du fluide diphasique (eau-air et fluide frigorigène) dans un évaporateur a été développé puis validé par des résultats expérimentaux.% Ces essais ont mis en évidence l'importance majeure de l'inertie de la phase liquide sur la distribution des échanges. Un corps poreux a donc été inséré dans le distributeur, de façon à briser l'élan de la phase liquide. Les résultats montrent l'effet bénéfique obtenu, pour une augmentation des pertes de charge négligeable. Enfin, un outil de simulation numérique a été développé puis validé. Cet outil a pour vocation de prédire la distribution des échanges thermiques et du fluide frigorigène au sein d'un évaporateur.

Cette thèse est centrée sur le développement d'outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l'étude du couplage entre l'évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l'injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l'instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l'holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l'étude de l'évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l'évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée.

Ce travail est consacré à l'étude du givrage atmosphérique des structures par accrétion de neige collante qui peut conduire à des dommages sévères aux structures. Les particules à la base de ce type d'accrétions sont caractérisées par un mélange d'eau et glace quantifié dans cette étude par un paramètre sans dimension: la teneur en eau liquide: 푇 définie comme le ratio de la masse liquide sur la masse totale de la particule. La définition de la TEL considérée dans ce travail est différente de celle utilisée en aéronautique. Dans cette étude, la neige collante a été reproduite avec une températures ambiante négative. L'approche expérimentale, mise en oeuvre dans une soufflerie climatique, est consacrée à l'étude de l'effet de la 푇 sur l'accrétion de neige sur une structure de test. La 푇 est ajustée en modifiant la température ambiante. Les résultats sont synthétisés par le coefficient definì comme le ratio entre le flux massique de l'accrétion, et le flux massique de neige incidente. Un premier modèle numérique évalue les conditions aux limites pour le modèle d'accrétion: c.à.d. la distribution en taille des particules à l'amont de la structure et la 푇 associée. La première partie du modèle numérique d'accrétion concerne l'analyse du comportement des particules à proximité de la structure expérimentale quantifié par le nombre de Stokes. La capacité des particules à impacter la structure est synthétisé par le coefficient de collision . L'analyse du coefficient expérimental , en fonction de est développée. Ceci permet l'étude de la capacité des particules à s'accrocher à la surface en fonction de la 푇 . Le résultat est évalué par le coefficient de collage . La seconde partie expose une approche pour modéliser la forme d'accrétion, par le coefficient de collage , en s'appuyant sur l'angle d'impact entre la particule et la surface. Des perspectives sont proposées.

Dans le cadre de la sécurité incendie, et de la prévention de départ d'un feu en environnement confiné, un objectif majeur consiste en l'amélioration des procédés d'extinction et plus précisément de la pulvérisation de brouillards d'eau qui est un moyen de lutte largement utilisé. Les simulations numériques doivent prévoir l'efficacité des brouillards en évaluant précisément l'évolution spatiotemporelle des caractéristiques du foyer incendie en présence d'un champ pulvérisé de gouttelettes. Pour déterminer les fractions massiques d'eau sous forme liquide ou vapeur, les concentrations des produits formés ainsi que les niveaux de températures en tout point du local, nous présentons ici le développement d'un modèle apte à décrire un milieu réactif dans lequel la stabilité de la flamme est altérée par la présence de gouttelettes d'eau. Un formalisme diphasique eulérien-eulérien est utilisé pour modéliser le transport des gouttelettes qui interagissent avec le milieu réactif en le refroidissant et en le diluant via l'introduction de vapeur d'eau issue du processus d'évaporation. Le modèle sousjacent est une approche de combustion à multi-fractions de mélange avec un diagramme de reconstitution des espèces mettant en compétition un domaine inflammable et un domaine non inflammable. Les modèles finalement obtenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides qui a récemment été adapté à l'étude des incendies. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données expérimentales issues de la littérature, et sur des cas test d'échelle intégrale.

On a étudié la détonation de milieux hétérogènes composés d‟aérosols de gouttelettes de carburants liquides dans de l‟air, dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, et plus particulièrement l‟influence de la granulométrie des gouttelettes sur les conditions d‟existence d‟une détonation, ses caractéristiques de propagation et l‟existence d‟une structure cellulaire analogue à celle observée dans les mélanges gazeux homogènes. Avec des carburants volatils (Heptane, Isooctane) la structure cellulaire a été mise en évidence pour des gouttelettes de diamètre d0=8 μm. En revanche, pour d0=30 ou 45 μm, on observe soit la détonation hélicoïdale, soit un régime limite de détonation avec de grosses cellules assez irrégulières. Dans des carburants moins volatils (Octane), des détonations n‟ont été observées que pour d0=8 et 30 μm, alors que pour d0=45μm, la détonation ne s‟établit pas, quelle que soit la richesse. Dans le cas de carburants peu volatils (Décane ou Dodécane), il n‟est pas possible d‟initier une détonation pour d0=30 ou 45 μm, mais seulement pour d0=8 μm, avec la structure cellulaire dans le cas du décane, et le régime de détonation hélicoïdal avec le dodécane. Un modèle numérique a été développé pour simuler les détonations dans des mélanges hétérogènes gaz/gouttelettes liquides. Pour d0=30 μm et d0=45 μm, il est nécessaire de prendre en considération la désintégration mécanique des gouttelettes sous l‟effet du choc incident pour obtenir une détonation. Pour d0=8μm, l‟étape de la désintégration n‟est pas requise. Les résultats concernant l‟influence de d0 sur la taille de la cellule de détonation sont en accord raisonnable avec les expériences.

Pour les études de sécurité industrielle, il est nécessaire d'évaluer le débit diphasique lors des vidanges accidentelles de stockages de gaz liquéfiés sous pression. Or, le flux massique dépend fortement des conditions initiales. Il est donc primordial de pouvoir le calculer dans le cas où il est le plus élevé, c'est à dire quand le fluide est initialement sous saturé. Nous avons conçu un montage expérimental comprenant un réservoir d'essai de 233 L, un réservoir de récupération de 4 m3 et entre les deux une conduite d'essai de 0,535 m de long. Les fluides que nous avons utilisés sont l'eau et le CFC11. Les mesures effectuées montrent une bonne maîtrise des conditions thermodynamiques à l'entrée de la conduite (P à 15 mbar et T à 0,15°C). La confrontation de nos essais avec ceux de la littérature nous a amené à effectuer des expériences supplémentaires avec un autre diamètre (8 mm au lieu de 4 mm) et un autre matériau (cuivre au lieu d'acier inoxydable). Les flux massiques mesurés sont alors comparés avec différents modèles. Il nous a fallu prendre en compte les frottements dans la région monophasique. Nous avons alors constaté que le modèle H.E.M. étendu estime parfaitement le flux massique (aussi bien pour l'eau que pour le CFC11), lorsque l'écart à la saturation initial réduit par les frottements est supérieur à 1,5 bar, c'est à dire à fort écart à la saturation. Afin de prédire correctement la zone de faible écart à la saturation, il faut utiliser des modèles hors équilibre comme D.E.M. (modèle de retard à l'équilibre) ou H.R.M. (modèle homogène de relaxation).

Pour les études de sécurité industrielle, il est nécessaire d'évaluer le débit diphasique lors de vidanges accidentelles de stockages de gaz liquéfiés sous pression. Or, seules de rares études existent avec d'autres produits que l'eau. Le présent travail s'intéresse donc à l'influence de la nature du fluide mais aussi de la géométrie de la conduite. Nous avons conçu un montage expérimental (réservoir de 27 litres admettant une pression de 0,4 MPa) afin de comparer l'eau, le CFC11 et le CFC113 dans une même installation. Différentes conduites (diamètres 8 et 16 mm et longueurs de 0,1 à 0,6 m) ont d'abord été utilisées avec l'eau afin de déterminer la meilleure géométrie pour cette comparaison. Les mesures réalisées dans le réservoir montrent qu'au cours de la vidange il existe des oscillations de la pression, qui sont plus importantes pour les CFC que pour l'eau. Malgré ces différences, les trois fluides testes restent très prés des conditions d'équilibre. Les débits mesures sont ensuite comparés aux estimations de différents modèles. Les hypothèses les plus simples (Modèle homogène à l'équilibre) conduisent à une bonne évaluation du débit. Il ressort de cette analyse qu'il est nécessaire de considérer des frottements pour une bonne description des mesures faites le long de la conduite. Cependant, il existe des écarts résiduels entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux: les débits mesures et ceux estimes ne sont pas égaux mais, de plus, le rapport de ces deux débits est différent selon le fluide utilisé. Pour expliquer ces écarts, il nous apparait nécessaire de prendre en compte simultanément des vitesses différentes (Échanges de quantité de mouvement entre les phases) d'une part et des écarts à l'équilibre d'autre part.

On introduit un modèle multi-fluides eulérien pour décrire l'évolution de sprays polydispersés dans des flammes diphasiques. Nous montrons que ce modèle peut être obtenu à partir d'un niveau cinétique de description. Il peut ainsi prendre en compte des interactions entre gouttes d'inerties différentes, comme la coalescence, ce qui n'avait jamais été fait avec un modèle eulérien. Il est validé par des comparaisons avec des mesures expérimentales pour le cas des sprays dilués sur des configurations de flammes laminaires de diffusion à contre-courant. Il est également comparé numériquement à des méthodes d'échantillonnages dans des cas de sprays dilués ou denses. D'autre part, son analyse numérique est menée dans un cas simplifié où seule subsiste l'évaporation. Cette analyse nous permet d'introduire d'autres méthodes numériques d'ordre arbitrairement élevé pour discrétiser l'espace des phases en taille et décrire l'évaporation. Elle nous permet aussi de considérer la propagation de flammes planes de prémélange, en présence d'un spray polydispersé. Cette configuration est décrite par un système de réaction-diffusion pour un modèle thermo-diffusif du gaz couplé au modèle cinétique du spray. La propagation de telles flammes est décrite par des ondes progressives du système complet. Pour en étudier l'existence, on utilise des méthodes de degré topologique pour des opérateurs elliptiques dans des domaines non bornés. Cependant, le modèle cinétique introduit une EDP hyperbolique. Les résultats d'analyse numérique permettent d'envisager une discrétisation de l'espace des tailles de gouttes, afin de se ramener à un système dynamique de dimension finie. Il reste à ajouter une diffusion dans la partie hyperbolique du système, afin d'obtenir un système elliptique et pouvoir appliquer une méthode de degré topologique. En passant à la limite sur la diffusion, puis sur le pas de discrétisation, on montre l'existence de flamme plane se propageant, en présence d'un spray polydispersé.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but de modéliser puis de simuler des problèmes de balistique intérieure. Nous étudions deux modèles diphasiques différents: le modèle de Gough répandu dans la littérature balistique et un modèle de relaxation. Ces modèles ont des propriétés mathématiques différentes mais ont en commun qu'ils sont conditionnellement hyperboliques et non conservatifs. Nous proposons une méthode numérique pour résoudre les systèmes d'équations associés en trois dimensions d'espace. Une attention particulière est portée sur les termes sources et en particulier sur le critère d'allumage et le modèle de combustion à basse pression.