Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à la combustion turbulente non-prémélangée dans des écoulements rapides, et éventuellement diphasiques. Pour ce type de conditions, il devient nécessaire, du point de vue de la modélisation, de tenir compte du couplage existant entre les effets de compressibilité, les processus de mélange turbulent et la cinétique chimique. Dans ces écoulements, la conversion de tout ou partie de l'énergie cinétique de l'écoulement sous forme d'enthalpie sensible va influencer le développement des réactions chimiques et peut contribuer notablement à la conversion des réactifs en produits de combustion ainsi qu'à la stabilisation des flammes. De plus, les échelles de temps caractéristiques du mélange turbulent et de la cinétique chimique sont susceptibles d'être du même ordre de grandeur et l'hypothèse de chimie infiniment rapide n'est pas toujours applicable. Dans cette étude, une approche basée sur l'évaluation de la PDF jointe de deux quantités scalaires est retenue : la première variable permet de quantifier la richesse locale du mélange, la seconde caractérise l'écart à l'état d'équilibre chimique. Une hypothèse de "chimie brusque" permet d'introduire une dépendance explicite entre ces deux variables pour s'en tenir à la seule détermination de la PDF de la variable de mélange. Cette approche est étendue au cas de la combustion supersonique en considérant de surcroît les variations d'enthalpie totale. Enfin, les fuctuations de composition induites par la vaporisation d'un des deux réactifs sont elles-aussi prises en compte. Le modèle complet est implanté dans un code de calcul Navier-Stokes tridimensionnel compressible et réactif. Dans le cadre de cette étude, la résolution est couplée à une méthode d'adaptation de maillage qui permet d'améliorer significativement la représentation des zones de mélange et des fortes discontinuités. L'approche proposée est ensuite validée en s'appuyant sur différentes géométries : jets co-courants supersoniques H2-air vicié, jets fortement sous-détendus, chambre de combustion de type Scramjet. Enfin, le modèle est aussi employé pour effectuer un calcul de la configuration Mascotte de l'Onera dans un cas sous-critique. Les simulations numériques correspondantes conduisent à des résultats encourageants et ouvrent de nombreuses perspectives aussi bien quant à l'utilisation du modèle le cadre d'approches U-RANS ou LES que vis-à-vis de son extension à des conditions de combustion extrêmes (super-critiques).

L'explosion en enceinte fermée de suspensions de particules issues de la biomasse végétale (amidon, cellulose et particules ligno-cellulosiques) a été étudiée en vue de leur utilisation dans des systèmes propulsifs. Les performances susceptibles d'être obtenues avec ces particules ont été évaluées à l'aide d'un code thermochimique. Les pressions théoriques de combustion isochore des mélanges cellulose/air sont supérieures à celles des mélanges classiques hydrocarbure/air. Des expériences ont été effectuées dans une chambre cylindrique de volume 20l et de rapport d'allongement L/D = 2,2. Les pressions maximales d'explosion mesurées présentent un déficit de 30% par rapport aux pressions théoriques. Elles dépendent de la nature et de la concentration des particules et de l'état initial de la suspension. Il reste une proportion significative de particules imbrûlées dans la chambre pour les mélanges riches. Une étude spécifique du processus de génération de la suspension a été effectuée sur trois dispositifs : d'une part, par diagnostics optiques (mesure PIV et tomographie laser rapide) et, d'autre part, par des simulations numériques. Pour améliorer les performances, des expériences ont été effectuées dans des mélanges " hybrides " (particules de cellulose/méthane/air) et ont montré qu'à richesse globale équivalente, la pression d'explosion dans les mélanges hybrides est supérieure à celle dans les mélanges méthane/air et particules solides/air seuls et, la qualité d'imbrûlés est fortement diminuée. De plus, il est possible d'enflammer des mélanges méthane/air très pauvres lorsqu'ils sont en mélange avec une suspension de particules solides de concentration adéquate.

Dans des milieux hétérogènes d'aérosols de gouttelettes de carburants liquides, on a étudié l'influence des propriétés physicochimiques de la phase liquide et de l'oxydant gazeux sur les conditions d'initiation d'une détonation, ses caractéristiques de propagation et l'existence d'une structure cellulaire analogue à celle des mélanges gazeux. Les expériences ont été effectuées dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, avec des gouttelettes de 30 μm. Dans l'air, avec des carburants volatils (heptane, isooctane) 3 régimes de détonation ont été observés, lorsque la richesse croît : régime hélicoïdal ; marginal avec structure à demi-cellule ; régime normal avec structure multicellulaire. Lorsque le rapport de dilution diminue, on n'observe que le régime à structure multicellulaire et la taille des cellules diminue. Dans des carburants moins volatils (octane), on retrouve les mêmes régimes de détonation, mais les tailles de cellule sont plus grandes que celles de l'isooctane. Dans le cas de carburants peu volatils (décane ou dodécane), la détonation n'a pas été initiée, quelle que soit la richesse et la dilution. Avec le nitrométhane (cas d'un monergol) on a observé la formation et la propagation d'une détonation et mis en évidence la structure cellulaire. Un modèle numérique a été développé. Seul le facteur préexponentiel de la loi de cinétique chimique est ajusté en fonction de la nature du carburant. Les résultats des simulations effectuées, en configurations bi- et tri-dimensionnelles, en fonction de la richesse et de la dilution conduisent à des régimes de propagation et à des tailles de la structure cellulaire en accord raisonnable avec les expériences.

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 \oe uvre 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; \item et des grandeurs moyennées pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels.

Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d'un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l'eau de pluie et à alimenter l'habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d'évacuation et d'augmenter le niveau d'eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l'inconfort pour les occupants du véhicule jusqu'à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l'écoulement est d'abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d'images obtenues par caméra rapide, un algorithme d'analyse d'images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d'air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d'étudier la structure du tourbillon et montrent qu'il existe une interaction entre le tourbillon et l'écoulement d'air destiné à la ventilation de l'habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l'écoulement d'air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d'équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d'eau en modifiant l'écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l'aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l'écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d'eau, les dimensions et la position du noyau d'air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature.

Ce travail est une investigation expérimentale de l’hydrodynamique, du transfert massique et du mélange induit par un panache de bulles dans des milieux de différentes viscosités. Dans l’industrie on est souvent confronté à des problèmes de transfert et de mélange d’une phase liquide et d’une phase gazeuse afin de provoquer des réactions chimiques ou biochimiques. La plupart du temps on utilise des colonnes à bulles, simple à mettre en œuvre, pour ce type de procédé. Mais il existe d’autres situations adaptées aux très grands volumes comme par exemple les bassins d’aération de traitement des eaux ou les méthaniseurs. Dans ce cas de figure, la répartition des injecteurs de gaz doit être adaptée aux dimensions du bassin et contribuer au mélange du liquide. Ceci est autant plus vrai pour le bioréacteur de méthanisation où l’état du liquide change en continu pendant la fermentation. Cependant, il y a un manque d'informations concernant l'hydrodynamique induit par l'injection de gaz en milieu visqueux. Afin de mieux comprendre l'écoulement, le transfert massique et finalement le mélange dans ces situations, il a été décidé d’étudier le cas d'un panache de bulles, généré par un seul injecteur dans des liquides de différentes viscosités. Pour cela des expériences ont été effectuées dans deux types de colonne à bulles avec injection centrale. Un grand nombre de méthodes métrologiques tel que la PIV, l’ombroscopie, différents capteurs etc. ont été utilisés. Une attention particulière a été donnée aux fluctuations à différentes échelles induit par le mouvement oscillatoire du panache de bulles. / This work is an experimental investigation on hydrodynamics, mass transfer and mixing induced by a bubble plume. In chemical engineering, people are often confronted to mixing problems of liquid and gas to create chemical or biochemical reactions. Most of the time, bubble column of big height compared to its diameter are used for such kind or processes.But there are also situations using large scale reactors like tanks for methanization or wastewater treatment. In such configurations, spargers must be adapted to reactor dimensions and fluid properties. This particularly important for methanization reactors since fluid properties are changing continuously during the fermentation. In order to understand hydrodynamics, mass transfer and mixing it is easier to study one single bubble swarm, or so called bubble plume, first.Different experiments were figured out in two different columns types. First one is a pseudo two dimensional column (6cm * 35 cm * 130cm ) allowing the application of optical metrological methods. Hence, the gas phase was studied via shadowgraphy and the liquid phase via PIV. Plus, light intensity measurements after dye injection were done. Besides, pressure sensors and oxygen probes were used.In this way, one could study the oscillating behavior, the corresponding characteristic frequency, mass transfer and mixing time scales. In order to analyze fluid properties, a copolymer called Breox was used. Plus, two different spargers generating different bubble shapes and sizes were applied to estimate their impact. Additional experiments in a cylindrical bubble column were performed at the HDZR in Germany. The same fluids and the same spargers were used to compare results from both geometries. Due to the difficulty to apply optical methods, a Wire-Mesh system recently developed at the HZDR was used to follow the bubble plume movement. Finally, first CFD simulations showing encouraging results are presented at the end of the manuscript.

La simulation des écoulements diphasiques rencontrés dans les moteurs à combustion interne (MCI) est de grande importance pour la prédiction de la performance des moteurs et des émissions polluantes. L’injection directe du carburant liquide à l’intérieur de la chambre de combustion génère loin de l’injecteur un brouillard de gouttes polydisperses, communément appelé spray. Du point de vue de la modélisation, l’émergence des méthodes Eulériennes pour la description du spray est considérée prometteuse par la communauté scientifique. De plus, la prise en compte de la distribution en taille des gouttes par les approches Eulériennes, de manière peu coûteuse en temps de calcul, n’est plus considérée comme un verrou depuis le développement de la méthode Eulerian Multi Size Moment (EMSM). Afin d’envisager la simulation de configurations réalistes de MCI, ce travail de thèse propose de modéliser les interactions turbulentes two-way entre le spray polydisperse évaporant et la phase gazeuse environnante par la méthode EMSM. Dans le contexte du formalisme Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) dédiée au traitement du maillage mobile, les termes sources présents dans le modèle diphasique sont traités séparément des autres contributions. Le système d’équations est fermé à l’aide d’une technique de reconstruction par maximisation d’entropie (ME), originellement introduite pour EMSM. Une nouvelle stratégie de résolution a été développée pour garantir la stabilité numérique aux échelles de temps très rapides introduites par les transferts de masse, quantité de mouvement et énergie, tout en respectant la condition de réalisabilité associée à la préservation de l’espace des moments d’ordre ´élevé. A l’aide des simulations académiques, la stabilité et la précision de la méthode ont été étudiées aussi bien pour des lois d’évaporation constantes que dépendantes du temps. Tous ces développements ont été intégrés dans le code industriel IFP-C3D dédié aux écoulements compressibles et réactifs. Dans le contexte de la simulation en 2-D de l’injection directe, les résultats se sont avérés très encourageants comme en témoignent les comparaisons qualitatives et quantitatives de la méthode Eulerienne à la simulation Lagrangienne de référence des gouttes. De plus, les simulations en 3-D effectuées dans une configuration typique de chambre de combustion et des conditions d’injection réalistes ont donné lieu à des résultats qualitativement très satisfaisants. Afin de prendre en compte la modélisation de la turbulence, une extension moyennée, au sens de Reynolds, des équations du modèle diphasique two-way est dérivée, un soin particulier étant apporté aux fermetures des corrélations turbulentes. La répartition de l’énergie dans le spray ainsi que les interactions turbulentes entre les phases ont été étudiées dans des cas tests homogènes. Ces derniers donnent un aperçu intéressant sur la physique sous-jacente dans les MCI. Cette nouvelle approche RANS diphasique est maintenant prête à être employée pour les simulations d’application de MCI. / The ability to simulate two-phase flows is of crucial importance for the prediction of internal combustion engine (ICE) performance and pollutant emissions. The direct injection of the liquid fuel inside the combustion chamber generates a cloud of polydisperse droplets, called spray, far downstream of the injector. From the modeling point of view, the emergence of Eulerian techniques for the spray description is considered promising by the scientific community. Moreover, the bottleneck issue for Eulerian methods of capturing the droplet size distribution with a reasonable computational cost, has been successfully tackled through the development of Eulerian Multi Size Moment (EMSM) method. Towards realistic ICE applications, the present PhD work addresses the modeling of two-way turbulent interactions between the polydisperse spray and its surrounding gas-phase through EMSM method. Following to the moving mesh formalism ArbitraryLagrangian Eulerian (ALE), the source terms arising in the two-phase model have been treated separately from other contributions. The equation system is closed through the maximum entropy (ME) reconstruction technique originally introduced for EMSM. A new resolution strategy is developed in order to guarantee the numerical stability under veryfast time scales related to mass, momentum and energy transfers, while preserving the realizability condition associated to the set of high order moments. From the academic point of view, both the accuracy and the stability have been deeply investigated under both constant and time dependent evaporation laws. All these developments have beenintegrated in the industrial software IFP-C3D dedicated to compressible reactive flows. In the context of 2-D injection simulations, very encouraging quantitative and qualitative results have been obtained as compared to the reference Lagrangian simulation of droplets. Moreover, simulations conducted under a typical 3-D configuration of a combustion chamber and realistic injection conditions have given rise to fruitful achievements. Within the framework of industrial turbulence modeling, a Reynolds averaged (RA) extension of the two-way coupling equations is derived, providing appropriate closures for turbulent correlations. The correct energy partitions inside the spray and turbulent interactions between phases have been demonstrated through homogeneous test-cases. The latter cases gave also some significant insights on underlying physics in ICE. This new RA approach is now ready for ICE application simulations.

Parmi les méthodes de Récupération Améliorée du Pétrole (RAP) il en existe une, dite chimique, qui fait appel à des fluides complexes (polymères, gels, tensioactifs) qui permet de modifier la viscosité et/ou la tension interfaciale Les solutions de polymères utilisées actuellement présentent l’inconvénient d’être sensibles de manière irréversible aux taux de cisaillement élevés observés au voisinage des puits. Une alternative à ces solutions de polymères pourrait nous être donnée par l’utilisation de micelles géantes. Il s’agit d’auto-assemblages de molécules amphiphiles dont le comportement est similaire à celui des polymères avec l’avantage d’une meilleure stabilité aux cisaillements élevés (capacité des micelles à se reformer après cisaillement).L’objectif de ce travail est d’étudier l’écoulement d’une solution de micelles géantes en milieu poreux, dans le but de déterminer son éventuelle utilité dans le RAP. Il s’agit d’une caractérisation en milieu poreux à l’échelle du laboratoire, utilisant des milieux poreux naturels, de façon à se placer dans un cadre d’étude le plus réaliste possible. Cette étude se divise en trois parties :- Une étude rhéologique de la solution de micelles géantes- Une étude monophasique de l’injection de la solution dans un milieu poreux naturel- Une étude diphasique du déplacement d’huile par la solution de micelles.Les résultats de cette étude seront comparés avec des expériences références utilisant des techniques classiques de récupération telles que l’ASP et l’injection de polymères / Among all the Enhanced Oil Recovery (EOR) methods used to improve oil recovery, chemical methods require the use of complex fluids like polymers or surfactant solutions. Those fluids present particular chemical and mechanical properties allowing to modify viscosity and/or interfacial tension to increase oil recovery. However, polymer solutions show a high sensitivity to shear rates existing close to wells and may lose their mechanical properties when they are injected in a porous media. An alternative method could be to use self arrangement of surfactant molecules (wormlike micelles) to displace oil in porous media. These systems show not only a similar behaviour as polymers but also a low sensibility to temperature and shear rates.The goal of this experimental work is to study the flow of wormlike micelle solutions innatural porous media in order to determine its ability to flow and displace oil in place. Itconsists in a characterization at laboratoty scale. We will use natural porous media in orderto be close to a realistic situation. This study is divided in three parts:- A rheological characterization of the micellar system- A monophasic injection within the porous medium- A diphasic _ow study of oil displacementThe results of this work are compared to standard reference experiments using classicaltechniques such as ASP or polymer injection.

Ce travail se penche sur l'étude expérimentale et la simulation numérique du GLCC, un séparateur gaz-liquide cyclonique destiné à de l'industrie pétrolière.Les expériences sont menées sur un pilote air-eau. Dans un premier temps, des observations visuelles ont permis de caractériser le fonctionnement du système en fonction des débits d'entrée. L'influence de la géométrie du système ainsi que des propriétés des fluides sont également considérées.Dans un second temps, l'hydrodynamique de l'écoulement tourbillonnaire dans le séparateur est étudiée par vélocimétrie laser Doppler.Cette étude expérimentale, en mettant l'accent sur le rôle important du fillament tourbillonnaire, a permis d'expliquer pour la première fois divers aspects des écoulements tourbillonnaires turbulents. L'analyse des résultats met également en évidence les nombreuses limites du modèle théorique utilisé pour dimensionner les GLCCs.Côté numérique, les écoulements tourbillonnaires en conduite sont étudiés par une approche CFD utilisant le code commercial Fluent 6.3. Les résultats montrent que la CFD peut reproduire correctement les écoulements tourbillonnaires monophasiques. Cependant, en diphasique, les techniques de simulation actuelles ne conviennent pas pour simuler ce type d'écoulement. / This work focuses on the experimental study and numerical simulation of the GLCC, a gas-liquid cyclone separator developed for the oil industry.The experiments are conducted on an air-water pilot. In a first step, visual observations were used to characterize the system operation according to the incoming flow rates. The influence of system's geometry and the fluid's properties are also considered.In a second step, the hydrodynamics of the vortex flow in the separator is studied by laser Doppler velocimetry.This experimental study, focusing on the important role of the vortex filament, allowed to explain for the first time various aspects of turbulent swirling flows. The analysis of the results also highlights the many limitations of the theoretical model used to design the GLCC.On the numerical side, the swirling flows in pipes are studied via the CFD commercial code Fluent 6.3. The results show that CFD can correctly reproduce the single-phase vortex flow.However, for multiphase flow simulations, it is shown that the current simulation techniques are not suitable to simulate this type of flow.

On s'intéresse dans ce travail à la modélisation d'un écoulement diphasique gaz-liquide co-courant descendant dans les réacteurs à lit fixe de particules, procédé largement utilisé dans le domaine industriel. En raison de la complexité de l'écoulement, induite par les nombreuses configurations multiphasiques pouvant coexister au sein du lit, les modèles développés directement à l'échelle du réacteur sont généralement issus d'approches semi-empiriques, en considérant l'écoulement homogène. Or, il a été observé que des hétérogénéités locales, géométrique et hydrodynamique, telle qu'une mal-distribution de la phase liquide, entrainaient une diminution du taux de réaction et conduisait les modèles existants à surestimer la productivité d'un réacteur. La nécessité de prendre en compte les phénomènes microscopiques dans un modèle macroscopique à l'échelle du réacteur rend l'utilisation d'approches multi-échelles indispensable. L'écoulement étant cependant d'une nature complexe, le changement d'échelle ne peut se faire de façon directe et nécessite donc la mise en place d'outils de modélisation adaptés à une échelle intermédiaire. Dans une première étape, la méthode de simulation numérique directe ``Volume-Of-Fluid'' (VOF) est validée dans le cas d'un film ruisselant dans un tube capillaire. Cette méthode est ensuite utilisée, à l'échelle microscopique, afin de proposer et de valider des relations de fermeture pour un modèle de type ``réseau de pores'' pouvant être utilisé à une échelle intermédiaire, celle du Volume Elémentaire Représentatif. Ce changement d'échelle est tout d'abord effectué dans le cas d'un lit fixe en deux dimensions, c'est-à-dire un empilement de cylindres entre deux plaques. Cette configuration permet la mise en place d'un dispositif expérimental qui, couplé à des simulations VOF 2D à plus grande échelle, valide l'approche de type "réseau de pores" adoptée. Le modèle réseau est ensuite étendu au cas d'un lit fixe réel, c'est-à-dire en trois dimensions, dont la géométrie est obtenue par micro-tomographie. Les lois de comportement locales sont redéfinies à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle microscopique. Les résultats provenant de simulations de type « réseaux de pore » sont ensuite confrontés, dans le cas d'une répartition homogène des phases, aux modèles 1D habituellement utilisés pour les écoulements diphasiques en lit fixe. Enfin, une campagne expérimentale est menée afin d'observer, par imagerie scanner, l'étalement d'un jet de liquide sur un empilement de grains. Une comparaison qualitative est ensuite effectuée entre les observations expérimentales et les simulations numériques réseaux dans le cas spécifique de l'étalement d'un jet de liquide / We study in this work the modelling of two-phase cocurrent downflows in fixed bed reactors, a process widely used in industry. Due to the flow complexity, i.e., the presence of different interface configurations and, therefore, different phase interactions, most models have been developed using empirical approaches, with the assumption of a homogeneous flow in the reactor. However, several studies showed that local heterogeneities, geometric and hydrodynamic, such as the liquid distribution, could have a great influence on the flow at the reactor-scale and, therefore, on the reactor performance. Consider the microscopic phenomena in a macroscopic model require the use of multi-scale approaches. However, due to the flow complexity, the upscaling cannot be done directly and requires the development of modelling tools suitable for an intermediate scale. In a first step, the direct numerical method \ Volume-Of-Fluid" (VOF) is validated in the case of a two-phase flow in a capillary tube with the presence of a thin film. Then, this method is used, at a microscopic level to propose and validate closure laws for a pore-network model which will be used to simulate the flow at the intermediate scale. This upscaling approach is first tested in a two-dimensional case,i.e., an array of cylinders between two walls. This configuration allows the set up of an experimental approach, coupled with 2D VOF simulations at the intermediate scale, in order to validate the pore-network approach. The pore-network approach is then extended to a real fixed bed, i.e. in three dimensions, whose geometry is obtained by micro-tomography. Local laws of the pore-network model are redefined using direct numerical simulations at a microscopic scale. Pore-network simulations are then compared, for a homogenous phase distribution, with 1D models typically used for two-phase flow in fixed beds. Finally, an experimental campaign was set up to observe, by imaging scanner, the spreading of a liquid jet on a fixed bed pilot. A qualitative comparison is then performed between experimental observations and pore-network simulations in the specific case of the spreading of a liquid jet