Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1978. N°: 623.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 604.

Th. doct.-ing.--Énerg. phys.--Grenoble--I.N.P., 1983. N°: DI 359.

L'érosion des revêtements des digues de rivière peut affecter la stabilité des talus des rives et mettre en danger la sécurité des constructions voisines, et des écoulements de débris peuvent être déclenchés par le sol et les roches érodées de la rive et accumulées dans le lit de rivière. Des travaux d'amélioration sont nécessaires pour augmenter la stabilité des revêtements aussi bien que réduire la possibilité de rupture. Les pratiques actuelles impliquent habituellement la construction d'un épais revêtement en béton, causant des impacts négatifs sur l'environnement et une instabilité des rives sous l'effet de l'érosion à long terme. Afin de remplacer le béton, il est donc crucial de trouver des matériaux de construction respectueux de l'environnement et appropriés à la construction de revêtements sûrs.<br />Les géotextiles, en tant que matériau de protection de rive sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus stables à long terme, comparés au béton. Cependant, une mauvaise conception d'un revêtement géotextile peut entraîner une perte considérable du sol de la rive, ce qui peut conduire à la rupture. Aujourd'hui de nombreuses études sur le comportement de revêtements géotextiles soumis à l'érosion ont été réalisées, mais chacune d'entre elles s'est intéressée uniquement à un type d'écoulement. Le comportement réel d'un revêtement géotextile soumis à écoulement est assez compliqué, et suivant le type d'écoulement on définit dans cette étude trois zones : la zone de flux unidirectionnel, la zone de flux cyclique bidirectionnel, et la zone de flux tangentiel.<br />Dans ce projet, le comportement sous érosion de sols non cohésifs ou peu cohésifs avec les trois conditions de flux mentionnées ci-dessus a été étudié avec des essais utilisant un équipement développé pour chaque condition de flux. Les résultats d'essais révèlent qu'un écoulement souterrain dans la zone de flux unidirectionnel peut provoquer l'érosion interne du sol et qu'une partie des particules de sol entraînées peut passer à travers les ouvertures du géotextile. Le reste de ses particules peut se colmater à l'intérieur des fibres du géotextile ou s'accumuler derrière le géotextile, formant une couche filtrante naturelle et réduisant la vitesse de l'écoulement. Une fois que la vitesse d'écoulement est plus basse que la vitesse critique, l'érosion interne du sol cesse.<br />La zone de flux cyclique bidirectionnel peut être identifiée en fonction des conditions de flux de : « flux cylique à court terme » et de cycliques à long terme », selon la période du cycle du flux, pour laquelle le comportement du revêtement géotextile diffère lors de l'érosion. Ainsi, deux instruments d'essais ont été développés. Les résultats d'essais dans un canal à vague grandeur nature avec des conditions de flux cycliques à court terme révèlent que le sol de la couche supérieure de la zone de flux cyclique bidirectionnel est soumis à la charge cyclique des vagues, ce qui peut entraîner un excès de pression interstitielle et aboutir à l'écroulement, tandis que le sol dans la couche moyenne peut être érodé par le flux tangentiel le long de la rive et accumulé en aval. En outre, en plus de l'ouverture du géotextile, le taux de couverture des roches sur le géotextile est aussi un facteur clef qui contrôle le ravinement du sol. Les résultats d'essai utilisant l'instrument de flux cyclique bidirectionnel à long terme, pour une période de flux cyclique particulièrement longue (600 secondes/cycle), montrent que la vitesse d'écoulement dans la couche de sol est trop faible pour déplacer les particules de sol, et on ne s'attend donc à aucune érosion. Cependant, quand la vitesse d'infiltration augmente, la contrainte effective dans le sol diminue en raison de l'augmentation de pression de l'écoulement, causant ainsi un phénomène de boulance (boiling) et un entraînement considérable de sol ainsi que le tassement de celui-ci. En plus, la profondeur d'influence avec cette condition de flux est plus grande qu'avec la condition de flux cyclique à court terme. En outre, d'après les valeurs de gradient hydraulique déduites des mesures réalisées avec deux piézomètres installés au-dessus et au-dessous du géotextile, aussi bien que d'après les images de microscopie électronique de fibres du géotextile, on peut constater que l'extension de la zone de colmatage par les particules de sol n'est pas aussi importante que pour des flux unidirectionnels.<br />Le comportement en érosion dans la zone de flux tangentiel a été étudié avec l'instrument d'essai d'érosion parallèle. Le résultat révèle que le comportement en érosion tangentiel sur la surface de sol peut être défini par la vitesse de flux. Si la vitesse de flux est inférieure que la vitesse critique (vc), aucune érosion n'apparaît. Si la vitesse de flux est entre la vitesse critique et la vitesse de rupture (vf), une érosion permanente se produira à la surface de sol. Si la vitesse d'écoulement est plus grande que la vitesse de rupture, une érosion intense se produira dans le sol et entraînera la rupture du revêtement. De plus, la présence d'un géotextile sur la surface du revêtement a une influence non négligeable sur le comportement en érosion. Les revêtements sans géotextile sur la surface sont soumis à une érosion continue et peuvent finalement s'effondrer en raison d'éboulements en pied de pente. Une couverture géotextile appropriée sur la surface du revêtement peut non seulement éviter l'érosion, mais aussi former une couche filtrante naturelle au-dessous du géotextile qui empêche que l'érosion du sol continue. Une fois que la couche de filtre naturelle est complètement formée, le revêtement est stabilisé.

La déformation et le comportement dynamique d'une vésicule sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille) est étudié dans la limite de faibles nombres de Reynolds. Les cas de géométries non-confinée et confinée sont considérés. On fait usage de plusieurs méthodes: (i) un calcul analytique tridimensionnelle (théorie de faible déformation) (ii) des simulations bidimensionelle (méthodes de Boltzmann sur réseau et intégrale de frontière) dans le but de résoudre les équations hydrodynamiques correspondantes et de suivre explicitement la dynamique de la vésicule. La théorie analytique de faible déformation est utilisée pour construire le diagramme de phase résumant tous les régimes dynamiques connus pour une vésicule (chenille de char, bascule et vacillation-respiration) sous un écoulement de cisaillement. L'impacte de la variation des paramètres, contrôlant la dynamique, sur l'évolution de différentes quantités caractérisant chaque régime dynamique d'une vésicule est présenté. On utilise également la méthode de Boltzmann sur réseau afin de simuler la dynamique d'une vésicule dans une géométrie confinée (e.g. un micro-canal). Comme cas test, les formes d'équilibre d'une vésicule et son mouvement de chenille de char sous cisaillement ont été analysés. L'effet du confinement sur la dynamique de la vésicule a été examiné. La migration latérale d'une vésicule placée dans un écoulement de Poiseuille non-confiné et semi-confiné est traité en utilisant des simulations basées sur la méthode d'intégrale de frontière. Pour le cas de la géométrie non-confinée, on a trouvé que le caractère non linéaire de l'écoulement de Poiseuille combiné à la déformabilité de la vésicule, induit une migration latérale des vésicules vers le centre de l'écoulement. La présence d'une paroi délimitant le fluide externe induit également une force de portance. On a analysé la compétition entre la force de portance due à la paroi et celle du la courbure de l'écoulement de Poiseuille. Une loi donnant la vitesse de migration latérale (en fonction des paramètres caractérisant la vésicule et l'écoulement) est proposée et est en accord avec les résultats expérimentaux .

Ce document propose une démarche expérimentale permettant de reproduire les écoulements pulsés, que l’on retrouve dans le collecteur d’échappement d’un moteur, sur les caractéristiques des performances d’un turbocompresseur de suralimentation. Une étude comparative des différents moyens d’essais existants, permettant de reproduire les effets pulsés en entrée de la turbine d’un turbocompresseur, est présentée. Elle permet d’évaluer les avantages et les inconvénients de chacun pour définir un cahier des charges de fonctionnalité d’un nouveau banc d’essai Les travaux permettant la mise en oeuvre de l’instrumentation spécifique propre à répondre aux besoins de développement de ce moyen d’essai sont exposés. Le principal objectif est pouvoir obtenir une mesure du débit instantané ainsi que celle de la température instantanée. Les premiers résultats obtenus avec les conditions d’essais utilisant le système mis en place pour simuler le régime pulsé, complétés par une analyse des différentes procédures d’exploitation, montrent qu’il est possible de restituer des essais cohérents en régime d’écoulement stationnaire et pulsé afin de les comparer. Les possibilités d’exploiter d’autres résultats sont évoquées, compte tenu de la flexibilité du banc ; il est en effet possible faire varier de façon indépendantes plusieurs types de conditions d’écoulements pulsés pour simuler, par exemple, différents points de charge d’un moteur donné ou de simuler différentes valeurs du nombre de cylindres. / The document presents the results of an experimental work devoted to create pulse flows, independently from a real car engine, equivalent to the exhaust pipe engine flow characteristics, on the overall performances of a turbocharger. A comparative analysis on existing test stands that are able to perform such flow conditions is presented. This allows defining a new test stand which specific conditions that are not already covered by previous test stands. All steps concerning the ability to set up of the new test stand and more specifically instrumentation development and acquisition systems are detailed. First set of results obtained with the test stand, in pulse conditions, are presented with some analysis on performance comparisons between steady and pulse inlet conditions at the turbocharger inlet section. The new pulse test stand allows performing more flexible variations of inlet flow unsteady conditions, different thrust load values and number of motor cylinders as well

Ce travail est consacré au développement des méthodes lagrangiennes comme alternatives ou compléments aux méthodes euleriennes conventionnelles pour la simulation d'écoulements incompressibles en présence d'obstacles. On s'intéresse en particulier à des techniques ou des solveurs eulériens et lagrangiens cohabitent dans le même domaine de calcul mais traitent différents termes des équations de Navier-Stokes, ainsi qu'à des techniques de décomposition de domaines ou différents solveurs sont utilisés dans chaques sous-domaines. Lorsque les méthodes euleriennes et lagrangiennes cohabitent dans le même domaine de calcul (méthode V.I.C.), les formules de passage particules-grilles permettent de représenter la vorticité avec la même précision sur une grille fixe et sur la grille lagrangienne. Les méthodes V.I.C. ainsi obtenues combinent stabilité et précision et fournissent une alternative avantageuse aux méthodes différences-finies pour des écoulements confinés. Lorsque le domaine de calcul est décomposé en sous-domaines distincts traités par méthodes lagrangiennes et par méthodes euleriennes, l'interpolation d'ordre élevé permet de réaliser des conditions d'interface consistantes entre les différents sous-domaines. On dispose alors de méthodes de calcul avec décomposition en sous-domaines, de type Euler/Lagrange ou Lagrange/Lagrange, et résolution en formulation (vitesse-tourbillon)/(vitesse-tourbillon) ou (vitesse-pression)/(vitesse-tourbillon). Les différentes méthodes développées ici sont testées sur plusieurs types d'écoulements (cavité entrainée, rebond de dipôles de vorticité, écoulements dans une conduite et sur une marche, écoulements autour d'obstacles) et comparées à des méthodes de différences-finies d'ordre élevé.

Les brouillards d'eau ont démontré leur excellente efficacité dans la lutte contre l'incendie. Le concept de tuyère à jet de brouillard permet de produire en continu un écoulement diphasique très finement dispersé (très grande aire interfaciale). Pour cela on réalise un mélange effervescent d'eau et de gaz sous pression (3 à 10 bars). Le mélange est détendu dans une tuyère de géométrie (profil) adaptée. Au cours de cette détente le gaz fournit un travail qui assure d'une part la propulsion du liquide et d'autre part son fractionnement en fines gouttelettes. L'écoulement sortant se présente alors sous forme d'un jet de brouillard rapide (50 à 150 m/s). L'objectif de ces travaux est le développement de modèles pour décrire la détente de l'écoulement en tuyère et le jet libre formé au-delà de la section de sortie. Différents instruments de mesure (granulométre, vélocimétre) sont mis en oeuvre pour permettre une confrontation avec les simulations numériques.

Les problèmes aérothermiques typiquement rencontrés en ingénierie imposent un recours à des simulations numériques (CFD), qui, pour être réalistes, doivent nécessairement prendre en compte les phénomènes transitoires. L'emploi de modèles réduits ou de surfaces de réponse offre une alternative rapide et peu coûteuse à ces calculs exigeants en temps de calcul et en espace mémoire. L'objet de cette thèse est d'étoffer l'applicabilité de la méthode d'identification modale (MIM) dans le contexte de la mécanique des fluides. Il s'agit d'une méthode de réduction de modèle qui s'appuie sur la minimisation d'un écart entre les sorties d'un modèle de référence et celles d'un modèle réduit. Les paramètres du modèle réduit sont vus comme les variables d'un problème d'optimisation. Nous développons la méthode dans le cadre d'écoulements turbulents. L'écoulement autour d'un cylindre circulaire constitue le cas d'application principal de ces travaux. Il nous permet de tester nos méthodologies dans diverses configurations incompressibles : stationnaires, instationnaires, écoulements isothermes ou de convection forcée thermique. Ces modèles produisent des champs de vitesse, de température, des densités de flux de chaleur . . . Une autre application concerne un profil d'aile dans un écoulement sub à transsonique. Pour celle-ci, les sorties des modèles sont des coefficients de traînée et de portance, ainsi que des répartitions de coefficients de pression le long de la surface portante. Cet exemple nous permet de mettre en évidence l'impact de l'échantillonnage sur la construction du modèle.

In this thesis I investigate the dynamics of charged particles and plasma into non-uniform distributions of the electric and magnetic fields. In the first part attention is focused on the motion of test particles. The interaction between particles as well as the perturbations they might produce to the external charge and current density are neglected. I investigate a distribution of the magnetic field that depends on only one spatial coordinate, x, with the Bx component of the magnetic field being equal to zero everywhere, like in tangential discontinuities. The magnetic vector, B, can rotate across the discontinuity by an angle α ∈" [00, 1800]. In addition to the B-field distribution I assumed different distributions of the electric field, E, with Ex = 0. I have considered three cases: (A) a uniform electric field; (B) a non-uniform electric field perpendicular everywhere to B and conserving the zero order drift, and (C) a non-uniform electric field, perpendicular everywhere to B and conserving the magnetic moment of the drifting particles. The particles are drifting into these steady state electromagnetic field distributions; their orbits together with the path of the first order guiding center are integrated numerically. The numerical results show that the ”antiparallel” distribution of the magnetic field (obtained when α = 1800) with B = 0 at x = 0 does not produce anomalous acceleration of the test-particle as assumed in some steady state reconnection models. Although the zero and first order guiding center approximations diverge where B = 0, the exact equation of motion is not singular, it can be integrated throughout the integration time. The mathematical singularity of the approximative solutions does not correspond to a “true” (physical) singularity of the exact equation of motion. When the magnetic field is sheared with a non-zero By-component, and B can rotate with respect to E (case A), the particle orbit is confined into a sheath centered onto the x-position where B becomes parallel to E. Partial or total penetration of the test-particle is equally possible, as demonstrated for the E-field distributions of case B and case C. In case C the distance of penetration depends on the initial total energy of the test particles. Except for one of six different configurations considered, the reversal point of Bz does not correspond to a point of particle acceleration in the direction normal to B nor is the stopping point of the particle's motion in the direction normal to B. Indeed, it is the relative orientation between E and B, together with the vi total initial energy of the particle that determine the distance of penetration across the sheared magnetic field distribution. Penetration into the region of non-uniform magnetic field produces separation of charges. Particles with the highest energy are deflected the most. In the second part of the thesis I treat the dynamics of an ”ensemble” of electrons and protons forming a plasma stream. The plasma flow is spatially two-dimensional. In this case the plasma ”internal” contribution to the external fields is evaluated and self-consistently computed. The method adopted is the kinetic theory approximation of plasma physics instead of one-fluid magnetohydrodynamic (MHD) approximation or the Particle-In-Cell (PIC) generally used. Both the ensembles of electrons and protons are described by their velocity distribution function (VDF) that has to satisfy the Vlasov equation derived from the general Liouville theorem for a collisionless plasma. The VDFs are given in terms of the two constants of mechanical motion, the total energy, H, and one canonical momentum, px. The first adiabatic invariant, µ - the magnetic moment which is almost conserved when the Alfven conditions are satisfied, approximates a third constant of motion. I have found a velocity distribution function that describes a plasma moving in the Ox direction with a two-dimensional bulk velocity Vx(y, z) depending both on y and z. The moments of the VDFs of electrons and ions were computed analytically. The self-consistent electromagnetic potentials are found by solving the Maxwell equations and the plasma quasineutrality equation. The partial current densities, jx(y, z), determined by the first order moments of the VDFs were introduced into Ampere's equation in order to compute Ax(y, z), the component of the magnetic vector potential. The charge densities of the component species, qαnα, determined by the zero order moments of the VDFs have been introduced into the quasineutrality equation, α qαnα = 0, from which the distribution of the electric potential, Φ(y, z), is computed. The solutions for the electromagnetic potentials are found numerically. I have obtained a kinetic model that describes a two-dimensional plasma stream whose perpendicular bulk velocity varies (or is sheared) both in the direction normal to the magnetic field (perpendicular shear) and parallel to the magnetic field (parallel shear ). The parallel shear of velocity has never been modeled before using kinetic equations. On the other hand the two dimensional models proposed till now for the dynamics of magnetospheric plasma did not consider differential (or sheared) plasma motion across magnetic field lines. Several kinetic solutions are given for two-dimensional plasma flows and for different values of asymptotic densities, temperatures and bulk velocity. The key-feature of these numerical models is the existence of a parallel component of the electric field, Eparallel. It is shown that the parallel electric field vii is sustained by the parallel shear of the perpendicular plasma velocity. The amplitude of the parallel electric field depends on the value of the magnetic- field-aligned gradient of the perpendicular plasma velocity and also on the relative density and temperature of the moving stream with respect to the background, stagnant plasma. This is a new mechanism to generate parallel electric fields that adds to the ones already described in the literature and that are discussed in part 2 of this Thesis. In the kinetic models presented in the second part I have adopted a set of plasma densities and temperatures typical for the terrestrial magnetopause region. A parallel gradient of the density or electronic pressure enhances the intensity of the parallel electric field. The scale length of the boundary layer of transition from moving to stagnant regime can be of the order of the electron Larmor radius (“electron layer”) or the proton Larmor radius (“proton layer”). The scaling of the boundary layer is determined by the relative orientation of the magnetic field and the plasma bulk velocity. Eparallel is stronger in the case of Parallel Sheared Electron Layer than in the case of Parallel Sheared Proton Layer. The existence of a parallel component of the electric field invalidates the MHD approximation. In the case of the two-dimensional plasma flow studied in this Thesis the MHD convection velocity, UE = E ×B/B2 is not a satisfying approximation of the plasma bulk velocity, V . I illustrate the differences between UE (assigned in MHD approximations to a “frozen-in” motion of B-field lines) and V obtained by the kinetic models described in part 2. It is shown that the “de-freezing” is produced in those regions where a non-vanishing parallel electric field component was determined. The kinetic treatment of the plasma dynamics adopted in this Thesis evidence kinetic effects disregarded in the one-fluid approximations: finite Larmor radius effects that are illustrated in Part I and non-MHD parallel electric fields that are described in Part II. These effects play an important role in the processes taking place at the magnetopause, the interface region between the solar wind and the terrestrial magnetosphere.