Porous media are ubiquitous in our common life : typically, the soil, our skin, our clothes, the coffee filters ... exhibit non-homogeneous properties (their porosity) which allow various fluids to flow across the solid matrix. Exploiting the porous properties of these materials is also frequent in the industry. Indeed, they are present in many application fields such as the forming of composite materials, clean motor devices, filtration systems, oil extraction, mixing devices, biological tissue substitution, etc. The objective of this thesis is to investigate the transport phenomena associated with a wide class of flows in porous media and to analyse more deeply the associated physical effects, as represented by the medium permeability and mechanical dispersion tensors. The present work has been carried out following a three-step strategy. Firstly, we have investigated the theory of transport in porous media and we have developed continuous and micro-macro physical models to represent the principal macroscopic flow effects taking into account the associated application conditions. Then we have studied the numerical solution of the resulting system while an experimental device has been set up in order to validate the entire strategy and the obtained simulation results. Finally, as applications of our developments, we have investigated some industrial flows pertaining to Liquid Moulding Technologies, and also the behaviour of cartilage as a porous medium, with a final comparison of numerical and experimental results.

La cavitation est un phénomène de changement de phase dans les zones de basses pressions des machines hydrauliques. Ses conséquences sont souvent néfastes : pertes de performances, génération de bruit et de vibrations, abrasion des matériaux... Ces effets deviennent une préoccupation importante dans la conception des machines hydrauliques. Ce travail a pour objectif principal de développer un modèle de simulation numérique pour la simulation de la cavitation à haut ordre de précision, pour des écoulements compressibles visqueux, et pour des géométries complexes. Le modèle adopté pour la modélisation de la cavitation est le modèle de mélange homogène. Cette formulation ne dépend d'aucun paramètre empirique et peut être aisément étendu à du multi-espèce. Nous utilisons un code de volumes finis, dont le haut ordre de reconstruction est assuré par la méthode des moindres carrés mobiles.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1977. N°: 7.

Les barrages sur les rivières sont des obstacles à la migration piscicole. Les passes à poissons sont des ouvrages permettant aux espèces piscicoles de migrer, autorisant le rétablissement de la continuité écologique des cours d'eau. Le but de ce travail est de mieux comprendre les phénomènes physiques présents dans les passes à poissons naturelles. Ces passes sont des canaux à forte pente, équipé de rangées de plots en quinconce. Pour valider la pertinence de l'utilisation d'un modèle numérique, l'étude s'est limitée à l'écoulement autour d'un cylindre émergent placé au centre d'un canal. Le travail est décomposé en deux parties, une expérimentale et une numérique. La partie expérimentale est conduite dans un canal transparent de 4m de long, 0,4m de large et 0,4m de hauteur. Le diamètre du cylindre est 4cm et sa hauteur 20cm (toujours émergent). Les cas étudiés sont des débits de 5, 10, 15 et 20 l/s pour une pente nulle. Les nombres de Froude sont supérieurs à 0,5 et les nombres de Reynolds, basés sur le diamètre, sont compris entre 15000 et 50000. Les écoulements ont été filmés et un algorithme de suivi de particules (PTV) a été développé. Des zones de faibles vitesses existent, même pour Fr=1, pouvant assurer des zones de refuge pour le poisson. Les forces de trainée ont été mesurées sur le plot. Les évolutions des coefficients de trainée avec le nombre de Froude et des rapports de forme de l'écoulement autour du plot ont ainsi été évaluées. La partie numérique est réalisée avec OpenFOAM pour 4 cas d'étude (Q=10 et 20 l/s, S=0 et 2%) et 2 modèles de turbulence URANS, le RNG k-epsilon et le k-omega SST. Des modélisations en 2D ont également été faites avec Telemac 2D. Les résultats obtenus ont été comparés aux résultats expérimentaux. La modélisation 2D (shallow water) est exploitable seulement pour des nombres de Froude faibles, d'où la nécessité des modélisations en 3D. Le modèle komega SST semble le mieux adapté pour reproduire les écoulements étudiés. Les vitesses locales et les structures en 3D, non quantifiables expérimentalement, ont ensuite été décrites. Les influences du fond et de la surface libre sur le sillage apparaissent clairement en provoquant des vitesses verticales et des tourbillons à grandes échelles. Enfin, une simulation en LES a été conduite. Les structures tourbillonnaires sont mieux représentées que pour les modèles URANS, mais les temps de calcul sont grands.

Ce travail de thèse concerne la modélisation numérique fine des processus locaux dans le transport sédimentaire, à l'échelle d'un à plusieurs centaines de grains. Une méthode aux éléments discrets (DEM) basée sur la méthode dite des sphères molles et prenant en compte les contacts entre les grains a été développée et couplée à une méthode de frontière immergée (IBM) qui calcule l'écoulement autour d'objets solides mobiles dans un fluide Newtonien incompressible. Dans ce couplage, une force de lubrification est incluse pour représenter les interactions entre le fluide et les particules proches d'un contact. Il est montré que la méthode numérique reproduit de manière satisfaisante le coefficient de restitution effective mesuré dans des expériences de rebonds normal et oblique d'un grain sur un plan, ainsi que de rebond entre deux grains dans un fluide visqueux. Deux modèles analytiques associés au phénomène de rebond sont proposés et montrent l'importance de la rugosité de surface du grain et du nombre de Stokes sur le phénomène. La méthode numérique est ensuite utilisée pour simuler deux configurations tridimensionnelles d'écoulements granulaires pilotés par la gravité en milieu fluide : l'avalanche de grains sur un plan incliné rugueux et l'effondrement d'une colonne de grains. Dans le premier cas, les résultats permettent de caractériser les différents régimes d'écoulement granulaires (visqueux, inertiel et sec) observés dans les expériences en fonction du rapport de masse volumique grain-fluide et du nombre de Stokes. En particulier, les simulations apportent des informations originales quant aux profils de vitesse de grains et du fluide ainsi qu'aux forces prédominantes dans chacun des régimes. Dans le second cas, les résultats sont en bon accord avec les expériences et le mécanisme dit de « pore pressure feedback », qui dépend de la compacité initiale de la colonne, est pour la première fois observé dans des simulations numériques directes. / This work deals with direct numerical simulations of sediment transport at the scale of O(103) grains. A soft-sphere discrete element method (DEM) taking into account grain contacts is developed and coupled to an immersed boundary method (IBM) which computes the flow around moving solid objects in an incompressible Newtonian fluid. A lubrication force is added for representing fluid-particles interaction near contact. The numerical method is shown to adequately reproduce the effective coefficient of restitution measured in experiments of the normal and oblique rebound of a grain on a plane and the rebound between two grains in a viscous fluid. Two analytical models are proposed and highlight the importance of the grain roughness and Stokes number on the rebound phenomenon. This numerical method is then used for simulating two three-dimensional configurations of gravity-driven dense granular flow in a fluid, namely the granular avalanche on a rough inclined plane and the collapse of a granular column. In the first case, results allow to characterize the granular flow regimes (viscous, inertial and dry) observed in experiments as a function of the grain-to-fluid density ratio and the Stokes number. In particular, the simulations provide insight on the grain and fluid velocity profiles and force balance in each regime. In the second case, results agree well with experiments and in particular the pore pressure feedback, which depends on the initial volume fraction of the column, is observed for the first time in direct numerical simulations.

La cavitation est un phénomène de changement de phase dans les zones de basses pressions des machines hydrauliques. Ses conséquences sont souvent néfastes : pertes de performances, génération de bruit et de vibrations, abrasion des matériaux... Ces effets deviennent une préoccupation importante dans la conception des machines hydrauliques. Ce travail a pour objectif principal de développer un modèle de simulation numérique pour la simulation de la cavitation à haut ordre de précision, pour des écoulements compressibles visqueux, et pour des géométries complexes. Le modèle adopté pour la modélisation de la cavitation est le modèle de mélange homogène. Cette formulation ne dépend d'aucun paramètre empirique et peut être aisément étendu à du multi-espèce. Nous utilisons un code de volumes finis, dont le haut ordre de reconstruction est assuré par la méthode des moindres carrés mobiles. / Cavitation is a phase change phenomenon, wich occurs in low pressure areas in hydraulic systems. Its consequences are often harmful and undesired : it causes loss of efficiency, noise and vibration generation, and structural abrasion... These effects become a major preoccupation in the conception of hydraulic systems. The main objective of this work is to develop a numerical tool for the numerical modelisation of cavitation at high orders of accuracy, for compressible and viscous flows, in complex geometries. The model used for the modelisation of the cavitation is the homogeneous mixture model, wich formulation is independent of empirical parameters, and is easily extendable for multi-spieces flows. We use a finite volume developped in the DynFluid laboratory, in wich the high accuracy order of reconstruction is obtained using the Moving Least Square approximation.

De nombreuses applications pratiques ou industrielles, telles que l’étude de la dispersion atmosphérique de polluants, la qualité de l’air, la micro-météorologie en terrain complexe et l’évaluation du potentiel éolien, nécessitent la prédiction précise de l’écoulement atmosphérique à une échelle dite locale (environ 10 km horizontalement). Le travail de recherche dans le cadre de cette thèse s’inscrit donc dans la proposition d’une chaine de méthodologies et de modélisations permettant de simuler l’écoulement atmosphérique à cette échelle, avec une résolution spatiale horizontale hectométrique. Tout d’abord, nous nous sommes intéressés à la modélisation de la turbulence dans la couche limite atmosphérique (CLA). Pour cela, nous avons choisi le modèle RANS k− ε (déjà largement utilisé dans la littérature), ainsi que le modèle RANS Ri j − ε afin de simuler l’anisotropie de la turbulence. Nous avons ainsi pu vérifier la nécessité d’utiliser les constantes de Duynkerke (1988) pour l’atteinte des niveaux de turbulence atmosphérique avec le modèle k− ε. Dans cette optique, nous avons également développé un nouveau jeu de constantes atmosphériques pour le modèle Ri j − ε. Finalement, nous avons proposé un modèle théorique capable de reproduire les caractéristiques turbulentes de l’écoulement pour n’importe quel temps d’intégration, permettant ainsi de trouver une continuité entre les constantes « standards » et les constantes « atmosphériques » des modèles de turbulence. D’autre part, nous avons développé l’approche de modélisation « CFD 1D-3D », qui consiste en l’utilisation d’un modèle CFD 1D afin de fournir les profils verticaux nécessaires pour forcer le code CFD 3D en données météorologiques (utilisé en topographie complexe). Le modèle 1D a été développé au cours de cette thèse avec les modèles de turbulence k− ε et Ri j− ε. Il a été validé grâce à une comparaison avec des résultats empiriques et théoriques issus de la littérature. Cette comparaison a montré des résultats très encourageants de ce modèle dans la simulation de la CLA en sol plat. De plus, la méthodologie « CFD 1D-3D » a été évaluée grâce à une comparaison avec des mesures en soufflerie en présence d’un relief complexe : les résultats sont globalement très satisfaisants. Ces comparaisons ont permis enfin de valider le nouveau jeu de constantes pour le modèle Ri j− ε. Finalement, nous nous sommes intéressés à l’utilisation de calculs CFD partiellement convergés comme moyen de réduction du temps CPU des codes CFD, dans des contextes d’utilisation opérationnelle. Dans cette optique, nous avons montré que l’on arrive à une solution dont l’erreur est faible par rapport à la solution convergée (< 10% d’erreur), avec un temps CPU de l’ordre de 5%−10% du temps nécessaire pour atteindre la convergence. C’est un résultat très intéressant car il permet de réduire considérablement le temps de calcul, tout en gardant une erreur faible devant l’incertitude générale de l’approche CFD. / Many practical and industrial applications, such as the study of atmospheric dispersion of pollutants, air quality,micro-meteorology in complex terrain and wind assessment, require accurate prediction of the atmospheric flow at a so-called local scale (approximately 10 km horizontally). Therefore, the main objective in this thesis is to propose a chain of methodologies capable of simulating the atmospheric flow at this scale, with a horizontal hectometric spatial resolution. First of all, we were interested in modeling of turbulence in the atmospheric boundary layer (ABL). In addition to the largely used RANS k−ε model, we considered the use of the RANS Ri j− ε model as a way of simulating turbulence anisotropy.We were able to verify the necessity of using the Duynkerke (1988) constants in order to achieve atmospheric levels of turbulence with the k− ε model. In a similar way, we also developed a new set of atmospheric constants for the Ri j− ε model. Finally, we proposed a theoretical model capable of reproducing the main characteristics of a turbulent flow for any given sampling duration, thus allowing a more continuous approach between « standard » and « atmospheric » constants for turbulence models. Also, in this thesis, we developed the « CFD 1D-3D » modeling approach. It is based on the use of a 1D CFD model as a way of providing vertical profiles of meteorological data for boundary conditions of a 3D CFD code, used in complex terrain. This 1D model was developed as a part of the thesis, along with k− ε and Ri j − ε turbulence models. It was validated by being compared with empirical and theoretical results. The comparisons showed very encouraging results concerning the ability of this model in simulating ABL in the presence of a flat terrain. In addition, the « CFD 1D- 3D » methodology was assessed by comparison with wind tunnel measurements in the presence of complex terrain, which showed very satisfactory resultst. These comparisons also validated the newly developed set of constants for the Ri j− ε model. Finally, we studied the use of partially converged CFD as a way of reducing the CPU time of CFD simulations for operational purposes. We therefore demonstrated that we can achieve a low error solution (< 10% error compared with the converged solution), with a CPU time of about 5%−10% of the time required to achieve convergence. This result was very interesting because the methodology significantly reduces the computational time while maintaining a low error as compared to the overall uncertainty of the CFD approach.

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

Dans le contexte de l’aérodynamique ferroviaire, l’une des problématiques majeures concerne le développement de solutions écologiques permettant le refroidissement d’équipements de toiture et nécessitant le moins de maintenance possible. L’une des voies de recherche potentielles s’appuie sur le refroidissement par convection forcée basée sur le mouvement de fluide extérieur au travers des équipements lors du déplacement du train. Cela nécessite d’avoir des informations sur le comportement dynamique de l’écoulement au voisinage de ces derniers. Ces éléments chauffants sont généralement positionnés de façon proche les uns des autres, pour des considérations d’encombrement, donnant naissance à une succession de cavités profondes à bords non affleurants. Malheureusement ce type d’écoulement de cavité n’est quasiment pas étudié dans la littérature bien qu’il présente de fortes variations par rapport à ses homologues dits “symétriques”. Les écoulements de cavités génèrent également des instationnarités associées à des phénomènes de décollement complexes qui peuvent engendrer divers types de nuisances, comme par exemple du bruit rayonné ou des vibrations de structures. Dans la perspective du contrôle d’écoulement avec pour objectif le refroidissement de certaines zones dites “thermiquement mortes”, nous nous sommes intéressés à la dynamique des écoulements au voisinage des cavités à bords asymétriques, pour ensuite aborder le phénomène d’oscillation hydrodynamique potentiellement induite, en portant une attention particulière aux cas asymétriques. Cette étude a permis de mettre en évidence la persistance de modes propres pour les cas d’asymétrie et également de proposer une adaptation du modèle de Rossiter aux écoulements de cavité profonde asymétrique. / In the framework of railway aerodynamics, one of the major problems concerns the development of ecological solutions for cooling roof equipment requiring the least maintenance as possible. One of the potential way of improvement relies on forced convection cooling based on the movement of external fluid through the equipment when the train moves. This requires the knowledge of the dynamic behavior of the flow. These heating elements are generally positioned close to each other for reasons of space, giving rise to a succession of deep cavities with non-flush edges. Unfortunately, this type of cavity flow is almost not studied in the literature although it has strong variations compared to the “symmetrical” cases. Cavity flows also generate instationnarities associated with complex separation phenomena that can generate various types of noises, such as acoustic noise or structural vibrations. In the perspective of flow control in the aim to cool some areas called “thermally dead”, we are interested into the flow dynamics at the vicinity of the cavities with asymmetric edges, and then address the phenomenon of hydrodynamic oscillation potentially induced, with a particular attention to asymmetric cases. This study made it possible to highlight the persistence of modes for asymmetric cases and also to propose an adaptation of the Rossiter model to asymmetric deep cavity flows.

Ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement les mécanismes d'interaction entre les structures de la turbulence et une phase dispersée (gaz ou vapeur) dans une expérience de Taylor Couette avec rotation du cylindre intérieur. Cette étude a été réalisée pour des régimes d'écoulement correspondant aux régimes chaotique (Ta=780), faiblement turbulent (Ta=1000) et turbulent (Ta=4500). La phase dispersée sous forme de bulles, de tailles variées, a été introduite soit par ventilation par agitation de la surface libre, soit par injection associée à une mise en dépression de l'installation. L'intrusion de sondes optiques doubles a permis de caractériser l'arrangement de la phase dispersée (localisation des bulles dans l'entrefer) ainsi que le taux de vide, la taille et la vitesse des bulles. Afin de caractériser la dynamique de l'écoulement, des visualisations couplées à des mesures du champ de vitesse par vélocimétrie Laser Doppler ont été effectuées dans l'entrefer. Des comparaisons fines entre la dynamique du liquide en présence de bulles et celle obtenue en écoulement monophasique ont permis de mettre en évidence les interactions et les mécanismes de couplages ou d'échange entre la structure de l'écoulement et la phase dispersée. En ce qui concerne l'arrangement de la phase dispersée, les résultats ont montré que les bulles de taille millimétrique sont en partie capturées par les cellules de Taylor, une cellule sur deux et en partie localisées dans les zones de jet (outflow) près du cylindre intérieur. Les bulles sub-millimétriques sont essentiellement localisées en région de outflow près du cylindre intérieur mais de manière plus diffuse dans l'entrefer. En ce qui concerne les mécanismes d'interaction entre les bulles et la dynamique du champ de vitesse liquide, il a été montré que les bulles localisées au coeur des cellules contribuent à stabiliser l'écoulement par augmentation de la vorticité alors que les bulles localisées en proche paroi du cylindre intérieur (dans la zone de jet) contribuent à développer la turbulence par augmentation du cisaillement dépendant de la taille des bulles. On a observé globalement un gain d'énergie cinétique turbulente en écoulement diphasique de Taylor Couette principalement dû au travail de cisaillement.