Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l’écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d’aube, est l’origine de pertes d’énergie, d’instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l’emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l’influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L’écoulement en régime sous-critique autour d’un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu’une turbulence intense, tout comme l’écoulement de jeu. Les simulations permettent l’obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d’extraction du champ moyen montre que l’adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l’analyse d’un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d’aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d’aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l’emploi d’un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d’aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l’aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n’est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques. / Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.

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. / The dams on rivers are fishes migration obstacles. The fishways are devices allowing the fishes to migrate, permitting the restauration of the ecological continuity. The aim of this work is to better comprehend the physical phenomena existing in the nature-like fishways. This kind of fishway is a high slope channel with staggered rows of blocks. To validate the relevance of the use of a numerical model, the study is limited to the flow around a single free surface piercing cylinder placed in the center of a flume. The work is in two parts, experimental and numérical. The experimental part is conducted in a transparent flume of 4m length, 0.4m width and 0.4m height. The cylinder diameter is 4cm and its height 20cm (always emerged). The studied cases are flow rates of 5 to 20 l/s for a flat bed. The Froude numbers are over 0.5 et the Reynolds numbers, based on the diameter, are in between 15000 and 50000. The flows were filmed and a particules tracking velocimetry (PTV) algorithm was developped. Slow velocities areas exist, even for Fr=1, allowing shelter zones for a fish. The drag forces were also measured. The drag coefficients evolutions with the Froude number and with the flow aspect ratio were estimated. The numerical part is done with OpenFOAM for 4 cases (Q=10 et 20 l/s, S=0 et 2%) and 2 URANS turbulence models, RNG k-epsilon and k-omega SST. 2D simulations are also carried out with Telemac2D. The results are compared with the experimental ones. The 2D modelisation (shallow water) is workable only for small Froude numbers, which justifies the 3D modelisation. The k-omega SST seems the most relevant to reproduce the studied flows. The local velocities and 3D structures, unquantifiable experimentally, were described. The bed and free surface influences on the wake are clearly shown leading to vertical velocities and big scale vorticies. Finally, a LES simulation was conducted. The vortex structures are better reproducted than the URANS simulations, but the computation times are significant.

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.

La première partie concerne les interactions acoustique-vorticité dans les écoulements cisaillés linéaires incompressibles, qui peuvent être décomposés en la somme d’une partie hyperbolique et d’une partie rotation solide. L’écoulement de Couette en est un exemple. En utilisant la démarche non-modale , les équations d’évolution de perturbations compressibles se réduisent à une EDO de dimension trois en temps, qui dépend d’un paramètre adimensionné ε représentant le rapport entre le taux de cisaillement de l’écoulement et la fréquence des perturbations. Pour ε faible, la méthode WKB permet d’exhiber naturellement trois modes (deux modes acoustiques et un mode de vorticité) et permet de mettre en évidence des couplages entre ces modes. Ces couplages sont exponentiellement faible en 1/ε, et ne peuvent être pris en compte par une méthode asymptotique. Ils semblent être liés à la partie hyperbolique de l’écoulement. La seconde partie traite de la réflexion d'une onde par une surface de géométrie complexe. Une transformation conforme permet de transformer une frontière complexe en une frontière plane, mais fait apparaître des coefficients non constants dans les équations en volume. Celles-ci sont résolues au moyen de la méthode de la matrice d’impédance multimodale qui ramène le problème à une équation de Riccati pour la matrice d’impédance. Une méthode pour trouver des géométries admettant des modes piégés est proposée. Puis la méthode de résolution est appliquée à la modélisation de la couche limite visqueuse d’un fluide oscillant au contact d’une surface complexe périodique. Une solution perturbative est proposée. La présence de zones de recirculation est étudiée. / The first part is a study of the interactions between acoustic and vorticity perturbations in linear incompressible shear flows, which can decomposed as a sum of a hyperbolic part and of a rigid rotation part. The plane Couette flow is an example of such flows. By using the non-modal approach, the equations governing the evolution of compressible perturbations reduce to an ODE of dimension three in time, which depends on a dimensionless parameter ε representing the ratio between the shear rate of the flow and the frequency of the perturbations. For small ε values, the WKB method allows us to exhibit naturally three modes (two acoustic modes and one vorticity mode) and to highlight couplings between these modes. These couplings are exponentially small in 1/ε, and cannot be taken into account by an asymptotic method. They seem to be linked to the hyperbolic part of the flow.The second part deals with the reflection of a wave by a geometrically complex surface. A conformal mapping allows us to transform a complex boundary into a plane boundary, but makes appear varying coefficients in the bulk equations. These equations are then solved with the multimodal impedance matrix method, which reduce the problem to a Riccati equation for the impedance matrix. A method to find geometries allowing for the existence of trapped modes is proposed. Then the solving method is applied to the modeling of the viscous boundary layer of a fluid oscillating near a periodical rough surface. A perturbative solution is proposed. The presence of recirculation areas is studied.

Les vésicules sont gouttes de rayon de quelques dizaines de micromètres, limitées par une membrane lipidique imperméable d'environ 4 nm d'épaisseur, et immergées dans un fluide visqueux externe. Les propriétés spécifiques de la membrane de la vésicule rendent le système très déformable et très contraint dans le même temps. Les vésicules représentent également un modèle simplifié intéressant pour les globules rouges, car ils partagent aussi certains comportements mécaniques similaires.Ce manuscrit s’intéresse à la modélisation d'une vésicule soumise à des contraintes externes d'origine hydrodynamique, dans le régime Stokes et dans des domaines confinés. À partir d'un modèle BEM déjà existant pour des fluides infinis, des méthodes numériques originales sont développés pour faire face au calcul des interactions entre la membrane de la vésicule et les frontières solides. Une attention particulière est accordée à la situation d'une vésicule qui sédimente vers un mur horizontal et une vésicule soumise à un écoulement de Poiseuille dans un capillaire étroit. / Vesicles are drops of radius of a few tens micrometers, bounded by an impermeable lipid membrane of approximately 4 nm thickness, and embedded in an external viscous fluid. The specific properties of the vesicle membrane make the system very deformable and very constrained at the same time. Vesicles represent also an interesting simplified model for red blood cells, since they also share some similar mechanical behaviours.This manuscript deals with the modeling of a vesicle subjected to external stresses of hydrodynamical origin, in the Stokes regime and in confined domains. Starting from an existing BEM model for free space flows, original numerical methods are developed to deal with the computation of interactions between the vesicle membrane and solid boundaries. A particular attention is paid to the situation of a vesicle sedimenting towards a planar wall and a vesicle submitted to a Poiseuille flow in a narrow capillary.

Comprendre la phénoménologie du mélange turbulent de fluides hétérogènes reste à ce jour l'un des défis majeurs dans le domaine de la turbulence. Contrairement à une croyance répandue, la viscosité a une influence non négligeable sur le mélange. Dans cette étude, nous comparons un jet rond à viscosité constante (CVF) avec un jet à viscosité variable (VVF). Les différences dans la naissance et la croissance de la turbulence sont mises en lumière via l'utilisation de statistiques classiques et conditionnées. Le calcul du coefficient d'entraînement nous permet de montrer que, si un processus d'entraînement classique est à l'oeuvre dans le cas CVF, le mélange est assuré par le detrainment dans le cas VVF. Augmenter le nombre de Reynolds conduit à une apparition plus tardive de ce dernier, ainsi que des effets visqueux en général. Ainsi, une meilleure compréhension du mélange à viscosité variable est nécessaire pour, par exemple, améliorer l'efficacité des systèmes de combustion existants. / Understanding the phenomenology associated with heterogeneous mixtures of gases is one of the mort persistent challenges in turbulent mixing. Contrary to what has been thought, it was previously found that viscosity variations have a non-negligible impact on mixing and should be taken into account. In this study, we carry out a comparison between Constant Viscosity Flows (CVF) and Variable Viscosity Flows (VVF), in a round jet. The disparity in the birth and growth of turbulence was highlighted using traditional and conditional statistics. The computation of the entrainment ratio allowed us to conclude that, while a classical entrainment phenomenon is observed for the CVF configuration, the VVF case exhibits a detrainment process. Increasing the Reynolds number leads to a delayed apparition of the latter and of the viscous effects. Thus, a better understanding of the heterogeneous fluid mixing phenomenology is necessary to improve the efficiency of existing combustion systems.

L'utilisation des coulis d'hydrates de CO2 comme fluides frigoporteurs dans le procédé de réfrigération secondaire permet de réduire l'impact environnemental des systèmes frigorifiques qui sont responsables d'importants rejets de gaz à effet de serre. Ces fluides sont également intéressants du point de vue de l'efficacité énergétique grâce à leur chaleur latente de changement de phase élevée et du point de vue de la variété des applications industrielles, la température de changement de phase pouvant être ajustée dans une large gamme. Afin d'assurer un contrôle optimal du procédé, la compréhension de la cinétique de formation des hydrates de CO2 et la maitrise de l’écoulement des coulis sont importantes.Pour l'étude cinétique, un protocole de mesure in-situ par spectroscopie Infra Rouge à Transformée de Fourier a permis de suivre en temps réel la concentration du CO2 en phase aqueuse dans un réacteur agité en conditions de formation d'hydrates. Ces mesures ont permis de quantifier la force motrice de la croissance cristalline, d’alimenter un modèle de calcul de la consommation en temps réel du CO2 lors de la formation des hydrates et d'identifier le transfert de matière à l’interface gaz/liquide comme l’étape limitante du processus. Le modèle semi-empirique de transfert de matière développé pour déterminer la vitesse de consommation du CO2 par les hydrates s’appuie sur l’étape limitante de transfert de matière à l’interface gaz/liquide dans certaines conditions. Par ailleurs, différents moyens pour améliorer la cinétique de cristallisation des hydrates de CO2 ont montré des résultats intéressants concernant l’évolution des paramètres opératoires (consommation de gaz/gaz dissous).Pour l’étude des écoulements, une caractérisation rhéologique et granulométrique des coulis d’hydrates de CO2 dans une boucle dynamique a été menée sur une gamme de fractions volumiques en solide comprise entre 7 à 14 %. Pour ce faire, les évolutions de pertes de charge en fonction du régime d'écoulement ont été mesurés et ont permis d’obtenir les paramètres du modèle rhéologique. Elles ont été complétées par des déterminations de distributions de tailles des cristaux grâce à une sonde Focused Beam Reflectance Measurement. Deux additifs antiagglomérants ont été testés et ont montré que les coulis d’hydrates présentent un comportement rhéofluidifiant. Par ailleurs, l’évolution en temps réel de la taille des cristaux d’hydrates de CO2 simple et en présence d’additifs ont été obtenues et ont confirmé l’effet d’antiagglomérant et de seuil des additifs testés sur la gamme de fractions en solide étudiée. / The use of CO2 hydrate slurries as fluids for secondary refrigeration processes allows reducing the environmental impact of refrigerating systems that are responsible of significant greenhouse gas emissions. These fluids are also energy efficient because of their phase change high latent heat and for the variety of their industrial applications, making the phase change temperature adjustable over a wide range. Therefore, for better controlling of the process, understanding the CO2 hydrates formation kinetics and the slurries flow control are important.For the kinetic study, an in-situ measurement protocol by Fourier Transform InfraRed Spectroscopy made it possible to follow in real time the CO2 concentration in the liquid phase in a stirred reactor under hydrate formation conditions. These measurements were used to quantify the crystal growth driving force, to supply a real time CO2 evolution model in the hydrate phase and to identify the mass transfer at the gas/liquid interface as the limiting step of the process. A semi-empirical model of mass transfer showed that the CO2 consumption rate by hydrates relies on the limiting step of the mass transfer at the gas/liquid under certain conditions. Moreover, various techniques to improve the CO2 hydrates crystallization kinetics showed interesting results concerning the operating parameters evolution (gas and dissolved gas consumption)For the flow study, a rheological and granulometric characterization of the CO2 hydrate slurries in a dynamic loop was conducted in the solid fraction range of 7 to 14 %. Therefore, the pressure drop measurements as a function of the flow regime were measured and the rheological model parameters were obtained, reinforced by crystals size distribution determinations thanks to a Focused Beam Reflectance Measurement probe. Two antiagglomerants additives were showed that the hydrate slurries have a rheofluidifiant behavior. Moreover, the real-time evolution of the CO2 hydrate crystals size and in the presence of additives was obtained and confirmed the effects of the antiagglomerant and threshold of the tested additives in the studied solid fraction range.

Ce travail de thèse concerne les écoulements de fluides à seuil de contrainte autour d‘un obstacle cylindrique en milieu confiné avec une configuration d‘écoulement de Poiseuille.Expérimentalement, un banc d‘essai permettant d‘obtenir un écoulement en continu dans un circuit fermé a été mis en place. Les régimes d‘écoulement rampant, recirculant et instationnaire périodique ont été étudiés. De nouveaux résultats ont été obtenus avec un fluide newtonien et des solutions de Carbopol, polymère permettant de réaliser des fluides à seuil modèles utilisés en recherche et développement et dans l‘industrie. Une caméra rapide et un éclairage plan laser a servi pour l‘établissement d‘images qui ont ensuite été traitées par PIV. Les champs de vitesses cinématiques, les morphologies d‘écoulement et les paramètres critiques de transitions de régimes ont été déterminés.Numériquement, un modèle viscoplastique basé sur la loi de Herschel-Bulkley régularisée a été utilisé. Des résultats comme les morphologies d‘écoulement, la localisation des zones rigides, les champs de vitesses ont été obtenus. Ceci a permis de comparer les différences entre les effets liés à la nature des gels de Carbopol et la modélisation viscoplastiques. Une étude spécifique sur le glissement à l‘interface fluide-structure a également été réalisée avec l‘utilisation d‘un modèle de lubrification élasto-hydrodynamique. / The flow of yield stress fluids around a circular cylinder in a confined geometry has been investigated with a Poiseuille flow configuration.Experimentally, a test set-up was built which provides a continuous flow in a closed loop. We studied creeping, recirculating and vortex shedding flow regimes. New results has been realised with a Newtonian fluid and Carbopol solutions, models for yield stress behaviour in laboratory experiments and in industry. A high speed camera and a laser sheet have been used to perform images which are treated by PIV. Kinematic fields, flow morphologies and critical transition parameters have been determined.Numerically, a viscoplastic model based on the regularised Herschel-Bulkley law has been used. Results as flow morphologies, rigid areas and local flow parameters fields have been performed. That allowed us to compare the intrinsic effects of Carbopol solutions and the viscoplastic numerical model. A specific study on the wall slip has also been considered with an elasto-hydrodynamic lubrication model.