Modélisation des transferts de masse et de chaleur dans une cellule d'électrolyse de production de fluor. La production de fluor par électrolyse est une étape clé de la conversion de l’uranium dans l’industrie nucléaire. Afin d’optimiser ce procédé, les travaux de thèse décrits dans ce manuscrit se sont concentrés sur deux axes : le développement d’un modèle numérique de l’électrolyseur et l’étude du phénomène d’hyperpolarisation cathodique néfaste pour le bon fonctionnement de la cellule. Un modèle couplant plusieurs physiques (thermique avec solidification, diphasique, électrocinétique) a été développé et des essais expérimentaux ont été menés afin d’acquérir, d’une part, certaines propriétés physiques de l’électrolyte nécessaires aux simulations (conductivité thermique et capacité thermique à pression constante) et, d’autre part, des données expérimentales permettant de qualifier le modèle obtenu. Ce travail de modélisation a abouti à l’obtention d’un modèle 3D fiable couplant les physiques citées précédemment, ceci à l’échelle d’un pilote R&D semi-industriel. L’impact de la solidification de l’électrolyte sur le transfert de chaleur a également pu être simulé pour la première fois. Ces essais ont également permis de fournir des premières explications sur le phénomène d’hyperpolarisation cathodique en dressant des tendances claires quant à l’influence de certains paramètres de contrôle de l’électrolyseur comme le titre HF et la température de consigne. / Computer modeling of heat transfer and mass transfer in an electrolytic cell for production of fluorineElectrolytic production of fluorine is a key step in uranium conversion for the nuclear industry. In order to improve this process, the work described in this dissertation aims at two main objectives: to build a numerical simulation of the electrolysis cell and to understand the cathodic hyperpolarization effect which lowers the productivity of the cell. A model coupling several physics (heat transfer with solidification, two-phase flow, electrokinetics) has been developed and experiments were made in order to evaluate unknown physical properties of the electrolyte (thermal conductivity and heat capacity at constant pressure). Experimental data were also acquired in order to assess the capacity of the model to simulate various phenomena occurring inside the cell. Eventually, a reliable 3D model of a semi-industrial R&D cell coupling the physics above mentioned has been obtained. The negative impact of the solidification of the electrolyte on the cooling system was simulated for the first time. Thanks to these experiments, it was also possible to determine the major trends which drive the cathodic hyperpolarization effect. The influence of HF mass fraction and temperature on this phenomenon was clearly shown.

Les écoulements instationnaires au-dessus de surfaces discontinues produisent d'important bruit aérodynamique. L'objectif de ce travail de thèse est l'étude aéroacoustique d'écoulement au-dessus de cavités bidimensionnelles rectangulaires, et de trouver des stratégies de réduction du bruit. Des simulations numériques directes des équations bidimensionnelles de Navier-Stokes compressibles ont été réalisées afin d'étudier l'influence des conditions initiales sur le mode d'oscillation de l'écoulement pour des cavités profonde et peu profonde. Les résultats montrent que dans le cas de cavités profondes, l'écoulement oscille selon un régime de couche de cisaillement suivant le second mode de Rossiter, et ce quelle que soit la condition initiale choisie. En revanche, dans le cas de cavités peu profondes, le régime d'oscillation observé peut être en couche de cisaillement ou bien en mode de sillage suivant la condition initiale choisie. Une analyse de sensibilité d'écoulement dans le cas de cavités profondes a été réalisé en utilisant une méthode adjointe. Les équations adjointes ont été forcées par une perturbation localisée sinusoïdale soit de la quantité de mouvement suivant x adjointe (au voisinage de la couche de cisaillement), soit de la densité adjointe (loin de la cavité). Les résultats désignent une région de l'écoulement très sensible à l'ajout de masse, et localisée au voisinage du coin supérieur amont de la cavité. Par conséquent, un actionneur de type soufflage/aspiration placé au bord d'attaque de la cavité agira sur les fluctuations de quantité de mouvement suivant x au voisinage de la couche de cisaillement et sur les fluctuations de pression au loin. / The unsteady flow over surface discontinuities produces high aerodynamic noise. The aim of this thesis is to study the aeroacoustics of two-dimensional rectangular cavities and to find strategies for noise reduction. Direct Numerical Simulation of the compressible Navier-Stokes equations is performed to investigate the influence of the initial condition on the oscillation modes in deep and shallow cavities. Results show that the deep cavity oscillates in shear layer regime at the second Rossiter mode regardless of the initial condition. On the other hand different initial conditions lead to a shear layer or wake mode in the shallow cavity case. A sensitivity analysis of the deep cavity is done by the use of adjoint methods. Local sinusoidal perturbations of x-momentum and density are applied to the adjoint equations. The results show a high sensitivity region to mass injection at the upstream corner. Therefore an actuator placed at the leading edge will modify the velocity fluctuations reaching the trailing edge and hence the pressure fluctuations in the far-field.

Dans ce manuscrit, nous abordons une étude expérimentale de magnétohydrodynamique, traitant plus particulièrement du forçage électromagnétique dans les métaux liquides. L’entraînement d’un fluide conducteur de l’électricité par un champ magnétique se traduit par une conversion d’énergie électromagnétique en énergie cinétique, via le travail de la force de Laplace. La motivation de cette thèse est donc d’examiner comment un champ électromagnétique engendre un écoulement, d’étudier les différentes façons d’assurer un tel transfert d’énergie, ou encore de caractériser les facteurs limitant l’efficacité de ce transfert. Cette thèse présente deux expériences de laboratoire permettant d’étudier deux types de forçage différents : d’une part, l’entraînement d’un fluide par induction à partir d’un champ magnétique variable (analogue au moteur asynchrone), d’autre part un entraînement résultant de la combinaison d’un champ magnétique stationnaire et uniforme et d’un courant électrique constant (analogue au moteur à courant continu). Dans une première partie, une loi prédictive est obtenue pour l’évolution d’un fluide soumis à un champ glissant dans le régime turbulent. On montre que cet entraînement est limité par la turbulence, mais aussi par des mécanismes originaux comme une expulsion de flux magnétique, ou un transfert de l’énergie vers des harmoniques. Cette limitation de l’entrainement se traduit par une borne sur le rendement de cette conversion d’énergie, qui ne peut excéder 50%. Dans une seconde partie, le fluide est soumis à deux champs magnétiques glissants dans des directions opposées, engendrant ainsi un écoulement de cisaillement. Les fluctuations turbulentes brisent alors la symétrie du problème et donnent à la couche de cisaillement un comportement chaotique, révélant notamment un spectre de puissance en 1/f du champ de vitesse à basse fréquence. Cette accumulation d’énergie aux basses fréquences est associée à des renversements chaotiques des structures cohérentes. L’apparition de ce bruit en 1/f est contrôlée par la symétrie du forçage et le taux de turbulence au sein de l’écoulement. Enfin, dans une dernière expérience, une couche mince de métal liquide est forcée par conduction, permettant d’observer pour la première fois en laboratoire un écoulement MHD turbulent de type Képlérien. On observe ainsi que le champ magnétique joue un rôle de laminarisation de l’écoulement et que la transition vers le régime turbulent se fait de manière continue. Ces travaux montrent ainsi qu’il est possible d’isoler plusieurs mécanismes limitant l’entraînement des métaux liquides forcés éléctromagnétiquement et de comprendre plus généralement la dynamique complexe des écoulements MHD. / This manuscript describes an experimental study on magnetohydrodynamics, with a particular focus on the electromagnetic driving of liquid metals. Such electromagnetically-driven flows involve transformation of electromagnetic energy into kinetic energy through the Laplace force. The motivation of the present thesis is to examine how an electromagnetic field generates a flow, to study the different ways to ensure such a transfer of energy, or to characterize what bounds the efficiency of this energy conversion. This thesis presents two laboratory experiments studying two different driving : first, the induction of a fluid motion by a traveling magnetic field (similar to an asynchronous motor), then a driving due to the combination of a stationary and uniform magnetic field and a constant electric current (similar to a DC motor). In the first part of the thesis, a predictive scaling law is obtained for the evolution of a fluid subjected to a traveling field in the turbulent regime. It is shown that this driving is strongly limited by turbulence, but also by various mechanisms such as magnetic flux expulsion, or energy transfers to higher harmonics. This limitation results in a bound on the efficiency of this energy conversion, which can never exceed 50%. In a second part, the fluid is subjected to two magnetic fields traveling in opposite directions, thus generating a shear flow. The turbulent fluctuations break the symmetry of the problem and yields a chaotic behavior of the shear layer, revealing a 1/f power spectrum at low frequency. This accumulation of energy at low frequencies is associated with chaotic reversals of large scale coherent structures. The appearance of this 1/f noise is mediated by the symmetry and the turbulence of the flow. Finally, in a last experiment, a thin disc of liquid metal is driven by conduction, leading to the first observation of MHD Keplerian turbulence in the laboratory. It is thus observed that the magnetic field laminarises the flow and that the transition to Keplerian turbulence is continuous. This work shows that it is possible to isolate several mechanisms characterizing electromagnetically-driven flows and to understand the complex dynamics of MHD flows.

La technologie de la microencapsulation comprend généralement deux procédés : les procédés de production de microgouttes/microémulsions et les procédés de leur encapsulation. A cause de difficultés de calibrer la taille de microgouttes, des microcapsules ont souvent une grande dispersion sur leur taille. La technologie microfluidique permet d'améliorer la monodispersité de microcapsules.<br />Cette thèse a pour objet la conception et la réalisation d'un système microfluidique pour la production de gouttes calibrées et leur encapsulation. La contribution de cette thèse consiste en trois aspects : le premier concerne les effets géométriques sur la formation de goutte ; le deuxième concerne la dynamique des écoulements, le comportement d'écoulement laminaire, les propriétés physico-chimiques des couples diphasiques sur la taille de gouttes, les lois corrélant la taille de gouttes. Troisièmement, un système microfluidique est conçu dans lequel le procédé complet de la microencapsulation est réalisé pour la fabrication de microcapsules monodisperses. Les perspectives d'applications sont nombreuses.

Le chargement dynamique des paliers hydrodynamiques et des amortisseurs à film fluide soumet le film lubrifiant à une action d'écrasement périodique. Cette sollicitation conditionne la portance du film lubrifiant et peut engendrer sa rupture, créant ainsi des conditions sévères de fonctionnement. L'étude approfondie, tant expérimentale que numérique du comportement du film soumis à une action d'écrasement périodique, s'avère donc indispensable pour pouvoir maîtriser les performances de ces dispositifs. <br /><br />Pour ce faire, trois codes de calcul numérique sont développés dans le cadre de cette thèse. Ces codes sont basés sur la théorie de JFO. Les équations établies sont discrétisées en différences finies et en éléments finis. Pour un film d'huile écrasé périodiquement, à faibles fréquences, entre deux surfaces conformes, les prédictions numériques de ces trois codes sont très proches. Par ailleurs, les visualisations numériques de la rupture dans les différents types de contacts ont montré l'impact de la fréquence des oscillations sur l'étendue et la durée de la rupture de film. <br /><br />L'étude expérimentale est conduite via un banc d'essai conçu puis réalisé. Deux modes de rupture de film sont identifiés : la rupture par séparation des gaz saturés et la rupture par séparation due à l'introduction de l'air ambiant. La visualisation de chaque mode est conditionnée par la fréquence des oscillations. La forme de la zone de rupture due à l'introduction de l'air ambiant dépend de la fréquence, de la hauteur du bain d'huile et de la géométrie du contact. <br /><br />Pour les surfaces non conformes, les résultats des modèles numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Les différences constatées dans le cas des surfaces conformes sont dues aux imperfections géométriques et à la souplesse des structures qui composent le dispositif expérimental.

Cette thèse porte sur le développement de méthodes numériques pour le calcul d'écoulements incompressibles multi-fluides sur grille de calcul, s'inscrivant ainsi dans le cadre du projet MecaGrid.Une étude de la grille MecaGrid met en évidence son caractère hétérogène et ses conséquences. Plusieurs techniques d'optimisation sont présentées afin d'améliorer son utilisation : répartir la masse de calcul de façon adaptée, et privilégier le travail des processeurs vis-à-vis des communications réseaux pénalisantes.Des méthodes numériques sur maillage non structuré composé de tétraèdres sont choisies pour réaliser la simulation directe d'écoulements multi-fluides avec capture d'interface. Nous adoptons une approche unique qui rappelle celle du Multiscale, dans laquelle la condensation d'une fonction Bulle pyramidale est utilisée comme technique universelle de stabilisation.Les équations de Navier-Stokes incompressible sont résolues par une méthode éléments finis mixtes à interpolation P1+/P1. Un schéma temporel d'Euler implicite est appliqué, en association avec un algorithme de Newton pour linéariser le problème.Les interfaces sont capturées par une technique Level Set à interpolation continue P1 qui consiste à résoudre une équation de transport stabilisée par la condensation d'une Bulle (Residual-Free Bubbles). Le couplage avec une équation d'Hamilton-Jacobi permet de réinitialiser la fonction Level Set au court de son transport. La comparaison avec une méthode Galerkin discontinue proche du Volume of Fluid montre que le Level Set se distingue par sa simplicité et l'absence de diffusion numérique.Enfin, les simulations numériques sont validées par plusieurs cas test reconnus.

Les avalanches de neige sont un des risques naturels majeurs des régions montagneuses. Les grandeurs physiques de l'avalanche telles que la vitesse, l'épaisseur et la densité sont difficiles à évaluer au sein même de l'écoulement, alors qu'elles sont à la base des modèles d'avalanche. C'est pour ces raisons que la détermination des sollicitations exercées par l'avalanche de neige sur les ouvrages de type galerie paravalanche s'avère problématique. Le niveau de protection de ce type d'ouvrage est donc difficilement quantifiable. Dans une première partie de ce travail, nous avons fait un inventaire des ouvrages de protection et des modèles d'avalanches couramment utilisés. La deuxième partie de notre travail porte sur la connaissance et la détermination des sollicitations avalancheuses et, leurs variations spatio-temporelles sur les structures de type galerie paravalanche. Pour ceci, une expérimentation a été réalisée sur une plaque instrumentée de capteur de force placée dans un couloir d'avalanche sur le site naturel du Col du Lautaret. Pour compléter ces résultats, une expérimentation d'écoulement granulaire dans un canal incliné a été mise en place. Les résultats expérimentaux montrent que les sollicitations d'impact ont des valeurs très élevées proche de la rupture de pente et qu'elles décroissent rapidement avec l'augmentation de la distance par rapport à cette rupture. La dernière partie de notre travail consiste à étudier avec le logiciel EF Fedeaslab les réponses dynamiques de la structure des galeries paravalanches sous les chargements avalancheux obtenus expérimentalement. L'effet dynamique sur la structure a été quantifié en comparant les réponses de la structure sous chargement dynamique puis statique.

Nous avons étudié l'influence de fluctuations de grandes échelles sur le seuil de l'instabilité dynamo. Pour cela, nous avons résolu le problème cinématique pour un champ de vitesse hélicoïdal, auquel nous avons rajouté à sa partie stationnaire, une modulation périodique dans le temps, également hélicoïdale. Pour un champ de vitesse hélicoïdal stationnaire des études précédentes ont montré que pour de grands nombres de Reynolds magnétique le champ magnétique était généré au niveau d'une surface caractérisée par une condition de résonance sur le champ de vitesse. Pour un champ de vitesse modulé, nous avons montré que pour une faible amplitude de modulation, c'est la condition de résonance portant sur la partie stationnaire qui gouverne la génération du champ magnétique. Pour une grande amplitude de modulation, c'est la condition de résonance portant sur la modulation qui contrôle la génération du champ magnétique. Dans la plupart des cas et si la condition de résonance est vérifiée pour les deux parties du champ de vitesse, on trouve que le seuil augmente en fonction de l'intensité de la modulation, puis diminue tout en restant supérieur au seuil de l'écoulement stationnaire de même géométrie. Si la condition de résonance n'est pas vérifiée pour la modulation, alors le seuil augmente drastiquement avec son intensité.<br />Cette étude suggère que l'optimisation des expériences dynamo dépend non seulement de la partie stationnaire du champ de vitesse, mais aussi de ses fluctuations de grande échelle. Si ces dernières ne sont pas optimisées alors le seuil dynamo peut augmenter drastiquement, même si celles-ci sont de faible intensité.

Flows over rectangular cavities exhibit various steady and unsteady phenomena, and are of concern in several engineering areas. When the incident flow is turbulent, high acoustic radiations are emitted. To evaluate the acoustic power radiated in the far field, a two-steps procedure is developped.<br /> First, the unsteady, incompressible, high Reynolds number flow past a cavity is numerically investigated. The hydrodynamical 3D models which are used are based on standard Reynolds-averaged Navier-Stokes equations closed by some simple turbulence closure models. On another side, experiments are performed in a large water tunnel for different lenght to depth ratios ; flow visualization and fluctuating surface pressure measurements are made to chek numerical results which reveal some deficiencies. Morover, the extent of both numerical and experimental results combined to produce consistent input data for the ensuing acoustic model.<br /> Secondly, a simple model, based on the Lighthill's acoustic analogy, incorporates the later data, to predict the amplitude and the frequencies of the far field noise. Measurements of the far field sound pressure level in a wind tunnel are also made at subsonic speed. A good agreement between the computed acoustic power in the far field and experimental data is shown.<br /> As an interesting by-product of the hydrodynamical study consists in a refined classification of flow structures in the cavity when lenght-to-depth ratio increases. Three different flow configurations are observed. A quasi-2D flow is observed for a squared cavity. A transitional 3D flow charaterised by spanwise undulation of the main recirculating eddy is clearly shown for a lenght-to-depth ratio about 1,5. For a lenght-to-depth ratio above 2, the main recirculating eddy which is close to the downstream face of the cavity is purely 2D.

Un bassin sédimentaire est un milieu poreux dans lequel les hydrocarbures sont générés. Au cours du temps,ces hydrocarbures, qui sont soumis à certaines forces (la gravité, la pression,...), commencent à migrer. Ce phénomène est modélisé par des lois physiques (conservation de la masse, loi de Darcy), et les équations mathématiques (EDP) issues de ces lois sont fortement couplées entre elles et non linéaires. Le but de la modélisation de bassin est de retracer l'histoire de la création, de la migration et du stockage de ces hydrocarbures au cours de temps, afin de mieux localiser les zones où les hydrocarbures se sont concentrés. Les modèles mathématiques sont ensuite résolus numériquement. Le travail consiste ici en la mise au point d'une nouvelle méthode numérique pour la résolution de ces modèles, la méthode des lignes de courant. Cette méthode est déjà utilisée avec succès dans la modélisation des écoulement en milieux poreux. Les tests numériques sur cette méthode dans la simulation des réservoirs ont montré un gain de temps de calcul par rapport aux méthodes classiques (IMPES, FullyIMPLICITE...).Ce gain de temps vient du fait que l'équation en saturation est résolue en une série de problèmes 1d (le long de chaque ligne de courant), et aussi du fait qu'on résout moins l'équation de la pression.Il s'agit donc de répondre aux questions suivantes: - La méthode des lignes de courant admet-elle une extension pour la modélisation des bassins? - Peut-on optimiser cette méthode pour qu'elle soit compétitive par rapport aux autres méthodes? Le premier chapitre de cette thèse est consacré aux principes de cette méthode ainsi que l'application de cette méthode sur les problèmes simples de conservation. Dans le deuxième et le troisième chapitres on appliquera la méthode des lignes de courant sur les modèles de bassin.