Dans le cadre de la sécurité incendie, et de la prévention de départ d'un feu en environnement confiné, un objectif majeur consiste en l'amélioration des procédés d'extinction et plus précisément de la pulvérisation de brouillards d'eau qui est un moyen de lutte largement utilisé. Les simulations numériques doivent prévoir l'efficacité des brouillards en évaluant précisément l'évolution spatiotemporelle des caractéristiques du foyer incendie en présence d'un champ pulvérisé de gouttelettes. Pour déterminer les fractions massiques d'eau sous forme liquide ou vapeur, les concentrations des produits formés ainsi que les niveaux de températures en tout point du local, nous présentons ici le développement d'un modèle apte à décrire un milieu réactif dans lequel la stabilité de la flamme est altérée par la présence de gouttelettes d'eau. Un formalisme diphasique eulérien-eulérien est utilisé pour modéliser le transport des gouttelettes qui interagissent avec le milieu réactif en le refroidissant et en le diluant via l'introduction de vapeur d'eau issue du processus d'évaporation. Le modèle sousjacent est une approche de combustion à multi-fractions de mélange avec un diagramme de reconstitution des espèces mettant en compétition un domaine inflammable et un domaine non inflammable. Les modèles finalement obtenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides qui a récemment été adapté à l'étude des incendies. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données expérimentales issues de la littérature, et sur des cas test d'échelle intégrale.

On a étudié la détonation de milieux hétérogènes composés d‟aérosols de gouttelettes de carburants liquides dans de l‟air, dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, et plus particulièrement l‟influence de la granulométrie des gouttelettes sur les conditions d‟existence d‟une détonation, ses caractéristiques de propagation et l‟existence d‟une structure cellulaire analogue à celle observée dans les mélanges gazeux homogènes. Avec des carburants volatils (Heptane, Isooctane) la structure cellulaire a été mise en évidence pour des gouttelettes de diamètre d0=8 μm. En revanche, pour d0=30 ou 45 μm, on observe soit la détonation hélicoïdale, soit un régime limite de détonation avec de grosses cellules assez irrégulières. Dans des carburants moins volatils (Octane), des détonations n‟ont été observées que pour d0=8 et 30 μm, alors que pour d0=45μm, la détonation ne s‟établit pas, quelle que soit la richesse. Dans le cas de carburants peu volatils (Décane ou Dodécane), il n‟est pas possible d‟initier une détonation pour d0=30 ou 45 μm, mais seulement pour d0=8 μm, avec la structure cellulaire dans le cas du décane, et le régime de détonation hélicoïdal avec le dodécane. Un modèle numérique a été développé pour simuler les détonations dans des mélanges hétérogènes gaz/gouttelettes liquides. Pour d0=30 μm et d0=45 μm, il est nécessaire de prendre en considération la désintégration mécanique des gouttelettes sous l‟effet du choc incident pour obtenir une détonation. Pour d0=8μm, l‟étape de la désintégration n‟est pas requise. Les résultats concernant l‟influence de d0 sur la taille de la cellule de détonation sont en accord raisonnable avec les expériences.

Cette thèse étudie les écoulements bidimensionnels de mousse autour d'obstacles. Après un rappel du contexte de recherche en rhéologie des mousses, le dispositif expérimental employé est présenté : il s'agit de créer l'écoulement d'une mousse, constituée d'une monocouche de bulles confinée entre une solution savonneuse et une plaque de verre, autour d'un obstacle, et de simultanément mesurer la force exercée par la mousse sur l'obstacle, et les différents champs décrivant l'écoulement à l'échelle locale. Une étude systématique de la traînée sur différents obstacles, ainsi que de la dissipation, en fonction de nombreux paramètres de contrôle (débit, taille des bulles, viscosité de la solution, épaisseur de la monocouche), est ensuite décrite. La traînée se décompose en une traînée seuil, à vitesse tendant verz zéro, et en une partie dynamique, révélant que la mousse se comporte comme un fluide à seuil. Ensuite, les champs suivants : vitesse, contraintes, déformations, réarrangements topologiques, sont étudiés. Les résultats contraignent fortement les modèles rhéologiques, en mettant notamment en évidence une asymétrie amont/aval au niveau de l'obstacle, d'origine élastique. La thèse se termine par une discussion de l'ensemble des résultats ainsi que par des pistes de modélisation théorique des phénomènes décrits.

Th.--Phys.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 24.

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 8.

L’atomisation assistée est un procédé de formation d’un spray de gouttelettes issu d’une nappe liquide sous l’action d’un courant gazeux à forte vitesse dans un injecteur. Ce procédé est très utilisé dans de nombreuses applications industrielles. Nous étudions la succession d’instabilités hydrodynamiques qui génère les gouttes du spray à l’aide d’une méthode LIF pour mesurer la fréquence des vagues et d’une sonde optique pour la granulométrie des gouttes. Nous validons expérimentalement un nouveau modèle de stabilité linéaire inviscide pour l’instabilité de cisaillement, intégrant un profil de vitesse avec déficit à l’injection. Des simulations numériques et un modèle spatio-temporel de stabilité linéaire sont utilisés pour mettre en avant de nouveaux mécanismes de déstabilisation, de croissance des vagues et de création de gouttes. Les lois d’échelles connues prédictives du diamètre moyen des gouttes en fonction du Weber gaz sont testées pour de nouvelles variables d’étude. / Assisted atomization is a process used to form a spray of droplets. A slow liquid phase is strippedby the action of a strong gas current in order to generate the spray. This process is used in manyindustrial applications. We study the succession of hydrodynamic instabilities generating dropletsby means of a LIF method to measure the frequency and growthrate of waves, and with an opticalprobe to measure drop size and velocity. We validate experimentally a model including an interfacialvelocity deficit in the inviscid stability analysis. Experiments are compared to numerical simulationsand spatiotemporal stability analysis results : the confrontation of these three approaches is used tobring forward new mechanisms of destabilization, growth of waves and creation of drops. We assessthe influence of liquid thickness and dynamic pressure ratio on the dependency of the mean dropletdiameter with the Weber number.

Quand des matériaux pulvérulents sont manipulés, il est inévitable qu’une partie soit dispersée dans l’atmosphère environnante, ce qui conduit à une mise en suspension dans l’air et à des dépôts sur les surfaces. Il y a risque pour la santé des opérateurs sur les lieux de travail, s’ils entrent en contact direct avec les particules en suspension dans l’air par toucher, ingestion, ou par inhalation avec des risques spécifiques de maladies professionnelles tels que des cancers ou des empoisonnements si les produits sont toxiques ou nocifs. Le but de ce travail a été de concevoir, de réaliser et d’exploiter un pilote exprimental afin d’étudier les mécanismes de mise en suspension de poussières lors du déversement de poudre d’un silo. Le panache formé a été observé et caractérisé par des mesures optiques de distribution de taille de particules, de vitesse et d’analyse d’images, ainsi que des bilans globaux de matière.Ces mesures ont ensuite été confrontées à un modèle numérique.

Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d’une population dense d’inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l’équilibre d’un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d’une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d’une plaque statique inclinée. Nous étudions l’influence de la turbulence sur l’équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d’intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l’étude expérimentale de l’équilibre et de la stabilité de la trajectoire d’une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l’écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d’instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d’une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d’air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l’ordre de l´échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l´échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d’eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l’échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l’hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d’analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s’organiser en superclusters (amas d’amas). / This PhD thesis covers many features of fluid-particle interactions, ranging from a simple pendulum inmersed in a flow to the presence of superclusters of water droplets in a wind tunnel.The simplest case studied was a pendulum with a pendulum-blob facing the wind in the wind-tunnel. As the pendulum-blob was a plate, the aerodynamic coefficients as a function of the angle between the plate and the streamwise velocity present a non-trivial behavior, resulting in an hysteresis cycle. We also investigate the influence of turbulence on the equilibrium of the pendulum in general and on the observed bi-stability in particular.Then, different instabilities of towed systems has been studied. In chapter 4 we have seen that the wake of a sphere can produce helicoidal motion of a sphere towed by a wire. We found that there exists a particle Reynolds number Rep threshold for activating this unstable motion. A three-dimensional trajectory was reconstructed with an extremely simple experimental setup, used for characterizing the shape of particle's trajectory. In chapter 5 we investigate experimentally the equilibrium and the stability of the trajectory of a sphere towed at constant velocity in the wind tunnel at the tip of a cable with unprecedented large length-to-diameter aspect ratio. In thist chapter we study the instabilities developped in the wire for a laminar flow.Flutter and divergence instabilities has been found in this experiment.In chapter 6 the same system is studied, but the surrounding flow is turbulent. In this chapter we focus on a comparison with this towed system with freely advected particles in turbulence. Our results are consistent with a filtering scenario resulting from the viscous response time of an inertial particle whose dynamics is coupled to the surrounding fluid via the dragforce.Therefore, depending on several parameters such as the Reynolds number of the particle, the wire or the fluctuations level of the flow, a whole family of instabilities can appear, with no trivial dependencies and important consequences considering different applications of such systems.Concerning the collective effects, three different flows have been studied: a water tunnel, a von Karman flow and a wind tunnel. A broad range of Reynolds numbers, dissipation scales and particles diameters and densities has been covered. Using Voronoi diagrams, we have quantified preferential concentration as a function of the Stokes number and the Reynolds number. In chapter 7 and 8 simultaneous PIV measurements complemented the inertial particles acquisitions. The goal was to analyze if the particles tend to stick into special regions of the flow.In the last chapter also DNS have been performed for comparing with experimental results. A sweep-stick mechanism, in which inertial particles tend to have the same statistics as zero-acceleration points has been proved to be consistent with our results.Finally, a promising new technique has been presented. Based on the standard measurements, a spatial field has been reconstructed allowing us to acquire a several meters long image of particles. The enormous amount of structures present in the image has evidenced that the clusters are grouped at the same time in bigger clusters (i.e. clusters form clusters, that we call superclusters). This new result is still being studied and presents a new and fascinating field for studying particle-flow interactions.

Les mécanismes d'interaction entre une interface fluide et une paroi solide en situation de mouillage sont encore des problèmes ouverts. Parmi les nombreuses interrogations traitées dans la littérature, le "problème de la ligne de contact en mouvement" est très étudié depuis les années 1970, lorsque le paradoxe lié au mouvement de la ligne de contact a été identifié. En quelques mots ce paradoxe est le suivant : les modèles hydrodynamiques macroscopiques utilisant une condition de non-glissement à la paroi prédisent un cisaillement infini au niveau de la ligne de contact. Des études prometteuses pour aborder ce problème se sont appuyées sur des résultats fournis par les simulations dynamiques moléculaires. Elles confirment la présence de glissement au niveau de la ligne de contact. Malheureusement, les simulations de type dynamique moléculaire sont limitées à de très petites échelles à la fois temporelles et spatiales de sorte que les modèles hydrodynamiques et les simulations numériques des équations de Navier-Stokes restent nécessaires. Dans ce type de simulation, la méthode Continuum Surface Force pour traiter le terme capillaire entraine une vitesse et un cisaillement au niveau de la ligne de contact dépendant de la résolution, problème qui est abordé dans ce travail. L'écoulement au voisinage de la ligne de contact est analysé théoriquement dans la limite des écoulements de Stokes et l'effet des conditions limites à la paroi est exploré. Une des conditions proposées dans la littérature permet de lever la divergence du cisaillement et rend possible l'observation de tourbillons de Moffatt au voisinage de la ligne de contact ce qui reste encore à observer que ce soit expérimentalement ou numériquement. Cette possibilité est explorée de manière théorique puis numérique à l'aide du code JADIM. Sur le plan numérique, la présence de courants parasites est apparue comme limitante si la méthode VoF est utilisée. Pour remédier à cet obstacle numérique, une version très prometteuse de la méthode front-tracking utilisant des markers Lagrangien a été implémentée et améliorée pour permettre de traiter des distributions nonuniformes de markers sans perdre les performance de réduction significative des courants parasites. De nombreux tests ont été réalisés pour valider la méthode développée et montre la réduction à la précision machine des courants parasites. La méthode est également validée pour la simulation des lignes de contact statiques et dynamiques avant d'être utilisée pour l'étude de tourbillons induits par la mise en mouvement d'une ligne de contact. Finalement, s'appuyant sur les développements théoriques de ce travail, un nouveau modèle de sous maille est proposé pour permettre la simulation de lignes de contact aux échelles macroscopiques. Il est implémenté dans la nouvelle méthode front-tracking introduite dans JADIM. Les premiers résultats montrent une amélioration partielle de l'effet du maillage sur la vitesse de la ligne de contact mais une maitrise totale du cisaillement. Les simulations de l'étalement de gouttes permet de retrouver de manière très satisfaisante les résultats théoriques et expérimentaux de référence. / The exact mechanism with which a fluid interface interacts dynamically with a solid surface during wetting is still open to research. Among the many subjects addressed in this field in the literature, the "moving contact line problem" is one that has been ubiquitous since at least the 1970s, where a paradox in the description of the contact line was found to exist. The paradox in a few words is the next: macroscopic hydrodynamic models using the no-slip boundary condition will predict infinite shear stress close to the contact line. The most promising studies to tackle the problem come from information provided by molecular dynamics simulations. They have confirmed that close to the contact line, the no-slip boundary condition is relaxed to some form of slip. Unfortunately, molecular simulations are still limited to very small scales in space and time, so hydrodynamic models and numerical simulations based on Navier-Stokes equations are still needed. In these simulations, the Continuum Surface Force model CSF for the calculation of the capillary contribution introduces a grid dependent contact line velocity and shear at the wall, which is a problem we proposed to solve here. In this work, we analyze the flow close to the moving contact line in the context of corner stokes-flow and explore the effects of the boundary conditions at the wall. One of these conditions offered in the literature, provides relief to the shear divergence and also opens the possibility to observe Moffatt vortices in the vicinity of the contact line, not yet seen in experiments or numerical simulations. We explore this possibility analytically and then numerically using the code JADIM. The latter task is constrained by the contamination of the velocity field by the so-called spurious velocities if the VOF method is used. To solved this inconvenient, a very promising version of the front-tracking method with lagrangian markers is implemented and enhanced to handle non-uniform distribution of markers without losing its spurious velocities elimination features. Numerical tests are conducted to validate the implementation, spurious velocities are reduce close to machine precision and comparison to benchmark data is performed obtaining good agreement. Tests including contact lines are then compared with exact solutions for shape analyzing the effect of the Bond number, showing remarkable results. Numerical experiments with this implementation close to a contact line show the existence of vortical patterns during of spreading. Finally, and based on the theoretical background developed in this work, a new sub-grid model method is proposed for macroscopic numerical simulations and implemented in the new front-tracking method of JADIM. Quantitative data is obtained and compared to numerical and experimental spreading cases revealing improvement of grid convergence and excellent agreement.

La miniaturisation est une voie d'intensification pour la mise en oeuvre de procédés limités par les transferts thermique ou massique. La particularité des appareils micro-structurés vient en premier lieu de l'impact favorable de la réduction de taille des appareils sur les aires spécifiques d'échange. Dans notre étude, nous avons également montré que la miniaturisation conduisait à des écoulements présentant des structures hydrodynamiques favorables au transfert de matière liquide-liquide : le confinement des gouttes engendre des cinétiques de transfert plus rapides qu'en appareils conventionnels. Nous avons aussi étudié le couplage entre transfert et réaction en micro-canal. L'ensemble de ce travail a montré que les corrélations traditionnellement appliquées conduisaient à de mauvaises prédictions des flux transférés à l'échelle micrométrique en système réactionnel ou non. La manière d'appréhender et de modéliser le transfert doit donc tenir compte du degré de confinement des écoulements liquide-liquide.