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.

EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes. / EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.

Ce travail est une étude expérimentale permettant de mettre en évidence la cartographie générale de l’ensemble des états d’écoulement obtenus entre le régime laminaire de Couette et la turbulence. L’ensemble des expériences a été réalisé dans un dispositif appelé système Taylor-Couette (STC), composé de deux cylindres concentriques avec le cylindre intérieur tournant. Ces différentes instabilités (SPI, TVF, WVF, MWVF, TTVF), qui dépendent principalement du nombre de Taylor (Ta), seront obtenues avec ou sans débit axial dans le STC selon des protocoles d’analyse bien définis et nous notons que le nombre de Reynolds axial (Reax) a un effet de stabilisation de l’écoulement. Les vortex de Taylor toroïdaux, ondulés ou ondulés modulés, ont été caractérisés en termes de gradient pariétal de vitesse, de nombre d’ondes, de longueur d’ondes axiales et azimutales, de la vitesse de déplacement axial, de fréquence et de la vitesse de révolution ; la polarographie sera utilisée comme technique de mesure. La vitesse du cylindre intérieur (Ta) est essentiellement le seul phénomène agissant sur l’évolution de ces paramètres. L’utilisation de la sonde tri-segmentée dans la caractérisation des structures tourbillonnaires a contribué à la compréhension des mécanismes d’interaction vortex-paroi et à la détermination des composantes azimutale et axiale du gradient pariétal de vitesse. / This work is an experimental study to highlight general mapping of the set of states obtained from the Couette laminar flow to turbulence. All experiments were performed in a device called Taylor-Couette system (TCS) which consists of two concentric cylinders with the inner cylinder rotating. The flow regimes (SPI, TVF, WVF, MWVF, TTVF), which depend mainly on the Taylor number (Ta), were obtained with or without axial flow in the TCS according to well-defined experimental protocols. We noted that the axial Reynolds number (Reax) has astabilizing effect on the flow. Using electrodiffusion method and analysis of films, the toroidal Taylor vortices, wavy or wavy modulated flow, were characterized in terms of the wall velocity gradients, wave number, axial and azimuthal wavelength, the axial velocity of vortex displacement, and there frequencies. The Taylor number has substantial effect on the evolution of these parameters in the investigated range. The use of three-segment electrodiffusion has contributed to the understanding of the mechanisms of vortex-wall interaction and the determination of the azimuthal and axial components of the wall velocity gradient.