Pour les structures de génie civil avec un rôle d’étanchéité, lors d’un accident grave, la perméabilité du béton est une question clé. Les mesures de perméabilités actuelles ne permettent d'avoir que des grandeurs moyennes (structurelles) qui ne conviennent pas pour des éprouvettes hétérogènes (fissures et/ou armatures). La compréhension des détails de l'écoulement des fluides est cruciale en raison des implications sur les voies préférentielles (interface acier/béton, fissures, etc.). Le but de cette thèse est de proposer une nouvelle méthodologie et de tester un nouveau dispositif expérimental par imagerie neutronique à la ligne de faisceaux D50 à l’Institut Laue Langevin à Grenoble. Le test consiste à injecter de l’eau normale (H2O), sous haute pression, dans un échantillon de béton coulé et saturé en eau lourde (D2O), afin de suivre la progression d’un front d’eau dans le temps par différence d’atténuation entre ces deux eaux. Une campagne expérimentale a été lancée sur des éprouvettes de béton sous différentes configurations (béton sain, béton fissuré et béton avec une armature) et des mesures de perméabilité locale dans les singularités (zone fissurée, interface armature-béton, etc.) ont été faites. Les essais ont montré que les mesures classiques de perméabilité sont sous-estimées et les écoulements dans le béton sont contrôlés par les défauts. / For civil engineering structures, especially containment buildings during a severe accident, the permeability of concrete is a key issue. Current permeability measurements allow only average (structural) magnitudes, which are not suitable for heterogeneous samples (cracks and/or reinforcements). Understanding the details of fluid flow is crucial because of the implications of preferred pathways (steel/concrete interface, cracks, etc.). The aim of this thesis is to propose a new methodology, and to test a new experimental setup, using neutron imaging at the D50 beam line at the Institute Laue Langevin in Grenoble to measure flow directly. The test consists of injecting normal water (H2O) under high pressure, into a concrete sample casted and saturated with heavy water (D2O), in order to follow the evolution of a waterfront over time by difference of attenuation between these two waters. An experimental campaign was launched on concrete specimens in different configurations (proper concrete, cracked concrete and concrete with reinforcement) and measurements of local permeability in singularities (cracked zone, reinforcement-concrete interface, etc.) were done. Tests have shown that classical permeability measurements are underestimated and flows in concrete are controlled by defects.

Les variations de température à la surface externe d'une conduite peuvent provoquer la solidification du fluide en écoulement interne, induisant la formation de dépôts solides sur les parois en contact avec le fluide. Ces dépôts peuvent s'avérer néfastes au bon fonctionnement du système intégrant cette conduite ce qui motive l'étude de ces phénomènes physiques afin de comprendre les mécanismes qui les gouvernent et de permettre leur prévention. Ce genre de situations peuvent être rencontrées dans le domaine pétrolier, par exemple lors du transport en pipeline d'huiles chargées de paraffines, d'hydrates ou d'asphaltènes ; dans le domaine agroalimentaire pour la circulation de produits liquides dans des tubes refroidis ou bien tout simplement pour des canalisations d'eau subissant un refroidissement. Dans la majorité des cas le fluide en écoulement dans les conduites pétrolières est un matériau à changement de phase (MCP) complexe et sa composition multiple avec des interactions entre la rhéologie, la constitution et la température impactant la thermo-hydrodynamique de l'écoulement et la cinétique de transition de phase. Dans le cadre de cette thèse nous proposons de nous pencher sur ces aspects par voie de modélisation. Dans la première partie de ce travail, nous avons développé un modèle physique basé sur la méthode enthalpique pour étudier l’impact de la convection naturelle sur des écoulements et des transferts thermiques avec transition de phase solide liquide dans différentes géométries (cavité carré, cylindre, sphère, autour d’un faisceau de cylindre, …). L'effet du maillage et de l'ordre de précision des schémas numérique est aussi présenté. Le même modèle a été utilisé pour analyser la cristallisation d’un mélange de deux paraffines dans des cellules calorimétriques (Differential Scanning Calorimetry). Pour cette étude, le modèle a été validé à l’aide des résultats expérimentaux de la technique DSC. Le problème de l’écoulement d’un mélange de deux paraffines dans une conduite cylindrique a été aussi abordé afin de prédire la cristallisation du mélange sur la paroi interne de la conduite. Une étude paramétrique a été effectuée pour analyser l’influence de différents paramètres (nombre de Reynolds, concentration initiale de la solution binaire, température de la paroi, …) sur la cinétique de la cristallisation du mélange. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l’étude de l’écoulement avec changement de phase liquide-solide d’un brut paraffinique dans des conduites pétrolières. En effet, la cristallisation des paraffines dans les bruts engendre un équilibre phase thermodynamique liquide/solide. Un modèle thermodynamique rendant compte de cet équilibre a été développé (et validé à l’aide de résultats expérimentaux disponible dans la littérature). Ce modèle nous a permis de prédire la température de cristallisation commençante (Wax Appearance Temperature), ainsi que la quantité de paraffines cristallisées. Ce modèle thermodynamique a été couplé avec un modèle physique reposant sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement, de l'énergie et des espèces pour décrire l’écoulement d’un brut paraffinique avec changement de phase liquide-solide dans des conduites pétrolières. Le modèle physique a été validé à l’aide de résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. / Temperature change at the outer surface of a pipe can cause solidification of the fluid flowing internally, inducing the formation of solid deposits on the walls in contact with the fluid. This kind of phenomena can be encountered in many situations in the industrial context such as petroleum industries, for example when transporting pipeline oils with paraffins, hydrates or asphaltenes; food industry for the flow of liquids in cooled tubes or simply for water pipes undergoing cooling.The rheology of the transported fluid, its composition and temperature are among the key factors that influence the thermo-hydrodynamics of the flow and the kinetics of the formation of the deposits. The analysis of their impact is required to enhance the understanding of these mechanisms in order to avoid their undesirable effects as fouling or complete blockage of pipes.In this thesis we propose to study these mechanisms by numerical modelling. We will focus on the modelling of phase change and especially on the description of liquid-solid interfaces by models able to integrate the thermodynamics of physical phenomena such as diffuse interface methods. We seek the two-dimensional numerical resolution of the equations of flow, heat and mass transfer while taking into account the coupling between rheology, composition and temperature in the liquid phase as well as at the interface. The work will be undertaken in the basis of the in-house computational fluid dynamics (CFD) code developed in the laboratory.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d’un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb’Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence. / Virtual prototyping pneumatic circuits for power transmission, for example braking circuits of trucks, is still a difficulty because of the complexity of the flow behavior in transonic conditions and of the coupling between local and macroscopic scales. These problems are met during system design, control synthesis and for static and dynamic performance analysis. Tuning accurate numerical models requires important costs and time when compared to other systems. The methodology proposed in this PhD thesis relies on numerically determining a data base that characterizes the local and macroscopic behavior of a circuit component according the variation from a reference point of some physical or geometrical parameters. The data bases are obtained from the extrapolation of the Mean Navier Stokes solution (RANS) for a given reference point with the help of a parametrization software dedicated to fluid mechanics (Turb'Flow). The main contribution of this thesis relies io the analysis of the solution obtained from the parametrization in two different cases: the De Laval nozzle and un "elbow" connecting element, which are elementary component in a circuit. We have shown that these two "simple" cases lead already to important difficulties in term of problem parametrization and calculation of the derivatives of the aerodynamic fields because of the problem dimension. In order to tackle this, we proposed to reduce the spatial discretization (mesh derefining) and we showed that this approach could sometimes lead to damp or move some phenomena (shocks). The second contribution of this work relies on evaluating the quality of the extrapolated solution and their validity domain, and on building links between local and macroscopic behavior. Finally, we proposed a method that allows the mass flow rate characteristic of a component to be determined from the calculation of the extrapolated solution issued from a limited number of reference points.

La réduction de charge de fluides frigorigènes dans les systèmes de production de froid est un enjeu important s'inscrivant dans les politiques environnementales sur la contribution de ces fluides à l'effet de serre. Une des voies menant à la réduction de charge est l'augmentation de la compacité des échangeurs de chaleur, conduisant inévitablement à la conception d'évaporateurs plus complexes. Néanmoins, si de nombreuses études ont été publiées sur l'analyse thermo-hydraulique de l'ébullition convective de frigorigènes dans les tubes horizontaux, très peu ont été menées sur des écoulements diphasiques dans des géométries non conventionnelles. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques des écoulements diphasiques avec changement de phase des frigorigènes de troisième (HFC) et de quatrième génération tels que le HFO-1234yf dans des singularités (coudes de retour, contractions). Ainsi, un banc d'essais expérimental a été spécifiquement conçu et construit pour mener des expériences sur l'ebullition convective. Ce banc d'essais a permis de visualiser les régimes d'écoulement et de mesurer les chutes de pression dans les singularités. Des visualisations de régimes d'écoulement ont été réalisées pour les frigorigènes HFO-1234yf, R-134a et R-410A dans des tubes droits et dans des singularités. Les résultats ont été confrontés avec diverses méthodes de prédiction de la litérature. Les perturbations sur l'écoulement causées par ces singularités et leurs effets sur le comportement hydrodynamique des fluides frigorigènes ont également été etudiés. Une serie d'éxperience a été menée pour déterminer le longueur de perturbation en amont et en aval des singularités. Finalement, les valeurs expérimentales des chutes de pression ont été confrontées à différentes corrélations de la littérature. Des nouvelles méthodes de prédiction de la chute de pression pour des écoulements diphasiques dans des singularités sont présentées. / The refrigerant charge reduction in HVAC\R systems is an important issue because it falls within environmental policies regarding refrigerants contributions to the greenhouse effect. A way to move toward charge reduction is to increase the compactness of heat exchangers, which means more complex designs of the evaporators. Nevertheless, while a large amount of studies have has been published on the thermal and hydraulic analysis of flow boiling of refrigerants in horizontal tubes, very little attention has been given to flow boiling in geometries different from straight tubes. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of third generation (HFC) and fourth generation fluids such as HFO-1234yf in geometries which modify the fluid dynamics and two-phase flow with respect to horizontal straight tubes. To achieve this goal, an experimental test facility was specifically designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regimes visualizations and pressure drop measurements in singularities (such as sudden contractions and return bends). First, two-phase flow regimes visualizations have been carried out using HFO-1234yf, R-134a and R-410A either in straight tubes or in singularities. A qualitative analysis of the flow behavior and also several comparisons to flow pattern prediction methods from the literature were conducted. The second objective of this work was to characterize the flow disturbances caused by singularities such as sudden contractions and return bends, and to study their effects on the hydrodynamic performance (e.g. pressure drop) of refrigerants.Lastly, pressure drop databases for third and fourth generation refrigerants are presented.

Avec l'émergence des bâtiments à haute efficacité énergétique, il est devenu indispensable de pouvoir prédire de manière fiable le comportement énergétique des bâtiments. Or, à l'heure actuelle, la prise en compte des effets thermo-aérauliques dans les modèles se cantonne le plus souvent à l'utilisation d'approches simplifiées voire empiriques qui ne sauraient atteindre la précision requise. Le recours à la simulation numérique des écoulements semble donc incontournable, mais il est limité par un coût calculatoire généralement prohibitif. L'utilisation conjointe d'approches innovantes telle que la méthode de Boltzmann sur gaz réseau (LBM) et d'outils de calcul massivement parallèles comme les processeurs graphiques (GPU) pourrait permettre de s'affranchir de ces limites. Le présent travail de recherche s'attache à en explorer les potentialités. La méthode de Boltzmann sur gaz réseau, qui repose sur une forme discrétisée de l'équation de Boltzmann, est une approche explicite qui jouit de nombreuses qualités : précision, stabilité, prise en compte de géométries complexes, etc. Elle constitue donc une alternative intéressante à la résolution directe des équations de Navier-Stokes par une méthode numérique classique. De par ses caractéristiques algorithmiques, elle se révèle bien adaptée au calcul parallèle. L'utilisation de processeurs graphiques pour mener des calculs généralistes est de plus en plus répandue dans le domaine du calcul intensif. Ces processeurs à l'architecture massivement parallèle offrent des performances inégalées à ce jour pour un coût relativement modéré. Néanmoins, nombre de contraintes matérielles en rendent la programmation complexe et les gains en termes de performances dépendent fortement de la nature de l'algorithme considéré. Dans le cas de la LBM, les implantations GPU affichent couramment des performances supérieures de deux ordres de grandeur à celle d'une implantation CPU séquentielle faiblement optimisée. Le mémoire de thèse présenté est constitué d'un ensemble de neuf articles de revues internationales et d'actes de conférences internationales (le dernier étant en cours d'évaluation). Dans ces travaux sont abordés les problématiques liées tant à l'implantation mono-GPU de la LBM et à l'optimisation des accès en mémoire, qu'aux implantations multi-GPU et à la modélisation des communications inter-GPU et inter-nœuds. En complément, sont détaillées diverses extensions à la LBM indispensables pour envisager une utilisation en thermo-aéraulique des bâtiments. Les cas d'études utilisés pour la validation des codes permettent de juger du fort potentiel de cette approche en pratique. / With the advent of low-energy buildings, the need for accurate building performance simulations has significantly increased. However, for the time being, the thermo-aeraulic effects are often taken into account through simplified or even empirical models, which fail to provide the expected accuracy. Resorting to computational fluid dynamics seems therefore unavoidable, but the required computational effort is in general prohibitive. The joint use of innovative approaches such as the lattice Boltzmann method (LBM) and massively parallel computing devices such as graphics processing units (GPUs) could help to overcome these limits. The present research work is devoted to explore the potential of such a strategy. The lattice Boltzmann method, which is based on a discretised version of the Boltzmann equation, is an explicit approach offering numerous attractive features: accuracy, stability, ability to handle complex geometries, etc. It is therefore an interesting alternative to the direct solving of the Navier-Stokes equations using classic numerical analysis. From an algorithmic standpoint, the LBM is well-suited for parallel implementations. The use of graphics processors to perform general purpose computations is increasingly widespread in high performance computing. These massively parallel circuits provide up to now unrivalled performance at a rather moderate cost. Yet, due to numerous hardware induced constraints, GPU programming is quite complex and the possible benefits in performance depend strongly on the algorithmic nature of the targeted application. For LBM, GPU implementations currently provide performance two orders of magnitude higher than a weakly optimised sequential CPU implementation. The present thesis consists of a collection of nine articles published in international journals and proceedings of international conferences (the last one being under review). These contributions address the issues related to single-GPU implementations of the LBM and the optimisation of memory accesses, as well as multi-GPU implementations and the modelling of inter-GPU and internode communication. In addition, we outline several extensions to the LBM, which appear essential to perform actual building thermo-aeraulic simulations. The test cases we used to validate our codes account for the strong potential of GPU LBM solvers in practice.