Thèse doct.-ing.--Lyon, Université Claude Bernard, 1975. / Bibliogr. p. 63.

La compréhension des écoulements de fumées issus d’un foyer d’incendie au sein d’une station souterraine de métropolitain, en présence d’accès passagers et d’une ventilation mécanique forcée,constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. Deux maquettes basées sur le nombre de Froude (Fr) et sur le rapport de quantité de mouvement (r) sont mises en place. La première, préexistante,représente une station complète à échelle 1/30e et l’incendie y est simulé par un brûleur air-butane. Cependant, l’analyse y est limitée à une approche globale et le manque d’information sur le développement des écoulements internes est préjudiciable. Une seconde maquette adonc été développée, version simplifiée de la précédente, permettant d’étudier finement (vitesse,température) la confrontation entre un jet chaud vertical et un écoulement froid traversier. Cette approche expérimentale est complétée par des simulations numériques LES permettant d’accéder aux champs 3D. Les études réalisées ont mis en évidence 4 paramètres influents couplés : la différence de hauteur station-tunnel (H/H0), le débit de ventilation, le nombre et la position des accès et le réseau hydraulique du tunnel amont. Quelle que soit la configuration, un débit d’extraction« critique » peut-être mis en place pour contrer la contamination thermique des accès, définissant ainsi un facteur r « critique ». De plus, les écoulements dans les accès et dans la station sont dépendants de leur nombre et de leur position : suivant les configurations, deux ou trois régimes sont obtenus. Enfin, la représentativité du réseau présente une forte influence sur les écoulements internes. / Smoke spreading in an underground subway station is analyzed and studied by taking into account parameters such as passenger accesses and forced ventilation systems. Two sub-scale models are considered to arise such analysis ; based on the Froude number (Fr) or momentum ratio(r). The first experiment based on Froude number conservation is conducted on a 1/30e scale modelof a realistic subway station with fire provided from an air-butane burner. Due to restricted access to local temperature and velocity measurements, a second model was entirely developed during the course of this work ; the main issue is to study momentum ratio and thermal spreading. Numerical studies were in parallel carried out from an house-code LES turbulent model.Four main parameters were thus identified : tunnel/station height ratio (H/H0), ventilation massflowrate, number and position of accesses and hydraulic network in which the subway station islocated. « Critical » flowrate can be imposed in order to avoid thermal speading within the passenger accesses and consequently a critical factor was defined. The air/smoke flow is strongly linked to the number and position of accesses and also of the geometrical configuration. Two or three regimes can be identified. Finally internal flows in the accesses and in the station are also strongly influenced by the pressure drop of the hydraulic network.

Cette thèse est consacrée au calcul et à l’étude du champ acoustique rayonné par un jet fortement supersonique, sur-détendu et chauffé. L’approche numérique utilisée consiste à résoudre simultanément l’écoulement turbulent et le champ proche acoustique par simulation des grandes échelles.Afin de résoudre les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles, des schémas numériques de dérivation spatiale et d’intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés. Pour le système de coordonnées cylindriques, une procédure de déraffinement progressive au voisinage de l’axe du jet est proposée pour augmenter le pas de temps de l’intégration temporelle. Une procédure de capture de choc est finalement développée pour supprimer les oscillations de Gibbs aux voisinages des chocs. Cette procédure est explicite, adaptative et conservative.Un jet rond, sur-détendu et présentant un nombre de Mach d’éjection de 3.30 ainsi qu’une pression et une température de réservoir de 28.6 × 105Pa et 1144K est résolu par simulation des grandes échelles. Ce jet est initialement laminaire et possède un nombre de Reynolds de 0.94 × 105. Les champs aérodynamique et acoustique obtenus sont comparés aux données disponibles dans la littérature. Afin de pouvoir identifier les sources acoustiques,le champ turbulent est caractérisé le long de la couche de mélange, notamment en utilisant une analyse spectrale et une décomposition selon les modes azimutaux. Les champs acoustiques proche et lointain sont enfin étudiés et différentes composantes de bruit sont identifiées à partir de comparaisons avec des mesures et des modèles de la littérature, ainsi qu’en établissant des liens avec les propriétés de l’écoulement turbulent. L’influence des effets de la propagation non linéaire des ondes acoustiques est finalement discutée. / This thesis deals with the computation and the investigation of the noise radiated by a rocket-like jet. A direct noise simulation based on large-eddy simulation is used in this study. Low-dissipation and low-dispersion numerical schemes are implemented in the solver.As the cylindrical Navier-Stokes equations are considered, a procedure to increase the integration time step is derived. To remove Gibbs oscillations near shocks, an explicit, adaptative and conservative shock-capturing procedure is developed for aeroacoustics computations.An over expanded initially laminar jet with an exit Mach number of 3.30 and stagnation pressure and temperature of 28.6 × 105Pa and 1144K is then computed by large-eddy simulation.The jet Reynolds number is 0.94 × 105. Aerodynamic and acoustic results are compared to data available in the literature. In order to identify noise sources, the turbulent flow fluctuations along the shear layer are characterized, especially by using a two dimensional Fourier transform in time and in the azimuthal direction. Acoustic near and far fields are also studied and different noise components are identified using comparisons with models and experimental data, and by establishing links with the turbulent flow field. Non-linear propagation effects of acoustic waves are finally discussed.

Une méthode de pénalisation en volume est implémentée de façon implicite dans un code pseudo-spectral tri-périodique. Le schéma est étudié et la méthode numérique est testée et validée à l’aide de benchmarks concernant des effets linéaires anisotropes — propagation et réflexion d’ondes d’inertie et internes de gravité—ou la réflexion de structures tourbillonnaires. Cet outil numérique est alors appliqué à des écoulements turbulents en rotation confinés dans une géométrie cylindrique. Les effets globaux du confinement sont observés (anisotropie des petites échelles, etc) ainsi que des effets locaux de proche paroi (modification des pdfs, élongation verticale des grandes structures tourbillonnaires, etc). Enfin, la méthode de pénalisation est utilisée à des fins de forçage de la turbulence dans un contexte de type von Kármán et l’écoulement généré au coeur du domaine est étudié en détail et comparé à des approches théoriques. Différentes géométries pour les pales sont testées et les résultats obtenus révèlent des différences significatives dans la structure de l’écoulement en fonction de la forme des pales utilisées. / A volume-penalization method is implemented in a tri-periodic pseudo-spectral code. The numerical scheme is studied and the method is tested and validated thanks to benchmarks involving linear anisotropic effects (propagation and reflection of inertial waves or internal gravity waves) or the impact of vortical structures on a penalized plane. This numerical tool is then applied to rotating turbulent flows confined in a cylindrical geometry. The global effects of confinement are observed (small-scale anisotropy) as well as near-wall local effects (modification of the pdfs , vertical elongation of the large turbulent structures, etc). Finally, the penalization method is used in order to force the turbulence in a von Kármán swirling flow context. The generated flows are studied in detail and compared to previous theoretical works. Several geometries for the blades are tested and the resulting flows exhibit significantly different structures for each shape of the blades.

Des simulateurs numériques sont couramment utilisés pour la prédiction et l'optimisation de l'exploitation d'aquifères et pour la détermination de paramètres physiques (e.g perméabilité) par calcul inverse. L'équation de Richards, décrit l'écoulement d'un fluide dans un milieu poreux non saturé. C'est une équation aux dérivées partielles non linéaires, dont la résolution numérique en grande dimension 3D est très coûteuse et en particulier pour du calcul inverse.Dans ce travail, une méthode de réduction de modèle (ROM) est proposée par une décomposition orthogonale propre (POD) afin de réduire significativement le temps de calcul, tout maîtrisant la précision. Une stratégie de cette méthode est de remplacer localement dans l'algorithme d'optimisation, le modèle fin par un modèle réduit type POD. La méthode de Petroc-Galerkin POD est d'abord appliquée à l'équation de Richards et testée sur différents cas, puis adaptée en linéarisant les termes non linéaires. Cette adaptation ne fait pas appel à une technique d'interpolation et réduit le temps de calcul d'un facteur [10;100]. Bien qu'elle ajoute de la complexité du ROM, cette méthode évite d'avoir à ajuster les paramètres du noyau, comme c'est le cas dans les méthodes du POD par interpolation. Une exploration des propriétés d'interpolation et d'extrapolation inhérentes aux méthodes intrusives est ensuite faite. Des qualités d'extrapolation intéressantes permettent de développer une méthode d'optimisation nécessitant de petits plans d'expériences (DOE). La méthode d'optimisation recrée localement des modèles précis sur l'espace des paramètres, en utilisant une classification à vecteurs de support non linéaire pour délimiter la zone où le modèle est suffisamment précis, la région de confiance. Les méthodes sont appliquées sur un cas d'école en milieu non saturé régit par l'équation de Richards, ainsi que sur un aquifère situé dans le "Table Mountain Group" près de la ville du Cap en Afrique du Sud. / The Richards equation describes the movement of an unsaturated fluid through a porous media, and is characterised as a non-linear partial differential equation. The equation is subject to a number of parameters and is typically computationnaly expensive to solve. To determine the parameters in the Richards equation, inverse modelling studies often need to be undertaken. As a solution to overcome the computational expense incurred in inverse modelling, the use of Proper Orthogonal Decomposition (POD) as a Reduced Order Modelling (ROM) method is proposed in this thesis to speed-up individual simulations. The Petrov-Galerkin POD approach is initially applied to the Richards equation and tested on different case studies. However, due to the non-linear nature of the Richards equation the method does not result in significant speed up times. Subsquently, the Petrov-Galerkin method is adapted by linearising the nonlinear terms in the equation, resulting in speed-up times in the range of [10,100]., The adaptation, notably, does not use any interpolation techniques, favouring an intrusive, but physics-based, approach. While the use of intrusive POD approaches add to the complexity of the ROM, it avoids the problem of finding kernel parameters typically present in interpolative POD approaches. Furthermore, the interpolative and possible extrapolation properties inherent to intrusive PODROM's are explored. The good extrapolation propertie, within predetermined bounds, of intrusive POD's allows for the development of an optimisation approach requiring a very small Design of Experiments (DOE). The optimisation method creates locally accurate models within the parameters space usign Support Vector Classification. The limits of the locally accurate model are called the confidence region. The methods are demonstrated on a hypothetical unsaturated case study requiring the Richards equation, and on true case study in the Table Mountain Group near Cape Town, South Africa.

On considère l'écoulement non stationnaire d'un fluide visqueux à l'intérieur d'un tube mince à parois élastiques. Le problème dépend de deux paramètres Ɛ qui mesure le rapport entre le diamètre et la longueur du tube, ainsi que ƴ qui mesure la rigidité des parois. Ce développement est justifié par des estimations d'erreur et des estimations a priori. Les termes principaux de la solution asymptotique sont comparés à ceux de la solution d'un écoulement de Poiseuille dans un tube à parois rigides. Dans le cas critique ƴ=3, pour le déplacement, on obtient une équation différentielle non classique du sixième ordre. L'idée principale de la M.A.P.D.D. consiste à construire une solution asymptotique pour le problème d'écoulement afin de décrire et de justifier l'application de la M.A.P.D.D. Cette analyse confirme la localisation des effets de couches limites au voisinage des zones de transition ainsi que la convergence de la solution asymptotique vers une solution à l'intérieur des tubes. La justification numérique proposée ici, est l'application de cette méthode pour simuler un procédé d'écoulement non newtonien. En effet, la méthode consiste à résoudre le problème initial d'écoulement sur une petite partie du domaine (correspondant généralement à un voisinage ou les couches limites apparaissent) et de simplifier le problème sur un sous domaine en utilisant la forme particulière de la solution asymptotique / We consider the nonstationary flow of a viscous fluid inside a thin tube with elastic walls. The problem depends on two parameters Ɛ which measures the ratio between the diameter and length of the tube, and ƴ which measures the stiffness of the walls. This development is justified by estimates of error and a priori estimates. The principal terms of the asymptotic solution are compared with the solution of a Poiseuille flow in a tube with rigid walls. In the critical case ƴ = 3 for the displacement, we obtain a differential equation of sixth order non-classical. The main idea of the M.A.P.D.D. is to construct an asymptotic solution to the problem of flow to describe and justify the application of M.A.P.D.D. This analysis confirms the location of boundary layer effects near the transition zones and the convergence of the asymptotic solution to a solution inside the tubes. The proposed numerical justification here is the application of this method to simulate a process of non-Newtonian flow. Indeed, the method is to solve the initial problem of flow over a small part of the domain (generally corresponding to a neighborhood or boundary layers appear) and simplify the problem on a subdomain using the particular form of the asymptotic solution

L'objet de la thèse est le développement de méthodes de contrôle et d'optimisation automatiques pour les écoulements décollés, avec application aux écoulements de manches à air coudées pour les drones furtifs. Une méthode de dérivée topologique est utilisée pour la création de dispositifs de contrôle appelés générateurs de vortex mécaniques dans un écoulement de référence, tandis que le dimensionnement de ceux-ci est réalisé à l'aide d'une méthode classique de gradient. Des simulations numériques seront présentées dans un cadre stationnaire et instationnaire.

The origin of this PhD thesis lies in the study of Ebullated Bed Reactors (EBRs). These chemical reactors are very active research topics in chemical processes, notably thanks to their usage in heavy oil processing. Many complex phenomena take place within EBRs, and make their design and optimization difficult. In fluid mechanics, a lot of physical mechanisms present in EBRs are active fields of study (three-phase flow, fluid-body interaction...). Hence, in the present work, a study of the mechanisms participating in the hydrodynamics of an EBR with cylindrical catalysts is performed. In a first part, the impact of the catalyst anisotropy on its fall is investigated. In order to gain insight on the effect of the body anisotropy on its fall dynamics, we investigate experimentally the free fall of a solid cylinder in a fluid at rest. The sensitivity to two dimensionless parameters, the Archimedes number (Ar) and the aspect ratio of the cylinder (L/d) is examined. Experiments are conducted with two orthogonal cameras, and advanced image processing techniques are developed in order to measure the position and orientation of the cylinder in 3D. Within the range of parameters studied (200 < Ar < 1100, 2 < L/d < 20), the cylinders adopt different types of falling motion. Two main types of paths are observed, the first one is a rectilinear fall of the cylinder that keeps its axis horizontal, and the second one is a fluttering oscillatory motion. Other more complex types of motion are observed and discussed. The fluttering motion of the cylinder is analyzed in details. On top of the study of the body motion, the cylinder wake is also visualized and characterized. A large number of particles are present at the same time inside an EBRs (about 40% of the mass). Interactions between multiple objects have a strong impact on the motion of each individual particle, but are very complex. In a first approximation, we take into account the presence of numerous particles by introducing a confined medium. We study experimentally the fall of a single cylinder in a confined vertical thin-gap cell, where the cylinders are free to move in only two directions. The cylinder elongation ratio (3<L/d<40) and density ratio ( c / f = 1.16, 2.70, 4.50) are the two parameters of interest. The Archimedes number of the cylinder lies within the same range as in the unconfined medium, and the two main modes of motion of the cylinder are a rectilinear motion, and a fluttering one. However, for the same parameters (Ar,L/d), the motion of the cylinder in the confined cell is strongly different in form to that in the unconfined medium. We also studied the interaction between a freely falling cylinder and a rising swarm of bubbles. This investigation was performed experimentally, in the confined cell used in the second part. Cylinders of various density ratio ( c / f = 1.16, 2.70, 4.50) and elongation ratio (3<L/d<20) are released in a bubble swarm of gas volume fraction between 2% and 5%. The cylinder motion is greatly modified by the bubble swarm. Several mechanisms of interaction between the cylinder and the bubbles are identified (direct contact, interactions with fluid perturbations...), and their effect is characterized. We perform a statistical analysis of the cylinder motion in the swarm, and compare it to results in the confined fluid at rest. The cylinder density ratio and elongation ratio both play an important role in its motion in the bubble swarm. Conditional statistics allow us to further investigate the effect of the contact between the cylinder and a bubble, and of the cylinder orientation in the swarm. Finally, the dispersion of the cylinder motion in the swarm is characterized. A major effect of the bubble swarm is to increase, through bubble-cylinder contacts, the probability of the cylinder to be in nearly vertical orientations. This drastically changes the kinematics of the cylinder as compared to its motion in the fluid at rest

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur des méthodes d'homogénéisation et d'approximation numérique pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux hétérogènes. Les applications visées proviennent des problèmes de l'ingénierie pétrolière, la gestion des déchets radioactifs et la gestion des ressources en eau souterraines. On s'intéresse à des méthodes numériques pour le calcul des coefficients effectifs obtenus par des méthodes asymptotiques de mise à l'échelle, à des méthodes d'éléments finis mixtes, à des méthodes de volumes finis et à leur implémentation. Des méthodes numériques ont été développées pour la simulation des écoulements miscibles ou immiscibles en milieux poreux hétérogènes. Trois thèmes sont abordés. Le premier traite de l'homogénéisation pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux. Les résultats de convergence obtenus sont établis à l'aide de la convergence à deux échelles et/ou la L-convergence. Le calcul des paramètres effectifs nécessite la résolution de problèmes locaux sur une cellule de base. Les méthodes numériques utilisées sont de type éléments finis conformes, éléments finis mixtes et volumes finis. Nous avons développé une plate-forme (Homogenizer++), en Java, de calcul de paramètres effectifs. Homogenizer++ est basée sur une Interface Homme Machine conviviale et utilisée comme un pré-processing à des simulations numériques d'écoulements en milieux poreux hétérogènes. Le deuxième thème porte sur l'approximation numérique de systèmes d'écoulements diphasiques miscibles ou immiscibles en milieux poreux. Le modèle miscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection-réaction linéaire. Tandis que le modèle immiscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection nonlinéaire et dégénérée. On utilise une méthode d'éléments finis mixtes pour l'approximation de l'équation elliptique combinée à un schéma volumes finis pour l'équation de diffusion-convection. Pour chaque système, on montre que le schéma est $L^\infty$ et BV stables, sous une condition CFL, et satisfait le principe du maximum discret. Ensuite, on établit des résultats de convergence vers la solution faible du problème. Les simulations numériques réalisées confirment l'efficacité des schémas numériques proposés. Un estimateur a posteriori d'un schéma volume finis pour l'équation de Darcy a été développé pour des maillages anisotropiques. On montre théoriquement et numériquement l'efficacité de cette méthode d'adaptation de maillage. Enfin le dernier thème concerne des méthodes d'approximation numérique pour des problèmes de ressources en eau souterraines. Une méthode sans maillage couplée à un algorithme génétique a été développée et implémentée pour une équation de diffusion modélisant un écoulement monophasique en milieux poreux. Puis on montre numériquement l'efficacité d'une méthode combinant les éléments frontières et un algorithme génétique pour un problème d'intrusion d'eau marine dans les nappes aquifères.

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d'améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. De manière plus générale, ce travail s'applique à tout système industriel mettant en jeu un écoulement multiphasique constitué d'un carburant liquide injecté dans une chambre occupée initialement par du gaz, comme par exemple les moteurs automobiles ou aéronautiques, ou les turbomachines. Intrinsèquement, il est possible de simuler l'ensemble de l'écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l'injection (gouttes de diamètre inférieur à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C'est pourquoi il est nécessaire d'introduire une modélisation diphasique. C'est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le coeur liquide dense proche de l'injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d'une population de gouttes polydisperse (c'est-à-dire de tailles différentes) générées après le processus d'atomisation en aval de l'injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d'applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC, en anglais). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Ces solutions reposent chacune sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d'équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l'évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d'ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments (Quadrature Method of Moment, QMOM en anglais) en une ou plusieurs dimensions d'espace. De la même manière que précédemment, l'utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d'espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l'élaboration de schémas de transport d'ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation DNS en anglais) dédié à l'évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L'extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles (dû au mouvement du piston) dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian en anglais) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d'étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d'une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d'un calcul d'injection dans une chambre de combustion d'un spray polydisperse avec le modèle EMSM.