Le développement important ces dernières années du secteur du transport s'est accompagné d'une inquiétude accrue pour le respect de l'environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n'en est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L'intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d'un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d'optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu'ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L'efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d'évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d'essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l'influence des incertitudes.

Cette étude a pour objectif le développement d'un instrument de mesure du taux de présence local d'un écoulement eau - air par tomographie à rayons X. Après une analyse bibliographique exhaustive, les algorithmes de reconstruction retenus sont comparés afin de sélectionner le plus efficace. Afin d'améliorer la précision de reconstruction au voisinage des parois, plusieurs améliorations de cet algorithme sont rajoutées et testées. En parallèle, un dispositif expérimental a été mis au point et ses paramètres d'acquisition ont été optimisés. L'ensemble chaîne de mesure et algorithme de reconstruction est ensuite mis en oeuvre sur des mesures en géométrie parallèle de fantômes et d'écoulements eau-air homogènes, non homogènes et autour de faisceaux de tubes carrés et cylindriques. Ces mesures sont réalisées avec deux schémas d'échantillonnage : régulier et entrelacé. La comparaison des cartes de taux de présence local tomographiques avec les cartes obtenues par une sonde optique permet de valider la méthode développée. Enfin, l'extension de la méthode à la géométrie en éventail (fan-beam) est étudiée.

Dans les centrales nucléaires et thermiques, certaines installations sont sujettes à des couplages acousto-mécaniques pouvant nuire fortement à leur bon fonctionnement. La compréhension et la prédiction de ces couplages multi-physiques nécessitent le développement de modèles numériques de très grande précision. Ces modèles sont si coûteux à résoudre qu'il n'est pas envisageable de les utiliser dans des boucles de contrôle ou encore d'optimisation paramétrique. Dans ce manuscrit de thèse, le but est d'exploiter un nombre limité de calculs coûteux pour construire un modèle numérique qui soit de très faible dimension. Ces modèles numériques réduits doivent être capables, en temps réel, de reproduire ces calculs haute-fidélité mais aussi d'extrapoler ces résultats à d'autres points de fonctionnement plus ou moins proches. L'évolution dé petites perturbations compressibles au sein d'un écoulement complexe moyenné est modélisée à partir des équations d'Euler linéarisées dont la nature hyperbolique complique l'application des méthodes de réduction classiques. Les principales problématiques théoriques et numériques qui émergent lors de la construction du système réduit par méthode de projection sont alors exposées. En particulier, les problèmes fondamentaux de la préservation de la stabilité et du contrôle de l'énergie des systèmes réduits sont largement développés et une nouvelle méthode de stabilisation est proposée. Leur sensibilité paramétrique est aussi discutée. Les modèles réduits stables sont ensuite intégrées dans un code de calcul industriel pour prendre en compte des géométries complexes. De plus, la présence de solides dont les parois peuvent être fixes ou mobiles est abordée. En particulier, les petits déplacements de paroi sont modélisés avec une loi de transpiration. Cette condition aux limites est intégrée dans le formalisme du contrôle de façon à lever la difficulté induite par sa non homogénéité. Finalement, les modèles réduits sont exploités pour prédire en temps réel la réponse des systèmes à une loi de contrôle arbitraire. Par exemple, la fréquence et l'amplitude du chargement peuvent varier. Le code de calcul réduit ainsi développé a pour principale vocation de rendre possible des expertises aéroélastiques à faible coût.

La faible déformabilité et l'accumulation des neutrophiles (globules blancs) dans les capillaires pulmonaires peuvent entraîner des syndromes de détresse respiratoire. Nous étudions le comportement des neutrophiles grâce à un code numérique diphasique de type Volume Of Fluid dans différentes configurations confinées. Les cellules sont représentées successivement par quatre modèles différents : dans un premier temps, nous les modélisons par un fluide newtonien caractérisé par sa viscosité et sa tension de surface. Le noyau très visqueux qu'elles contiennent est pris en compte dans un second temps sous forme d'un solide non-déformable grâce à une méthode de frontières immergées. Puis les effets élastiques sont considérés en modélisant le cytoplasme de la cellule par un fluide visco-élastique d'Oldroyd-B. Enfin, une membrane élastique est introduite autour du cytoplasme afin de séparer le mouvement du cytoplasme de celui du plasma. Nous examinons le comportement des cellules ainsi modélisées dans trois configurations : une géométrie de canaux en croix générant en son centre des écoulements linéaires, comme le dispositif des rouleaux de Taylor, une contraction isolée et un réseau périodique dans lequel la cellule traverse plusieurs contractions successives. Alors que la première configuration permet de placer les cellules dans des écoulements de déformation ou de cisaillement pur, les deux autres géométries se rapprochent davantage des configurations réelles. Les résultats mettent en évidence les différences de comportement de la cellule selon le modèle choisi. L'introduction d'un fluide visco-élastique diminue la viscosité effective des cellules et facilite ainsi leurs déformations et leur entrée dans les contractions géométriques. La membrane en revanche modifie de manière notable la forme des cellules et diminue leurs déformations. / The low deformability of neutrophils (white blood cells) and their accumulation in pulmonary capillaries may cause acute respiratory distress syndrome. A computational fluid dynamic approach using a Volume Of Fluid method is adapted to simulate the behavior of neutrophils in different confined flow configurations. The white blood cells are successively represented by four different models: in a first time, the cell is modeled as a Newtonian fluid, characterized by a viscosity and a surface tension. In a second step, a non deformable core is added using an immersed boundary method to improve representativity of the model. Then, the cytoplasm of the cell is modeled by a viscoelastic fluid. Finally, the effects of an elastic membrane surrounding the cytoplasm are taken into account so as to separate the motion of the plasma from that of the cell. We discuss the behavior of the cell in three different configurations: an equivalent of the 4-roll mill device obtained with a suitable arrangement of micro-channels joining at right angle, an isolated contraction and a periodic network in which the cell goes through several successive contractions. The results shed light on the differences of the cell behaviors obtained with the various models. The introduction of a viscoelastic fluid in the cytoplasm decreases the effective viscosity of the cell and increases its deformability, allowing an easier entrance in a contraction, whereas the membrane affects the cell shape and decreases its deformation.

Les écoulements vrillés, qui sont largement utilisés dans les turbines à gaz, sont connus pour être sujet à des bifurcations entre différentes topologies (grandes reconfigurations de l'écoulement) qui peuvent affecter les performances et la sécurité du moteur. Ce travail se concentre sur l'étude de ces bifurcations en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cette étude montre qu'un petit changement dans les conditions dynamique du fluide, induite par les différents modèles de sous-maille utilisés, peut provoquer une transition entre deux régimes d'écoulement distincts lorsque l'écoulement tourbillonnaire est proche des conditions critiques de transition. La sensibilité de la SGE aux modèles de sous-maille est également identifiée comme le résultat d'un manque de résolution à certains endroits critiques, un problème qui est analysé en utilisant une méthode d'adaptation de maillage. L’adaptation de maillage est testée sur des cas académiques et industriels. Ici, par ajustement de la résolution du maillage sur la base des caractéristiques de l'écoulement étudié (raffinement et grossissement de la grille en maintenant constant le coût numérique), des améliorations substantielles peuvent être obtenues, en terme de prédictions de la SGE. Ce travail peut être considéré comme une des premières étapes vers la mise en place d'une procédure standard (reproductible et indépendante de l’utilisateur) de maillage pour la SGE. / Swirling flows, which are widely employed in gas turbines, are known to undergo bifurcation between different topologies (large reconfigurations of the flow field) affecting the engine performance and safety. This work focuses on the study of such bifurcations using Large-Eddy Simulation (LES). It shows that a small change in the fluid dynamics conditions, induced by the different Sub-Grid Scale (SGS) models used in the simulations, can cause a transition between two, distinct, flow states when the swirling flow is close to transition conditions. The sensitivity of LES to SGS modeling is also identified as the result of a lack of mesh resolution at some critical locations, a problem which is analyzed using mesh adaptation. Mesh adaptation is tested on canonical and industrial flows. Here, by adjusting the mesh resolution based on the characteristics of the flow examined (refining and coarsening the grid keeping constant the numerical cost), substantial improvements of the LES predictions can be obtained. This work can be considered as the first step toward the establishment of a standard (repeatable and user independent) meshing procedure for LES.

Les écoulements en milieux poreux sont omniprésents tant dans la nature que dans l'industrie. Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier ces écoulements en présence de liquide et de gaz. Cela correspond aux situations d'imbibition (ou invasion capillaire), de drainage (ou déplacement d'un fluide mouillant par la mise en pression d'un fluide non mouillant), et d'évaporation (ou de séchage). L'étude se base sur l'utilisation de systèmes modèles artificiels. Une première partie de ce travail se concentre sur les écoulements liquide-gaz dans les milieux dont la taille des pores est inférieure à 100 nm. Ces milieux sont dits nanoporeux. A cette échelle, différents phénomènes sont susceptibles de modifier les écoulements liquide-gaz par rapport à ce qui est observé à l’échelle micrométrique : accrochage de la ligne de contact, pression fortement négative en phase liquide ou cavitation par exemple. Des expériences sont donc nécessaires pour mieux caractériser ces écoulements. En parallèle, les récents progrès en nanofabrication permettent d’obtenir des systèmes dont la profondeur peut descendre jusqu’à quelques nanomètres. Cette approche, désormais classique à plus grande échelle, nous fournit un outil innovant pour étudier les écoulements dans des milieux nanoporeux modèles, en deux dimensions. Un atout évident de ce type de modèles est qu'ils permettent une visualisation directe des deux phases, liquide et gaz. Des dispositifs nanofluidiques en silicium-verre et à profondeur constante ont été réalisés dans la gamme 20-500 nm. Un nouveau procédé de nanofabrication basé sur une lithographie laser à niveau de gris a été développé afin d’obtenir des dispositifs à profondeurs variables en une seule étape. Les expériences d'imbibition et un modèle théorique ont mis en avant que la pressurisation du gaz accélère son transport dans le liquide. Ensuite, des expériences de drainage ont été réalisées dans des dispositifs nanofluidiques avec des pressions de l’ordre de 20 bars. Des simulations sur réseau de pores utilisant l’algorithme de percolation d'invasion ont montré que les motifs d'invasion expérimentaux correspondaient à ce qui était attendu à l’échelle micrométrique pour des écoulements à faible nombre capillaire. Enfin, l'évaporation en nanocanaux a révélé des cinétiques intéressantes d'apparition et de croissance de bulles dans le liquide. Une ouverture est faite sur l'intérêt de poursuivre ces études dans des systèmes déformables. La deuxième partie de cette thèse s'est focalisée sur la cristallisation du chlorure de sodium à l'échelle d’un pore micrométrique. Dans le cas particulier du séchage d'une solution de sel, l'évaporation amène à la cristallisation des espèces dissoutes. Ce phénomène est largement impliqué dans la problématique de la conservation des oeuvres d'arts ou de la détérioration précoce des édifices. Les mécanismes qui conduisent à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi, appelée pression de cristallisation, ne sont pas encore admis tant à l’échelle macro que microscopique. Des déformations induites par la cristallisation du sel ont été observées dans des dispositifs microfluidiques verre-polymère (PDMS). La vitesse de croissance d’un cristal a été mesurée à haute cadence d'acquisition, aboutissant à une nouvelle valeur de la constante de cinétique de réaction, supérieure d'un à deux ordres de grandeur aux données de la littérature. Un modèle numérique prédit l'évolution du champ de concentration en sel dissous lors de la croissance du cristal. Complété par une analyse théorique qui a mis en avant un nombre de Damkhöler prenant en compte les propriétés de transport et la taille du pore, il a permis de construire un diagramme de phase qui traduit les conditions favorables à la génération de contraintes par un cristal sur une paroi. Enfin, un mécanisme de génération de contraintes négatives entraînant la fermeture du pore a été observé. / Flows in porous media are ubiquitous in nature and industry. The aim of this thesis work is to study these flows in presence of liquid and gas, relying on the use of artificial model systems. They correspond to imbibition (or capillary invasion), drainage (or the displacement of a wetting fluid by a non-wetting fluid), and evaporation (or drying). A first part of this work focuses on the liquid-gas flows in porous media whose pore size is lower than 100 nm. They are called nanoporous media. At this scale, several phenomenamight modify the liquid-gas flows in comparison with what is known at the micrometer scale: e.g. contact line pinning, high negative pressure in liquid or cavitation. Thus, experiments are needed to better characterize these flows. In parallel, recent progresses in nanofabrication allow fabricating devices whose depth drop down to few nanometers. This approach provide an innovative tool to study the flows in nanoporous model systems in two dimensions, as it has been already performed at larger scale. A clear advantage to this system is that it allows direct observation of different phases. Silicon-glass nanofluidic devices were fabricated with constant depth in the 20-500 nm range. A new fabrication process was developed to obtain nanochannel with non-uniform depth in one step. It is based on grayscale laser lithography. Imbibition experiments and a numerical model showed that the gas pressurization increased the gas transfer throw the liquid. Drainage experiments were performed in devices with pressure as high as 20 bars. Pore networks modeling with invasion percolation algorithmshowed that the experimental invasion patterns correspond to those expected at micrometer scale for low Capillary number. Evaporation in nanochannels revealed interesting kinetics of bubbles appearance and growth. A prospective study is shown at the end to argue the importance of pursuing these studies in deformable media. The second part of this work concentrates on the sodium chloride crystallization at the scale of a micrometer pore. In the specific case of the drying of a salt solution, evaporation leads to the crystallization of the dissolved species. This phenomenon is involved in the issue of art conservation or building salt weathering. The mechanisms which lead to a stress on wall induced by a crystal are not generally admitted both at macro and microscale. Deformations induced by crystal growth were observed in glass-polymer (PDMS) microfluidic devices. The crystal growth kinetics was measured at high acquisition rate and allowed giving a new value of the parameter of kinetics of crystal growth by reaction, one to two orders of magnitude higher than the ones used in literature. A numerical model was developed to predict the evolution of dissolved salt concentration during crystal growth. It allowed designing a phase diagram which gives the condition to favors the stress generation by a crystal on a wall. A theoretical analysis defined a Damkhöler number, taking into account transport properties and pore size. At last, a stress generation mechanism was observed, leading to the pore closure.

Les récentes avancées technologiques des matériels d’acquisition de données ont permis de réduire le temps d’acquisition d’image en tomographie électrique, ce qui offre des opportunités pour l’étude des écoulements diphasiques transitoires. Parmi les nombreux atouts de cette technique d’imagerie d’écoulements diphasiques, on peut citer son caractère non-intrusif, sa haute fréquence d’acquisition et son faible coût. Un ensemble d’électrodes placées sur le pourtour d’une conduite servent à transmettre une excitation électrique au milieu et à le sonder. Ainsi, la distribution des phases perturbe les champs électriques de manière caractéristique. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel de la tomographie d’impédance électrique rapide. La première étape consiste au développement d’un prototype de capteur et à l’évaluation de sa performance par des essais simplifiés. L’architecture du système utilise un contrôle en potentiel du signal d’excitation et ne nécessite donc pas d’implémenter un module de conversion tension-courant. La seconde étape est la reconstruction de l’image à partir des données mesurées. L’approche qui a été considérée est de supposer une image approchée de la distribution des phases grâce à une identification du régime d’écoulement. Ainsi, le défi de résoudre un problème inverse fortement non-linéaire est simplifié. Une méthode d’identification de régimes d’écoulements horizontaux eau-air a été élaborée avec un module de tomographie de capacitance électrique et une boucle d’essais hydrauliques déjà éprouvés. Cette technique est en cours d’adaptation au prototype de tomographie d’impédance électrique rapide et en amélioration grâce à l’inclusion des régimes d’écoulements verticaux. En parallèle, une méthode de reconstruction d’image a été développée, basée sur l’algorithme NOSER et un postulat pseudo-2D. L’analyse des images reconstruites à partir d’un set d’expériences de référence procure un aperçu des avantages et des défauts de la méthode et du prototype. / Recent developments with data acquisition equipment have reduced the time required for image acquisition with electrical tomography, thereby bringing new opportunities for the study of fast-evolving two-phase flows. Amongst the numerous advantages of this imaging technique for multiphase flow related research are non-intrusiveness, high acquisition rates, low-cost and improved safety. A set of electrodes placed on the periphery of the pipe to be imaged is used to impose an electrical excitation and measure the system response. The distribution of phases inside the study volume distorts the electrical field in a characteristic manner. The objective of this thesis is to assess the potential of electrical impedance tomography at high acquisition rate. The first stage consists in developing a prototype sensor and assessing its performance with simplistic experiments. The system architecture employs voltage control of the excitation and therefore does not require the implementation of the conventional voltage-to-current converter module. A novel data collection method, the full scan strategy, is considered and provides correcting factors for the parasitic impedances in the system. The second stage is the image reconstruction from the measurement data. The approach considered in the thesis is to assume that flow regime identification techniques may provide valuable information on the phase distribution that can be injected in the inverse problem for imaging, thereby tackling the challenge of the non-linearity of the inverse problem. A method for horizontal air-water flow regime identification has been elaborated with an electrical capacitance tomography sensor and multiphase flow rig tried and tested. It is being adapted to the fast electrical impedance tomography prototype and upgraded to include vertical flow regimes. In parallel, an image reconstruction method has been developed based on the NOSER algorithm and a pseudo-2D postulate. The analysis of the reconstructed images for a set of benchmark experiments provide insights on the merits and deficiencies of the algorithm and of the prototype.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel. / The ignition of a cryogenic rocket engine (liquid propellants) is a critical phase. The slightest anomaly in the ignition sequence can lead to the destruction of the entire launcher. The objective of this research work is to set a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) approach, to study the different physical phenomena involved in such ignition transient. The LES method can capture the unsteady processes such as turbulence, two-phase flow physics and chemical kinetics. The numerical tool is first validated in academic and experimental cases, and then applied to a real rocket engine. A gradual approach is employed : the complexity is increased between each validation case, so as to identify the main physical processes. This research work shows that the LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the whole ignition sequence of a real cryogenic rocket engine.

La compréhension des écoulements à bulles dans les centrales nucléaires demeure encore un élément limitant dans l’analyse des opérations et de la sûreté des installations. Pour ne citer qu’un exemple, l’amélioration de la durée de vie etde la performance des générateurs de vapeur nécessite d’appréhender les régimes d’écoulement au sein des tubes qui sont responsables de leur vibration. Cependant, pour simuler avec précision ces écoulements, les codes de simulation numérique doivent relever de nombreux défis parmi lesquels la capacité à simuler des inclusions ayant des tailles très variées. Dans cette thèse, une nouvelle approche, appelée approche multi-champ, est implémentée dans le code NEPTUNE_CFD, basé sur un modèle bi-fluide. Cette approche inclut une méthode de suivi d’interface pour les grandes structures déformables et prend en compte les effets liés à la turbulence et aux changements de phase.Pour simuler de tels écoulements complexes en limitant le coût CPU, l’approche multi-champ considère séparément les petites inclusions sphériques des grandes inclusions déformables. Ainsi, les petites structures sphériques sont définies via un champ eulérien dispersé évoluant au sein d’un champ continu porteur, comme c’est habituellement le cas avec le modèle bi-fluide. Les grosses bulles déformables sont considérées comme des interfaces entre deux champs continus, un champ liquide et un champ gaz. Si on prend l’exemple d’un écoulement diphasique avec de l’eau et des bulles d’air de différentes tailles, trois champs sont alors définis pour cet écoulement: un champ continu liquide, un champ continu gaz et un champ dispersé gaz contenant les petites bulles sphériques. Cependant, simuler avec précision des interfaces entre deux champscontinus avec le modèle bi-fluide nécessite le développement de traitements spécifiques afin de coupler les deux champs à l’interface et de limiter la diffusion de cette interface.Après avoir amélioré la simulation des interfaces dans des écoulements laminaires, les effets liés à la turbulence sont étudiés. Une étude a priori de simulations aux grandes échelles est proposée pour identifier les termes sous-mailles et comparer différents modèles de turbulence disponibles dans la littérature. L’implémentation et la validation du modèle de turbulence retenu suite à l’étude sont détaillées. Les changements de phase sont ensuite explorés via le développement d’un modèle spécifique pour le terme de transfert de masse. Pour finir, des simulations trois champs sont présentées. De nouveauxcritères sont définis pour modéliser la fragmentation des grandes inclusions déformables en petites bulles sphériques ainsi que la coalescence de ces dernières pour former de grandes bulles déformables.A chaque étape de l’implémentation des différents modèles évoqués, des validations basées sur des données analytiques et issues d’expériences sont présentées afin de s’assurer que les phénomènes physiques sont bien prédits. Des cas tests dans des configurations industrielles sont également détaillés pour montrer la capacité de l’approche développée à simuler des écoulements complexes / Bubbly flows occurring in nuclear power plants remain a major limiting phenomenon for the analysis of operation and safety. As an example, the improvement of steam generator lifetime and performance relies on the comprehension of flow regimes inside the tubes responsible for tube vibrations. However, to ensure an accurate simulation of these flows, theComputational Multi-Fluid Dynamics (CMFD) codes have to take up many challenges, among others the ability of dealing with a variety of inclusion sizes. The classical two-fluid model allows simulating small spherical inclusions but is not able to compute large deformable inclusions. Thus, in this thesis, a new approach, called the multifield approach, is implementedin the CMFD code NEPTUNE_CFD, based on a two-fluid model. This approach includes an interface tracking method for large and deformable structures and takes into account turbulence and phase change effects.To simulate such complex flows with reasonable computational costs, the multifield approach considers separately the small spherical inclusions and the large deformable ones. Thus, the small spherical structures are defined as a dispersed field evolving in a continuous carrier field, as usually done in the two-fluid model. The large deformable bubbles are considered as interfaces between two continuous phases treated as two different fields in the two-fluid model. In the example of a two-phase flow with water and air bubbles of different sizes, three fields are defined: a continuous liquid field, a continuous gas field and a dispersed gas field containing the small spherical bubbles. However, the accurate simulation of interfaces between the two continuous fields within the two-fluid model requires specific treatments to couple the two fields at the interface and to limit the interface smearing.After improving the interface simulation in laminar flows, turbulence effects are investigated. An a priori Large Eddy Simulation (LES) study is performed to identify the predominant subgrid terms and to compare different availableturbulence models. The implementation and validation of the most suitable model is proposed. Phase change interfaces are then explored with the development of a specific model for the mass transfer term. Finally, three fields simulations are performed. New criteria are defined for the breakup of the large deformable inclusions into small spherical bubbles and for the coalescence of the latter forming large deformable bubbles.Validation at each step of the models implementations are presented using analytical and experimental data to ensure that the physical phenomena are well predicted. Test cases in industrial configurations are finally performed to show the ability of the developed approach to deal with complex flows

Les écoulements (ou coulées) pyroclastiques (PFs) sont des mélanges concentrés de gaz et de particules à haute température qui représentent l’aléa volcanique le plus meurtrier qui soit. La protection des populations nécessite la mise au point de cartes des menaces précises, qui requièrent une connaissance fine de ces phénomènes. Cependant, les causes et les conséquences de l’érosion/incorporation associée aux PFs au cours de leur mise en place restent encore largement méconnues. Cette thèse se propose de caractériser la capacité érosive des PFs, de définir des mécanismes d’érosion, et de quantifier leurs impacts sur les budgets éruptifs et sur l’aléa associé. Pour cela, cette étude se concentre sur les PFs de volumes modestes mis en place pendant l’éruption d’août 2006 du volcan Tungurahua (Equateur) et adopte une démarche double, basée sur des investigations sédimentologiques et texturales des dépôts, couplées à la modélisation numérique. Une méthode originale, basée sur l’analyse d’images haute résolution corrigées par stéréologie, sur des études texturales détaillées des dépôts, et sur des bilans massiques de matière, permet de déterminer la granulométrie, la composition lithologique et la morphologie des produits sur l’ensemble de leur gamme de taille. Le calcul des bilans de matière montre que près de 50 wt. % des dépôts de PFs sont composés de matériaux non-juvéniles incorporés lors de la mise en place. Ces derniers proviennent principalement de la partie supérieure du volcan. La pente est ainsi le paramètre contrôlant au premier ordre l’intensité de l’érosion. Les budgets éruptifs complets indiquent un VEI de 3 (0,09 km 3 ) pour l’éruption, et soulignent l’importance de considérer séparément les matériaux juvéniles et non-juvéniles pour estimer la taille d’une éruption. L’étude détaillée des constituants met en évidence une ségrégation dynamique des clastes par densité au cours du transport, avec un taux de sédimentation de ≈10 cm.s -1 . Les données lithologiques, granulométriques et morphologiques démontrent la présence de phénomènes de fragmentation-abrasion des clastes pendant leur transport. Les clastes massifs (ex : laves anciennes) sont le principal agent de fragmentation des clastes scoriacés (ex : bombes). Des populations granulométriques fines, capables d’être transférées depuis l’écoulement dense principal vers les déferlantes et/ou le panache co-pyroclastique sont produites pendant toute la durée de la mise en place. Les modèles numériques basés sur une nouvelle loi d’érosion développée ici (et intégrée au code VolcFlow), démontrent la capacité de la rhéologie plastique à reproduire des PFs érosifs. L’érosion est associée à des variations dynamiques du rapport des contraintes normales/cisaillantes pendant la mise en place des écoulements, provoquées par des fluctuations d’épaisseur lors de phases de décélération. Le front fin des PFs, fortement frictionnel et érosif, est poussé par une tête et un corps plus épais, tous deux non érosifs. L’incorporation s’accompagne d’une augmentation de distance de parcours de l’ordre de 10-30% en fonction du taux d’incorporation, qui dépend de la quantité de matière affouillable disponible sur le volcan avant l’éruption. Ces résultats montrent que l’érosion peut avoir un rôle majeur sur les zones impactées par les PFs, et soulignent l’importance de prendre en compte cette capacité lors de la définition de l’aléa, ainsi que pour les études futures. / Pyroclastic flows (PFs) are hot mixtures of gas and particles that represent the most deadly volcanic hazard. To protect the populations, it is necessary to work on precise risk maps, which require having a deep knowledge of these phenomena. However, the causes and consequences of erosion and incorporation of non-juvenile material during PFs emplacement remain poorly known. This thesis aims at characterizing the erosive capacity of pyroclastic flows, defining erosion mechanisms and quantifying their impact on eruptive budgets and associated hazards. Here, we focus on small-volume PFs and use an approach based on field and textural investigations coupled with numerical modeling of PFs emplacement. The August 2006 PF-forming eruption of Tungurahua volcano (Ecuador) is used as a case-study for this work.An original method, based on high-resolution, stereologically-corrected image analyses, detailed textural analyses of PFs deposits and mass budget, enables determining the grain size distribution and the componentry of PFs products along their entire clast size range. Volume calculation and mass budgets show that about 50 wt. % of the whole deposit consists of non-juvenile materials incorporated during PFs emplacement, and mostly coming from the upper part of the volcano. The slope is a prevailing parameter that controls PFs erosive power. Eruptive budgets support a VEI 3 event (0.09 km 3 ) for the 2006 eruption of Tungurahua and highlight the importance of separating juvenile from non-juvenile material. Detailed analyses of deposits’ componentry suggest a strong dynamic density-driven segregation of the clasts during PFs emplacement, associated with sedimentation rates of ≈10 cm.s -1 . Lateral variations of lithological, grain size, and morphological data demonstrate the occurrence of componentry-driven clast fragmentation and abrasion processes. Massive components (e.g. old lavas) are the main grinding agents of scoriaceous components (e.g. bombs). During emplacement, these processes continuously create fine grained populations, which are transferred from the main dense flow to pyroclastic surge or Co-PF cloud. Numerical models of erosive PFs based on a new erosion law integrated into VolcFlow code show the ability of plastic rheology to reproduce natural erosion patterns of PFs. The erosion is produced by dynamic variations of normal stress / shear stress ratio during emplacement, due to thickness unsteadiness during flow deceleration. The thin, highly frictional and erosive front of PFs pulses is pushed by the thicker and non-erosive head and flow body. Incorporation implies longer PFs runouts of about 10-30%, depending on the amount of incorporated material, which is related to the quantity of erodible material available on the volcano’s flanks before the eruption. These results show that erosion has a significant role on PFs runouts, and thus in hazard assessment, which should be closely taken into account in future works.