La corrosion des aciers dans les ouvrages en béton armé due aux chlorures est l’une des principales causes de dégradation des constructions notamment en façade maritime. La prédiction de la durée de vie des constructions vis-à-vis de cette pathologie, nécessite la compréhension des principaux mécanismes liés au transfert de chlorures surtout dans les matériaux insaturés (soumis au marnage ou au brouillard salin). Pour améliorer les travaux qui existent dans la littérature sur le sujet, les principaux objectifs de cette thèse sont : la caractérisation expérimentale du phénomène de double couche électrique (DCE) et l’étude de son influence sur le transfert ionique, l’étude des effets de la température et de l’hystérésis (sorption-désorption) sur le profil de chlorures, l’étude du couplage entre corrosion des aciers et transfert des chlorures. Pour atteindre ces objectifs, le travail est divisé en quatre parties. La première est consacrée à l’approche théorique du problème pour établir les équations permettant de décrire le couplage entre transferts ionique et hygrothermique dans les matériaux insaturés. La prise en compte de la DCE est également explicitée. La deuxième partie est expérimentale, elle est réalisée sur des éco-bétons fabriqués à base de laitier et de cendres volantes. Elle consiste à quantifier les paramètres d’entrée du modèle identifiés lors de la première partie. Il s’agit : de la porosité, de la perméabilité aux gaz, du coefficient de diffusion d’ions chlorures, de la distribution porale, des isothermes d’interactions chimiques et des isothermes de sorption-désorption et du potentiel Zeta caractérisant la DCE. Dans la troisième partie, les équations de transfert traduisant le modèle sont résolues numériquement. L’étude de sensibilité du modèle vis à vis de la DCE, de la température, de la perméabilité à l’eau est réalisée. Une confrontation des résultats du modèle (profil de chlorures) avec des résultats expérimentaux obtenus en situation de marnage a permis de montrer l’intérêt de considérer l’hystérésis des courbes de sorption-désorption. Quant à l’effet de la DCE il se manifeste pour potentiel Zeta dépassant 25mV. La dernière partie concerne l’étude du couplage entre transfert de chlorures et corrosion des aciers. Les estimations de la durée d’incubation, de la perte de section d’acier, les temps requis pour l’apparition des premières fissures et l’éclatement du béton d’enrobage ont été réalisées. Nous avons montré que l’utilisation de la loi de Fick peut sous-estimer ces grandeurs. / The corrosion of steels in the reinforced concrete structures caused by chlorides is one of the main causes of degradation of the constructions in particular in maritime facade. The prediction of the service life of the constructions towards this pathology requires the understanding of the main mechanisms relating to the chlorides transport especially in the unsaturated materials submitted to the tide or to the salt spray. To improve the works of the literature, the main objectives should be accomplished are : to study the experimental characterization of the electrical double layer (EDL) and to study its influence on the ionic transport ; to research on the temperature effect and the hysteresis effect on the chloride profile ; to examine chloride transfer coupled with corrosion of reinforcement. To reach these objectives, the work is divided into four parts. The first one is dedicated to the theoretical approach of the problem to establish the equations allowing describing the coupling between ionic and hydrothermal transfer to the unsaturated materials. The consideration of the EDL is also clarified. The second part is experiment. It is realized on eco-concretes made on base of slag and fly ash. It consists in quantifying the inputs of the model identified during the first part such as: porosity, gas permeability, chloride diffusion coefficients, pore size distribution, chemical interactions, isotherms of sorption-desorption and the Zeta potential characterizing the EDL. In the third part, the transfer equations translating to the model are numerically resolved. The study of model sensibility according to EDL, the temperature, the water permeability is performed. A comparison between the numerical results (chloride profile) obtained with the model with experimental ones obtained in the case of tidal zone allowed shows the interest to consider the hysteresis effects. Also, it is shown that the EDL effect is significant beyond Zeta potential of 25mV. The last part concerns the study of the coupling between chloride transfer and corrosion of steels. The estimations of the duration of incubation, the loss of section of steel, the times required to cover cracking were examined. The result showed that the use of the law of Fick can underestimate these parameters.

Nous étudions plusieurs aspects d'équations aux dérivées partielles multi-échelles. Pour trois exemples, la présence de multiples échelles, spatiales ou temporelles, motive un travail de modélisation mathématique ou constitue un enjeu de discrétisation. La première partie est consacrée à la construction et l'étude d'un système multicouche de type Saint-Venant pour décrire un fluide à surface libre (océan). Son obtention s'appuie sur l'analyse des échelles spatiales, précisément l'hypothèse « eau peu profonde ». Nous justifions nos équations à partir du modèle primitif et montrons un résultat d'existence locale de solution. Puis nous proposons un schéma volumes finis et des simulations numériques. Nous étudions ensuite un problème hyperbolique de relaxation, inspiré de la théorie cinétique des gaz. Nous construisons un schéma numérique via une stratégie préservant l'asymptotique : nous montrons sa convergence pour toute valeur du paramètre de relaxation, ainsi que sa consistance avec le problème à l'équilibre local. Des estimations d'erreurs sont établies et des simulations numériques sont présentées. Enfin, nous étudions un problème d'écoulement sanguin dans une artère avec stent, modélisé par un système de Stokes dans un domaine contenant une petite rugosité périodique (géométrie double échelle). Pour éviter une discrétisation coûteuse du domaine rugueux (l'artère stentée), nous formulons un ansatz de développement de la solution type Chapman-Enskog, et obtenons une loi de paroi implicite sur le bord du domaine lisse (artère seule). Nous montrons des estimations d'erreurs et des simulations numériques / This work is concerned with different aspects of multiscale partial differential equations. For three problems, we address questions of modelling and discretization thanks to the observation of the multiplicity of scales, time or space. We propose in the first part a model of approximation of a fluid with a free surface (ocean). The derivation of our multilayer shallow water type model is based on the analysis of the different space scales generally observed in geophysical flows, precisely the 'shallow water' assumption. We obtain an existence and uniqueness result of local in time solution and propose a finite volume scheme and numerical simulations. Next we study a hyperbolic relaxation problem, motivated by the kinetic theory of gaz. Adopting an Asymptotic Preserving strategy of discretization, we build and analyze a numerical scheme. The convergence is proved for any value of the relaxation parameter, as well as the consistency with the equilibrium problem, thanks to error estimates. We present some numerical simulations. The last part deals with a blood flow model in a stented artery. We consider a Stokes problem in a multiscale space domain, that is a macroscopic box (the artery) containing a microscopic roughness (the stent). To avoid expensive simulations when discretizing the whole rough domain, we perform a Chapman-Enskog type expansion of the solution and derive an implicit wall law on the boundary of the smooth domain. Error estimates are shown and numerical simulations are presented

La chronologie des recherches théoriques et numériques exposées dans cet ouvrage est étroitement liée à notre attachement à lexpérimental et aux préoccupations pratiques des grands projets de constructions hydrauliques. Les applications variées qui sont envisagées quotidiennement au HACH (Hydrodynamique Appliquée et Constructions Hydrauliques Secteur Mécanique des Solides, des Fluides et des Structures - Département ArGEnCo Université de Liège), dont plusieurs exemples sont présentés, ont permis didentifier aussi bien des pistes damélioration des modèles numériques existants au sein de la suite WOLF(suite logicielle intégrée développée par le HACH pour la modélisation et loptimisation des écoulements à surface libre), que des besoins en nouvelles potentialités de représentation. Cest de là que sont nés la plupart des développements détaillés ici, avec comme objectif principal laugmentation des capacités des logiciels du HACH pour laide à la gestion et au design douvrages hydrauliques. Le dimensionnement de structures hydrauliques, tout comme la majeure partie des problèmes touchant à lhydrodynamique des écoulements à surface libre rencontrés dans la pratique, nécessite des études à grande et petite échelles, à laide de modèles adaptés localement aux phénomènes représentés, et donc variables au sein dune même étude selon le point particulier examiné. Dautre part, loptimisation de la forme ou du fonctionnement douvrages hydrauliques requiert des outils de calibration robustes permettant une approche objective. Ces derniers doivent de plus être couplés à des logiciels de simulation dont la représentativité et les temps de calcul sont en accord avec les exigences de loptimisation. Ces deux constats principaux posent le cadre des recherches entreprises et sont à la base de la définition des objectifs du travail. Les premiers chapitres de développements sattachent à décrire le cadre numérique de la suite logicielle WOLF, et plus particulièrement des codes 1D et 2D. La rationalisation des temps de calcul des simulations filaires à grande échelle est améliorée à ce stade par limplémentation au sein du logiciel unidimensionnel dun schéma dintégration temporelle implicite, en parallèle du schéma explicite existant. De même, certaines améliorations sont déjà apportées au logiciel WOLF2D. Elles concernent lextension automatique du domaine de calcul en fonction des mailles immergées émergées, le traitement des termes sources de pente de fond et de frottement en accord avec une approche énergétique, la conservation volumique du modèle ainsi que la réorganisation de la filière de résolution des équations de façon à permettre une totale latitude dans le choix du modèle de calcul utilisé. Lenrichissement des potentialités de modélisation des outils de la suite WOLF est ensuite poursuivi par létablissement, limplémentation et lapplication à des cas théoriques et pratiques, dun modèle de turbulence adapté aux caractéristiques spécifiques de la simulation des écoulements intégrée sur la hauteur deau. Afin de dépasser les limitations, tant informatiques que de discrétisation, inhérentes à lutilisation dune taille de maille unique sur un domaine de simulation bidimensionnel, des développements sont entrepris pour permettre de mener les calculs bidimensionnels sur un maillage structuré cartésien constitué de plusieurs zones à la taille de maille différente. Dans le même ordre didée, des développements sont réalisés pour permettre lutilisation de lensemble des outils de modélisation disponibles au sein du logiciel WOLF2D de façon simultanée et automatique au sein dune même simulation. Létape ultime de ces développements est réalisée en couplant les modèles uni- et bidimensionnel au sein dune simulation unique. Une fois toutes ces étapes de développement des modèles hydrodynamiques franchies, un logiciel adapté de calage automatique de paramètres est mis au point. Utilisable avec nimporte quel code de la suite WOLF, il permet la calibration de lensemble des paramètres physiques présents au sein des logiciels hydrodynamiques, ainsi que la résolution de tout problème doptimisation ou de calibration à laide des mêmes modèles. La parallélisation de ce logiciel basé sur la méthode des Algorithmes Génétiques ouvre la porte à des applications denvergure, dont le dimensionnement hydraulique douvrages sur base de simulations bidimensionnelles découlements turbulents à surface libre sur maillage multibloc. A chaque étape, la validation des développements est réalisée de façon rigoureuse par la confrontation des résultats numériques à ceux de cas test, théoriques et expérimentaux, originaux ou proposés dans la littérature. De nombreux exemples dapplications pratiques illustrent l'ensemble des potentialités de modélisation développées et prouvent leur applicabilité et leur efficacité face aux problèmes pratiques rencontrés par les ingénieurs hydrauliciens./ The chronology of the theoretical and numerical researches outlined in this text is closely linked to our attachment to the physical modelling and to the practical concerns related to important hydraulic projects. The various applications carried out daily in the HACH (Applied Hydrodynamics and Hydraulic Constructions - Solid, Fluid and Structures Mechanics ArGEnCo Department University of Liege), several of the being presented here, enabled to identify the ways to improve the existing numerical models of WOLF (integrated software package developed by the HACH for free surface flows modelling), as well as needs in new representation potentialities. The most of the developments described in this text were born from there, with as main objective to increase the capacities of the HACHs models to help to the management and the design of hydraulic constructions. The hydraulic structures design, and the main part of the practical problems related to free surface flows hydrodynamics, requires both large and small scales studies, with reliable models locally suited to the represented phenomena, and thus variable in a single study depending on the particular point examined. On another hand, the shape and working optimization of hydraulic structures requires robust calibration tools allowing an objective approach. The latter have to be linked to simulation software with modelling capacities and computation times in agreement with the optimization requirements. Both these assessments specify the framework of the researches of this thesis and are at the roots of the definition of the objectives of this work. The first chapters of developments aim to describe the numerical framework of the WOLF package, and more particularly the 1D and 2D models. The rationalization of the computation times for large scale one-dimensional simulations is improved at this stage by implementing in the 1D solver an implicit time integration scheme in parallel to the existing explicit one. Similarly, some improvements have been brought to the solver WOLF2D. They concern the automatic extension of the computation domain regarding the wet and dry cells, the treatment of the slope and roughness source terms with an energetic approach, the water volume conservation as well as the reorganization of the equations resolution scheme in order to be totally free in the choice of the mathematical model to solve. The enrichment of the modelling potentialities of the WOLF software is then pursued by setting, implementing and applying an original turbulence model suited to the specific characteristics of the depth integrated flow modelling. In order to get over the computer and modelling limitations inherent in the use of a single mesh size to model a 2D domain, developments have been carried out to allow the realisation of two-dimensional computations on a structured Cartesian grid composed of several areas with different mesh sizes. In the same way, developments have been carried out to use the whole of the mathematical models available in WOLF2D simultaneously and automatically in a single simulation. The ultimate step of these developments consisted in linking the 1D and the 2D models in a single computation. Following all these steps of developments of hydrodynamic models, a suitable tool for parameters automatic calibration has been set up. Usable with any solver of the WOLF package, it allows the calibration of the whole of the physical parameters present in the hydrodynamic solvers, as well as the resolution of any calibration or optimization problem with these models. The final parallelisation of this Genetic Algorithms based tool opens the door to complex applications, such as the hydraulic design of structures on the basis of two-dimensional simulations of free surface turbulent flows on multiblock grid. At each step, the validation of the developments is rigorously performed through the comparison of the numerical results with those from test cases, theoretical or experimental, original or from the literature. Several practical applications examples illustrate the whole of the developed modelling potentialities and prove their applicability and efficiency facing the most of practical problems encountered by hydraulic engineers.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:09:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CarlaWSPM_TESE.pdf: 2776724 bytes, checksum: 01c7ecc751890604c65e9e388d7b0cb3 (MD5) Previous issue date: 2010-12-17 / Oil production and exploration techniques have evolved in the last decades in order to increase fluid flows and optimize how the required equipment are used. The base functioning of Electric Submersible Pumping (ESP) lift method is the use of an electric downhole motor to move a centrifugal pump and transport the fluids to the surface. The Electric Submersible Pumping is an option that has been gaining ground among the methods of Artificial Lift due to the ability to handle a large flow of liquid in onshore and offshore environments. The performance of a well equipped with ESP systems is intrinsically related to the centrifugal pump operation. It is the pump that has the function to turn the motor power into Head. In this present work, a computer model to analyze the three-dimensional flow in a centrifugal pump used in Electric Submersible Pumping has been developed. Through the commercial program, ANSYS? CFX?, initially using water as fluid flow, the geometry and simulation parameters have been defined in order to obtain an approximation of what occurs inside the channels of the impeller and diffuser pump in terms of flow. Three different geometry conditions were initially tested to determine which is most suitable to solving the problem. After choosing the most appropriate geometry, three mesh conditions were analyzed and the obtained values were compared to the experimental characteristic curve of Head provided by the manufacturer. The results have approached the experimental curve, the simulation time and the model convergence were satisfactory if it is considered that the studied problem involves numerical analysis. After the tests with water, oil was used in the simulations. The results were compared to a methodology used in the petroleum industry to correct viscosity. In general, for models with water and oil, the results with single-phase fluids were coherent with the experimental curves and, through three-dimensional computer models, they are a preliminary evaluation for the analysis of the two-phase flow inside the channels of centrifugal pump used in ESP systems / As t?cnicas de explora??o e produ??o de petr?leo t?m evolu?do nas ?ltimas d?cadas no sentido de incrementar as vaz?es de fluido e otimizar a utiliza??o dos equipamentos empregados. A base do funcionamento do m?todo de eleva??o por Bombeio Centr?fugo Submerso (BCS) ? a utiliza??o de um motor el?trico de fundo para movimentar uma bomba centr?fuga e transportar os fluidos at? a superf?cie. O Bombeio Centr?fugo Submerso ? uma op??o que vem ganhando espa?o entre os m?todos de Eleva??o Artificial em fun??o da capacidade de trabalhar com grandes vaz?es de l?quido em ambientes terrestres ou mar?timos. O desempenho de um po?o equipado com eleva??o por BCS est? intrinsecamente relacionado ao funcionamento da bomba centr?fuga que faz parte do sistema. ? ela que tem a fun??o de transformar a pot?ncia cedida pelo motor em altura de eleva??o ou Head. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo computacional para analisar o escoamento tridimensional em uma bomba centr?fuga utilizada em Bombeio Centr?fugo Submerso. Atrav?s do programa comercial, o CFX? ANSYS?, inicialmente utilizando a ?gua como fluido, foram definidos a geometria e os par?metros de simula??o de forma que, fosse obtida, uma aproxima??o do que ocorre no interior dos canais do impelidor e do difusor da bomba em termos de escoamento. Tr?s diferentes condi??es de geometria foram inicialmente testadas para verificar qual a mais adequada ? resolu??o do problema. Ap?s a escolha da geometria mais adequada, tr?s condi??es de malha foram analisadas e os valores obtidos foram comparados ? curva caracter?stica experimental de altura de eleva??o fornecida pelo fabricante. Os resultados se aproximaram da curva experimental, o tempo de simula??o e a converg?ncia do modelo foram satisfat?rios se for considerado que o problema estudado envolve an?lise num?rica. Ap?s os testes com a ?gua, um ?leo, foi utilizado nas simula??es. Os resultados foram comparados a uma metodologia utilizada na ind?stria do petr?leo para corre??o da viscosidade. De uma forma geral, para os modelos com ?gua e com o ?leo, os resultados com os fluidos monof?sicos se mostraram coerentes com as curvas experimentais e s?o uma avalia??o preliminar para a an?lise, atrav?s de modelos computacionais tridimensionais, do escoamento bif?sico no interior dos canais da bomba centr?fuga utilizada em sistemas de BCS

Les capacités installées d’énergie éolienne continuent à croître rapidement et prennent une place de plus en plus significative dans le monde. Au fur et à mesure, les études menées sur la conception, la sureté de fonctionnement et la supervision de la chaîne éolienne ont pris progressivement de l’importance. Deux axes de recherche ont été privilégiés dans cette thèse. Le premier concerne la continuité de service d'une éolienne connectée au réseau en présence de défaut de court-circuit entre spires dans une phase du stator de la génératrice asynchrone à cage d'écureuil. L'analyse du défaut ainsi que son impact sur le système éolien et notamment sur la qualité de la puissance produite souligne l'intérêt de développement d'un algorithme de détection et d'isolation rapide, dédié par la suite à la reconfiguration de la commande. Ainsi, une commande tolérante au défaut (CTD) a été conçue de manière à éviter l'arrêt de la production, compenser l'impact de défaut et garder des performances acceptables de la qualité d'énergie produite. Le travail effectué s'est articulé sur les observateurs à mode glissant (OMG), communément connus comme outil puissant pour la supervision et la commande à la fois. Le deuxième axe porte sur la sécurité structurale et la stabilité du système éolien sous contraintes vibratoires. Les travaux se répartissent en deux parties complémentaires : L'établissement d'un modèle numérique tridimensionnel (3-D) sous un logiciel d’analyse par éléments finis (ANSYS) et la réalisation des essais vibratoires sous différentes excitations au sein d'une plateforme vibratoire (TREVISE). Dans ce cadre, un modèle numérique (3-D) d'une éolienne à axe horizontal couplée à un mât et une fondation adéquats a été développé en utilisant la méthode de volumes finis (FVM) afin d'appréhender son comportement vibratoire. Les essais vibratoires expérimentaux valident le modèle numérique et permettent l’identification de la réponse dynamique de la structure d'une manière fine. De plus, nous avons élaboré un modèle expérimental de la tenue de l’éolienne aux contraintes vibratoires de formes aléatoire, sinusoïdale et impulsionnelle. / The wind energy capacity carries on growing quickly and taking an increasingly significant place in the world. Progressively, research studies dealing with designing and supervising wind turbines have become more important. Two areas of research were developed in this thesis. The first one concerns the continuity of service of a wind turbine connected to the grid while an inter-turn short-circuit fault is present in the stator phase of the induction squirrel cage generator. The analysis of the fault as well as its impact on the wind turbine system and mainly on the quality of the produced power highlights the interest of development of a fast detection and isolation algorithm, dedicated to the reconfiguration of the control law. Hence, a fault tolerant control scheme has been established in order to avoid stopping production, compensate the fault impact and maintain acceptable performances of the quality of the produced energy. The carried out work was based on sliding mode observers, commonly known as robust tools for monitoring and controlling at the same time. The second axis concerns the structural modeling and stability checking of the wind system under vibratory stresses. The work is divided into two complementary parts: The establishment of a three-dimensional (3-D) numerical model using a finite element analysis software (ANSYS) and the realization of vibratory tests under different excitations within the platform (TREVISE). In this framework, a numerical (3-D) model of a horizontal axis wind turbine coupled to a suitable tower and foundation was developed basing on the finite volume method (FVM) in order to analyze its vibratory behavior. The experimental vibratory tests validate the numerical model and allow the identification of the dynamic response of the structure in a precise way. In addition, we have developed an experimental model of the behavior of the wind turbine under vibratory stresses of random, sinusoidal and impulse shapes.

Cette thèse est principalement dédiée à la simulation des écoulements massivement décollés dans le domaine spatial. Nous avons restreint notre étude aux écoulements d'arrière-corps, pour lesquels ces décollements sont imposés par des changements brutaux de la géométrie. Dans le domaine spatial, le caractère fortement compressible des écoulements rencontrés impose l'utilisation de schémas numériques robustes. D'un autre coté, la simulation fine de la turbulence impose des schémas d'ordre élevé et peu dissipatifs. Ces deux spécifications, apparemment contradictoires, doivent pourtant coexister au sein d'une même simulation. Les modèles de turbulence ainsi que les schémas de discrétisation sont indissociables et leur couplage doit impérativement être considéré. Les schémas numériques doivent garder leur précision formelle dans des géométries complexes et des maillages très irréguliers imposés par le contexte industriel. Cette étude analyse le schéma de discrétisation utilisé dans le code de calcul FLUSEPA développé par Airbus Defence & Space. Ce schéma est robuste et précis pour des écoulements avec chocs et il présente une faible sensibilité au maillage (l'ordre 3 étant conservé même sur des maillages fortement perturbés). Malheureusement, le schéma possède une trop faible résolvabilité liée à un niveau de dissipation trop élevé pour envisager des simulations hybrides RANS/LES. Pour pallier à cet inconvénient, nous nous sommes penchés vers une solution basée sur un recentrage conditionnel et local : dans les zones dominées par des structures tourbillonnaires, une fonction analytique assure un recentrage local lorsque la stabilité numérique le permet. Cette condition de stabilité assure le couplage entre le schéma et le modèle. De cette manière, les viscosités laminaire et tourbillonnaire sont les seules à jouer un rôle dans les régions dominées par la vorticité et servent aussi à stabiliser le schéma numérique. Cette étude présente de plus une comparaison qualitative et quantitative de plusieurs modèles hybrides RANS/LES, à égalité de maillage et de schéma utilisés Pour cela, un certain nombre d'améliorations (notamment de leur capacité à résoudre les instabilités de Kelvin-Helmohlotz sans retard), proposées dans la littérature ou bien introduites dans cette thèse, sont prises en compte. Les applications numériques étudiées concernent des géométries allant de la marche descendante au lanceur spatial complet à échelle réduite. / This thesis is mainly dedicated to the simulation of massively separated flows in the space domain. We restricted our study to afterbody flows, where the separation is imposed by abrupt geometry changes. In the space domain, highly compressible flows require the use of robust numerical schemes. On the other hand, the simulation of turbulence imposes high-order low dissipative numerical schemes. These two specifications, apparently contradictory, must coexist within the same simulation. The coupling between turbulence models and discretization schemes is of the utmost importance and must be considered. Numerical schemes should keep their formal accuracy on complex geometries and on very irregular meshes imposed by the industrial context. In this research, we analyze the discretization scheme implemented in the FLUSEPA solver, developed by Airbus Defence & Space. Such a scheme is robust and accurate for flows with shocks and exhibits a low sensitivity to the grid (the third order of accuracy being ensured, even on highly irregular grids). Unfortunately, the scheme possesses a too low resolvability related to a too high numerical dissipation for RANS/LES simulations. To circumvent this problem, we considered a conditional and local re-centering strategy: in regions dominated by vortical structures, an analytic function provides local re-centering when a numerical stability condition is satisfied. This stability condition ensures the coupling between the numerical scheme and the model. In this way, only the turbulent and the laminar viscosities play a role in regions dominated by vorticity, and also allow to stabilize the numerical scheme. This study provides also a qualitative and quantitative assessment of several hybrid RANS/LES models, using the same grids and discretization scheme. For this purpose some recent improvements (improving their ability to trigger the Kelvin-Helmohlotz instabilities without delay), proposed in the litterature or suggested in this work, are taken into account. Numerical applications include geometrical configurations ranging from a backward facing step to realistic launcher configurations.

Le calcul d'écoulements dans les générateurs de vapeur des réacteurs à eau pressurisée est un problème complexe, faisant intervenir différents régimes d'écoulement et plusieurs échelles de temps et d'espace. Un scénario accidentel peut être caractérisé par des variations très rapides pour un nombre de Mach de l'ordre de l'unité. A l'inverse en régime nominal l'écoulement peut être stationnaire, à bas nombre de Mach. De plus quelque soit le régime considéré, la complexité de la géométrie d'un générateur de vapeur conduit à modéliser le faisceau de tubes par un milieu poreux, d'où le problème de couplage à l'interface avec le milieu fluide.Un schéma de correction de pression tout-Mach en volumes finis colocalisés a été introduit pour les équations d'Euler et de Navier-Stokes. L'existence d'une solution discrète, la consistance du schéma au sens de Lax et la positivité de l'énergie interne ont été démontrées. Le schéma a été ensuite étendu aux modèles diphasiques homogènes du code GENEPI développé au CEA. Enfin un algorithme Multigrille-AMR a été adaptée pour permettre de mettre en oeuvre notre schéma sur des maillages adaptatifs.Concernant la seconde problématique, une extension de la loi de Beavers-Joseph a été proposée pour le régime convectif. En introduisant un saut d'énergie cinétique à l'interface, on retrouve une loi de type Beavers-Joseph mais avec un coefficient de glissement non-linéaire, qui dépend de la vitesse fluide à l'interface et de la vitesse Darcy. La validité de cette nouvelle condition d'interface a été évaluée en réalisant des calculs de simulation numérique directe à différents nombres de Reynolds. / The numerical simulation of steam generators of pressurized water reactors is a complex problem, involving different flow regimes and a wide range of length and time scales. An accidental scenario may be associated with very fast variations of the flow with an important Mach number. In contrast in the nominal regime the flow may be stationary, at low Mach number. Moreover whatever the regime under consideration, the array of U-tubes is modelled by a porous medium in order to avoid taking into account the complex geometry of the steam generator, which entails the issue of the coupling conditions at the interface with the free-fluid.We propose a new pressure-correction scheme for cell-centered finite volumes for solving the compressible Navier-Stokes and Euler equations at all Mach number. The existence of a discrete solution, the consistency of the scheme in the Lax sense and the positivity of the internal energy were proved. Then the scheme was extended to the homogeneous two-phase flow models of the GENEPI code developed at CEA. Lastly a multigrid-AMR algorithm was adapted for using our pressure-correction scheme on adaptive grids.Regarding the second issue addressed in this work, an extension to the Beavers-Joseph law was proposed for the convective regime. By introducing a jump in the kinetic energy at the interface, we recover an interface condition close to the Beavers-Joseph law but with a non-linear slip coefficient, which depends on the free-fluid velocity at the interface and on the Darcy velocity. The validity of this new transmission condition was assessed with direct numerical simulations at different Reynolds numbers.

Cette thèse porte sur l'approximation numérique des équations de Saint-Venant et de quelques problèmes qui leur sont reliés. Dans la première partie, nous analysons les propriétés mathématiques et les applications des schémas numériques sur grilles décalées. La robustesse de ces schémas est prouvée sur des applications telles que les équations de Saint-Venant dans un domaine en rotation, en vue des écoulements géostrophiques, ainsi que l'extension de ces équations au cas visqueux. Dans la seconde partie, nous présentons des modèles basés sur les équations de Saint-Venant. Nous commençons par étudier le couplage avec l'équation d'Exner, qui porte sur le transport des sédiments. Nous observons des propriétés de convergence numérique vers la solution exacte dans un cas de solution analytique, et nous constatons un bon accord avec des données expérimentales dans le cas de la rupture de barrage avec fond érodable. Nous continuons par l'étude d'un schéma numérique, basé sur une méthode de volumes finis colocalisés (HLLC) pour l'approximation du modèle de Richard-Gavrilyuk. Ce modèle étend les équations de Saint-Venant au cas des écoulements avec cisaillement. Des tests numériques montrent la validité du schéma / This thesis is devoted to the numerical approximation of the shallow water equations and of some related models. In the first part, we analyze the mathematical properties and the applications of the staggered grid scheme. The robustness of this scheme is validated on various applications such as the rotating shallow water equations for geostrophic flows model and viscous shallow water equations. In the second part, we consider some related models. Firstly focusing on the coupling between the Exner equation and the shallow water equations, modelling bedload sediment transport, we observe in a particular case the numerical convergence of the scheme to the exact solution, as well as a good agreement with the experimental data in the dam-break with erodible bottom test. Secondly, we present a numerical scheme based on the finite volume collocated scheme (HLLC) in order to approximate the Richard-Gavrilyuk model. This model is an extension of the shallow water model, fit for modelling the shear shallow water flows. Some numerical tests provide a validation of the scheme

Ce travail de thèse, propose un schéma numérique d'ordre élevé, distribuantle résidu (RD) pour l'approximation d'un problème hydro-sédimentairehyperbolique non conservatif, couplant les modèles de Grass et de Saint-Venant. Il fait appel à des méthodes de Runge-Kutta à variation totale diminuanteet de stabilisation (méthode de décentrement amont, dit Upwind),avec ou sans adjonction de limiteurs et présente de bonnes propriétés.L'une des facettes importantes de ce qui a été réalisée, repose sur la conceptionet le développement d'un programme Python 2D-espace, sous la formed'un logiciel faisant appel à un ensemble de modules créés pour l'occasion.Le développement du code de calcul, qui se propose d'approcher la solutiondu problème hydro-sédimentaire, a été e_ectué avec une orientation Objetet pour être e_cace sur calculateur parallèle (utilisant le parallélisme multithreadsOpenMP). L'une des particularités du schéma numérique dans cecadre, est liée à son application à des quadrangles.Un programme 1D-espace, qui se présente également sous forme de logiciel,a aussi été mis en place. Pour des raisons de portabilité et d'e_catité, il aété écrit multilangages (Python-Fortran : via numpy.ctypes pour Python etvia l'interface standard de Fortran pour C). Le schéma RD avec ou sansadjonction de limiteurs de _ux, a été implémenté à la manière d'un schémaprédicteur-correcteur. Des comparaisons avec d'autres schémas ont été e_ectuées a_n de montrer son e_cacité, son ordre de précision élevé a été mis enévidence, et la C-propriété a été testée. Les tests ont révélé que, pour le casd'un transport d'un pro_l sédimentaire parabolique, c'est le limiteur de _uxMUSCL MinMod, qui est le plus adapté parmi ceux testés.Dans le cas scalaire, des tests numériques ont été réalisés a_n de validerle second ordre de précision. / The present work, proposes a high order Residual Distribution (RD) numericalscheme to solve the non conservative hyperbolic problem, coupling Shallow Water and Grass equations. It uses Total Value Diminishing Runge Kutta and stabilisation Upwind methods, with or without limiters. It also has some good properties.A part of the work realised in this thesis, is about the conception and the developpement of a 2D-space Python program, under the form of a software,using a set of moduls created for the occasion. the code developpement, whichis said to approach the _uid-sediment model, coupling Shallow-Water and sedimentequations, has been made with an Object orientation and in orderto be e_cient on parallel architecture (using multithreads OpenMP parallelism). One of the features of the scheme in this case, is due to its application on quadrangles.A 1D-space program, also writen as a software, has been estabished. In order to be portable and e_cient, It has been developped multilinguals (Python- Fortran : by numpy.ctypes for Python and by standart interface FORTRAN for C). The RD scheme with or without Flux Limiters, has been implemented like predictor-corrector one. Comparisons with other schemes results have been realised, in order to show its e_ciency, moreover its high order accuracy has been focus on, and the C-proprerty has been tested. The tests show that MUSCL MinMod _ux limiters, is the most adaptated for a dune test case, between all tested.In the scalar case, numerical tests have been realised, for validating the secondorder of accuracy.

On considère le problème d’advection-diffusion stationnaire v(∇u, ∇v)+( β•∇u, v) = (f, v) et non stationnaire d/dt (u(t), v) + v(∇u, ∇v)+( β•∇u, v) = (g(t), v), ainsi que le problème d’advection (β•∇u, v) = (f, v) sur un domaine polygonal borné du plan. Le terme de diffusion est approché par des éléments de Crouzeix Raviart et le terme de convection par une méthode upwind sur des volumes barycentriques finis avec un maillage triangulaire. Pour le problème stationnaire d’advection-diffusion, la L²-stabilité (c’est-à-dire indépendante du coefficient de diffusion v) est démontrée pour la solution du problème approché obtenue par cette méthode d’éléments finis et de volumes finis. Pour cela une condition sur la géométrie doit être satisfaite. Des exemples de maillages sont donnés. Toujours avec cette condition géométrique sur le maillage, une inégalité de stabilité (où la discrétisation en temps n’est pas couplée à une condition sur la finesse du maillage) est obtenue pour le cas non-stationnaire. La discrétisation en temps y est faite par un schéma d’Euler implicite. Une majoration de l’erreur, proportionnelle au pas en temps et à la finesse du maillage, est ensuite proposée et exprimée explicitement en fonction des données du problème. Pour le problème d’advection, une approche utilisant la théorie des graphes est utilisée pour obtenir l’existence et l’unicité de la solution, ainsi que le résultat de stabilité. Comme pour la stabilité du problème d’advection-diffusion, une condition géométrique - qui est équivalente pour les points intérieurs du maillage à celle du problème d’advection-diffusion - est nécessaire. / We consider the stationary linear convection-diffusion equation v(∇u, ∇v)+( β•∇u, v) = (f, v), the time dependent d/dt (u(t), v) + v(∇u,∇v)+( β•∇u, v)= (g(t), v) equation and the linear advection equation (β•∇u, v) = (f, v) on a two dimensional bounded polygonal domain. The diffusion term is discretized by Crouzeix-Raviart piecewise linear finite elements, and the convection term by upwind barycentric finite volumes on a triangular grid. For the stationary convection-diffusion problem, L²-stability (i.e. independent of the diffusion coefficient v) is proven for the approximate solution obtained by this combined finite-element finite-volume method. This result holds if the underlying grid satisfies a condition that is fulfilled, for example, by some structured meshes. Using again this condition on the grid, stability is shown for the time dependent convection-diffusion equation (without any link between mesh size and time step). An implicit Euler approach is used for the time discretization. It is shown that the error associated with this scheme decays linearly with the mesh size and the time step. This result holds without any link between mesh size and time step. The dependence of the corresponding error bound on the diffusion coefficient is completely explicit. For the stationary advection equation, an approach using graph theory is used to obtain existence, uniqueness and stability. As in the stationary linear convection-diffusion equation, the underlying grid must satisfy some geometric condition. / Gegenstand der Arbeit ist die zweidimensionale stationäre Konvektion-Diffusionsgleichung v(∇u, ∇v)+( β•∇u, v) = (f, v), die zeitabhängige Konvektion-Diffusionsgleichung d/dt (u(t), v) + v(∇u,∇v)+( β•∇u, v)= (g(t), v), sowie die Konvektionsgleichung (β•∇u, v) = (f, v). Der Diffusionsterm ist diskretisiert mittels Crouzeix-Raviart stückweise lineare Finite Elemente. Das Gebiet ist in Dreiecke unterteilt und der Konvektionsterm ist mittels einer upwind Methode auf Baryzentrische Finite Volumenelemente definiert. Für die stationäre Konvektion-Diffusionsgleichung, wird (d.h. von v unabhängige) L²-Stabilität der numerischen Lösung bewiesen. Voraussetzung dafür, ist die Erfüllung gewisser geometrischer Bedingungen an die Unterteilung des Gebiets. Beispiele von Unterteilungen die diese Bedingungen erfüllen, werden gegeben. Wieder an dieser geometrischen Bedingung geknüpft, wird Stabilität (d.h. die Zeitdiskretisierung ist entkoppelt von der Netzweite) für die zeitabhängige Konvektion-Diffusionsgleichung, bewiesen. Für die Zeitableitung wird dabei eine Implizite Euler Diskretisierung verwendet. Eine obere Schranke für den Diskretisierungsfehler, proportional zum Zeitdiskretisierungsparameter und zur Netzfeinheit, ausgedrückt als Funktion der Daten der Differenzialgleichung, wird gezeigt. Für die Konvektionsgleichung wird ein graphentheoretischer Zugang verwendet, der es ermöglicht Existenz, Eindeutigkeit und Stabilität, zu bekommen. Für die Stabilität, werden ähnliche geometrische Bedingungen an die Unterteilung des Gebiets gestellt, wie beim stationären Konvektion-Diffusionsproblem.