Ce travail présente une méthode de calcul de l'écoulement tridimensionnel instationnaire autour d'un rotor éolien. L'écoulement réel au travers du rotor est remplacé par un écoulement de fluide parfait au travers d'un système tourbillonnaire équivalent. Ce système comporte des tourbillons attachés aux pales et des tourbillons libres détachés des pales. Pour simplifier, la vorticité issue des pales est supposée concentrée dans deux tourbillons à l'extrémité et au pied de chaque pale. Pour calculer l'écoulement résultant et évaluer les efforts instationnaires exercés sur la structure du rotor, une méthode de sillage libre a été mise en œuvre. Dans cette méthode on utilise une description lagrangienne de l'écoulement. L'évolution du sillage à l'aval du rotor est obtenue en suivant l'évolution spatio-temporelle de marqueurs qui représentent les tourbillons issus de l'extrémité et du pied de chaque pale. Pour résoudre l'équation qui gouverne l'évolution du sillage et pour obtenir les positions des marqueurs, une méthode utilisant un schéma explicite prédicteur-correcteur du deuxième ordre est mise en œuvre. La méthode de sillage libre suppose un fluide parfait mais dans ce travail les effets visqueux sont pris en compte. Les vitesses induites par les lignes tourbillonnaires sont supposées limitées par une vitesse maximale du noyau tourbillonnaire. Les coefficients nécessaires pour représenter l'influence de la viscosité sont obtenus expérimentalement. La validation de la méthode proposée est réalisée par comparaison avec des résultats expérimentaux où l'écoulement en aval du rotor est exploré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV).

Lors du fonctionnement des machines hydrauliques, le développement de structures de cavitation peut entraîner une chute de performance. De plus, la cavitation peut être responsable de l'usure des pièces mécaniques par érosion. La taille et la vitesse de rotation des pompes étant fortement dépendantes du niveau de cavitation acceptable, la présence de cavitation dans une installation hydraulique est liée à un compromis technico-économique. La prévision de l'érosion de cavitation serait utile à la fois pour améliorer la conception des matériels en projet mais également pour optimiser les périodes de maintenance de ceux existants. Bien que des essais, permettant de caractériser le comportement à l'érosion d'une machine, soient possibles, ceux-ci restent coûteux. Bénéficiant des progrès de la simulation des écoulements, une prévision par voie numérique de l'érosion de cavitation parait accessible.L'érosion est un phénomène multi-physique et multi-échelle. Multi-physique car elle fait intervenir la mécanique des fluides et la réponse du solide ; multi-échelle car les échelles en temps et en espace vont de celles caractérisant l'écoulement autour du composant hydraulique (0.1 m - 1 ms) jusqu'à celles de la déformation plastique observée sur le matériau (1 µm - 10 ns) . Dans cette thèse, seule la partie fluide est considérée, plus particulièrement, le chargement d'un écoulement cavitant sur une paroi solide, appelé "intensité de cavitation". L'objectif est d'estimer cette intensité à partir de la simulation d'un écoulement cavitant.Des écoulements instationnaires 3D en régime cavitant sont simulés en utilisant un modèle homogène, implémenté dans le Code_Saturne cavitant. Une description du modèle numérique et de l'approche physique considérée est présentée dans le mémoire. Le modèle de prédiction de l'endommagement, basé sur une approche énergétique, est développé et appliqué sur un hydrofoil NACA 65012 testé au LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) et sur la pompe centrifuge SHF testée au sein d'EDF R&D. Des comparaisons entre des simulations 3D sur différents maillages sont analysées et une bonne estimation qualitative de l'érosion est obtenue via ce modèle à différentes vitesses d'écoulement. Une tentative de validation quantitative pour le cas de l'hydrofoil est mise en place et semble prometteuse.Dans le but d'enrichir le modèle de prévision de l'intensité de cavitation, des simulations à l'échelle d'une bulle sont également menées. Ces simulations permettent une meilleure compréhension des interactions entre une onde incidente et l'implosion d'une bulle en proche paroi. Des phénomènes d'amplification des collapsus de bulles ont pu être simulés, pouvant être à l'origine de fortes ondes de pression dont l'impact serait responsable de l'endommagement des matériaux avoisinants. / The development of cavitation structures can lead to efficiency losses during hydraulic machinery duty. Moreover, cavitation can be responsible for wear of mechanical parts through cavitation erosion. The presence of cavitation in a hydraulic machine is also linked to a technical and economical trade-off, because the size and rotational speed of pumps are highly dependent on the acceptable cavitation level. Therefore, it seems likely that cavitation will remain present in current and future pump designs and its consequences must be dealt with. The prediction of the erosion is important both for the improvement of hydraulic components at the design stage but also for the optimization of maintenance periods of existing machinery. Experimental tests can be carried out to characterize the erosion behaviour of a machine, but are still expensive. With the recent advances in Computational Fluid Dynamics, the numerical prediction of cavitation erosion appears as a reachable and cost-effective alternative.The erosion is a multi-physical and multi-scale phenomenon. Multi-physical because it deals with both fluid and solid mechanics and multi-scale because the length and time scales of the flow around the hydraulic component (0.1 m - 1 ms) and of the plastic deformation observed on the material (1 µm - 10 ns) are not of the same order of magnitude. In this thesis, only the fluid part is considered, more particularly, the mechanical load imposed by a cavitating flow on a material, called "cavitation intensity". The objective is to estimate this intensity from cavitating flow simulations.In this work, 3D unsteady simulations of cavitation regimes are carried out using a homogeneous model, implemented in the CFD code Code_Saturne cavitant. The prediction damage model, based on an energy approach, is developed and applied to a NACA 65012 hydrofoil tested at the LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) and on the SHF centrifugal pump tested at EDF R&D. Comparisons between 3D simulations on different meshes show that the model provides good qualitative predictions of erosion at different flow velocities. An attempt is made to propose a quantitative validation for the case of the hydrofoil, with promising results.In order to enrich the cavitation intensity prediction model, simulations at the bubble scale are also performed. These simulations allow for a better understanding of the interaction between an incident pressure wave and the implosion of a near-wall bubble. The mechanism of bubble collapse amplification is simulated, and is shown to be associated with high magnitude pressure waves. This amplification phenomenon is suspected to be a strong contributor to the damage of neighbouring materials.

L’introduction de fuselages et de pales de plus en plus légers durant le développement des nouveaux hélicoptères, combinée à une puissance disponible augmentée peut donner lieu à des couplages rotor/structure d’un nouveau genre. Ces instabilités complexes apparaissent à des fréquences plus élevées que les couplages connus et étudiés tels que les résonances sol et air, et impliquent des modes de pale souple, des modes de structure, et des phénomènes aérodynamiques. Des codes de calcul multi-corps aéromécaniques tels que HOST sont capables de déterminer la stabilité de l’hélicoptère, mais sont difficilement modifiables et manipulables. Des modèles analytiques existent également pour les instabilités maîtrisées citées précédemment, mais n’ont pas les capacités de modélisation nécessaires à la prédiction de ces couplages haute fréquence. Ce travail de thèse se concentre sur le développement d’un modèle semi-analytique, capable de prédire la stabilité de l’hélicoptère vis-à-vis de ces phénomènes. Cette approche est différente de l’approche multi-corps et a un double avantage car elle permet des études paramétriques rapides et une analyse terme à terme des équations de la dynamique de l’hélicoptère. Ce modèle a été validé à l’aide de HOST et le mécanisme de l'instabilité a été détaillé. Enfin, l’influence des paramètres de rotor, de structure, et de vol a été évaluée et les considérations architecturales pour éviter l'apparition de tels phénomènes sont présentées. / The introduction of lightweight fuselages and blades during new developments, combined with an increased available power, may lead to the triggering of a new kind of rotor/structure coupling. These complex instabilities appear at higher frequencies than known and studied couplings, such as ground and air resonance, and involve elastic blade modes, structure modes, and aerodynamic phenomena. Comprehensive analysis codes, like HOST, are able to determine the helicopter stability but can hardly be tweaked and handled. Rotor/structure coupling analytical models also exist for ground and air resonance, but do not have the modeling capabilities required to predict these high frequency couplings. This research work focuses on the development of a semi-analytical model, able to predict the helicopter stability with respect to these phenomena. This approach has a two-fold advantage since fast parametric studies can be carried out and a term-by-term analysis of the helicopter stability equations can be performed. This model has been validated with HOST and the triggering mechanism has been detailed. Finally, the influence of rotor, structure, and flight parameters has been evaluated and architectural considerations to avoid the appearance of such couplings are presented.

Les solveurs de calcul en mécanique des fluides numérique (solveurs CFD) ont atteint leur maturité en termes de précision et d'efficacité de calcul. Toutefois, des progrès restent à faire pour les écoulements instationnaires surtout lorsqu'ils sont régis par de grandes structures cohérentes. Pour ces écoulements, les solveurs CFD actuels n'apportent pas de solutions assez précises à moins d'utiliser des maillages très fins. De plus, la haute précision est une caractéristique cruciale pour l'application des stratégies avancées de simulation de turbulence, comme la Simulation des Grandes Echelles (LES). Afin d'appliquer les méthodes d'ordre élevé pour les écoulements instationnaires complexes plusieurs points doivent être abordés dont la robustesse numérique et la capacité à gérer des géométries complexes.Dans cette thèse, nous étudions une famille d'approximations compactes qui offrent une grande précision non pour chaque dérivée spatiale traitée séparement mais pour le résidu r complet, c'est à dire la somme de tous les termes des équations considérées. Pour des problèmes stationnaires résolus par avancement temporelle, r est le résidu à l'état stationnaire ne comprenant que des dérivées spatiales; pour des problèmes instationnaires r comprend également la dérivée temporelle. Ce type de schémas sont appelés schémas Compacts Basés sur le Résidu (RBC). Plus précisément, nous développons des schémas RBC d'ordre élevé pour des écoulements instationnaires compressibles, et menons une étude approfondie de leurs propriétés de dissipation. Nous analysons ensuite les erreurs de dissipation et la dispersion introduites par les schémas RBC afin de quantifier leur capacité à résoudre une longueur d'onde donnée en utilisant un nombre minimal de points de maillage. Les capacités de la dissipation de RBC à drainer seulement l'énergie aux petites échelles sous-résolues sont également examinées en vue de l'application des schémas RBC pour des simulations LES implicites (ILES). Enfin, les schémas RBC sont étendus à la formulation de type volumes finis (FV) afin de gérer des géométries complexes. Une formulation FV des schémas RBC d'ordre trois préservant une précision d'ordre élevé sur des maillages irréguliers est présentée et analysée. Des applications numériques, dont la simulation d'écoulements instationnaires complexes de turbomachines régis par les équations de Navier-Stokes moyennées et des simulations ILES d'écoulements turbulents dominés par des structures cohérentes dynamiques ou en décroissance, confirment les résultats théoriques. / Computational Fluid Dynamics (CFD) solvers have reached maturity in terms of solution accuracy as well as computational efficiency. However, progress remains to be done for unsteady flows especially when governed by large, coherent structures. For these flows, current CFD solvers do not provide accurate solutions unless very fine mesh are used. Moreover, high-accuracy is a crucial feature for the application of advanced turbulence simulation strategies, like Large Eddy Simulation (LES). In order to apply high-order methods to complex unsteady flows several issues needs to be addressed among which numerical robustness and the capability of handling complex geometries.In the present work, we study a family of compact approximations that provide high accuracy not for each space derivative treated apart but for the complete residual r, i.e. the sum of all of the terms in the governing equations. For steady problems solved by time marching, r is the residual at steady state and it involves space derivatives only; for unsteady problems, r also includes the time derivative. Schemes of this type are referred-to as Residual-Based Compact (RBC). Precisely, we design high-order finite difference RBC schemes for unsteady compressible flows, and provide a comprehensive study of their dissipation properties. The dissipation and dispersion errors introduced by RBC schemes are investigated to quantify their capability of resolving a given wave length using a minimal number of grid-points. The capabilities of RBC dissipation to drain energy only at small, ill-resolved scales are also discussed in view of the application of RBC schemes to implicit LES (ILES) simulations. Finally, RBC schemes are extended to the Finite Volume (FV) framework in order to handle complex geometries. A high-order accuracy preserving FV formulation of the third-order RBC scheme for general irregular grids is presented and analysed. Numerical applications, including complex Reynolds-Averaged Navier-Stokes unsteady simulation of turbomachinery flows and ILES simulations of turbulent flows dominated by coherent structure dynamics or decay, support the theoretical results.

Cette étude porte sur la dynamique instationnaire d'une bulle de Taylor dans un tube vertical en repère oscillant. L'objectif est de réaliser une étude expérimentale quantitative plus détaillée de cet écoulement instationnaire, très peu abordé dans la littérature. Les résultats expérimentaux sont obtenus pour des grands nombres de Reynolds pour comprendre les effets d'inertie. Deux configurations différentes sont étudiées : 1) tubes avec deux diamètres internes différents (9,8 mm et 20 mm) remplis d'eau, 2) le tube de diamètre D=9,8 mm rempli de quatre fluides peu visqueux. Le nombre de Bond Bo, basé sur la vitesse ascendante en cas stagnant, varie alors entre 13 et 57, où les effets de la tension superficielle peuvent être pris en compte. La bulle est suivie à l'aide d'une caméra rapide. les vitesses moyenne et fluctuante et le déphasage avec le plateau oscillant sont obtenus par traitement d'images et traitement numérique des données. Les résultats principaux montrent que pour les faibles accélérations la vitesse moyenne diminue et la vitesse fluctuante augmente lorsque l'accélération relative augmente. Au delà d'une accélération critique, la vitesse moyenne augmente et l'augmentation de la vitesse fluctuante semble ralentir. Ce changement de comportement semble être lié à la déformation de l'interface (courbure modifiée, ondes de surface) qui devient significative aux accélérations élevées. De plus, les comparaisons avec les résultats numériques obtenus en négligeant les effets capillaires sont effectuées. Des corrélations permettant de calculer les vitesses moyenne et fluctuante sont proposées. L'évolution temporelle de rayon de courbure au voisinage du nez de la poche est également étudiée pour les différentes accélérations et les résultats sont comparés avec le cas stagnant. Pour les accélérations élevées, la formation et la propagation des ondes oscillantes qui affectent la dynamique de l'écoulement sont quantifiées / The present work deals with the motion of a Taylor bubble rising through vertical oscillating pipes. The aim is to perform a more detailed and experimental quantitative study of this unsteady flow, still seldom addressed in the literature. The investigation is restricted to high Reynolds numbers to understand inertia effects. Experimental results are provided for two different configurations : 1) pipes with two different inner diameters (9.8 mm and 20 mm) filled with water, 2) the thinner pipe (D=9.8 mm) filled with four low viscous fluids. So the Bond number Bo, based on the steady rise velocity varies from 13 to 57, where the effects of surface tension can be considered. The bubble trajectory is tracked by using a high-speed video camera. The average terminal and fluctuating velocity, as well as the phase shift with the oscillating plate are obtained by using image processing. The main results show that for weak acceleration, the mean velocity decreases with the relative acceleration as the fluctuating velocity increases in proportion to this acceleration. Beyond a critical relative acceleration, the average velocity increases and the fluctuating velocity increase seems to slow down. This behavior change seems to be related to the interface deformation (modified curvature, surface waves) which becomes significant in high accelerations. Additionally, comparisons are made with the numerical results obtained by neglecting the capillary effects. Correlations allowing the prediction of mean and fluctuating velocities depending on the Bond number and relative acceleration are proposed and compared with our experimental results. The time evolution of the radii of curvature in the vicinity of the bubble nose is also studied for different relative accelerations and the results are compared with the stagnant case. In high accelerations, the formation and propagation of surface waves which may influence the bubble dynamics are quantified

Un colmatage des réacteurs à lit fixe arrosé, i.e., Trickle Bed Reactor (TBR), peut se produire lorsque des suspensions liquide-solide diluées y sont traitées ou lorsque des processus chimiques induisent la formation de solides, par exemple du coke, à l'instar de certaines opérations de raffinage du pétrole. Suite à l'accumulation excessive de ces fines solides, le gradient de pression peut atteindre un niveau limite mettant en jeu la tolérance physique du catalyseur. Ainsi, indépendamment de l'activité chimique résiduelle de catalyseur, l'arrêt du réacteur peut s'imposer pour un remplacement du lit catalytique par un lot de catalyseurs frais avec les conséquences économiques associées. Les activités de recherche dans la littérature ouverte concernant ce domaine ont été limitées à quelques travaux expérimentaux et de modélisation. La nécessité d'une recherche plus approfondies et plus systématique s'est donc imposée à nous afin de déchiffrer les mécanismes sous-jacents de la filtration en mode biphasique et de proposer éventuellement de nouvelles solutions d'opération de ce type de réacteurs. L'objectif de la recherche proposée était de fournir une meilleure compréhension des mécanismes et de la structure des dépôts dans les réacteurs à lit fixe arrosé traitant des suspensions d'hydrocarbures afin de proposer de nouvelles stratégies de décolmatage. En raison de la nature opaque du lit, les observations pariétales, les mesures de perte de pression et de dépôts spécifiques, ont été couplés à des mesures non-invasives basées sur l'imagerie par la tomographic électrique capacitive afin de dévoiler la structure interne du lit lors de la déposition de fines particules. Pour surmonter les forces qui concourent à la déposition sur les collecteurs, de nouvelles stratégies, incluant des configurations différentes de réacteur ou des modes d'alimentation cyclique ont été abordées dans notre étude. Les réacteurs de type monolithe, consistant en des blocs à multiples canaux droits, ont été étudiés avec l'objectif de minimisation du dépôt spécifique et de la perte de pression biphasique. La filtration biphasique de suspensions a été étudiée aussi bien en régime d'écoulement de Taylor (petits canaux) qu'en régime de film (grands canaux). Les forces inter-particulaires fine-fine et fine-collecteur sont déterminantes pour que la déposition de fines puisse avoir lieu. Par conséquent, différentes opérations cycliques ont été examinées pour étudier l'effet positif des pulsations hydrodynamiques liquides pour surmonter les forces d'adhésion entre dépôts et lit. La mise en oeuvre de forces répulsives fortes via la modulation de la conductivité électrique dans des milieux non-aqueux a également été étudiée pour montrer l'efficacité de cette approche pour la prévention de colmatage.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Ce mémoire présente une étude numérique du phénomène d'oscillations auto-induites d'une aile rigide montée sur un support élastique. Ces oscillations ont été rapportées expérimentalement au Collège Militaire Royal du Canada par l'équipe du professeur Poirel. Ils ont montré que le phénomène a lieu dans une plage de nombres de Reynolds spécifique où la transition de la couche limite peut survenir : 5 x 10⁴ < Rec < 1.3 x 10⁵. Des oscillations en tangage seulement ainsi qu'en tangage et pilonnement ont été observées. Les oscillations en tangage seulement ont une amplitude d'environ 5 degrés et une fréquence aux alentours de 3 Hz. Les oscillations en tangage et pilonnement ont des amplitudes de tangage pouvant atteindre 65 degrés selon la rigidité structurale et des fréquences allant de 3 à 5 Hz. Le phénomène a été étudié ici par la mécanique des fluides numérique. Le code libre OpenFOAM utilisant la méthode des volumes finis a été utilisé pour simuler le problème aéroélastique. Dans le cas des oscillations en tangage, une très bonne comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux a été obtenue. L'utilisation d'un modèle de transition a entraîné une amélioration par rapport aux simulations numériques réalisées dans le passé et a contribué à mieux élucider la physique en jeu. La séparation de la couche limite laminaire étant le mécanisme déclencheur du phénomène, ces oscillations sont appelées flottement de séparation laminaire. L'impact de 1' intensité turbulente de 1' écoulement sur les oscillations a été étudié et s'est révélé jouer un rôle très important: un haut niveau empêchant l'apparition des oscillations. Le caractère secondaire du rôle joué par les structures d'écoulement à haute fréquence a été démontré ainsi que les différents mécanismes de dissipation d'énergie en jeu. Les oscillations auto-induites en tangage et pilonnement combinés ont également été simulées. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux n'est pas aussi bonne que dans le cas de oscillations en tangage, mais des tendances similaires sont tout de même observées. Lorsque la rigidité structurale en pilonnement est petite, des oscillations de faibles amplitudes en tangage et pilonnement sont obtenues, tel que dans le cas en tangage pure. Lorsque la rigidité structurale est grande, d' importantes amplitudes de tangage sont obtenues qui s'avèrent du même ordre de grandeur que celles observées en expérimental. Ces oscillations diffèrent du cas en tangage puisqu'elles sont caractérisées par un flottement de coalescence plutôt qu'un flottement de séparation laminaire.

Cette thèse propose de nouveaux outils de calcul pour la simulation du moulage de pièces minces par injection de thermoplastiques. Ces travaux s'intègrent au sein d'un code de calcul 3D dédié à la simulation du remplissage de pièces volumiques. La description thermo-mécanique du remplissage du moule est obtenue par une discrétisation éléments finis eulérienne. Nous proposons en première partie une méthode de génération de maillages pour traiter les géométries minces. La solution proposée, issue des méthodes d'optimisations locales, nécessite l'introduction de la notion de métriques. Elle permet de générer et d'adapter des maillages anisotropes bi- ou tridimensionnels non structurés tétraédriques ou triangulaires. En deuxième partie, on a été amené à caractériser l'erreur commise sur le calcul d'un écoulement visqueux incompressible sur de tels maillages. Un nouvel estimateur d'erreur a posteriori pour le problème de Stokes est proposé pour traiter ces maillages. Enfin, l'utilisation de tels maillages peut dégrader, localement, le calcul du remplissage au niveau des surfaces libres. Pour maîtriser cet effet, une méthode d'adaptation de maillage par déformations locales est proposée. S'inspirant des méthodes de régularisation par barycentrage, elle permet d'adapter dynamiquement les mailles au niveau des fronts en mouvement, tout en régularisant le maillage en amont et en aval de ceux-ci. L'ensemble de ces outils permet d'élargir le domaine d'applications du logiciel de simulation existant aux géométries minces, mais aussi d'en améliorer la précision dans le cadre de l'injection multifluides. Des applications, regroupées dans le dernier chapitre, permettent d'illustrer les avancées permises par cette étude.

Le contexte général de cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation eulérienne instationnaire des écoulements turbulents anisothermes gaz - particules. La modélisation de ces écoulements est cruciale pour de nombreuses applications industrielles et pour la prédiction de certains phénomènes naturels. Par exemple, la combustion diphasique dans les moteurs automobiles et aéronautiques est précédée par l'injection et la dispersion de carburant liquide dans la chambre de combustion. Les phénomènes mis en jeu exigent alors une prédiction locale tenant compte du caractère instationnaire de l'écoulement turbulent et de la présence de géométries complexes. De plus, de nombreuses études expérimentales et numériques récentes ont mis en évidence le rôle prépondérant de l'inertie des particules sur les mécanismes de dispersion et de concentration préférentielle en écoulement turbulent. Ceci rend donc indispensable la prise en compte de ces mécanismes dans la modélisation diphasique. Au cours de ce travail de thèse, une approche eulérienne locale et instantanée a été développée pour prédire les écoulements gaz-particules anisothermes et turbulents. Elle est basée sur l'approche statistique du Formalisme Eulérien Mésoscopique (MEF) introduite par Février et al. (JFM, 2005). Cette approche a été ici étendue aux variables thermiques pour la prise en compte du caractère anisotherme de l'écoulement. Cette approche a été ensuite utilisée dans le cadre de la méthode des moments (Kaufmann et al., JCP, 2008), et un système d'équations locales et instantanées pour la phase dispersée a été proposé. La modélisation au premier ordre exige la fermeture des moments de second ordre apparaissant dans les équations de la quantité de mouvement et de l'énergie. La proposition de telles relations constitutives fait l'objet d'une partie de la thèse. Afin de fournir une méthode capable de prédire le comportement local, instantané et anisotherme de la phase dispersée dans des configurations `a une échelle réaliste, les équations pour la phase dispersée ont été filtrées et une modélisation aux grandes échelles (LES) est effectuée. Cette modélisation étends, par la prise en compte des variables thermiques, le travail de Moreau et al. (FtaC, 2010) sur l'approche LES Euler-Euler en conditions isothermes. L'approche complète est enfin appliquée aux résultats de simulation numérique d'un jet plan turbulent gazeux froid, chargé en particules, dans une turbulence homogène isotrope chaude monophasique. / The aim of this thesis is to provide an Eulerian modeling for the dispersed phase interacting with unsteady non-isothermal turbulent flows. The modeling of these flows is crucial for several industrial applications and for predictions of natural events. Examples are the combustion chambers of areo engines where the combustion is preceded by the injection and dispersion of liquid fuel. The prediction of such phenomena involves a local modeling of the mixture for taking into account the unsteady behavior of the turbulent flow and the presence of complex geometries. Moreover, many experimental and numerical studies have recently highlighted the significant role of the particle inertia on the mechanisms of dispersion and preferential concentration. Accounting for such mechanisms is therefore essential for modeling the particle-laden turbulent flows. In this thesis, a local and instantaneous Eulerian approach able to describe and to predict the local behavior of inertial particles interacting with non-isothermal turbulent flows has been developed. It is based on the statistical approach known as Mesoscopic Eulerian formalism (MEF) introduced by Février et al. (JFM, 2005). The statistical approach has been extended to the thermal quantities in order to account for the non-isothermal conditions into the modeling. This formalism is then used in the framework of the moment approach (Kaufmann et al., JCP, 2008) and a system of local and instantaneous equations for the non-isothermal dispersed phase has been suggested. The first order modeling requires to close second-order moments appearing in momentum and energy equations. The proposal of such constitutive relations makes the object of a part of this study. In order to provide an Eulerian approach usable in real configurations at industrial scale, the equations of the dispersed phase are filtered and the approach developed in the framework of the Large-Eddy Simulations. From the work of Moreau et al. (FTaC, 2010), the Eulerian-Eulerian LES approach is then extended to non-isothermal conditions. The whole modeling is then a priori tested against numerical simulations of a cold planar turbulent particle-laden jet crossing a homogeneous isotropic decaying hot turbulence.

Les générateurs thermoélectriques (TEG), associant des modules thermoélectriques à des échangeurs de chaleur adaptés, permettent de produire de l’électricité à partir d’une source chaude et d’une source froide. Leur utilisation, réservée actuellement à des applications de niche, va s’avérer judicieuse pour différentes applications industrielles ou domestiques en raison de la disponibilité imminente de nouveaux matériaux thermoélectriques permettant des rendements améliorés et des coûts moindres. Pour rendre plus attractive l’utilisation des TEG et améliorer le rendement global des futures installations, une conception et une utilisation optimisées sont indispensables.La conception de TEG performants nécessite le développement de modèles numériques intégrant tous les éléments de la chaîne énergétique (source chaude, source froide, échangeurs, convertisseurs électriques). L’objectif de la thèse est de créer un outil de simulation du fonctionnement des générateurs sur l’ensemble du cycle de production de chaleur et donc sur des fonctionnements réels dépendant du temps. Le modèle développé en 3D pour les transferts de chaleur prend en compte la dépendance à la température des propriétés des matériaux et l’effet Thomson pour le modèle thermoélectrique.La validation de cet outil de simulation a nécessité la comparaison des prédictions du modèle à des résultats expérimentaux. Un dispositif expérimental a été complété et amélioré afin de mieux répondre aux attentes des études en régime instationnaire. Ce banc d'essai permet d'effectuer des tests avec différentes configurations de générateur thermoélectrique et différentes conditions de fonctionnement. Le modèle a montré une estimation correcte des températures du système et de la production électrique du TEG. Le modèle numérique est validé et peut être utilisé pour la prédiction du fonctionnement d’un TEG dans diverses conditions. / Thermoelectric generators (TEG), combine thermoelectric modules with heat exchangers, making it possible to produce electricity from a hot source and a cold source. Their use, which is currently reserved for niche applications, will prove useful for various industrial or domestic applications due to the imminent availability of new thermoelectric materials allowing improved yields and lower costs. To make the use of TEGs more attractive and to improve the overall efficiency of future installations, optimized design and use are essential.The high-performance TEG design requires the development of numerical models integrating all the elements of the energy chain (hot source, cold source, exchangers, electric converters).The aim of the thesis is to create a tool for simulating the operation of generators over the entire heat production cycle and thus on real time-dependent operations. The model developed in 3D for heat transfer takes into account the temperature dependence of the properties of the materials and the Thomson effect for the thermoelectric model.The validation of this simulation tool required the comparison of model predictions with experimental results. An experimental device has been completed and improved to match better the expectations of unsteady studies. This test bench allows testing with different thermoelectric generator configurations and different operating conditions.The model showed a correct estimation of system temperatures and electrical output of TEG. The numerical model is validated and can be used to predict the operation of a TEG under various conditions.