Dans ce travail de thèse, réalisé à l'IMFT, nous nous sommes intéressés aux écoulements turbulents diphasiques gaz-solides et plus particulièrement au phénomène de couplage inverse qui correspond à la modulation de la turbulence par la phase dispersée. Ce mécanisme est crucial pour les écoulements à forts chargements massiques. Dans cette thèse, nous avons considéré une turbulence homogène isotrope stationnaire sans gravité dans laquelle des particules sont suivies individuellement d'une façon Lagrangienne. La turbulence du fluide porteur est obtenue par des simulations directes (DNS). Les particules sont sphériques, rigides et d'une taille inférieure aux plus petites échelles de la turbulence. Leur densité est bien plus grande que la densité du fluide. Dans ce cadre, la force la plus importante agissant sur les particules est celle de traînée. Les interactions inter-particules ainsi que la gravité ne sont pas prises en compte. Pour modéliser ce type d'écoulement, une approche stochastique est utilisée pour laquelle l'accélération du fluide est modélisée par une équation de Langevin. L'originalité de ce travail est la prise en compte de l'effet de la modulation de la turbulence par un terme additionnel. Nous avons proposé deux modèles : une force de couplage moyenne qui est définie à partir des vitesses moyennes des phases, et une force instantanée qui est définie à l'aide du formalisme mésoscopique Eulérien. La fermeture des modèles s’appuie sur la fonction d’autocorrélation Lagrangienne et l’équation de transport de l’énergie cinétique. Les modèles sont testés en terme de prédiction de la vitesse de dérive et des corrélations fluide-particule. Les résultats montrent que le modèle moyen, plus simple, prend en compte les effets principaux du couplage inverse. Cependant, le problème de fermeture pratique est reporté sur la modélisation de l’échelle intégrale Lagrangienne et l’énergie cinétique de la turbulence du fluide vue par les particules. / In this thesis, performed in IMFT, we are interested in the turbulent gas-solid flows and more specifically, in the phenomenon of turbulence modulation which is the modification of the structure of the turbulence due to the solid particles. This mechanism is crucial in flows with high particle mass-loadings. In this work, we considered a homogeneous isotropic turbulence without gravity kept stationary with stochastic type forcing. Discrete particles are tracked individually in Lagrangian manner. Turbulence of the carrier phase is obtained by using DNS. The particles are spherical, rigid and of a diameter smaller than the smallest scales of turbulence. Their density is very large in comparison to the density of the fluid. In this configuration the only force acting on the particles is the drag force. Volume fraction of particles is very small and inter-particle interactions are not considered. To model this type of flow, a stochastic approach is used where the fluid element accel- eration is modeled using stochastic Langevin equation. The originality in this work is an additional term in the stochastic equation which integrates the effect of the particles on the trajectory of fluid elements. To model this term, we proposed two types of modeling: a mean drag model which is defined using the mean velocities from the mean transport equations of the both phases and an instantaneous drag term which is written with the help of the Mesoscopic Eulerian Approach. The closure of the models is based on the Lagrangian auto- correlation function of the fluid velocity and on the transport equation of the fluid kinetic energies. The models are tested in terms of the fluid-particle correlations and fluid-particle turbulent drift velocity. The results show that the mean model, simple, takes into account the principal physical mechanism of turbulence modulation. However, practical closure problem is brought forward to the Lagrangian integral scale and the fluid kinetic energy of the fluid turbulence viewed by the particles.

Cette thèse s'inscrit dans un projet de modélisation numérique de la dispersion atmosphérique de polluants à travers le code de mécanique des fluides numérique Code_Saturne. L'objectif est de pouvoir simuler la dispersion atmosphérique de polluants en environnement complexe, c'est-à-dire autour de centrales, sites industriels ou en milieu urbain. Dans ce contexte, nous nous concentrons sur la modélisation de la dispersion des polluants à micro-échelle, c'est-à-dire pour des distances de l'ordre de quelques mètres à quelques kilomètres et correspondant à des échelles de temps de l'ordre de quelques dizaines de secondes à quelques dizaines de minutes : on parle de modélisation en champ proche. L’approche suivie dans ces travaux de recherche suit une formulation hybride eulérienne/lagrangienne, où les champs dynamiques moyens relatifs au fluide porteur (pression, vitesse, température, turbulence) sont calculés via une approche eulérienne et sont ensuite fournis au solveur lagrangien. Ce type de formulation est couramment utilisé dans la littérature atmosphérique pour son efficacité numérique. Le modèle lagrangien stochastique considéré dans nos travaux est le Simplified Langevin Model (SLM), développé par Pope (1985,2000). Ce modèle appartient aux méthodes communément appelées méthodes PDF (Probability Density Function), et, à notre connaissance, n'a pas été exploité auparavant dans le contexte de la dispersion atmosphérique. Premièrement, nous montrons que le SLM respecte le critère dit de mélange homogène (Thomson, 1987). Ce critère, essentiel pour juger de la bonne qualité d'un modèle lagrangien stochastique, correspond au fait que si des particules sont initialement uniformément réparties dans un fluide incompressible, alors elles doivent le rester. Nous vérifions le bon respect du critère de mélange homogène pour trois cas de turbulence inhomogène représentatifs d'une large gamme d'applications pratiques : une couche de mélange, un canal plan infini, ainsi qu'un cas de type atmosphérique mettant en jeu un obstacle au sein d'une couche limite neutre. Nous montrons que le bon respect du critère de mélange homogène réside simplement en la bonne introduction du terme de gradient de pression en tant que terme de dérive moyen dans le modèle de Langevin (Pope, 1987; Minier et al., 2014; Bahlali et al., 2018c). Nous discutons parallèlement de l'importance de la consistance entre champs eulériens et lagrangiens dans le cadre de telles formulations hybrides eulériennes/lagrangiennes. Ensuite, nous validons le modèle dans le cas d'un rejet de polluant ponctuel et continu, en conditions de vent uniforme et turbulence homogène. Dans ces conditions, nous disposons en effet d'une solution analytique nous permettant une vérification précise. Nous observons que dans ce cas, le modèle lagrangien discrimine bien les deux différents régimes de diffusion de champ proche et champ lointain, ce qui n'est pas le cas d'un modèle eulérien à viscosité turbulente (Bahlali et al., 2018b).Enfin, nous travaillons sur la validation du modèle sur plusieurs campagnes expérimentales en atmosphère réelle, en tenant compte de la stratification thermique de l'atmosphère et de la présence de bâtiments. Le premier programme expérimental considéré dans nos travaux concerne le site du SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique), dans la banlieue sud de Paris, et met en jeu une stratification stable de la couche limite atmosphérique. La seconde campagne étudiée est l'expérience MUST (Mock Urban Setting Test). Réalisée aux Etats-Unis, dans le désert de l'Utah, cette expérience a pour but de représenter une ville idéalisée, au travers d'un ensemble de lignées de conteneurs. Deux rejets ont été simulés et analysés, respectivement en conditions d'atmosphère neutre et stable (Bahlali et al., 2018a) / This Ph.D. thesis is part of a project that aims at modeling pollutant atmospheric dispersion with the Computational Fluid Dynamics code Code_Saturne. The objective is to simulate atmospheric dispersion of pollutants in a complex environment, that is to say around power plants, industrial sites or in urban areas. In this context, the focus is on modeling the dispersion at micro-scale, that is for distances of the order of a few meters to a few kilometers and corresponding to time scales of the order of a few tens of seconds to a few tens of minutes: this is also called the near field area. The approach followed in this thesis follows a hybrid Eulerian/Lagrangian formulation, where the mean dynamical fields relative to the carrier fluid (pressure, velocity, temperature, turbulence) are calculated through an Eulerian approach and are then provided to the Lagrangian solver. This type of formulation is commonly used in the atmospheric literature for its numerical efficiency. The Lagrangian stochastic model considered in our work is the Simplified Langevin Model (SLM), developed by Pope (1985,2000). This model belongs to the methods commonly referred to as PDF (Probability Density Function) methods, and, to our knowledge, has not been used before in the context of atmospheric dispersion. First, we show that the SLM meets the so-called well-mixed criterion (Thomson, 1987). This criterion, essential for any Lagrangian stochastic model to be regarded as acceptable, corresponds to the fact that if particles are initially uniformly distributed in an incompressible fluid, then they must remain so. We check the good respect of the well-mixed criterion for three cases of inhomogeneous turbulence representative of a wide range of practical applications: a mixing layer, an infinite plane channel, and an atmospheric-like case involving an obstacle within a neutral boundary layer. We show that the good respect of the well-mixed criterion lies simply in the good introduction of the pressure gradient term as the mean drift term in the Langevin model (Pope, 1987; Minier et al., 2014; Bahlali et al., 2018c). Also, we discuss the importance of consistency between Eulerian and Lagrangian fields in the framework of such Eulerian/Lagrangian hybrid formulations. Then, we validate the model in the case of continuous point source pollutant dispersion, under uniform wind and homogeneous turbulence. In these conditions, there is an analytical solution allowing a precise verification. We observe that in this case, the Lagrangian model discriminates well the two different near- and far-field diffusion regimes, which is not the case for an Eulerian model based on the eddy-viscosity hypothesis (Bahlali et al., 2018b).Finally, we work on the validation of the model on several experimental campaigns in real atmosphere, taking into account atmospheric thermal stratification and the presence of buildings. The first experimental program considered in our work has been conducted on the `SIRTA' site (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique), in the southern suburb of Paris, and involves a stably stratified surface layer. The second campaign studied is the MUST (Mock Urban Setting Test) experiment. Conducted in the United States, in Utah's desert, this experiment aims at representing an idealized city, through several ranges of containers. Two cases are simulated and analyzed, respectively corresponding to neutral and stable atmospheric stratifications (Bahlali et al., 2018a)