Dans un contexte de diminution des émissions polluantes émises par les moteurs à combustion interne, le secteur des transports assiste à une amélioration des motorisations mais également à une diversification des carburants pour l’automobile. L’utilisation de ces différents carburants entraîne souvent un impact sur les performances de la combustion. Dans le cas du moteur à allumage commandé, la performance dépend du dégagement d’énergie, image de la vitesse de la combustion, soit du front de flamme consommant le mélange air-carburant. Or toute flamme en expansion est théoriquement soumise à des effets de courbure et de cisaillement, toutes deux contributions de l’étirement. La réponse à l’étirement étant propre à chaque type de mélange air-carburant (lié au carburant proprement dit, à la richesse du mélange, à la dilution …), ce travail de thèse est centré sur la compréhension de l’impact de l’étirement sur les performances des carburants dans les moteurs à allumage commandé. Pour cela, différents mélanges air-carburant similaires du point de vue des propriétés thermodynamiques et des vitesses fondamentales de combustion laminaire mais avec des sensibilités à l’étirement différentes ont été sélectionnés. Ces mélanges ont ensuite été étudiés dans différentes configurations expérimentales et à l’aide de différentes techniques de mesure: moteur monocylindre opaque et à accès optiques, chambre sphérique de combustion turbulente. Les résultats montrent que les propriétés de sensibilités à l’étirement déterminées en régime laminaire comme la longueur de Markstein et le nombre de Lewis sont indicatrices du comportement des mélanges en combustion turbulente, comme dans la chambre de combustion caractéristique des moteurs à allumage commandé, et sont des paramètres à prendre en considération afin de prédire les performances plus globales de ces carburants que ce soit expérimentalement qu’en simulation. / In a context of decreasing pollutant emissions, the transport sector is facing an improvement of engine concept as well as a fuel diversification. The use of these different fuels often involves an impact on the combustion performance itself. In the case of Spark ignition engine, the efficiency is a function of the released heat, image of the combustion speed, i.e. the flame front speed consuming the air-fuel mixture. It is well known that every expanding flame is submitted to flame curvature and strain rate which are both contributors to flame stretch. As the answer of each air-fuel mixture (i.e. the fuel itself, the equivalence ratio, the dilution …) is different to flame stretch, the objective of this work is to understand flame stretch impact on fuel performance in Spark-Ignition engines. To achieve this goal, different fuel-air mixtures with similar unstretched laminar burning speed and thermodynamic properties but different responses to stretch were selected. Those mixtures were then studied with different experimental devices with different measurement techniques: single-cylinder metallic and optical engines, turbulent combustion spherical vessel. Results show that flame stretch sensitivity properties such as Markstein length and Lewis number, determined in laminar combustion regime, are relevant parameters to describe the flame propagation in turbulent combustion as in the combustion chamber of the Spark-Ignition engine and need to be taken into consideration to evaluate global performance of these fuels, experimentally and also in modeling simulation.

Le moteur downsizé à allumage commandé constitue l’une des voies principales explorées par les constructeurs automobiles pour améliorer le rendement et réduire les émissions de dioxyde de carbone des motorisations essence. Il s’agit de combiner une réduction de la cylindrée avec une forte suralimentation afin d’améliorer le rendement du moteur, en particulier à faibles et moyennes charges. Leur mise au point est limitée par l’augmentation des combustions anormales, dont le contrôle par forte dilution peut également entraîner l'apparition de variabilités cycliques importantes. Actuellement, la compréhension des nombreux paramètres intervenant dans l'apparition de ces phénomènes et de leurs interactions, reste encore imparfaite. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension des mécanismes impliqués dans les processus de propagation des flammes turbulentes. Cette étude est réalisée dans une enceinte de combustion sphérique haute pression haute température, équipée de ventilateurs générant une turbulence homogène et isotrope. La première partie de ce travail est consacrée à l’étude de la combustion prémélangée laminaire isooctane/air. Dans un deuxième temps, l’aérodynamique de l’écoulement dans l’enceinte est finement caractérisée par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules. Enfin, la propagation des flammes turbulentes est étudiée en termes de vitesse à partir de visualisations par ombroscopie. Une loi unifiée, permettant de décrire la propagation des flammes turbulentes indépendamment des conditions thermodynamiques initiales, de l’intensité de la turbulence et de la nature du mélange réactif est notamment proposée. / Engine downsizing is a promising way explored for reducing carbon dioxide and pollutant emissions of spark ignition engines. Its principle is to reduce the engine size and to increase its specific power with the use of a turbocharger, especially at middle and high loads. Its development leads to the appearance of abnormal combustions, whose control by a high dilution rate can also lead to important cyclic variabilities. The understanding of the multiple parameters controlling these phenomena and their interactions, is still very limited. In this context, the present thesis addresses the issue related to the understanding of the mechanisms implied in turbulent flame propagation processes. This study is carried out in a fan-stirred high pressure high temperature spherical combustion vessel where turbulence is homogeneous and isotropic. The first part of this study concerns the study of laminar premixed flames of isooctane/air mixtures. Second, the turbulent flow in the vessel is accurately characterized using Laser Doppler Velocimetry and Particle Image Velocimetry measurements. Then, turbulent flame propagation is investigated in terms of flame velocity using shadowgraph visualizations. A unified scaling law for the turbulent propagation speed is especially proposed, regardless of the thermodynamic initial conditions, the intensity of the turbulence and the nature of the air/fuel mixture.

Face aux normes actuelles et futures de plus en plus draconiennes en termes d’émissions polluantes, les constructeurs automobiles cherchent en permanence à améliorer le rendement des moteurs à allumage commandé. L’une des voies efficaces et applicables à court terme pour réduire les émissions de dioxyde de carbone (CO2) consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en conservant leur performance grâce à la sur-alimentation : c’est l’approche de l’éco-suralimentation ou « downsizing ». L’une des particularités de ce mode de fonctionnement est le fort niveau de pression et de taux de dilution dans lequel se propage la flamme de prémélange. La simulation de la combustion turbulente de prémélange est devenue un outil incontournable pour la R&D. Toutefois, les hypothèses sur lesquelles reposent les modèles de combustion, tout particulièrement le modèle de flammelettes, peuvent être sujettes à discussion dans le cas d’un fonctionnement de type « downsizing ». Le but de ce travail de thèse est donc d’étudier expérimentalement les régimes de combustion de manière à valider ou non l’utilisation de ces modèles. Les grandeurs caractéristiques de la turbulence ont alors été caractérisées lors de la phase de compres-sion pour différentes pressions d’admission à l’aide de la vélocimétrie par imagerie de particules. La vitesse de combustion de laminaire a, quant à elle, été estimée à partir d’un mécanisme cinétique réduit. L’utilisation de la tomographie laser par diffusion de Mie avec et sans suivi temporel, nous a permis de caractériser la vitesse de combustion turbulente et la structure du front de flamme pour différentes pressions d’admission et différents taux de dilution. Lors de cette étude, nous avons ainsi pu mettre en évidence une cassure dans l’évolution de la PMI et de la vitesse de combustion turbulente à partir d’un taux de dilution de 25% : cette cassure a été reliée à la transition entre le régime de flammelette et le régime des flammes plissées épaissies. / Faced with the current and future more and more drastic standards for pollutant emissions, car manufacturers try to improve the efficiency of Spark Ignition engine. One effective and applicable ways to reduce the greenhouse emissions (CO2) in the short run is based on the reduction of the engine size while preserving their performance thank to turbocharging: eco-supercharging or « downsizing » approaches. One of the characteristics of this operating mode is the high level of the pressure and of the dilution rate of the medium in which the premixed flame propagates. The simulation of turbulent premixed flame is nowadays an indispensable tool for R&D. However, the assumptions on which the combustion models are based, particularly the flamelet model, can be prone to discussion in the « downsizing » conditions. The objective of this work is thus to study experimentally the combustion regimes in order to validate or not the use of these models. Turbulence parameters and flow fields were then characterized out during the compression stroke for several intake pressures by using Particle Imaging Velocimetry technique. The laminar burning velocity was estimated by using reduced chemical kinetic schemes. The Mie scattering laser tomography technique with and without temporal follow-up, enabled us to characterize the turbulent burning velocity and the flame front structure for different intake pressures and dilution rates. In this study, a break in the evolution of the IMEP and the turbulent burning velocity for a dilution rate of 25% has been obtained: this break was linked to the transition between the flamelet zone and the distributed reaction zones.

Depuis plusieurs années, les constructeurs automobiles suivent la voie du « downsizing » pour le développement des moteurs à allumage commandé. Ce procédé basé sur la réduction des cylindrées moteur combinée à la suralimentation a déjà fait ses preuves quant à son intérêt dans l’augmentation du rendement et la réduction des émissions polluantes des moteurs à essence. Les nouvelles conditions thermodynamiques, de turbulence et de dilution de ces moteurs engendrant de nouvelles possibilités de dilution dans les mélanges air/carburant, elles amènent également de nouvelles problématiques quant aux combustions anormales observées et l’apparition d’importantes variabilités cycliques. Ces travaux de thèse s’insèrent dans l’objectif de compréhension du comportement des flammes de prémélange d’isooctane/air en expansion dans des conditions représentatives d’un moteur « downsizé ». Leur étude a dans un premier temps été réalisée dans des conditions laminaires afin d’extraire les vitesses de flammes et longueurs de Markstein associées aux différents mélanges réactifs, et notamment sous forte dilution. Des corrélations ont alors été développées pour répondre aux besoins des modèles de simulation. Un nouveau dispositif de diagnostic optique a ensuite été employé pour améliorer la visualisation des flammes turbulentes en expansion. Une corrélation de coefficient correctif est ici développée pour remédier à la surestimation de vitesse engendrée par une visualisation Schlieren de ces flammes turbulentes. Une étude approfondie de l’influence des conditions thermodynamiques initiales, de la turbulence, ainsi que des caractéristiques diffusives du mélange air/carburant a par ailleurs été conduite afin d’isoler l’effet de chacun de ces paramètres sur le développement et la propagation de la flamme turbulente. Enfin l’effet d’une évolution simultanée des conditions thermodynamiques initiales similaire à celle d’une compression moteur a été étudié pour mieux appréhender les changements de comportement des flammes turbulentes dans des conditions plus représentatives du moteur à allumage commandé. / For several years, “downsizing” is used by car manufacturers to develop new spark ignition engines. This method based on the reduction of engine size combined with an increase of intake pressure (turbocharger) is well known to reduce pollutant emissions and increase efficiency. New thermodynamic, turbulent and dilution conditions could be used with these new engines but they can bring new issues like unusual combustion or cyclic variability. This thesis took place to improve the understanding of premixed expanding isooctane/air flames behavior under downsized engine-like conditions. As a first step, this work is conducted under laminar conditions to extract laminar burning velocities and Markstein lengths of the different mixtures, especially under high dilution. New correlations are then developed to answer the needs of numerical models. A new optical dispositive is then used to improve the visualization of turbulent expanding flames. A corrective coefficient correlation is proposed to avoid the overestimated values of turbulent burning speed generated by Schlieren visualization with such turbulent flames. A deep survey of starting conditions (temperature, pressure, turbulence, dissipative characteristics of air/fuel mixtures) influence is done to investigate the effect of each parameters on the development and the propagation of the turbulent flame. Finally, the effect of a coupled rise of initial temperature and pressure, similar to an engine compression, is studied to better understand the changes of flame behavior under more realistic spark-ignition engine conditions.

Le monoxyde d’azote (NO) est un polluant atmosphérique responsable d’effets nuisibles sur l’environnement et la santé. Afin de mieux contrôler ces émissions, il est indispensable de comprendre et de maîtriser leur formation,en particulier lors de la combustion à haute pression, domaine d’application industrielle (cas des turbines à gaz,des moteurs…). On distingue quatre voies principales de formation de NO : la voie thermique, la voie du NO précoce, la voie NNH et la voie N2O. L’objectif de cette thèse à caractère expérimentale est de compléter la base de données expérimentale déjà existante nécessaire à la compréhension et à l’identification de la contribution de chaque voie à la formation du NO à haute pression.Dans cette thèse, un dispositif de brûleurs à contre-courants a été utilisé pour étudier la structure de flammes laminaires, prémélangées à haute pression. Les profils de concentration de NO dans les flammes CH4/O2/N2 à différentes richesses (Фc =0,7-1,2) et différentes pressions (P=0,1-0,7 MPa) ont été mesurés par Fluorescence Induite par Laser. L’effet de l’ajout d’hydrogène (80%CH4/20%H2 : Application Hythane®) sur la formation de NO a également été étudié dans les flammes pauvres CH4/O2/N2. Le mécanisme cinétique GDF-Kin®3.0_NCN a été comparé aux mesures de NO disponibles dans la littérature ainsi qu’aux simulations des mécanismes cinétiques du Gaz Research Institute (version 2.11 et 3.0). Ces trois mécanismes ont été ensuite comparés aux mesures expérimentales réalisées dans ces travaux de thèse. / The nitric oxide (NO) is a pollutant responsible of detrimental effects on the environment and health. To better control these emissions, it’s crucial to understand and to control their formation, in particular during the combustion process at high pressure, area of industrial applications (gas turbines, engines…).There are four major routes of the NO formation: the thermal route, the prompt-NO route, the NNH route and theN2O route. The aim of this experimental thesis is to complete the existing experimental database which isnecessary to the understanding and the identification of the contribution from each route to the NO formation at high pressure.In this thesis, a facility of two twin counter-flow burners was used to study the structure of the laminar, premixed flames at high pressure. Experimental NO concentration profiles have been measured in CH4/O2/N2 flames for arange of equivalence ratio (from 0.7 to 1.2) and pressures (from 0.1 to 0.7 MPa) by Laser Induced Fluorescence.The effect of adding hydrogen (80%CH4/20%H2: Hythane® application) on the NO formation has been also studied in lean CH4/O2/N2 flames. The GDF-Kin®3.0_NCN kinetic mechanism has been compared to experimental data from the literature and also compared to the simulations from the Gas Research Institute mechanisms (version 2.11 and 3.0). These three mechanisms have been finally compared to the experimental data from this thesis.

Cette thèse est une étude expérimentale de la formation et de la maturation d’un anneau tourbillonnaire. Elle porte sur les écoulements faiblement inertiels (Reynolds : 5 à 500) en fluide newtonien puis non newtonien. Les anneaux sont générés par un système cylindre-piston. Ils sont analysés par visualisation et par vélocimétrie par images de particules (PIV). La dynamique en fluide newtonien à faible nombre de Reynolds se révèle plus complexe que celle à grands Reynolds avec l’apparition d’un anneau secondaire contrarotatif. Les résultats obtenus en fluide rhéofluidifiant montrent l’influence de l’indice de comportement ainsi que les zones de comportement rhéofluidifiant et newtonien. Les explorations en fluides viscoplastique et viscoélastique montrent la formation d’un ou plusieurs anneaux secondaires contrarotatifs, qui diffèrent dans leur formation et leur dynamique des anneaux observés en fluide newtonien et que l’on associe aux propriétés physiques intrinsèques du fluide. / The present work is an experimental study of the generation and the maturation of vortex rings, in order to characterize their structure and their global dynamics for small to moderate Reynolds numbers (between 5 and 500) in Newtonian and non-Newtonian fluids. The experimental set-up consists of a vertical cylindrical piston-tube system with the lower part immersed in a filled tank. Measurement campaigns have been carried out using dye visualization and Particle Image Velocimetry (PIV). A first part of the work is focussed on Newtonian fluid and allows the dynamics at low Reynolds numbers to be investigated qualitatively and quantitatively. This dynamics turns out to be more complex than the one classically observed at high Reynolds numbers, and is characterized by the production of a counter-rotating secondary vortex ring. The results obtained for shear thinning fluids show the influence of the power-law index on the development and the propagation of the ring. The computation of the shear rate field allows the results to be analyzed in terms of shear thinning and Newtonian regions. Finally a preliminary investigation for viscoplastic and viscoelastic fluids has been performed. In both cases, it is shown that one (for viscoplastic fluids) or several (for viscoelastic fluids) counter-rotating secondary vortex rings are generated, a phenomenon that can be associated with the intrinsic physical properties of the fluid. All these results provide several perspectives of study in the field of vortex rings dynamics in the weakly inertial regimes.

Cette thèse propose la reformulation et l'implantation d'une méthode simplifiée de prévision de la transition laminaire-turbulent naturelle, la méthode des paraboles. Elle s'appuie sur une base de donnée pour fournir une expression analytique des taux d'amplification de perturbations modales de la couche limite. Ces perturbations prennent naissance dans la couche limite à travers un mécanisme de réceptivité, puis connaissent une croissance linéaire suivie d'interactions non-linéaires qui conduisent à la transition vers la turbulence.La méthode du facteur-N permet la prévision de la position de transition en supposant qu'elle a lieu quand l'amplification linéaire totale d'un mode des perturbations a atteint une amplitude critique.L'amplification totale est obtenue en intégrant les taux d'amplifications des perturbations le long de la ligne de courant extérieure à la couche limite.Cette formulation intégrale n'est pas adaptée aux codes RANS et ces travaux proposent une reformulation de la méthode du facteur-N sous forme d'équation de transport, dont le terme source dépend du taux d'amplification des perturbations donné par la méthode des paraboles.Le modèle qui en résulte (N-sigma-P ou NSP) permet de déterminer si un point donné est en amont ou en aval du point de transition et ainsi de prévoir la position de transition, pour des configurations où la transition est déclenchée par des modes longitudinaux (ondes de Tollmien-Schlichting) ou transverses (crossflow). / A simplified laminar-turbulent transition prediction method (the so-called parabolas method) is recast into a RANS compatible formulation.The parabolas method is a database approach that gives an estimation of the growth rates of modal perturbations growing in the boundary layer.These perturbations rise through a process called receptivity and undergo a linear modal growth, followed by non-linear interactions that lead to a breakdown to transition. The N-factor (or e-to-N) method predicts the transition location under the assumption that transition occurs when the total linear growth of a mode reaches a prescribed threshold. This total growth is obtained via an integration of a mode's growth rate along the boundary-layer edge streamline. This classical integral formulation is not suitable in a RANS context and is therefore recast into a set of transport equations whose source terms depend on the growth rates given by the parabolas method.The resulting model (N-sigma-P or NSP) predicts if a given point in the flow field is up- or downstream of the transition location. It has been validated for cases where transition was triggered by longitudinal (Tollmien-Schlichting) and crossflow modes.

Cette thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension de la dynamique d'une interaction entre une onde de choc droite ou oblique et une couche limite laminaire ou turbulente. En particulier, nous nous sommes intéressés aux mécanismes responsables de l'apparition d'oscillations auto-entretenues basses fréquences. Ce phénomène survient dans de nombreux cas applicatifs comme dans des entrées d'air d'avions supersoniques, autour d'un profil d'aile en régime transsonique et au sein de tuyère en régime de sur-détente. La première partie de ce mémoire traite des différentes études réalisées pour déterminer la phénoménologie de ce type de dynamique. Dans un deuxième temps, nous expliquons la stratégie retenue pour effectuer notre étude qui consiste à développer un outil d'étude des instabilités, adapté à des écoulements turbulents présentant une interaction entre une onde de choc et une couche limite. Le développement d'un outil CFD linéarisé couplé à une méthode de résolution d'un problème aux valeurs propres par une approche dite sans matrice ou de « time-stepping », a permis la réalisation d'une telle étude. Après une étape de validation de notre outil, nous avons étudié des cas d'écoulements présentant une interaction entre une onde de choc et une couche limite. Trois cas en particulier ont été traités. Le premier cas correspond à une interaction entre une onde de choc oblique impactant une couche limite laminaire se développant sur une plaque plane. Ce cas est généralement qualifié dans la littérature de cas de « réflexion de choc ». Nous montrons qu'un tel écoulement est globalement stable et que sa dynamique peut être caractérisée par des mécanismes de réceptivité et par la réponse de l'écoulement vis-à-vis de perturbations extérieures. Les deux autres cas abordés dans ce travail ont été le cas d'un écoulement transsonique autour d'un profil d'aile de type NACA0012 en régime d'entrée en tremblement aérodynamique et un cas de tuyère transsonique plane de type Sajben en régime de sur-détente. Dans le premier cas, l'analyse de stabilité nous permet de mettre en évidence le phénomène de « buffet » sur le profil NACA0012, ce qui montre que le phénomène est lié à une instabilité globale linéaire . Dans le second cas, l'analyse de stabilité ne permet pas d'expliquer le phénomène auto-entretenues basses fréquences, et montre que l'écoulement est linéairement globalement stable. Dans ce cas, la dynamique est convective, transitoire et pilotée par des mécanismes de réceptivité. / The general purpose of this study is to provide a better understanding of the dynamics of an interaction between a shock wave and a laminar or turbulent boundary layer. In particular, we were interested in mechanisms responsible for the emergence of low-frequency self-sustained oscillations. This phenomenon arises in numerous industrial cases as in air inlets of supersonic aircrafts, around a profile of wing in transonic regime and within over-extended nozzle. The first part of this report handles various studies carried out to determine the phenomenology of this kind of dynamics. Secondly, we explain the strategy adopted to make our study which consists in developing a tool of study of the instabilities adapted to turbulent flows including an interaction between a shock wave and a boundary layer. The development of a linearized CFD tool coupled with a method of resolution of a eigenvalue problem by a free-matrix approach ( " time-stepping " approach), allowed the realization of such a study. After a stage of validation of our tool, we studied cases of flows including an interaction between a shock wave and a boundary layer. Three cases in particular were handled. The first case corresponds to an interaction enter an oblique shock wave impacting on a laminar boundary layer developing on a flat plate. This case is generally qualified in the literature of case as " reflected shock wave". We show that such a flow is globally stable and that the dynamics of such a flow behaves as a selective noise amplifier, the dynamic is mainly driven by receptivity mechanisms and by the response of upstream white nose disturbance. Two other cases have been studied on this work, the case of a transonic flow around a profile wing of NACA0012 type around the onset of buffet phenomenon and the case of transonic nozzle of Sajben type on over-extended regime. In the first case, the global stability analysis allows us to highlight the buffet phenomenon of on the profile NACA0012, what shows that the phenomenon is linked to a linear global instability. In the second case, the analysis of stability does not allow to explain the self-sustained low frequencies phenomenon, and shows that the flow is linearly globally stable. In this case, the dynamics is convective, passing and piloted by receptivity mechanisms.

L’érosion est un phénomène d’arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L’érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d’un essai dit d’érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d’érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics – Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n’a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l’utilisation d’ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d’étudier les phénomènes d’arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de la particule a été effectuée par l’étude de l’écoulement visqueux autour d’un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l’échelle de l’échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d’un grain solide rigide dans un fluide visqueux. / Erosion is a phenomenon related to the detachment and transport of solid particles by hydraulic efforts in hydraulic structures. This pathology which is common in earth structures can lead to their failure, therefore, the understanding and the prediction of this risk is of paramount importance. Soil erodibility is in many cases characterized through the hole erosion test and its numerical modeling is the pivot point of this thesis. The phenomenon of erosion is a coupled problem between the fluid and solid, and two particle based codes are chosen to address this problem : ASPHODEL (ANDRITZ - LMFA) for the fluid phase (method SPH – ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) and YADE (L3S -R) for the solid phase (method DEM Discrete Element method). While YADE has widely been used to model geotechnical problems, ASPHODEL has not been evaluated in this context. This work will constitute a feasibility study for the use of ASPHODEL and its ability to obtain quantitative results for the studied phenomena is addressed. Furthermore, the coupling between the two codes will be carried out in order to study the phenomena of particles detachment along conducts which walls are made with cohesive granular materials. To validate the code ASPHODEL at the particle scale, a study of the viscous flow around a 2D fixed object (cylinder) with different sections (circular, triangular and square) is performed. The drag force, the lift force, the pressure coefficient around the cylinder and the Strouhal number are compared to results obtained from the literature for different Reynolds in the laminar regime. In addition, the coefficient of friction is systematically calculated and also compared with results taken from the literature. The fluid forces on each solid particle are also evaluated. Finally, the partitioned coupling between the solid and fluid codes is developed and qualitatively validated with the problem of sedimentation under gravity of a rigid solid grain in a viscous fluid.

Le but de cette étude est d’étudier l’utilisation d’interactions fluide-structure (FSI) pour améliorer le transfert de chaleur et les performances de mélange dans des échangeurs-réacteurs multifonctionnels, et d’évaluer des configurations pour lesquelles l’objectif est de produire et de maintenir un régime dynamique auto-entretenu d’oscillations des générateurs de tourbillons flexibles. Dans un premier temps, deux études numériques ont été réalisées pour des écoulements laminaires bidimensionnels. Les résultats montrent qu’un minimum de trois générateurs de tourbillons alternés est nécessaire pour produire une instabilité qui engendre les oscillations de larges amplitudes. L’ajout de deux promoteurs coplanaires en amont déstabilise l’écoulement en créant des forces périodiques agissant sur les générateurs de tourbillons en aval. Il en résulte une augmentation de la vitesse réduite qui impose un blocage en fréquence des oscillations des générateurs de tourbillons en aval. Dans cette configuration, des oscillations de larges amplitudes sont obtenues pour uniquement deux générateurs de tourbillons en aval. Les oscillations des générateurs de tourbillons produisent une vorticité intense qui a une incidence positive que le transfert de chaleur et sur le mélange. Dans un second temps, une configuration tridimensionnelle HEV incluant des générateurs de tourbillons trapézoïdaux flexibles orientés a 45◦ vers l’amont est étudiée par simulations numériques. Une analyse FFT réalisée sur les coefficients issus d’une analyse POD montre un pic fréquentiel correspondant aux formations et lâchers tourbillonnaires périodiques. Cette fréquence dominante correspond bien au mode propre d’oscillation des générateurs de tourbillons et engendre ainsi de larges amplitudes d’oscillations. / The aim of this study is to investigate the use of fluid-structure interaction (FSI) to improve heat transfer and mixing performances in multi-functional heat exchangers/reactors, and to evaluate configuration designs where the main target is to produce and maintain self-sustained oscillations of flexible vortex generators. At first, two dimensional laminar flow studies are numerically investigated. The results show that a minimum of three alternating flaps is needed to produce an instability that leads to large displacement oscillations. However, the introduction of two co-planar flaps upstream destabilizes the flow by creating periodic forces that act on the alternating downstream flaps. Hence, this results in artificially increasing the reduced velocity that will induce the alternating flaps to be in a lock-in state. Thus in this case, large displacement amplitudes are created with two alternating flaps only. The free flaps oscillations produce vortices of higher strength which have a positive impact on heat transfer and mixing. Secondly, a three dimensional HEV configuration with flexible trapezoidal vortex generators inclined with an angle of 45◦ with respect to the wall and reversed opposite to the flow direction is numerically investigated. Fast Fourier Transformation is applied on the temporal variation of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) coefficientswhich displays a dominant peak in the flow and corresponds to the vortices periodic formation and detachment. This dominant frequency synchronizes well with the structural oscillation frequency and the fundamental frequency of the tabs reaching a lock-in state and leading to large oscillation amplitudes.