La simulation de fluide fait l’objet de recherches actives en infographie. Largement utilisée dans le domaine des jeux vidéos ou de l’animation, elle permet de simuler le comportement des liquides, des gaz et autres phénomènes pouvant être apparentés à un fluide. Pour cela, la simulation de fluide dispose d’outils de calcul numériques adaptés, permettant de produire des animations visuellement réalistes pour un temps de calcul raisonnable. Ce mémoire décrit les deux principales approches utilisées en simulation de fluide : l’approche eulérienne et l’approche lagrangienne, ainsi que certains outils numériques associés, que sont les différences finies et les fonctions de lissage. Chaque approche et chaque outil numérique possède ses avantages et ses inconvénients. Les noyaux constants par morceaux constituent un nouvel outil de calcul numérique et ouvrent de nouvelles possibilités à la simulation de fluide. Ils seront étudiés en détails puis intégrés dans une simulation de fluide eulérienne. L’atout notable qu’apportent les noyaux constants par morceaux est la possibilité d’augmenter la précision des calculs là où cela est jugé nécessaire dans la simulation. En augmentant la précision des calculs aux endroits clés, où sont susceptibles d’apparaitre des effets visuellement attrayants comme les tourbillons ou les remous, nous améliorons la qualité des animations.

Le travail présenté concerne le développement d’un cadre d’applications pour le traitement d’écoulements dispersés, tenant compte de l’effet de la coagulation sur la distribution des tailles des particules. Nous explorons également quelques techniques de validation expérimentale. Les modèles sont valables pour un écoulement incompressible et isotherme, avec des particules qui ont un temps de relaxation faible en comparaison à celui du fluide. Pour la phase dispersée, une méthode eulérienne est utilisée, ce qui permet d’extrapoler la vitesse des particules de celle du fluide. La distribution des tailles est modélisée à l’aide du « Direct Quadrature Method of Moments ». Cette approche permet de résoudre des équations de transport pour les poids et les abscisses d’une approximation de la distribution à l’aide des fonctions Dirac delta. L’effet de la coagulation est pris en compte à l’aide d’un noyau de collisions qui utilise la vitesse instantanée du fluide. Toutes les équations de transport sont résolues à l’aide de la méthode des éléments finis. Pour le fluide, les stabilisations « Streamline Upwind » et « Pressure Stabilized Petrov-Galerkin » sont utilisées ensemble avec une stabilisation grad-div. Afin de limiter le temps de calcul pour une simulation directe, une formulation utilisant un traitement explicite des termes d’advection est proposée. Avec l’apparition de gradients élevés, les équations de transport pour les particules nécessitent une stabilisation supplémentaire. Tout le travail est disponible dans le projet de logiciel libre Coolfluid 3, en utilisant un langage spécifique permettant une implémentation directe pour des modèles en éléments finis. Le code qui en résulte ressemble à la forme variationnelle des équations utilisées. Le programme est générique en termes de dimensions spatiales et de type d’éléments. Une première validation utilise des résultats trouvés dans la littérature comme référence. La précision des méthodes est vérifiée à l’aide des vortices Taylor-Green. Pour l’écoulement et les concentrations des particules, une simulation directe d’un canal turbulent est effectuée. Le noyau de coagulation est vérifié à l’aide de particules de différentes tailles qui tombent à travers un vortex Burgers. Finalement, quelques techniques de validation expérimentale sont utilisées dans une cellule d’essai. La technique « Particle Image Velocimetry » est utilisée pour les vitesses du fluide, tandis que la distribution des tailles est mesurée à l’aide du « Phase Doppler Anemometry » et « Multiple Wavelength Light Extinction ». La technique d’extinction de lumière est capable de produire des distributions des tailles qui peuvent être comparées facilement avec les résultats numériques. / The present work deals with the development of a framework for the modeling of dispersed flows, including the effect of coagulation on the particle size distribution. We also explore some techniques for experimental validation. Models are developed for incompressible, isothermal flow containing particles that have a small relaxation time compared to the fluid time scale. For the dispersed phase, an equilibrium Eulerian approach is used, extrapolating the particle velocity from the fluid velocity. The size distribution is modeled using the Direct Quadrature Method of Moments. In practice, this results in solving transport equations for the weights and abscissa of a Dirac delta approximation of the size distribution. To model the effect of coagulation, a collision kernel that makes use of the resolved instantaneous velocity is developed. All transport equations are solved using the Finite Element Method. For the fluid, the Streamline Upwind and Pressure Stabilized Petrov-Galerkin method are used, with additional grad-div stabilization. To decrease the solution time for DNS, a segregated formulation with an explicit advection term is proposed. The particle transport equations require cross-wind diffusion in addition to the streamline upwind stabilization when large gradients occur. All work is available in the open source Coolfluid 3 framework, using an Embedded Domain Specific Language we developed for the implementation of finite element models. The resulting code closely resembles the variational form of the equations and is generic in terms of element type and the number of spatial dimensions. A first validation uses literature results as reference. Correctness and accuracy of the methods are verified using the Taylor-Green vortex flow. For the fluid and particle concentration, direct numerical simulation of a turbulent channel flow is performed. The particle coagulation kernel is tested using particles of different sizes falling through a Burgers vortex. Finally, some experimental validation techniques are used on a small test chamber. Particle image velocimetry is used for the fluid motion, while the size distributions are measured using Phase Doppler Anemometry and Multiple Wavelength Light Extinction. The light extinction technique was found to produce size distributions that could provide valuable reference data for our particle model.

Le travail réalisé dans cette thèse introduit le concept de l'utilisation de la méthode Level-Set pour simuler l'interface Glace/Air au cours du temps lors du processus de givrage en vol des aéronefs. Pour cela, un code de givrage tri-dimensionnel multi-blocs et parallélisé a été implémenté au sein du solveur NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks). Il comprend notamment un module de calcul des trajectoires des gouttelettes par une approche Eulérienne compatible avec l'utilisation de grilles chimères et un module thermodynamique pour le calcul des masses de glace incluant deux modèles différents : un modèle algébrique itératif et un modèle à dérivées partielles. Une attention particulière a été portée sur la vérification du code de givrage implémenté en comparant systématiquement, si possible, les résultats obtenus avec les données expérimentales et numériques existantes dans la littérature. Pour cette raison, le module de déformation de maillage existant dans NSMB a été intégré au code implémenté afin de pouvoir simuler le givrage par une méthode traditionnelle. Enfin, un nouveau principe pour le suivi de l'interface glace/air est introduit via l'utilisation d'une méthode Level-Set. Puisque dans ce travail de thèse nous nous intéressons particulièrement au concept, la méthode Level-Set développée est d'ordre un et est résolue implicitement. On montrera cependant que des résultats valides sont obtenus avec une telle approximation. / This thesis introduces the concept of the Level-Set method for simulating the evolution through time of the ice/air interface during the process of in-flight aircraft icing. For that purpose, a three-dimensionnal multi-block and parallelized icing code have been implemented in the NSMB flow solver (Navier-Stokes-Multi-Blocks). It includes a module for calculating the droplet trajectories by an Eulerian approach compatible with the use of chimera grids and a thermodynamic module to calculate the ice masses including two different models : an iterative algebraic model and a PDE model. Particular attention was paid to the validation of the icing code irnplemented by comparing results with existing experimental and numerical data in the literature. For this reason, the existing mesh deformation algorithm in NSMB was integrated into the code to simulate icing by a traditional method. Finally a new principle to track the ice/air interface is introduced using the Level-Set method. Since we are particularly interested in the concept, the Level-Set method developped is first order and solved implicitly. However it will be shown that valid results are obtained with such an approximation.