Les objectifs ambitieux, fixés aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matière d'émission de polluants et de gaz à effet de serre rendent aujourd'hui indispensable une compréhension plus fine de la combustion dans les moteurs. La simulation 3D aux grandes échelles (LES) représente une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Elle permet l'étude de phénomènes transitoires complexes inaccessibles avec des moyens expérimentaux ou des méthodes de calculs traditionnelles de type RANS. Ce travail de thèse est une première étape vers la simulation LES de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à piston. Il a consisté à adapter le code de calcul aux particularités physiques de l'injection directe, technologie qui se généralise actuellement à tous les types de moteurs à piston. Dans un premier temps, et afin de s'affranchir du calcul 3D complexe en sortie d'injecteur, une méthodologie originale, consistant à initier le calcul en aval de l'injecteur, est proposée et validée sur différents cas. Pour la simulation 3D, l'approche Eulérienne mésoscopique, à laquelle est ajouté un modèle d'interaction particules-particules, est utilisée pour simuler le spray. Les simulations ont été premièrement validées par comparaison expérimentale dans des conditions proches de l'injection Diesel. De plus, une étude sur la dynamique du spray a permis de mieux comprendre son évolution et de dégager des points communs avec un jet de gaz turbulent. Des simulations complémentaires ont également montré la prédictivité de la LES sur des injections Diesel réalistes. Enfin, un premier calcul moteur à injection directe a été réalisé et a permis de valider les développements réalisés dans le cadre de cette thèse. / Car manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consumption. To respect these regulations, a better understanding of combustion processes is needed. Large Eddy Simulation (LES) is becoming a promising tool for such issues as it allows the study of complex unsteady phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments. The present work is a step towards the LES of liquid injection in piston engines. The numerical code has been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry. Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break-up and turbulence in the near-nozzle region, an original methodology, based on an injector model, has been proposed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit. Then LES 3D simulations of spray have been conducted using the Eulerian Mesoscopic approach extended to dense dispersed sprays by the addition of a particle-particle interactions model. The simulation results have been validated by comparison with experimental data in Diesel conditions with a low injection pressure. Furthermore a study on the spray dynamics has permitted to better understand its development and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work.

Le contexte général de cette thèse est la Simulation Numérique Directe des écoulements diphasiques dilués anisothermes. Un accent particulier est mis sur la détermination précise de la dispersion des particules et du transfert de chaleur entre la phase porteuse et dispersée. Cette dernière est décrite à l’aide d’une approche Eulérienne aux moments : le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) [41, 123], récemment étendu aux écoulements anisothermes [78]. Le principal objectif de ce travail est de déterminer si ce formalisme est capable de prendre en compte de manière précise l’inertie dynamique et thermique des particules dans un écoulement turbulent, et particulièrement dans une configuration avec un gradient moyen. Le code de calcul utilisé est AVBP. La simulation numérique d’un spray dilué avec une approche Eulerienne soulève des questions supplémentaires sur les méthodes numériques et les modèles employés. Ainsi, les méthodes numériques spécifiques aux écoulements diphasiques implémentées dans AVBP [69, 103, 109] ont été testées et revisitées. L’objectif est de proposer une stratégie numérique précise et robuste qui résiste aux forts gradients de fraction volumique de particule provoqués par la concentration préférentielle [132], tout en limitant la diffusion numérique. Ces stratégies numériques sont comparées sur une série de cas tests de complexité croissante et des diagnostics pertinents sont proposés. Par exemple, les dissipations dues `a la physique et au numérique sont extraites des simulations et quantifiées. Le cas test du tourbillon en deux dimensions chargé en particules est suggéré comme une configuration simple pour mettre en évidence l’impact de l’inertie des particules sur leur champ de concentration et pour discriminer les stratégies numériques. Une solution analytique est aussi proposée pour ce cas dans la limite des faibles nombres de Stokes. Finalement, la stratégie numérique qui couple le schéma centré d’ordre élevé TTGC et une technique de stabilisation, aussi appelée viscosité artificielle, est celle qui fournit les meilleurs résultats en terme de précision et de robustesse. Les paramètres de viscosité artificielle (c'est-à-dire les senseurs) doivent néanmoins être bien choisis. Ensuite, la question des modèles nécessaires pour d´écrire correctement la dispersion des particules dans une configuration avec un gradient moyen est abordée. Pour ce faire, un des modèles RUM (appel´e AXISY-C), proposé par Masi [78] et implémenté dans AVBP par Sierra [120], est validé avec succès dans deux configurations: un jet plan diphasique anisotherme 2D et 3D. Contrairement aux anciens modèles RUM, les principales statistiques de la phase dispersée sont désormais bien prédites au centre et aux bords du jet. Finalement, l’impact de l’inertie thermique des particules sur leur température est étudié. Les résultats montrent un effet important de cette inertie sur les statistiques mettant en évidence la nécessité pour les approches numériques de prendre en compte ce phénomène. Ainsi, l’extension du FEM aux écoulements anisothermes, c’est-à-dire les flux de chaleur RUM (notés RUM HF), est implémentée dans AVBP. L’impact des RUM HF sur les statistiques de température des particules est ensuite évalué sur les configurations des jets 2D et 3D. Les champs Eulériens sont comparés à des solutions Lagrangiennes de référence calculées par B. Leveugle au CORIA et par E. Masi à l’IMFT pour les jets 2D et 3D, respectivement. Les résultats montrent que les RUM HF améliorent la prédiction des fluctuations de température mésoscopique, et dans une moindre mesure la température moyenne des particules en fonction de la configuration. Les statistiques Lagrangiennes sont retrouvées lorsque les RUM HF sont pris en compte alors que les résultats sont dégradés dans le cas contraire. / This work addresses the Direct Numerical Simulation of non-isothermal turbulent flows laden with solid particles in the dilute regime. The focus is set on the accurate prediction of heat transfer between phases and of particles dispersion. The dispersed phase is described by an Eulerian approach : the Mesoscopic Eulerian Formalism [41, 123], recently extended to non-isothermal flows [78]. The main objective of this work is to assess the ability of this formalism to accurately account for both dynamic and thermal inertia of particles in turbulent sheared flows. The CFD code used in this work is AVBP. The numerical simulation of dilute sprays with an Eulerian approach calls for specific modelling and raises additional numerical issues. First, the numerical methods implemented in AVBP for two-phase flows [69, 103, 109] were tested and revisited. The objective was to propose an accurate and robust numerical strategy that withstands the steep gradients of particle volume fraction due to preferential concentration [132] with a limited numerical diffusion. These numerical strategies have been tested on a series of test cases of increasing complexity and relevant diagnostics were proposed. In particular, the two-dimensional vortex laden with solid particles was suggested as a simple configuration to illustrate the effect of particle inertia on their concentration profile and to test numerical strategies. An analytical solution was also derived in the limit of small inertia. Moreover, dissipations due to numerics and to physical effects were explicitly extracted and quantified. Eventually, the numerical strategy coupling the highorder centered scheme TTGC with a stabilization technique –the so called artificial viscosity– proved to be the most accurate and robust alternative in AVBP if an adequate set-up is used (i.e. sensors). Then, the issue of the accurate prediction of particle dispersion in configurations with a mean shear was adressed. One of the RUM model (denoted AXISY-C), proposed by Masi [78] and implemented by Sierra [120], was successfully validated in a two-dimensional and a three-dimensional non-isothermal jet laden with solid particles. Contrary to the former RUM models [63, 103], the main statistics of the dispersed phase were recovered at both the center and the edges of the jet. Finally, the impact of the thermal inertia of particles on their temperature statistics has been investigated. The results showed a strong dependency of these statistics to thermal inertia, pinpointing the necessity of the numerical approaches to account for this phenomenon. Therefore, the extension of the MEF to non isothermal conditions, i.e. the RUM heat fluxes, has been implemented in AVBP. The impact of the RUM HF terms on the temperature statistics was evaluated in both configurations of 2D and 3D jets. Eulerian solutions were compared with Lagrangian reference computations carried out by B. Leveugle at CORIA and by E. Masi at IMFT for the 2D and 3D jets, respectively. Results showed a strong positive impact of the RUM HF on the fluctuations of mesoscopic temperature, and to a lesser extent on the mean mesoscopic temperature depending of the configuration. Neglecting the RUM HF leads to erroneous results whereas the Lagrangian statistics are recovered when they are accounted for.

De nos jours, la combustion représente encore un 90% de la production totale d'énergie au monde. La plupart des brûleurs de type industriel utilisent comme carburant des hydrocarbures en forme liquide. Cependant, un grand nombre d'études ont été dédiés aux flammes gazeuses et l'impact du spray liquide est encore loin d'être totalement compris. Le but de cet étude est l'amélioration de la modélisation des deux phénomènes principaux qui ont lieu entre l'atomisation du spray et la combustion, i.e. la dispersion des gouttes par la turbulence gazeuse et le procès d'évaporation dans le contexte de la Simulation Aux Grandes Echelles (SGE) des configurations complexes. Premièrement, l'approche Euler-Euler mésoscopique (Février et al. (2005)), basée sur une moyenne d'ensemble conditionnée et implémentée dans AVBP est amélioré. Le modèle de fermeture (Simonin et al. (2001); Kaufmann (2004)) pour les moments de deuxième ordre qui apparait dans les équations de transport résolues échoue quand appliqué à des configurations cisaillées (Riber (2007)). Plusieurs modèles proposés récemment par Masi (2010) et qui ont été valides a priori dans une configuration de nappe chargée de particules sont validés a posteriori dans la même configuration. Un analyse quantitative sur plusieurs cas avec diffèrent nombres de Stokes, nombres de Reynolds de la phase gazeuse et résolutions du maillage ont permit de retenir un modèle non-linéaire nommé 2EASM3, qui utilise le tenseur de déformations de la phase dispersée comme échelle de temps caractéristique. La deuxième partie a pour but l'amélioration du modèle d'évaporation implémenté dans AVBP. Ce modèle suppose une conduction infinie dans la phase liquide et symétrie sphérique dans la phase gazeuse ainsi que des lois simplifiées pour les propriétés thermodynamiques et de transport. Un nouveau modèle prenant en compte la dépendance de la viscosité du mélange gazeux avec la composition locale, et des nombres de Prandtl et Schmidt fixés par les valeurs à l'équilibre obtenus par moyen d'une simulation prenant en compte des lois complèxes pour les propriétés thermodynamiques et de transport est proposé. Cette nouvelle méthode produit des résultats en bon accord avec les mesures expérimentales pour l'évaporation d'une goutte isolé en une atmosphère d'azote au calme sans pourtant augmenter le cout du calcul. Finalement, l'impacte des nouveaux modèles est analysé dans une SGE de la configuration semi-industrielle MERCATO (García-Rosa (2008)). Bien que les données expérimentales ne soient pas suffisantes pour confirmer les résultats, les distributions de gouttes et de carburant gazeux sont significativement affectés par les modèles, ce qui pourrait avoir un impact directe sur le procès d'allumage. / Combustion still represents about 90% of the energy production in the world. Most industrial burners are fuelled with liquid hydrocarbons. However, most studies have been dedicated to gaseous ßames and the impact of liquid spray is still misunderstood. The purpose of this study is to improve the modelisation of two main phenomena occurring between atomization and combustion, i.e. the droplet dispersion in the turbulent gaseous flow and the evaporation process, in the context of Large Eddy Simulation (LES) of complex configurations. First, the mesoscopic Euler-Euler approach (Février et al. (2005)) based on a conditioned ensemble averaging and implemented in AVBP is improved. The closure model (Simonin et al. (2001), Kaufmann (2004)) for the second-order moments appearing in the transport equations solved fails in mean-sheared configurations (Riber (2007)). Several new models proposed by Masi (2010) and a priori tested in a particle-laden slab are tested a posteriori in the same configuration. A quantitative analysis based on several calculations varying the Stokes number, the gaseous Reynolds number and the grid resolution allows to retain a non-linear model using the particle rate-of-strain tensor as timescale and called 2EASM3. The second part consists in improving the evaporation model implemented in AVBP which assumes infinite conduction in the liquid and spherical symmetry in the gas phase along with simplified thermodynamics and transport properties calculation. A new model is proposed, where the dependence of gaseous mixture viscosity on local composition is accounted for, and the Prandtl and Schmidt numbers are fixed by a reference equilibrium calculation using complex thermodynamics and transport properties. This method shows good agreement with experimental measurements in the configuration of an isolated droplet evaporating in quiescent N2 without further increasing the computational cost. Finally, the impact of the new models is analysed in the LES of the MERCATO semi-industrial configuration (García-Rosa (2008)). Although the experimental data are not sufficient to confirm the results, both the droplet distribution and the fuel mass fraction are significantly affected, which would eventually affect the ignition process.

Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s'avèrent de nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la consommation des énergies fossiles. Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbulents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulérienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance. Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques, permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d'effets polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées, afin d'en cerner les limites pour la simulation eulérienne d'une phase liquide. Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d'autres approches (FEM et approche lagrangienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l'expérience est montré pour toutes les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations. D'autres résultats expérimentaux s'avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene, autant en phase liquide qu'en phase gazeuse. / Turbulent two-phase flows are encountered in several industrial devices (piston engine, gas turbine, rocket engine...). A fine understanding of such configurations is mandatory to face problems of pollutant emissions, greenhouse gas, and fossil fuel rarefaction. The Large Eddy Simulation seems to be a good candidate. This kind of simulation captures a wide part of turbulence spectrum, and thus allows to predict instabilities and transient phenomena. The dispersed phase is simulated using an Eulerian approach, which seems to be more suitable than lagrangian methods for High Performance Computing. The present work consists in the extension to polydisperse flows of the existing eulerian formalism in the AVBP code. The Mesoscopic Eulerian Formalism (MEF) is coupled with the Multifluid approach. This new formalism, called Multifluid Mesoscopic Eulerian Formalism, is evaluated on simple test cases, showing the ability of such approach to capture turbulent and polydisperse effects. Numerical strategies available in AVBP are also evaluated, in order to emphasize on their limiting aspects for the eulerian simulation of a dispersed phase. The new formalism is finally applied to the simulation of the aeronautical configuration called MERCATO. Several experimental results are available, as well as numerical results using FEM and lagrangian approach. Results show a good agreement between experiments and numerical results, even if FEM results are worse concerning the fluctuations. New experimental results are necessary to determine which is the best approach, especially in terms of liquid and gas kerosene mass fraction.