Um modelo matemático e simulações numéricas são apresentados para investigação da dinâmica do escoamento de gás, óleo e água em sistemas pipeline-riser. O pipeline é modelado como um sistema de parâmetros concentrados e considera dois estados comutáveis: um em que o gás é capaz de penetrar no riser e outro no qual há uma frente de acúmulo de líquido, prevenindo a penetração do gás. O modelo do riser considera um sistema de parâmetros distribuídos, no qual nós móveis são usados para avaliar as condições locais ao longo do subsistema. Efeitos de transferência de massa são modelados utilizando a aproximação de black-oil. O modelo prediz a localização da frente de acúmulo de líquido no pipeline e do nível de líquido no riser, de maneira que é possível determinar qual tipo de intermitência severa ocorre no sistema. O método das características é usado para simplificar a diferenciação no sistema de equações mistas hiperbólicas-parabólicas resultante. As equações são discretizadas e integradas usando um método implícito com um esquema preditor-corretor para o tratamento das não-linearidades. Simulações correspondentes às condições de intermitência severa são apresentadas e comparadas aos resultados obtidos com o código computacional OLGA, resultando em uma boa concordância. Apresenta-se uma descrição dos tipos de intermitência severa para o escoamento trifásico de gás, óleo e água em um sistema pipeline-riser com efeitos de transferência de massa, assim como um estudo da influência de parâmetros geométricos e de caracterização dos fluidos sobre os mapas de estabilidade. / A mathematical model and numerical simulations are presented to investigate the dynamics of gas, oil and water flow in a pipeline-riser system. The pipeline is modeled as a lumped parameter system and considers two switchable states: one in which the gas is able to penetrate into the riser and another in which there is a liquid accumulation front, preventing the gas from penetrating the riser. The riser model considers a distributed parameter system, in which movable nodes are used to evaluate local conditions along the subsystem. Mass transfer effects are modeled by using a black oil approximation. The model predicts the location of the liquid accumulation front in the pipeline and the liquid level in the riser, so it is possible to determine which type of severe slugging occurs in the system. The method of characteristics is used to simplify the differentiation of the resulting mixed hyperbolic-parabolic system of equations. The equations are discretized and integrated using an implicit method with a predictor-corrector scheme for the treatment of the nonlinearities. Simulations corresponding to severe slugging conditions are presented and compared to results obtained with OLGA computer code, showing a very good agreement. A description of the types of severe slugging for the three-phase flow of gas, oil and water in a pipeline-riser system with mass transfer effects is presented, as well as a study of the influence of geometric and fluid characterization parameters on the stability maps.

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:08:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MartinezRicardo_DianaMarcela_M.pdf: 3485991 bytes, checksum: 9bd64ce80b2e1c25ed98644d4f52fd64 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de identificação da vazão de gás em um dos equipamentos usados na indústria petrolífera, às bombas centrífugas submersas (BCS) em regime de escoamento multifásico. Estas bombas apresentam falhas frequentes prematuras quando a vazão de gás é alta, as quais ocorrem por falta de informação do tipo de escoamento bifásico presente na bomba no tempo de operação. Por isto estudos de identificação experimental são requeridos nesta área. Neste contexto a presente pesquisa tem seu foco na obtenção de modelos mediante dados experimentais, recompilados diretamente da resposta do sistema que descrevem o comportamento da vazão de gás na planta de interesse, como: vibração, vazão, elevação entre outros. Estes modelos estão baseados na identificação não paramétrica e no algoritmo de aprendizagem de Máquina de Vetores de Suporte (SVM), onde os parâmetros ocultos da máquina de aprendizagem serão obtidos mediante algoritmos genéticos, visando obter modelos mais representativos / Abstract: This work develops a process to identify the flow of gas in one of the equipment used in the oil industry, the electric submersible pump (EPS) under multiphase flow. These pumps feature frequent premature failures when the gas flow is high. That occurs due to lack of information on the type of two ¿ phase flow in the pump in operation time. Experimental studies for this identification are required in this area. In this context, the present research focuses on obtaining models by experimental data collected directly from the system response which describes the behavior of the gas flow on the system of interest such as: vibration, fluid, elevation etc. These models are based on nonparametric identification and in learning algorithm support vector machine (SVM), where the hidden parameters of the learning machine will be obtained by genetic algorithms in order to obtain more representative models / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T00:41:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Foresti_BernardoPereira_M.pdf: 7267999 bytes, checksum: 1a200bffc0e39d2a529a64080b7ddad0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho buscou-se desenvolver uma metodologia que se valendo de dados de vibração estrutural de carcaça e da operação de uma bomba do bombeio centrífugo submerso (BCS) fosse capaz de identificar parâmetros da operação deste tipo de máquina, tais como: vazão mássica de líquido e gás, diferença de pressão, eficiência e potência mecânica. Para isso foram adaptados os seguintes métodos de diagnóstico de falhas: Método Baseado na Densidade Espectral de Potência, Método Baseado na Função Resposta em Frequência, Método Baseado na Medida de Coerência, Métodos Baseados nos Parâmetros do Modelo (Geométrico e Não-geométrico), Métodos Baseados nos Resíduos do Modelo (Baseado na Variância e Auto-covariância dos Resíduos) e Método Baseado em Modelos Funcionais. Tais métodos requerem a organização de um banco de dados, na fase de levantamento de referências utilizado para comparação com dados obtidos na fase de inspeção, visando à detecção, identificação e estimação da magnitude das falhas e defeitos, conceitos adaptados para o problema apresentado neste trabalho. A metodologia foi aplicada a dois casos: o primeiro, numérico, baseado em dados obtidos da simulação de um sistema de três graus de liberdade foi utilizado para operacionalização da metodologia e antecipação de problemas e dificuldades em sua aplicação. O segundo, experimental, principal foco deste trabalho, baseado em uma bomba utilizada no bombeio centrífugo submerso. Para aplicação da metodologia ao caso experimental, foi elaborado experimento utilizando uma bomba do BCS de quatro estágios instrumentada operando com escoamento bifásico ar-água em diferentes proporções. Resultados indicaram bom desempenho na detecção do tipo de escoamento (monofásico/bifásico), na identificação da vazão mássica de gás escoado e na estimação da vazão de líquido transportado pelo BCS / Abstract: In this research a method using structural vibration and operational data of a pump module normally used with and electrical submersible pump (ESP) has been developed to identify operational parameters, such as: liquid and gas flow rate, differential pressure, efficiency and shaft power. To this end, the following time-series fault detection and identification (FDI) methods were adapted: Power Spectral Density-based Method, Frequency Response Function-based Method, Coherence Measure-based Method, Parameter-based Method (Geometric and Non-geometric), Residual-based Methods (Residual Variance and Residual Uncorrelatedness) and Functional Model-based Method. For FDI, the methods require the set-up of a data base, in the baseline phase used for comparison with data obtained during inspection. The methodology was applied for two cases: A numerical problem based on a three degrees of freedom system, aiming at making functional the programs used and anticipating problematic issues and experimental data from a real ESP pump module, main focus of this work. The experiment consists of measuring structural vibration, and operational data of an ESP pump while varying liquid and gas flow rates keeping shaft speed and suction pressure constant. Results have indicated successful detection of flow type (monophasic/biphasic), identification of the gas flow and estimation of the liquid flow pumped by the ESP pump / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T06:44:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvarezCastro_HelverCrispiniano_D.pdf: 5280150 bytes, checksum: 96fb29e2849d11c06890186cb8af2f51 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Conversão de matéria-prima e rendimento são estudados através de um modelo 3D que simula o principal reator do processo de craqueamento catalítico fluidizado (FCC). Fluidodinâmica computacional (CFD) é usada como técnica com abordagem Euleriana-Euleriana para prever o comportamento do riser da FCC. O modelo considera 12 grupos com desativação do catalisador dada por coque e envenenamento por nitritos alcalinas e adsorção aromático policíclico para estimar o comportamento cinético, o qual partindo de uma determinada matéria prima, se craquea a diversos produtos. Composições diferentes para matérias-primas foram consideradas. Para validação o modelo foi comparado com dados experimentais em condições de operação industrial. O modelo é capaz de representar com precisão a geração de produtos para as diferentes condições de operação consideradas. Todas as condições consideradas foram resolvidos usando o solver Ansys CFX 14.0. As diferentes variáveis do processo de operação e efeitos hidrodinâmicos do riser industrial de craqueamento catalítico fluidizado (FCC) foram avaliadas. As previsões do modelo são apresentados e comparadas; conversão e produtos são apresentados. Recomendações para criar condições para obter maior rendimento do produto no processo industrial foram dadas / Abstract: Feedstock conversion and yield products are studied through a 3D model simulating the main reactor of the fluid catalytic cracking (FCC) process. Computational Fluid Dynamic (CFD) is used with Eulerian-Eulerian approach to predict the fluid catalytic cracking behavior. The model considers 12 lumps with catalyst deactivation by coke and poisoning by alkaline nitrides and polycyclic aromatic adsorption to estimate the kinetic behavior which, starting from a given feedstock, produces several cracking products. Different feedstock compositions are considered. The model is compared with sampling data at industrial operation conditions. The simulation model is able to represent accurately the products behavior for the different operating conditions considered. All the conditions considered were solved using a solver Ansys CFX 14.0. The different operation process variables and hydrodynamic effects of the industrial riser of a fluid catalytic cracking (FCC) are evaluated. Predictions from the model are shown and comparison with experimental conversion and yields products are presented; recommendations are drawn to establish the conditions to obtain higher product yields in the industrial process / Doutorado / Engenharia de Processos / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Osvair Vidal Trevisan / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-22T17:34:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Machado_CintiaGoncalves_M.pdf: 16851986 bytes, checksum: d2b235b62b2caa45fabdb9df65820998 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A injeção alternada de água e gás (WAG) configura um método mundialmente consagrado de recuperação de petróleo, no qual uma fase aquosa exerce controle de mobilidade e aumenta a área de varrido dos gases injetados no reservatório. O processo de injeção alternada de fluidos imiscíveis gera alterações irreversíveis nas curvas de permeabilidade relativa em função do efeito de histerese. Este efeito é consequente do processo e do histórico de saturações dos fluidos presentes no meio poroso. Sendo os dados de permeabilidade relativa parâmetros essenciais para a predição e gerenciamento da produção de reservatórios de petróleo, mostra-se necessário o conhecimento dos efeitos de histerese para o planejamento de projetos de injeção alternada de água e gás durante o desenvolvimento de campos petrolíferos. Este trabalho consistiu em um estudo laboratorial para investigação do efeito de histerese nas curvas de permeabilidade relativa. Os ensaios foram realizados em regime permanente e utilizou-se Tomografia Computadorizada de Raios-X para a quantificação in situ da variação das saturações dos diferentes fluidos no meio poroso durante os processos de deslocamento no meio poroso. Os deslocamentos consistiram na injeção alternada de salmoura de alta salinidade e nitrogênio em uma rocha calcária de afloramento, análoga aos reservatórios do Pré-Sal, saturada com óleo e água residual. Os principais objetivos foram à avaliação dos efeitos histeréticos nas curvas de permeabilidade relativa e a obtenção de parâmetros a serem utilizados em modelos numéricos para simulação de reservatórios. Efeitos histeréticos foram observados tanto nas curvas de permeabilidade relativa ao gás como nas relativas à salmoura. Estes efeitos foram atribuídos principalmente ao aprisionamento de gás no meio poroso ao longo dos ciclos de injeção. Observou-se também que a saturação residual de óleo se reduziu consideravelmente, ao longo da realização dos ciclos / Abstract: Water-alternating-gas (WAG) injection is a useful configuration for enhanced oil recovery (EOR). WAG consists in the improvement of the mobility control and areal sweep by cyclic injection of gas and water and it has been successfully applied worldwide. Application of WAG to carbonate reservoir has produced non-reversible changes in the permeability curves during the injection cycles in consequence of saturation path and history, which are assigned as permeability hysteresis. Consequently, hysteresis parameters obtained from experimental investigations are often required to adjust hysteresis models and to allow the improvement of the oil recovery prediction. This work reports a laboratorial investigation on relative permeability hysteresis during alternating injection of high salinity brine and nitrogen into an oil saturated carbonate core, analog to the reservoir rocks of Brazilian Pre-salt, under steady-state conditions. X-Ray Computed Tomography (CT) was applied to obtain a multiphasic quantitative analysis of the fluid in-situ saturations in the porous media. Main targets were to evaluate the permeability hysteresis and to assess the parameters to be applied in models of relative permeability hysteresis for numerical simulation. Hysteresis effects on the relative permeability curves were observed in each cycle. Permeability hysteresis was mainly attributed to gas trapping in the porous media during the injection cycles. In addition, the oil residual saturation was decreased along the successive cycles / Mestrado / Reservatórios e Gestão / Mestra em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Antonio Carlos Bannwart / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências / Made available in DSpace on 2018-08-23T09:29:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Daun_LeandroGalvao_M.pdf: 5084421 bytes, checksum: 56e4661dc939fdef8c0383b09f63721f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os desafios tecnológicos na produção de petróleo e gás têm aumentado consideravelmente nos últimos anos devido à busca por segurança, redução de custos e otimização da produção, como indicado pelo grande número de estudos sobre a garantia de escoamento. Uma grande preocupação está relacionada ao escoamento multifásico em equipamentos submarinos, onde podem ocorrer diferentes padrões de escoamento e fenômenos termo-fluido-dinâmicos. O presente trabalho tem por objetivo avaliar experimentalmente possíveis fenômenos de garantia de escoamento na entrada de um Sistema de Bombeio Centrifugo Submerso em Skid (S-BCSS), como o instalado no campo de Espadarte na costa brasileira. A atenção foi dada a possíveis sinais de surging da BCS, devido à presença de gás na fase líquida e mudança na orientação do escoamento a partir da horizontal para a vertical descendente, a montante da entrada da bomba. As condições de transição entre os padrões de escoamento "bolhas dispersas" e "intermitente" foram investigados em uma linha experimental com configuração do tipo U horizontal com braços superior, inferior e curvas de 90 graus. A tubulação da linha possui diâmetro interno de 60 milímetros e comprimento total de 32 metros, sendo testada com ar e água em uma ampla gama de composições de mistura permitindo a comparação com mapas de fluxo horizontal e vertical descendente encontrados na literatura. O comportamento dos limites de padrões de escoamento foi experimentalmente avaliado, indicando possibilidades de acumulo de gás na curva superior devido à mudança de padrão "bolhas dispersas" para "intermitente" quando há alterações de orientação do escoamento horizontal para vertical descendente. A existência de uma velocidade mínima da mistura capaz de assegurar o arrasto das bolhas pelo líquido foi também investigada. Diferentes correlações para a velocidade de deslizamento e parâmetro de distribuição foram testadas para o cálculo da fração de vazio. Isto foi realizado através da obtenção da velocidade média do gás local, por meio da obtenção de imagens em alta velocidade seguido de um processamento digital das mesmas. A fração de vazio foi calculada a partir da relação entre as velocidades superficiais e locais do gás. Através da comparação entre 2124 pontos experimentais, foi possível obter as melhores correlações de fração de vazio para diferentes intervalos, resultando na obtenção de diferentes valores de velocidades mínimas de mistura / Abstract: The technological challenges in the oil and gas production have increased considerably in recent years due to the search for safety, cost reduction and production optimization, as indicated by the large number of studies on flow assurance. One major concern is the multiphase flow in subsea equipment where different flow patterns and thermo-fluid-dynamic phenomena may occur. The present work is aimed at evaluating experimentally possible flow assurance phenomena at the inlet of a Subsea Skided ESP (mudline ESP) such as one installed at Espadarte field offshore Brazil. Attention was paid to possible surging of the pump due to the presence of gas bubbles within the liquid and change in flow orientation from horizontal to vertical downward upstream the ESP intake. First, the conditions at the transition between dispersed bubbles and intermittent flow were investigated in a horizontal U-type tube with top and down arms and 90-degree bends. A flow circuit of 60mm i.d. size and 32m was built and tested using air and water in a wide range of mixture compositions, allowing comparisons with horizontal and downward flow maps found in the literature. The behavior of flow pattern boundaries was experimentally evaluated and indicated no possibility of gas accumulation on the upper bend due when the flow pattern changes from dispersed bubbles to intermittent as the flow orientation changes from horizontal to downward. The requirement of a minimum mixture velocity capable of ensuring enough drag of the bubbles by the liquid was also investigated. Several different correlations for drift velocity and distribution parameter were tested for calculation of the void fraction. This was achieved by measuring the local average gas velocity using a high speed imaging and digital image processing. The void fraction was calculated from the ratio between superficial and local gas velocities. From comparison with 2,124 data points, the best void fraction correlation for each range was determined, from which reliable values for the minimum mixture velocity were determined / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Orientador: Milton Mori / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T06:39:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezSilva_German_D.pdf: 4427269 bytes, checksum: bb45c122c3faad0613f060ad4cbd3b61 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo principal desta tese é propor uma metodologia para aplicar simulação de grandes escalas (LES) em uma unidade de craqueamento catalítico industrial. Para atingir este objetivo, iniciou-se propondo uma metodologia para a construção da malha, sendo uma malha quase-uniforme. As malhas propostas foram implementadas para minimizar o esforço computacional e procedimento para a refinação uniforme no domínio do sistema. Inicialmente, foi estudada a fluidodinâmica de um leito fluidizado gás-sólido na escala de laboratório sem reação química, utilizando Simulação de Grandes Escalas. Com base nos resultados numéricos obtidos a partir de resultados da escala de laboratório foi aplicado o modelo cinético de 4 lump em uma simulação CFD tridimensional para um reator industrial FCC, utilizando LES para a fase gasosa, e considerando o catalisador como uma fase contínua (Euleriana). Os pacotes de simulação utilizados foram Ansys ICEM versão 13 para a construção da malha e Ansys CFX versão 13 para o pós-processamento dos resultados. No pós-processamento dos resultados foi proposta uma metodologia para determinar as médias azimutais das variáveis em planos perpendiculares ao escoamento e finalmente foram validadas as simulações com dados reportados na literatura. As principais conclusões do trabalho foram que foi possível diminuir o tamanho da malha e o tempo de processamento. Notou-se também que, ao usar malhas com discretização quase-uniforme não foi necessário fazer um refinamento de malha elevado, nem refinar perto da parede para o sistema gás-sólido / Abstract: The main objective of this thesis is to propose a methodology in how to apply Large Eddy Simulation (LES) on a unit of catalytic cracking. In order to achieve this, it was proposed an alternative way of constructing the computational mesh, by using quasi-uniform meshes. The proposed meshes were implemented to minimize the computational effort and procedure for refining them in the entire domain of the system. Initially it was studied the fluid dynamics of a lab scale gas-solid system without chemical reaction, using Large Eddy Simulation. Based on the numerical results obtained from lab scale results it was implemented the 4 lump kinetic model in a three dimensional CFD simulation of an FCC industrial reactor, using LES for the gas phase and considering the catalyst as a continuous phase (Eulerian). The simulation packages used were Ansys ICEM, version 13 for mesh construction and Ansys CFX 13 for computation and post-processing of the results. In the data post-processing it was proposed a methodology for calculating average values of fluctuating variables between two circular sections in the azimuthal direction. The results were compared with data reported in literature. The main conclusions of the results showed that it was possible to decrease the mesh size and the computational time. It was also noticed that by using quasi-uniform discretization it was not necessary to make a high mesh refinement near the wall for a gas-solid system / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Cette thèse est consacrée au mécanisme conduisant à des taux de collisions importants dans les suspensions turbulentes de particules inertielles. Le travail a été effectué en suivant numériquement des particules, par simulations directes des équations de Navier–Stokes, et également par étude de modèles simplifiés. Les applications de ce domaine sont nombreuses aussi bien dans un contexte industriel que naturel (astrophysique, géophysique). L’approximation des collisions fantômes (ACF), souvent utilisée pour déterminer les taux de collision numériquement, consiste à compter dans une simulation, le nombre de fois que la distance entre les centres de deux particules devient plus faible qu’une distance seuil. Plusieurs arguments théoriques suggéreraient que cette approximation conduit à une surestimation du taux de collision. Cette thèse fournit non seulement une estimation quantitative de cette surestimation, mais également une compréhension détaillée des mécanismes des erreurs faites par l’ACF. Nous trouvons qu’une paire de particules peut subir des collisions répétées avec une grande probabilité. Ceci est relié à l’observation que, dans un écoulement turbulent, certaines paires de particules peuvent rester proches pendant très longtemps. Une deuxième classe de résultats obtenus dans cette thèse a permis une compréhension quantitative des très forts taux de collisions souvent observés. Nous montrons que lorsque l’inertie des particules n’est pas très petite, l’effet « fronde/caustiques », à savoir, l’éjection de particules par des tourbillons intenses, est responsable du taux de collision élevé. En comparaison, la concentration préférentielle de particules dans certaines régions de l’espace joue un rôle mineur. / This thesis is devoted to the mechanisms leading to strong collision rates of inertial particles in turbulent suspensions. Our work is based on simulating the motion of particles, using both direct numerical simulations of the Navier–Stokes equations, and a simpler model (kinematic simulations). This subject is important for many applications, in industrial as well as natural (astrophysical, geophysical) contexts. We revisit the ghost collision approximation (GCA), widely used to determine the rate of collisions in numerical simulations, which consists in counting how many times the centers of two particles come within a given distance. Theoretical arguments suggested that this approximation leads to an overestimate of the real collision rate. This work provides not only a quantitative description of this overestimate, but also a detailed understanding of the error made using the GCA. We find that a given particle pair may undergo multiple collisions with a relatively high probability. This is related to the observation that in turbulent flows, particle pairs may stay close for a very long time. We have provided a full quantitative characterization of the time spent together by pairs of particles. A second class of results obtained in this thesis concerns a quantitative understanding of the very strong collision rates often observed. We demonstrate that when the particle inertia is not very small, the “sling/caustics ” effect, i.e., the ejection of particles from energetic vortices in the flow, is responsible for the high collision rates. The preferential concentration of particles in some regions of space plays in comparison a weaker role.

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.

La présente étude est dédiée à la compréhension des mécanismes de malaxage intervenant lors du soudage de matériaux dissimilaires par des sources de haute énergie et en particulier sur deux couples de matériaux présentant des problèmes métallurgiques différents : • cuivre - inox (lacune de miscibilité, différence de propriétés thermophysiques),• TA6V- inox (oxydation, formation de phases intermétalliques fragilisant la soudure).Pour le premier couple de matériaux, le soudage par laser Nd:YAG continu et par faisceau d'électrons a été utilisé. L'étude des évolutions de la morphologie des soudures, de la composition et de la microstructure des zones fondues ainsi que des propriétés mécaniques a permis de proposer des hypothèses sur les mécanismes de formation du mélange hétérogène à solubilité limitée. Afin de quantifier les phénomènes physiques intervenant en soudage continu de matériaux dissimilaires, la modélisation numérique a été mise en œuvre en utilisant le logiciel FEM "Comsol Multiphysics". Une série des modèles simulant les champs de températures, les mouvements convectifs et le malaxage (diffusion, méthode level set, méthode des champs de phases) a été créée. Dans le cas du laser, la formulation pseudo-stationnaire du transfert de chaleur basée sur la géométrie du capillaire simplifiée et la convection a été couplée avec les problèmes 2D de diffusion et de malaxage des matériaux dans différents plans horizontaux. En soudage par faisceau d'électrons, la morphologie de la microstructure a nécessité une formulation temporelle. Le modèle multiphysique final en couplage complet (solution multiphysique simultanée) reproduit le processus de formation d'une structure périodique de solidification lors du soudage par faisceau d'électrons et permet d'expliquer l'aspect des structures alternées entre matériaux immiscibles ou présentant de grandes différences de propriétés thermophysiques.Le deuxième couple de matériaux présente des problèmes métallurgiques majeurs liés à la formation des phases intermétalliques rendant l'assemblage direct par fusion impossible. La composition locale devient donc l'aspect-clef de la formation d’une soudure correcte : l'introduction d’un troisième matériau (cuivre) ayant une meilleure compatibilité avec le titane est nécessaire. Pour pouvoir déterminer les fenêtres optimales des conditions opératoires, les modèles numériques, créés précédemment, ont été adaptés pour quatre procédés de l’assemblage : faisceau d'électrons, soudage lasers Nd:YAG continu et pulsé, brasage par laser avec apport de fil. L'analyse élémentaire des microstructures dans les soudures résistantes mécaniquement a permis de développer le scénario de la solidification d'une zone fondue et de comprendre l'influence de la composition aux interfaces sur la résistance mécanique des assemblages.Les modèles numériques multiphysiques créés au cours de cette étude permettent l'accès rapide à la grande quantité d'information sur le comportement de la zone fondue en fonction des paramètres de soudage en se basant sur le nombre des données de départ relativement limité et sur quelques hypothèses simplificatrices. L'approche multiphysique à la modélisation de soudage permet de reproduire la forme de la zone fondue, visualiser les écoulements du liquide et cartographier la distribution de certains éléments avec une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. L'ensemble des modèles permet de déterminer les conditions opératoires répondant aux critères fixes en fonction de la métallurgie d'un couple hétérogène. / The present study is dedicated to the comprehension of the mechanism of materials mixing during dissimilar welding by high power beam sources. We have been interested in joining of two couples of metallic materials which present different metallurgical problems: • copper- stainless steel (miscibility gap, important difference in physical properties);• TA6V- stainless steel (oxidation on air, formation of intermetallic phases which made the joint brittle).For the first couple of materials, continuous laser Nd:YAG welding and electron beam welding have been applied. The experimental study of morphology evolution, composition, microstructure and mechanical properties has allowed establishing the hypotheses on formation of heterogeneous mixture between the materials having limited solubility. To quantify the physical phenomena of continuous dissimilar welding, the numerical modeling has been carried out by means of FEM software package "Comsol Multiphysics". A number of models reproducing temperature field, convection movements and mixing (diffusion, level set method, phase field method) between the materials has been created. In case of continuous laser welding, the pseudo-stationary formulation of heat transfer based on simplified key-hole geometry and convection has been coupled with two-dimensional problems of diffusion and mixing in horizontal planes. The electron beam welding presenting the nonlinear development of the weld has needed employing of temporary formulation. Final model including complete coupling (simultaneous multiphysical solving) reproduces the process of development of periodic solidification structure during electron beam welding and allows explaining the mechanism of formation of altered structures between immiscible materials which have important difference in thermophysical properties.The second couple of materials presents weldability problems due to formation of brittle intermetallic phases making direct joining by fusion impossible. The local elementary composition becomes the key-aspect of successful joining: the introduction of the third material (pure copper) having better compatibility with titanium is necessary. To determine the ranges of optimal operational conditions, numerical models created previously have been adapted to the case of four joining techniques: electron beam and laser Nd:YAG (continuous and pulsed) welding and laser brazing with filler wire. Elementary analysis of microstructures of resistant welds has allowed developing the solidification scenario and understanding the influence of local composition of heterogeneous interfaces on tensile properties of the joints. The multiphysical models created during this study allow rapid access to high quantity of data on behavior of melted zone in function of welding parameters basing on relatively limited input data and several simplification hypotheses. The multiphysical approach to welding modeling allows recreating the shape of melted zone, to visualization the convection movements and providing the cartography of several elements in good correspondence with experimental results. A set of models allows determination of operational parameters respecting fixed criterions determined by metallurgy of dissimilar couple.