Un grand nombre d'écoulements naturels et industriels mettent en jeu des particules (sédimentation,lit fluidisé, sprays...). Les écoulements chargés en particules sont bien décrits numériquement sous l'hypothèse des particules plus petites que toutes les échelles de l'écoulement. Cette thèse consiste à simuler numériquement une turbulence homogène et isotrope soutenue chargée en particules dont la taille est supérieure à l'échelle de Kolmogorov. Pour se faire une méthode de simulation a été développée au sein du code Thétis puis validée. L'originalité de cette méthode consiste en l'utilisation d'une approche de pénalisation associée à la viscosité dans la zone solide. Les particules sont transportées de façon lagrangienne. Les principaux résultats concernent trois simulations faisant varier le rapport de densité entre le fluide et le solide. Chaque simulation simule le mouvement de 512particules avec un diamètre 22 fois plus grand que l'échelle spatiale de Kolmogorov remplissant ainsi3% du volume total. La dispersion des particules est étudiée et montre des comportements comparables à ceux observés pour des particules ponctuelles. Un intérêt particulier est porté sur le régime collisionnel. On observe que la corrélation des vitesses avec le fluide environnant réduit le nombre de chocs frontaux par rapport au cas théorique de particules d'un gaz dense. L'effet de la prise en compte du fluide visqueux entre les particules (couche de lubrification) lors de la collision a été étudiée. L'écoulement moyen à l'échelle des particules est aussi analysé, mettant en évidence l'existence d'une couche de dissipation autour des particules. / Many applications and natural environment flows make use of particles (sedimentation, fluidized bed,sprays...). Particle laden flows are described correctly by numerical methods when the particles are smaller than all other spatial scales of the flow. This thesis involves the numerical simulation of a particle laden sustained homogeneous isotropic turbulence whose particle's size is larger than the Kolmogovov spatial scale. A numerical method has been developed and validated in the numerical code Thetis. The novelty of this method is the viscosity penalization approach. The particles are tracked by a Lagrangian way. The main results obtained are related to three simulations where the density ratio between the solid and the fluid varies. Each simulation reproduces the movement of 512particles whose diameter is 22 times the Kolmogorov spatial scale (3% volumetric solid fraction).The dispersion of particles is studied and has similar behavior than those observed with point particles simulations. The collision regime is also investigated. It is shown that he number of frontal collision is lower than its estimate for kinetic theory of gazes because there is a correlation between the particles velocity and the surrounding fluid. The modification of the collision regime when the lubrication film between particles at collision is taken into account is studied. Finally, the averaged flow around particles is analyzed and shows that there is a dissipation layer around particles.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’accélération de particules fluides et inertielles en déplacement dans une turbulence soumise à un gradient de vitesse moyen. L’objectif est de récupérer des données de référence afin de développer des modèles LES stochastiques pour la prédiction de l’accélération de sous-maille et l’accélération de particules inertielles dans des conditions inhomogènes. La modélisation de l’accélération de sous-maille est effectuée à l’aide de l’approche LES-SSAM introduite par Sabel’nikov, Chtab et Gorokhovski[EPJB 80:177]. L’accélération est modélisée à l’aide de deux modèles stochastiques indépendants : un processus log-normal d’Ornstein-Uhlenbeck pour la norme d’accélération et un processus stochastique Ornstein-Uhlenbeck basé sur le calcul de Stratonovich pour les composantes du vecteur d’orientation de l’accélération. L’approche est utilisée pour la simulation de particules fluides et inertielles dans le cas d’une turbulence homogène isotrope et dans un cisaillement homogène. Les résultats montrent une amélioration des statistiques à petites échelles par rapport aux LES classiques. La modélisation de l’accélération des particules inertielles dans le cisaillement homogène est effectuée avec l’approche LES-STRIP introduite par Gorokhovski et Zamansky[PRF 3:034602] et est modélisée avec deux modèles stochastiques indépendants de manière similaire à l’accélération de sous-maille. Nos calculs montrent une amélioration de l’accélération et de la vitesse des particules lorsque le modèle STRIP est utilisé. Enfin dans une dernière partie, nous présentons une équation pour décrire la dynamique de particules ponctuelles de taille supérieure à l’échelle de Kolmogorov dans une turbulence homogène isotrope calculée par DNS. Les résultats sont comparés avec l’expérience et montrent que cette description reproduit bien les propriétés dynamiques des particules. / The main objective of this thesis is to study the acceleration of fluid and inertial particles moving in a turbulent flow under the influence of a homogeneous shear in order to develop LES stochastic models that predict subgrid acceleration of the flow and acceleration of inertial particles. Subgrid acceleration modelisation is done in the framework of the LES-SSAM approach which was introduced by Sabel’nikov, Chtab and Gorokhovski[EPJB 80:177]. Acceleration is predicted with two independant stochastic models : a log-normal Ornstein-Uhlenbeck process for the norm of acceleration and an Ornstein-Uhlenbeck process expressed in the sense of Stratonovich calculus for the components of the acceleration orientation vector. The approach is used to simulate fluid and inertial particles moving in a homogeneous isotropic turbulence and in a homogeneous sheared turbulence. Our results show that small scales statistics of particles are better predicted in comparison with classical LES approach. Modelling of inertial particles acceleration is done in the framework of the LES-STRIP which was introduced by Gorokhovski and Zamansky[PRF 3:034602] with two independant stochastic models in a similar way to the subgrid fluid acceleration. Computations of inertial particles in the homogeneous shear flow present good predicitons of the particles acceleration and velocity when STRIP model is used. In the last chapter, we present an equation to describe the dynamic of point-like particles which size is larger than the Kolmogorov scale moving in a homogeneous isotropic turbulence computed by direct numerical simulation. Results are compared with experiments and indicate that this description reproduces well the properties of the particles dynamic.