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Cette thèse de doctorat s’intéresse aux écoulements diphasiques métastables typiques de certains transitoires accidentels qui pourraient intervenir dans les centrales nucléaires. Ces phénomènes sont difficiles à traiter en raison de la complexité topologique de l’écoulement, des transferts entre phases et du couplage fort entre les caractéristiques thermodynamiques et les aspects mathématiques.Les méthodes aujourd’hui en usage dans l’industrie ne décrivent pas complétement la complexité de ces écoulements car elles s’appuient sur des modèles trop simples. En fait ces méthodes ne prennent pas en compte le déséquilibre thermo-chimique entre l’eau liquide et sa vapeur. Par ailleurs, les méthodes hyperboliques proposées récemment dans la littérature pour la simulation des écoulements métastables ne peuvent pas être appliquées dans l’industrie car elles utilisent des lois d’état simples qui ne sont pas adaptées pour les calculs industriels.Le but de cette thèse est de développer une nouvelle approche qui couple les méthodes hyperboliques modernes à des équations d’état précises. Le produit final de ce travail est un nouveau modèle pour l’analyse industrielle des écoulements diphasiques métastables qui associe de nouvelles techniques pour le calcul des transferts interfaciaux et des propriétés de l’eau et de sa vapeur. De plus, cette approche est d’un coût abordable pour les configurations industrielles.Les méthodes développées dans cette thèse ont été systématiquement vérifiées avec des solutions exactes et validées en utilisant des données expérimentales de la littérature. / This Ph.D. thesis deals with the metastable two-phase flows typical of accidental transients that could occur in nuclear power plants. Those phenomena are of difficult treatment due to the topological difficulty of the flow, the interphase transfers and the strong coupling between thermodynamic features and mathematical aspects.The methods today in use in industry do not fully describe the complexity of these flows because based on too simple models. In fact, they do not take into account the thermo-chemical disequilibrium between liquid and vapor water. On the other hand, the hyperbolic methods recently proposed in the literature for the simulation of metastable flows can not be used in the industry because based on simple equations of state that are not adequate for industrial calculations.The purpose of this Ph.D. thesis is to develop a new approach that couples the modern hyperbolic methods to accurate equations of state. The final product of this work is a new model for the industrial analysis of metastable two-phase flows that incorporates novel techniques for the calculation of interfacial transfers and of steam-water properties. Moreover, it is computationally affordable for its use in industrial configurations.The methods developed in this thesis have been sistematically verified against exact solutions and validated using experimental data of the literature.

A numerical solution algorithm based on finite volume method is developed for unsteady, two-dimensional, depth-averaged shallow water flow equations. The model is verified using test cases from the literature and free surface data obtained from measurements in a laboratory flume. Experiments are carried out in a horizontal, rectangular channel with vertical solid boxes attached on the sidewalls to obtain freesurface data set in flows where three-dimensionality is significant. Experimental data contain both subcritical and supercritical states. The shallow water equations are solved on a structured, rectangular grid system. Godunov type solution procedure evaluates the interface fluxes using an upwind method with an exact Riemann solver. The numerical solution reproduces analytical solutions for the test cases successfully. Comparison of the numerical results with the experimental two-dimensional free surface data is used to illustrate the limitations of the shallow water equations and improvements necessary for better simulation of such cases.

Les modèles aux moments angulaires constituent des descriptions intermédiaires entre les modèles cinétiques et les modèles fluides. Dans ce manuscrit, les modèles aux moments angulaires basés sur un principe de minimisation d'entropie sont étudiés pour des applications en physique des plasmas. Ce mémoire se découpe en trois parties. La première est une contribution à la modélisation en physique des plasmas à travers le formalisme des modèles aux moments angulaires. Dans celle-ci, le domaine de validité de ces modèles est étudié en régimes non-collisionels. Il est également montré que les opérateurs de collisions proposés pour le modèle M1 permettent de retrouver des coefficients de transport plasma précis. La deuxième partie de ce document concerne la dérivation de méthodes numériques pour l'étude du transport de particules en temps long. Dans ce cadre, des schémas numériques appropriés pour le modèle M1, préservant l'asymptotique, sont construits et validés numériquement. La troisième partie représente un premier pas significatif vers la modélisation multi-espèces. Ici, le modèle aux moments angulaire M1, construit dans un référentiel mobile, est appliqué à la dynamique des gaz raréfiés. Les propriétés de ce modèle sont détaillées, un schéma numérique est proposé et une validation numérique est menée. / Angular moments models represent alternative descriptions situated in between the kinetic and the fluid models. In this work, angular moments models based on an entropy minimisation principle are considered for plasma physics applications. This manuscript is organised in three parts. The first one is a contribution to plasma physics modelling within the formalism of angular moments models. The validity domain of angular moments models in collisionless regimes is studied. It is also shown that the collisional operators proposed for the M1 angular moments model enable to recover accurate plasma transport coefficients. The second part of this document deals with the derivation of numerical methods for the long timescales particle transport. Appropriate asymptotic-preserving numerical schemes are designed for the M1 angular moments model and numerical validations are performed. The third part represents a first important step toward multi-species modelling. The M1 angular moments model in a moving frame is introduced and applied to rarefied gas dynamics. The model properties are highlighted, a numerical scheme is proposed and a numerical validation is carried out.

Dans un contexte industriel, l’utilisation de modèles diphasiques d’ordre réduit est nécessaire pour pouvoir effectuer des simulations numériques prédictives d’injection de combustible liquide dans les chambres de combustion automobiles et aéronautiques, afin de concevoir des équipements plus performants et moins polluants. Le processus d’atomisation du combustible, depuis sa sortie de l’injecteur sous un régime de phases séparées, jusqu’au brouillard de gouttelettes dispersées, est l’un des facteurs clés d’une combustion de bonne qualité. Aujourd’hui cependant, la prise en compte de toutes les échelles physiques impliquées dans ce processus nécessite une avancée majeure en termes de modélisation, de méthodes numériques et de calcul haute performance (HPC). Ces trois aspects sont abordés dans cette thèse. Premièrement, des modèles de mélange, dérivés par le principe variationnel de Hamilton et le second principe de la thermodynamique sont étudiés. Ils sont alors enrichis afin de pouvoir décrire des pulsations des interfaces au niveau de la sous-échelle. Des comparaisons avec des données expérimentales dans un contexte de milieux à bulles permettent de vérifier la cohérence physique des modèles et de valider la méthodologie. Deuxièmement, une stratégie de discrétisation est développée, basée sur une séparation d’opérateur, permettant la résolution indépendante de la partie convective des systèmes à l’aide de solveurs de Riemann approchés standards et les termes sources à l’aide d’intégrateurs d’équations différentielles ordinaires. Ces différentes méthodes répondent aux particularités des systèmes diphasiques compressibles, ainsi qu’au choix de l’utilisation de maillages adaptatifs (AMR). Pour ces derniers, une stratégie spécifique est développée : il s’agit du choix de critères de raffinement et de la projection de la solution d’une grille à une autre (plus fine ou plus grossière). Enfin, l’utilisation de l’AMR dans un cadre HPC est rendue possible grâce à la bibliothèque AMR p4est, laquelle a montré une excellente scalabilité jusqu’à plusieurs milliers de coeurs de calcul. Un code applicatif, CanoP, a été développé et permet de simuler des écoulements fluides avec des méthodes de volumes finis sur des maillages AMR. CanoP pourra être utilisé pour des futures simulations d’atomisation liquide. / In an industrial context, reduced-order two-phase models are used in predictive simulations of the liquid fuel injection in combustion chambers and help designing more efficient and less polluting devices. The combustion quality strongly depends on the atomization process, starting from the separated phase flow at the exit of the nozzle down to the cloud of fuel droplets characterized by a disperse-phase flow. Today, simulating all the physical scales involved in this process requires a major breakthrough in terms of modeling, numerical methods and high performance computing (HPC). These three aspects are addressed in this thesis. First, we are interested in mixture models, derived through Hamilton’s variational principle and the second principle of thermodynamics. We enrich these models, so that they can describe sub-scale pulsations mechanisms. Comparisons with experimental data in a context of bubbly flows enables to assess the models and the methodology. Based on a geometrical study of the interface evolution, new tracks are then proposed for further enriching the mixture models using the same methodology. Second, we propose a numerical strategy based on finite volume methods composed of an operator splitting strategy, approximate Riemann solvers for the resolution of the convective part and specific ODE solvers for the source terms. These methods have been adapted so as to handle several difficulties related to two-phase flows, like the large acoustic impedance ratio, the stiffness of the source terms and low-Mach issues. Moreover, a cell-based Adaptive Mesh Refinement (AMR) strategy is considered. This involves to develop refinement criteria, the setting of the solution values on the new grids and to adapt the standard methods for regular structured grids to non-conforming grids. Finally, the scalability of this AMR tool relies on the p4est AMR library, that shows excellent scalability on several thousands cores. A code named CanoP has been developed and enables to solve fluid dynamics equations on AMR grids. We show that CanoP can be used for future simulations of the liquid atomization.

Ce manuscrit porte sur la modélisation et la simulation numérique d’écoulements diphasiques compressibles. Dans ce contexte, les méthodes d’interfaces diffuses sont aujourd’hui bien acceptées. Cependant, un progrès est encore attendu en ce qui concerne la précision de la capture numérique de ces interfaces. Une nouvelle méthode est développée et permet de réduire significativement cette zone de capture. Cette méthode se place dans le contexte des méthodes numériques de type “MUSCL”, très employées dans les codes de production, et sur maillages non-structurés. Ces interfaces pouvant être le lieu où une transition de phase s’opère, celle-ci est considérée au travers d’un processus de relaxation des énergies libres de Gibbs. Un nouveau solveur de relaxation à thermodynamique rapide est développé et s’avère précis, rapide et robuste y compris lors du passage vers les limites monophasiques. En outre, par rapport aux applications industrielles envisagées, une extension de la thermodynamique des phases et du mélange est nécessaire. Une nouvelle équation d’état est développée en conséquence. La formulation est convexe et est basée sur l’équation d’état “Noble-Abel-Stiffened-Gas”. Enfin, sur un autre plan la dispersion de fluides non-miscibles sous l’effet de la gravité est également abordée. Cette problématique fait apparaître de larges échelles de temps et d’espace et motive le développement d’un nouveau modèle multi-fluide de type “shallow water bi-couche”. Sa résolution numérique est également traitée / This manuscript addresses the theoretical modeling and numerical simulation of compressible two-phase flows. In this context, diffuse interface methods are now well-accepted but progress is still needed at the level of numerical accuracy regarding their capture. A new method is developed in this research work, that allows significant sharpening. This method can be placed in the framework of MUSCL-type schemes, widely used in production codes and on unstructured grids. Phase transition is addressed as well through a relaxation process relying on Gibbs free energies. A new instantaneous relaxation solver is developed and happens to be accurate, fast and robust. Moreover, in view of the intended industrial applications, an extension of the thermodynamics of the phases and of the mixture is necessary. A new equation of state is consequently developed. The formulation is convex and based on the “Noble-Abel-Stiffened-Gas” equation of state. In another context, the dispersion of non-miscible fluids under gravity effects is considered as well. This problematic involves large time and space scales and has motivated the development of a new multi-fluid model for “two-layer shallow water” flows. Its numerical resolution is treated as well