La stratégie de combustion par auto-inflammation d’une charge homogène en composition s’intègre dans une démarche de réduction des émissions de particules et de NOx, tout en conservant les rendements thermiques élevés des moteurs Diesel classiques. Pour contrôler ce nouveau mode de combustion, une compréhension fine des mécanismes de couplage entre l'aérodynamique et la thermochimie est nécessaire. Des simulations numériques directes d'un écoulement homogène, turbulent, réactif et subissant une compression, ont été effectués. Deux régimes d'auto-inflammation ont ainsi pu être définis. Le premier, dit quasi-homogène, est caractérisé par une auto-inflammation en masse d'un volume important du mélange réactif et s'accompagne de fortes ondes de pression. Dans le second régime, dit localisé, les noyaux s'initient de manière plus sporadique dans l'espace et dans le temps et aucune onde de pression significative n'est générée lors de l'auto-allumage. / Combustion by autoignition of a homogeneous charge aims at reducing particulate matter as well as NOx emissions, while maintaining higher thermal efficiency of conventional diesel engines. To control this new mode of combustion, a fine understanding of the mechanisms of coupling between aerodynamics and thermochemistry is required. Direct Numerical Simulations of a turbulent reactive flow, undergoing a compression, have been performed. This study led to identification of two regimes. The first, known as quasi-homogeneous, is characterized by volumetric autoignition of large zones of the reactive mixture and results in the generation of strong pressure waves, which are potentially dangerous for the structure of engines. In the second regime, called localized, hot spots are initiated more sporadically in space and time, and their topology is such that no significant pressure wave is generated.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs. / We study premixed flame dynamics using DNS and EEM approaches. DNS solves compressible Navier-Stokes equations with simplified chemistry. To reduce computational costs and increase efifciency, we analyse and develop a modified staggered scheme. Treatment of acoustic waves at boundaries is known to slightly square cylindrical flames. We try to explain these unphysical distortions by highlighting the poor modeling of fluid acceleration when mainstrean is transverse to outow. A parametric and statistical study of expanding flames is carried out in 2D and also for an expanding (3cm)3 flame. The EEM approach models the flame as an infinitely thin interface. This perturbative strategy dramatically decreases cpu costs. Simulations are carried out and compared to DNS results to check the ability of EEM modeling to give quantitative results.

Cette thèse montre le développement d’un code de calcul pour les simulations numériques directes d’écoulements diphasiques compressibles avec évaporation. Un couplage entre les méthodes Level Set et VOF est réalisé pour le suivi d’interface. Afin de résoudre les équations de la mécanique des fluides, une méthode basée sur la pression est employée et, pour découpler la vitesse de la pression, une méthode de projection est effectuée. Cette méthode permet l’implicitation des termes liés à l’acoustique et donc de diminuer la contrainte sur le pas de temps. Le liquide et le gaz sont traités de manière compressible permettant des variations locales des masses volumiques grâce à l’utilisation d’équations d’état. L’évaporation est simulée de deux manières différentes ; une première, où un taux d’évaporation constant est employé et une seconde, où ce taux est calculé par la thermique. Parallèlement à ce sujet, une étude de la distribution des courbures dans une injection de liquide est réalisée. Cette étude permet d’étendre le concept de distribution des tailles de gouttes dans un spray et d’améliorer les informations disponibles dans le modèle ELSA. Enfin, une autre étude est effectuée sur la recherche d’un critère, basé sur les courbures à l’interface, pour estimer la qualité d’une simulation. / This PhD thesis shows the development of a numerical method for solving two-phase flows with vaporisation. A coupling between Level Set and VOF methods is realised for the interface capturing. In order to solve fluid mechanics equations, a pressure based method is employed and, to decouple velocity and pressure, a projection method is performed. This method allows the implicitation of the acoustic terms and the time step constraint reduction. Liquid and gas are considered as compressible allowing local density variations with equations of state. The vaporisation is computed in two different ways ; a first one where the vaporisation rate is constant and a second one, where this rate is calculated by thermodynamics. Along with this topic, a study on curvature distribution in a liquid injection configuration is realised. This study allows to extend the drop size distribution concept in a spray and to improve available informations on ELSA model. Finally, an other study is performed on thedevelopment of a criterion, based on interface curvatures, which estimates the quality of a simulation.

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.

Les tourbillons hélicoïdaux générés derrière les rotors sont étudiés. Pour les générer, une méthode basée sur le couplage entre la technique de la ligne active et un solveur des équations de Navier-Stokes (ENS), incompressibles et tridimensionnelles, a été développée. Elle consiste à modéliser la pâle par son équivalent de forces volumiques. Les équations, écrites en coordonnées cylindriques, sont résolues par un schéma de différences finies, écrit en parallèle. La méthode est d'ordre deux en temps et en espace. Le solveur des ENS a été validé par la reproduction des taux de croissance d'un écoulement de jet, instable, trouvés par la théorie d'instabilité linéaire. La comparaison avec des données expérimentales a montré que la méthode prédit bien l'aérodynamique de la pâle. Ensuite, le tourbillon de bout de pâle a été, en particulier, caractérisé. La vorticité et la vitesse azimutale ont été trouvées auto-similaire et la taille du coeur suit asymptotiquement la loi de diffusion linéaire 2D. Un modèle simple du coeur du tourbillon a été proposé. La présence d'une vitesse axiale dans le coeur du tourbillon a été montrée et a été caractérisée en fonction du rapport de vitesse au bout de la pâle. Finalement, une étude de stabilité du tourbillon a été faite en utilisant une vitesse angulaire variable pour perturber l'écoulement. Les taux de croissances des modes les plus instables sont en bon accord avec celui de l'instabilité d'appariement 2D des tourbillons. Trois types de modes ont été identifiés en fonction de la fréquence des perturbations et ont été trouvés similaires aux modes décrits par la théorie et aussi trouvés, précédemment, par l'expérience. / This present work is aimed to study helical vortices encountered in the wakes of rotating elements. For this, the generation of a helical wake of a one-bladed-rotor in a laminar velocity field, is simulated by the actuator line method. This method is a coupling of a Navier-Stokes (NS) solver with the Actuator Line Method where the blade is replaced by the body forces. This method has been implemented in a finite difference code, that we have written in parallel to solve the 3D incompressible NS equations written in cylindrical coordinates. The order of accuracy of the method is two both in time and space. The NS solver was validated comparing growth rates of an unstable jet, found numerically, and those of linear instability theory. A good agreement was found. A good agreement was also found comparing numerical results to analytical formulations and experimental data. It was shown that the method predicts well the blade aerodynamics . Then, the helical tip vortex is characterized for different Reynolds numbers and Tip Speed Ratios. The vorticity and the azimuthal velocity were found self-similar and the vortex core follows asymptotically the linear 2D diffusion law. A simple model for the helical vortex core was proposed. The presence of an axial velocity inside the vortex core was highlighted. Then, a stability study of the helical tip vortex was done using an angular velocity dependent on time to perturb the flow. The largest growth rates were found in good agreement with those of the (2D) pairing instability. Three types of modes were identified based on the perturbation frequency. The results are similar to those found in previous analytical and experimental works.

Ces travaux de recherche s'intéressent à la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, et en particulier, les lits fluidisés au sein desquels un solide divisé est mis en suspension par un fluide. La grande diversité d'échelles spatiales et temporelles dans ces procédés nécessite d'étudier les interactions hydrodynamiques, thermiques et/ou chimiques entre les particules et le fluide à l'aide d'une approche multi-échelles. Une étude des transferts thermiques dans des lits fixes puis fluidisés, est réalisée à deux échelles : locale (Particle Resolved Simulation) et moyennée (Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). L'étude PRS permet de caractériser les couplages locaux des transferts thermiques entre particules ainsi que la dynamique de ces transferts dans les configurations fluidisées. Une étude comparative entre les échelles met en évidence les limites du modèle DEM-CFD à capter les fluctuations des transferts thermiques observées dans les simulations PRS. Dans un dernier temps, les fermetures du modèle DEM-CFD sont améliorées de manière à réintroduire les fluctuations perdues par le changement d'échelles. / This work aims at characterizing heat transfer into fluid-solid flows, and more particularly fluidized beds, into which a solid phase is suspended by a flowing fluid. The wide range of spatial and temporal scales present in such processes encourage to study hydrodynamic, thermal and/or chemical interactions between the particles and the fluid through a multi-scale strategy. The analysis of thermal interactions was first carried out for fixed bed configurations and then, fluidized beds at two overlapping scales: local (PRS; Particle Resolved Simulation) and mesoscopic (DEMCFD; Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). The PRS approach accounts for the local coupling of heat transfer between the particles and its dynamics into fluidized beds. A comparative study of the two scales indicated the limits of the DEM-CFD model to capture the heat transfer fluctuations observed into PRS. In a last step, the closure laws for DEM-CFD were improved to reintroduce the fluctuations lost at this scale.

Dans cette thèse on s'intéresse aux jets en écoulement transverse dans une configuration générique de celle du refroidissement par effusion de chambres de combustion aéronautiques. L'amélioration des modèles de paroi avec transfert de masse passe par une meilleure connaissance de l'interaction entre les jets et l’écoulement principal. Nous avons donc réalisé la simulation numérique directe d'un jet issu d'un perçage incliné avec ou sans giration, pour des écoulements isothermes, turbulents et à bas nombre de Mach, dans un contexte compressible. Pour cela nous avons travaillé avec la bibliothèque AeroSol d'éléments finis continus et discontinus sur maillage hybride. En particulier nous nous sommes intéressés à la stabilité des flux numériques pour le compressible instationnaire associés à la méthode de Galerkin discontinue lorsque le nombre de Mach tend vers zéro. Nous avons pu mettre en évidence des comportements instables lors de l'utilisation de discrétisation temporelle explicite que nous avons corrigés en proposant un nouveau flux. Dans un deuxième temps, nous avons effectué les développements nécessaires à la réalisation des calculs. Nous nous sommes en particulier intéressés à la génération d'un champ de vitesse turbulent synthétique par la méthode SEM (Synthetic Eddy Method) que nous avons implantée dans AeroSol et validée. Grâce aux outils de post-traitement développés, nous avons conduit l'analyse de nos résultats. Dans le cas sans giration, les comparaisons avec les résultats expérimentaux et les résultats de simulations RANS que nous avons obtenus en parallèle sur la configuration du banc d'essai MAVERIC sont encourageants. La structure moyenne d'ensemble du jet est notamment correctement reproduite. En ce qui concerne la cas avec giration, le comportement attendu de déflexion successive du jet dans les deux plans caractéristiques (plan d'injection et plan de l'écoulement transverse) est bien reproduit et illustre tout le potentiel prévisionnel de la librairie de calcul que nous avons contribué à développer. / In this work we are interested in jet in crossflow in a generic configuration to the one used in effusion cooling for combustion chambers. Improved wall models with mass transfer requires a better knowledge of the interaction between the jets and the main flow. We therefore carried out the direct numerical simulation of a jet issuing from an inclined hole with or without gyration, for isothermal turbulent flow at low Mach number, in a compressible context. To achieved this, we worked with the continuous and discontinuous finite element library : AeroSol on hybrid grid. In particular we studied the stability of numerical flux for the unsteady compressible flow associated with discontinuous Galerkin method when the Mach number tends to zero. We were able to demonstrate unstable behavior when using explicit time discretization and we corrected them by providing a new flux. In a second time, we have performed the necessary development to achieve the calculations. We have been especially interested in the generation of a synthetic turbulent velocity field using the SEM method (Synthetic Eddy Method) that we have implemented in aerosol and validate. Thanks to the developed post-processing tools, we have conducted an analysis of our results. In the case without gyration, comparisons with experimental results and the results of RANS simulations we obtained on the Maveric test-bench configuration are encouraging. The mean flow of the jet is correctly reproduced. In the case with gyration, the expected behavior of successive deflection of the jet in both planes (injection plane and transverse plane of the flow) is reproduced and shows all the potential of the AeroSol library we helped to develop.

Nous nous sommes intéressés dans la présente thèse à l’étude de l’écoulement gravitaire de nappesliquides non guidées qui s’écoulent verticalement dans l’air ambiant. Après une synthèse bibliographique,nous avons réalisé une double étude, expérimentale et numérique, en considérant des liquidesde viscosités différentes (allant de 1 à 50 fois celle de l’eau) et de tension superficielle proche de cellede l’eau. Le nombre de Reynolds Rel du liquide a varié de quelques unités à quelques milliers alorsque le nombre de Weber du liquide allait approximativement de 0.1 à 10. Le dispositif expérimentalque nous avons mis en place nous a permis de créer et d’étudier les formes géométriques des nappesliquides. Nous avons employé une méthode expérimentale originale pour mesurer le champ d’épaisseurdes nappes. Nous avons mené, parallèlement aux expériences, des simulations numériques 2D et 3Dinstationnaires et diphasiques (VOF), utilisant le calcul parallèle. Nous avons trouvé que les nappesexpérimentales et numériques deviennent plus courtes (verticalement) et moins épaisses lorsque le débitdiminue. Expérimentalement, lorsque le débit du liquide devient suffisamment faible, des filamentsliquides commencent à apparaître à coté d’une nappe moins large qu’auparavant. Dans le cas desnappes d’eau, cette transition de régime d’écoulement a été précédée de l’apparition systématique detrous dans la partie inférieure des nappes. Pour les autres liquides newtoniens plus visqueux (solutionsaqueuses de glycérine), l’apparition des filaments liquides a été précédée d’une déstabilisation des bourreletsqui délimitent la partie plane des nappes. Nous avons étendu par la suite l’étude expérimentaleà celle de fluides au comportement rhéologique plus complexe en utilisant un liquide non newtonienrhéofluidifiant. Nous avons montré pour ce fluide rhéofluidifiant que le débit associé à la transition versle régime des filaments diminue en comparaison avec celui associé à un liquide newtonien de viscositésimilaire. Cela nous a conduit à suggérer que la présence des propriétés rhéofluidifiantes des nappesliquides peut représenter une solution pour les applications de "coating" pour lesquelles on cherche àproduire des nappes stables et sans percement dans des configurations d’écoulement de faibles débits. / In this thesis, unguided plane liquid sheets flowing vertically by gravity in an ambient air atmosphereare studied experimentally and numerically. First of all a litterature survey clearly identified themain issues regarding the dynamics and modelling of such flows. Subsequently, different liquids exhibitinga wide range of viscosity (1 to 50 times that of water) and a surface tension close to that of waterwere selected. The liquid flow regimes were characterized by a Reynolds number Rel ranging from afew units to a few thousand while the Weber number Wel was varied between 0.1 to 10. A dedicatedexperimental system was designed and operated to study the relevant sheet features (geometry, thickness)by means of an original optical method. In parallel, finite volume based 2D and 3D simulationsof the flows were undertaken. All rely on the volume of fluid method (VOF) combined with adaptivemeshing. The experimental and numerical sheets became shorter (vertically) and thinner as the massflow rate decreased. Experimentally, when the mass flow rate of the liquid becomes sufficiently low,liquid threads begin to appear next to a narrower sheet than before. In the case of water, this flowregime transition was preceded by the systematic appearance of holes in the lower part of the sheets.For the other more viscous Newtonian liquids (mixtures of water and glycerin), the appearance of theliquid threads was preceded by a destabilization of the rims which delimited the flat part of the sheets.The experimental study was then extended to fluids featuring more complex rheological behavior e.g.by the use of a non-Newtonian shear-thinning fluid. For such a fluid, it was shown that the criticalmass flow rate associated with the transition towards the threads regime was lower than its Newtoniancounterpart of similar viscosity. It is suggested that the presence of shear-thinning properties in liquidsheets may represent a solution for "coating" applications for which stable and non-pierced curtainsin flow configurations of low mass flow rates are targeted.

Cette thèse porte sur l'étude numérique des écoulements fluide-particules rencontrés dans l'industrie. Ces travaux se situent dans le cadre de la compréhension des phénomènes qui se déroulent dans des tambours tournants et réacteurs à lit fixe en présence de particules de forme non convexe. En effet, la forme des particules influence de manière importante la dynamique de ces milieux. A cet effet, nous nous sommes servis de la plateforme numérique parallèle Grans3D pour la dynamique des milieux granulaires et PeliGRIFF pour les écoulements multiphasiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle stratégie numérique qui permet de prendre en compte des particules de forme arbitrairement non convexe dans le solveur Grains3D. Elle consiste à décomposer une forme non convexe en plusieurs formes convexes quelconques. Nous avons nommé cette méthode « glued-convex ». Le modèle a été validé avec succès sur des résultats théoriques et expérimentaux de tambours tournants en présence de particules en forme de croix. Nous avons aussi utilisé le modèle pour simuler le chargement de réacteurs à lits fixes puis des lois de corrélation sur les taux de vide ont été déduites de nos résultats numériques. Dans ces travaux, nous avons aussi testé les performances parallèles de nos outils sur des simulations numériques à grande échelle de divers systèmes de particules convexes. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'extension du solveur PeliGRIFF à pouvoir prendre en compte la présence de particules multilobées (non convexes) dans des écoulements monophasiques. Une approche du type Simulation Numérique Directe, basée sur les Multiplicateurs de Lagrange Distribués / Domaine Fictif (DLM/FD), a alors été adoptée pour résoudre l'écoulement autour des particules. Une série d'études de convergence spatiale a été faite basée sur diverses configurations et divers régimes. Enfin, ces outils ont été utilisés pour simuler des écoulements au travers de lits fixes de particules de forme multi-lobée dans le but d'étudier l'influence de la forme des particules sur l'hydrodynamique dans ces lits. Les résultats ont montré une consistance avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. / Non convex granular media are involved in many industrial processes as, e.g., particle calcination/drying in rotating drums or solid catalyst particles in chemical reactors. In the case of optimizing the shape of catalysts, the experimental discrimination of new shapes based on packing density and pressure drop proved to be difficult due to the limited control of size distribution and loading procedure. There is therefore a strong interest in developing numerical tools to predict the dynamics of granular media made of particles of arbitrary shape and to simulate the flow of a fluid (either liquid or gas) around these particles. Non-convex particles are even more challenging than convex particles due to the potential multiplicity of contact points between two solid bodies. In this work, we implement new numerical strategies in our home made high-fidelity parallel numerical tools: Grains3D for granular dynamics of solid particles and PeliGRIFF for reactive fluid/solid flows. The first part of this work consists in extending the modelling capabilities of Grains3D from convex to non-convex particles based on the decomposition of a non-convex shape into a set of convex particles. We validate our numerical model with existing analytical solutions and experimental data on a rotating drum filled with 2D cross particle shapes. We also use Grains3D to study the loading of semi-periodic small size reactors with trilobic and quadralobic particles. The second part of this work consists in extending the modelling capabilities of PeliGRIFF to handle poly-lobed (and hence non-convex) particles. Our Particle Resolved Simulation (PRS) method is based on a Distributed Lagrange Multiplier / Fictitious Domain (DLM/FD) formulation combined with a Finite Volume / Staggered Grid (FV/SG) discretization scheme. Due to the lack of analytical solutions and experimental data, we assess the accuracy of our PRS method by examining the space convergence of the computed solution in assorted flow configurations such as the flow through a periodic array of poly-lobed particles and the flow in a small size packed bed reactor. Our simulation results are overall consistent with previous experimental work.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique et théorique de la modulation de la turbulence par des particules. Cette étude s'appuie sur des résultats issus de simulations de type Euler/Lagrange qui résolvent directement les équations instantanées de la phase gazeuse et effectuent un suivi de trajectoires des particules. La configuration étudiée représente une nappe de particules injectées à haute vitesse dans une turbulence homogène isotrope décroissante. Le mouvement des particules est supposé uniquement gouverné par la force de traînée visqueuse. Le chargement en particules est suffisamment important pour que les particules influent sur la phase gazeuse (couplage inverse) mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions interparticulaires. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement est menée pour déterminer les effets directs et indirects des particules sur la turbulence fluide. L'étude des transferts d'énergie entre phases montre que la présence des particules tend à détruire la turbulence gazeuse au centre de la nappe et à l'augmenter à la périphérie. Ce dernier effet est causé par la forte corrélation entre la distribution de particules et la vitesse instantanée du gaz. Le modèle k-epsilon est ensuite étudié et la validité de ses hypothèses de fermeture en écoulement diphasique est éprouvée à l'aide de tests a priori. une nouvelle formulation de type viscosité turbulente, fonction des paramètres diphasiques, est utilisée pour modéliser le tenseur de Reynolds du gaz. Une équation de Langevin diphasique est également testée pour modéliser les équations de vitesse de dérive et de covariance des fluctuations de vitesse fluide-particules.