Cette thèse comporte trois parties. <br />Dans la première, nous présentons une méthode de simulation d'écoulements fluide/particules. Nous montrons que la pénalisation du tenseur des contraintes, associée à une discrétisation en temps par la méthode des caractéristiques, conduit à une formulation variationnelle de type Stokes généralisée. Des tests numériques sont effectués sous FreeFem++ afin d'étudier la convergence. Nous en présentons également trois exemples d'utilisation. <br />Dans la seconde partie nous proposons un modèle permettant de prendre en compte les forces de lubrification dans les simulations directes d'écoulements fluide/particules. Nous présentons d'abord un modèle de contact visqueux dans le cas particule/plan, obtenu comme limite, à viscosité nulle, du modèle de lubrification. Nous décrivons ensuite un algorithme reposant sur une étape de projection des vitesses, à chaque instant, sur un espace dit de vitesses admissibles. On montre alors la convergence du schéma et on généralise l'algorithme au cas multi-particules. Nous en présentons également un exemple de programmation orientée objet. <br />Dans la dernière partie, nous considérons un système discret de sphères (boulier en 1D) qui interagissent à travers la force de lubrification. Le modèle microscopique repose sur le développement de cette force à courte distance. Nous proposons une équation constitutive marcoscopique, de type Newtonien, reposant sur une viscosité linéique proportionnelle à l'inverse de la fraction locale de fluide. Nous établissons la convergence du modèle microscopique vers le modèle macroscopique proposé.

Le travail présenté a trait à la modélisation et à la simulation numérique des phénomènes physiques qui régissent le régime de préarc dans les fusibles. Le problème thermique est formulé en enthalpie pour décrire les différents états physiques du fusible et le problème électrique permet de décrire les grandeurs électriques et le terme source. Ce modèle prend en compte la dépendance des coefficients de transport avec la température. Les résultats du modèle 2D montrent que la durée du préarc est influencé par les paramètres du circuit et par la géométrie des sections réduites. Lorsque le fusible est soumis aux forts courants de défaut les échanges thermiques dans la lame deviennent négligeables, le temps de préarc est obtenu à partir d'un coefficient empirique utilisé par les industriels le coefficient de Meyer. La modélisation 3D a permis la validation des résultats obtenus avec lame d'argent en 2D et la modélisation des échanges thermiques entre la lame et le milieux poreux. Ces échanges thermiques (conduction et rayonnement) sont mis en évidence sous forme de conditions aux limites d'une part et d'autre part par une méthode d'homogénéisation des grandeurs du milieux poreux basé sur une valeur typique de la porosité

Les réactions gaz-solide sont à la base de nombreux procédés industriels de transformation de la matière d'importance économique majeure, dont elles conditionnent les performances. Je tente de montrer dans ce mémoire l'apport de la modélisation mathématique pour aider à comprendre les phénomènes et à optimiser les installations. Après une présentation détaillée des processus physiques mis en jeu lors d'une réaction gaz-solide à l'échelle d'une seule particule de solide et des modèles cinétiques susceptibles d'en rendre compte, une deuxième partie est consacrée à la modélisation des réacteurs multiparticulaires. Différentes démarches, notamment pour le couplage des modèles particulaires et des modèles de réacteurs, sont illustrées au travers d'une série d'exemples : pyrolyse du charbon en four tournant, production de tétrafluorure d'uranium en four à lit coulant, incinération des ordures ménagères, thermogravimétrie, fabrication du combustible nucléaire, four électrique d'aciérie.

En France, le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie parmi les secteurs économique, avec 43% de l'énergie finale totale et 25% des émissions de CO2. Il s'avère donc nécessaire de réduire l'impact environnemental de ce secteur en promouvant la construction des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.<br /><br />L'objectif de ce travail est de développer une méthodologie pour réaliser des études de conception de bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie consiste à déterminer des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été des bâtiments, à l'aide de la méthode des plans d'expériences et des outils de simulation numérique. Ces modèles polynômiaux permettent de simplifier les études paramétriques, en apportant une réponse alternative aux outils de simulations numériques pour la recherche de solutions afin de concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. La méthodologie est appliquée sur un bâtiment tertiaire à savoir un immeuble de bureaux.<br /><br />Dans le premier chapitre, nous présentons l'état de l'art des bâtiments à basse consommation d'énergie et à énergie positive, dans le but de dresser un bilan de connaissances sur le contexte énergétique français, sur les labels mis en place en France et à l'étranger, sur les projets réalisés et sur les techniques utilisées pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie.<br /><br />Ensuite, nous nous focalisons dans le second chapitre, sur le développement de modèles numérique nécessaires à l'élaboration de la méthodologie. Les modèles sont développés dans l'environnement MATLAB/SIMULINK et intégrés dans la bibliothèque SIMBAD, dédiée à la simulation numérique en thermique du bâtiment afin de participer à son développement. De plus, nous présentons des études d'évaluation énergétiques de systèmes spécifiques aux bâtiments à basse consommation d'énergie qui illustrent l'utilisation des modèles numériques développés.<br /><br />Un cas d'étude est défini dans le troisième chapitre ainsi que les contextes climatiques à considérer, les principes de base de la méthode des plans d'expériences et un exemple de son application. Le cas d'étude considéré est un immeuble de bureaux, nommé Beethoven, dont les caractéristiques de base seront choisies selon les exigences de la réglementation thermique. Ces caractéristiques constituent la configuration de référence qui est améliorée en suivant la méthodologie développée. L'analyse des huit zones climatiques définies par la réglementation thermique et l'évaluation des performances énergétiques du bâtiment pour la configuration de référence par rapport à ces climats, permettent de sélectionner trois climats représentatifs pour la suite du travail. Enfin, un exemple d'application de la méthode des plans d'expériences pour une optimisation énergétique de la configuration de référence permet de justifier le choix de cette méthode.<br /><br />Le début du quatrième chapitre est consacré au développement des modèles polynômiaux pour l'évaluation des performances énergétique et du confort thermique d'été du bâtiment Beethoven. Nous débutons ce chapitre par une évaluation des limites de la méthode des plans d'expériences pour déterminer ces modèles polynômiaux. Il en découle une méthodologie générale d'application de la méthode des plans d'expériences afin de développer des modèles polynômiaux pour réaliser des études de conception de bâtiment à basse consommation d'énergie. Ensuite, nous effectuons, à l'aide de ces modèles, une étude de sensibilité pour le bâtiment Beethoven et une analyse de solutions pour concevoir un bâtiment à basse consommation d'énergie selon divers critères énergétiques.<br /><br />Dans le dernier chapitre, nous présentons un exemple d'application des modèles polynômiaux développés pour identifier des solutions pour la conception de l'enveloppe et des systèmes du bâtiment Beethoven, afin d'obtenir un bâtiment à basse consommation d'énergie, selon les critères du label Français Effinergie et du label Allemand Passivhaus. Les configurations basse consommation d'énergie obtenues sont comparées par rapport à la configuration de référence en termes de performances énergétiques, de confort thermique d'été et d'émissions CO2.<br /><br />La méthodologie que nous proposons permet d'identifier, de manière simple et rapide, des solutions pour concevoir des bâtiments à basse consommation d'énergie. Les solutions sont sélectionnées à l'aide d'abaques définis avec les modèles polynomiaux développés. Le niveau de précision constaté par rapport à la simulation numérique est appréciable. Le choix des solutions est effectué parmi des millions de configurations de facteurs, déterminées à l'aide des modèles polynômiaux. La détermination de toutes ces configurations serait difficile voire impossible à réaliser directement à l'aide de la simulation numérique, sans avoir recours à des modèles polynomiaux, d'où l'avantage d'une telle méthodologie.<br /><br />Enfin, cette méthodologie constitue une base robuste pour le développement d'outils d'aide à la décision, destinés aux différents acteurs du secteur du bâtiment pour la conception des bâtiments neufs et la rénovation thermique des bâtiments existants, selon les critères des bâtiments à basse consommation d'énergie.

L'objectif de ce travail est d'obtenir un outil numérique permettant de simuler et d'optimiser le procédé de mise en forme par compression et frittage de poudres métalliques. La démarche proposée repose sur une étude expérimentale du comportement des matériaux, une modélisation phénoménologique et l'utilisation du modèle dans un code éléments finis. Une étape de validation des calculs à partir de pièces fabriquées en milieu industriel complète la démarche. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude de poudres métalliques (mélanges fer-graphite et carbure de tungstène-cobalt). Une vaste étude expérimentale a plus particulièrement été entreprise sur le mélange fer-graphite. Les conditions expérimentales à adopter pour obtenir le comportement intrinsèque du matériau ont été étudiées. Une loi élastoplastique isotrope à une variable d'écrouissage a été ensuite retenue pour simuler la compression d'une pièce de référence complexe. La confrontation entre résultats numériques et expérimentaux montre quelques écarts qui sont discutés. Les déformations au cours du frittage sont étudiées sur les mélanges de poudres de carbure de tungstène et de cobalt à partir d'essais de dilatométrie. Les résultats expérimentaux ont permis d'identifier les paramètres d'une loi phénoménologique simple. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude de pâtes d'hexaferrite de strontium destinées à la fabrication d'aimants permanents. Le comportement du matériau a été étudié sous diverses sollicitations mécaniques et thermiques. Nous avons montré que la simulation de la compression d'un segment ferrite à partir d'une approche monophasique était mal adaptée parce qu'elle n'était pas suffisamment représentative des phénomènes observés. Enfin les retraits anisotropes au cours du frittage ont été calculés à partir d'un modèle thermoélastique. L'agrément obtenu entre les résultats numériques et expérimentaux valide les calculs proposés.

La propagation d'une flamme dans un milieu réactif désordonné met en jeu des disparités d'échelles de longueur si importantes que l'étude en est inaccessible sans un effort important de modélisation. Cette thèse s'appuie sur le fait qu'un tel cadre est propice à l'emploi du concept de percolation, par le biais duquel on modélise les amas que forment les régions inflammables du milieu. On se restreint à la combustion d'un réactif solide, et à une forme de désordre telle que le milieu présente des chemins (ou canaux) privilégiés pour la propagation d'une flamme. Des modèles théoriques pour l'étude d'une flamme initiée au sein d'un canal unique sont d'abord considérés. Ils mettent à jour une extinction lorsque le canal est trop étroit et fournissent des relations entre célérité de flamme et largeur du canal. Leurs conclusions sont validées par similations numériques directes. Ces résultats sont alors utilisés pour établir et exploiter un modèle dérivé de la percolation de lien, étudié d'un point de vue dynamique pour caractériser la propagation à grande échelle d'une flamme dans le milieu. Diverses lois d'échelle sont ainsi mises en évidence.

Le formage superplastique (SuperPlastic Forming, SPF) permet d'élaborer des pièces de forme complexe qui, de par les matériaux employés, allient faible densité et haute résistance mécanique. Toutefois, sa mise en œuvre nécessite la connaissance de la loi de pression à appliquer afin de contrôler l'endommagement tout comme la répartition d'épaisseur au sein de la pièce. Il est ainsi nécessaire de mettre en place des simulations numériques pour déterminer les conditions optimales du formage. L'exactitude des prédictions obtenues repose alors sur la description du comportement et de l'endommagement du matériau soumis à des conditions thermomécaniques représentatives du procédé considéré. Le présent travail propose donc une modélisation du comportement et de l'endommagement de l'alliage d'aluminium 7475 via une étude comparative de divers modèles. Les travaux peuvent ainsi être divisés en trois grandes étapes : (i) la caractérisation du comportement de l'alliage ; (ii) la caractérisation de l'endommagement de l'alliage et (iii) la mise en place de simulations numériques pour des formes types. Des essais de traction uniaxiale à chaud ont été réalisés afin de caractériser le comportement de l'alliage 7475. Une modélisation de ce-dernier par trois modèles (Norton-Hoff, Johnson-Cook et Zener-Hollomon) est proposée. Les résultats obtenus montrent que le modèle de Zener-Hollomon conduit à la meilleure description du comportement rhéologique de l'alliage dans les conditions thermomécaniques étudiées. Par la suite, l'endommagement de l'alliage 7475 dans des conditions représentatives du formage superplastique a été étudié. Un critère de type Gurson est proposé. Des observations par micro-tomographie aux rayons X ont d'ailleurs permis d'étudier plus précisément l'évolution de l'endommagement au cours de la déformation. À partir de ces résultats, des simulations numériques par éléments finis (sous ABAQUS) ont été mises en place.

L'objectif de c e mémoire est d'apporter une contribution à la modélisation et la simulation numérique de la convection thermosolutale de mélanges binaires de gaz parfaits contenus dans des cavités. Un modèle a été élaboré en se basant sur l'approximation de faible compressibilité. Le premier chapitre précise la démarche suivie dans la modélisation et une formulation originale en est déduite afin de traiter les différents types de conditions aux limites et de conditions de références hydrostatiques analysés dans le mémoire. Les variations de masse volumique sont déduites de la loi des gaz parfaits et la pression thermodynamique est calculée à partir de la conservation de la masse totale. La méthode numérique repose sur la méthode des volumes finis mise en uvre sur des maillages décalés. Le couplage vitesse-pression est traité par un nouvel algorithme dont l'efficacité est discutée en détail. La démarche numérique est validée via des comparaisons avec des solutions de références, en régime stationnaire comme en régime transitoire pour des écoulements transitionnels. Dans la seconde partie du mémoire, on considère d'abord la convection thermosolutale dans une cavité rectangulaire verticale dans le cas où les écoulements sont induits par des gradients horizontaux de température et de concentration. On discute en particulier les limites de l'approximation d'extrême dilution. La condensation de vapeur d'eau et l'évaporation d'un film d'eau liquide sur les parois d'une cavité sont ensuite étudiées en régime transitoire. Ces changements de phase surfaciques sont associés à la convection naturelle dans une cavité dont les températures des quatre parois varient au cours du temps / The aim of this dissertation is at modeling and numerically simulating thermosolutal convection within cavities filled by binary gas mixtures of ideal gases. A new problem formulation, based on the weakly compressible approximation, has been derived in order to account for the changes in density as well as thermodynamic pressure. The ideal gas law and global conservation of mass are invoked for the predictions of density field and thermodynamic pressure. The first part of the manuscript is devoted to the mathematical derivation of the governing equations and boundary conditions, numerical procedure implemented and, checks of the accuracy of the results through deeply comparisons with updated benchmark solutions. The emphasis is put on the efficiency of algorithm used for solving the pressure-velocity coupling for unsteady, transitional flow regimes. Thermosolutal convection without phase changes at the cavity surfaces is first considered in the second part of the manuscript. We investigated the case of vertical cavities with horizontal gradients of concentration and temperature. The results clearly show that the dilute approximation fails to be valid as soon as the maximum concentration difference exceeds a critical value function of the flow parameters. Surface condensation of water vapor or evaporation of liquid water film in vertical cavities is then considered. The specific thermal boundary conditions of uniform but time-varying temperatures of the four walls are considered. Periodic variations of the flow, temperature and relative humidity fields are discussed in detail. The evolutions of thicknesses of the water film over the four walls are also predicted

Un nouveau procédé propre et performant de préparation de surface reposant sur l'utilisation d'un jet d'azote sous très haute pression et basse température est développé. Comparativement aux techniques classiques de préparation de surface, ce nouveau procédé apporte des avantages environnementaux (pas de génération de déchets additionnels), techniques (modes d'action sur le revêtement à traiter) et énergétiques (consommation d'énergie). Cependant, le fonctionnement du procédé de traitement de surface en question, qui existe sous forme de prototype à l'heure actuelle, repose sur des bases empiriques et les phénomènes physiques qu'il met en jeu sont encore bien mal appréhendés. Pour comprendre ces phénomènes et les modéliser, une analyse numérique est présentée. Cette analyse s'inclut dans une stratégie d'étude qui vise à augmenter progressivement le degré de complexité de la modélisation. Un premier modèle vise à décrire l'évolution du fluide en temps et en espace en supposant un écoulement compressible visqueux et axisymétrique. Dans ce modèle, le fluide est considéré comme parfait. Une extension directe de ce modèle est ensuite présentée, elle propose de tenir compte des effets de fluide réel dans l'écoulement compressible monophasique. Ces modèles sont implémentés dans un code de calculs par volumes finis. Des cas tests sont étudiés afin de valider les modèles numériques. Une étude sur des configurations de type industrielles, représentatives des conditions d'utilisation du procédé de traitement de surface par jet d'azote, est ensuite menée / A new and efficient process of surface treatment is developed and exists in prototype form at present. The process aims at injecting an inert gas, such as nitrogen, at supercritical conditions through a nozzle. The jet resulting from the expansion of the fluid at high pressure and supercritical temperature impinges normally a flat surface. Alternatively to water jet technologies, which need expansive purification of water after use, and to other classical surface treatment process, this process provides environmental (no generation of additional waste), technical (action on the coating) and energetical (efficiency) benefits. However, the physical phenomena involved in the jet are still poorly understood at present. To understand and model these phenomena, numerical analysis is presented. This analysis is part of a study strategy that aims at gradually increasing the complexity of modeling. A first model aims at describing the evolution of the fluid in time and space, assuming a compressible axisymmetric viscous flow. In this model, the fluid is assumed perfect. A direct extension of this model is then presented where real fluid effects are taken into account in the compressible flow. These models are implemented in finite volume CFD code. Test cases are studied to validate the numerical models. A study of industrial-type configurations, representative of the conditions of use of the process of surface treatment by nitrogen is then conducted

Les étoiles de type solaire se forment par l'effondrement d'un nuage moléculaire, durant lequel la matière s'organise autour de l'étoile en formation sous la forme d'un disque, appelé disque protoplanétaire. Dans ce disque se forment les planètes, comètes et autres objets du système stellaire. La nature de ces objets peut donc avoir un lien avec l'histoire de la matière du disque.J'ai étudié l'évolution chimique et physique de cette matière, du nuage au disque, à l'aide du code de chimie gaz-grain Nautilus.Une étude de sensibilité à divers paramètres du modèle (comme les abondances élémentaires et les paramètres de chimie de surface) a été réalisée. Notamment, la mise à jour des constantes de vitesse et des rapports de branchement des réactions de notre réseau chimique s'est avérée influente sur de nombreux points, comme les abondances de certaines espèces chimiques, et la sensibilité du modèle à ses autres paramètres.Plusieurs modèles physiques d'effondrement ont également été considérés. L'approche la plus complexe et la plus consistante a été d'interfacer notre code de chimie avec le code radiatif magnétohydrodynamique de formation stellaire RAMSES, pour modéliser en trois dimensions l'évolution physique et chimique de la formation d'un jeune disque. Notre étude a démontré que le disque garde une trace de l'histoire passée de la matière, et sa composition chimique est donc sensible aux conditions initiales. / Low mass stars, like our Sun, are born from the collapse of a molecular cloud. The matter falls in the center of the cloud, creating a protoplanetary disk surrounding a protostar. Planets and other solar system bodies will be formed in the disk.The chemical composition of the interstellar matter and its evolution during the formation of the disk are important to better understand the formation process of these objects.I studied the chemical and physical evolution of this matter, from the cloud to the disk, using the chemical gas-grain code Nautilus.A sensitivity study to some parameters of the code (such as elemental abundances and parameters of grain surface chemistry) has been done. More particularly, the updates of rate coefficients and branching ratios of the reactions of our chemical network showed their importance, such as on the abundances of some chemical species, and on the code sensitivity to others parameters.Several physical models of collapsing dense core have also been considered. The more complex and solid approach has been to interface our chemical code with the radiation-magneto-hydrodynamic model of stellar formation RAMSES, in order to model in three dimensions the physical and chemical evolution of a young disk formation. Our study showed that the disk keeps imprints of the past history of the matter, and so its chemical composition is sensitive to the initial conditions.