Cette étude vise à appréhender le phénomène de propagation de fissure par fatigue thermique induisant un gradient de température dans l'épaisseur. Dans un premier temps, un dispositif expérimental original a été mis au point, permettant de soumettre une éprouvette parallélépipédique de 304L à du cyclage thermique entre 350°C et 100°C, en l'absence de chargement mécanique. Deux entailles semi-circulaires (profondeur 0,1mm, de largeur 4mm) ont été usinées. Les essais interrompus réalisés ont permis de caractériser et quantifier la propagation de la fissure existante en surface et à coeur.<br />Dans une deuxième partie, des calculs numériques tridimensionnels ont été effectués sous Abaqus. Une automatisation utilisant Python a permis de simuler la propagation d'une fissure sous cyclage thermique, avec remaillage en front de fissure à chaque pas de calcul. Aucune hypothèse n'a été prise sur la forme de fissure durant la propagation. Une comparaison avec les résultats d'essais montre une très bonne concordance sur l'évolution de la forme du front de fissure ainsi que sur les cinétiques de propagation au bord et à coeur.<br />Une approche analytique a également été développée se basant sur le calcul du facteur d'intensité de contraintes (FIC). Une approche bidimensionnelle a d'abord été mise en place nous permettant de mieux comprendre l'influence de différents paramètres thermiques et géométriques. Enfin, une approche tridimensionnelle, avec une fissure demeurant elliptique pendant la propagation, a abouti à une prédiction de la propagation en largeur et profondeur de la fissure tout à fait comparable à celle obtenue numériquement, mais avec des temps de calcul bien moindres.

Les processus physico-chimiques de propagation des détonations dans les mélanges hétérogènes gaz-particules solides ou gaz-gouttelettes liquides ont été analysés à partir de simulations numériques de la structure cellulaire de détonation. Dans le cas des suspensions de particules d'aluminium, deux modèles de combustion ont été incorporés au code de calcul EFAE du LCD. En utilisant un seul paramètre d'ajustement pour se calibrer sur les résultats expérimentaux existants, on obtient des valeurs raisonnables de la largeur caractéristique de la structure cellulaire = 40 cm pour le mélange Al/Air et = 5-10 cm pour le mélange Al/O2. L'influence du diamètre des particules dp0 a été mise en évidence sur les longueurs de zones d'induction Li et de combustion Lc (Li dp0 et Lc d1:8 p0 ) et sur la structure cellulaire : d1:4 p0 . Contrairement au cas des détonations gazeuses, l'inflammation des particules n'a pas lieu derrière les points triples, mais dans les zones de basse pression où la concentration en particules est plus faible, permettant ainsi leur inflammation rapide. Le régime hélicoïdal de détonation a été simulé pour la première fois dans les mélanges de particules d'aluminium en suspension dans atmosphère gazeuse oxydante. Les valeurs du rayon critique de détonation Rc et de l'énergie critique d'initiation Ec (obtenues par extension des corrélations établies dans les gaz) ont été prédites : Rc = 1 m, Ec = 105 J (Al/O2) et Rc = 8 m, Ec = 5.12 x 107 J (Al/Air). Elles sont confirmées par les expériences existantes. Dans le cas d'aérosols de gouttelettes d'hydrocarbures, un modèle d'évaporation basé sur le mode dit de "stripping" derrière un choc et sur le régime diffusif, couplé à une cinétique chimique à deux étapes (induction-combustion), a été incorporé au code. Les premières simulations de la structure cellulaire pour les mélanges air-octane mènent à une taille de cellule en accord avec les résultats expérimentaux existants ( = 4-5 cm).

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La recherche constante de l'amélioration des modélisations complexes multi-physiques est aujourd'hui un enjeu primordial et être capable de proposer de telles approches devient une nécessité à la fois dans un besoin d'analyse fine et d'amélioration des performances des systèmes ainsi étudiés. Par exemple, proposer des systèmes balistiques de nouvelle génération nous force à maîtriser à la fois l'aérodynamique externe et ses transferts thermiques associés tout en y intégrant la dynamique du vol et les possibles modifications de la géométrie liés aux agressions thermiques. S'attaquer à un tel système couplé constitue la motivation première de ce travail. Cependant, résoudre des systèmes si fortement couplés impose de proposer une véritable stratégie dans la modélisation retenue. La technique des frontières immergées a été retenue et intégrée à un solveur compressible s'appuyant sur un générateur de maillage automatique structure en 2nTree. Avant même de s'attaquer aux mécanismes d'ablation, le travail s'est plus particulièrement focalisé sur la caractérisation d'écoulements externes autour de projectiles, académique dans un premier temps pour très vite converger vers des projectiles SOCBT et des munitions flèches volant à très grandes vitesses. La qualité des résultats obtenus et les excellentes corrélations avec les résultats de la littérature nous ont encouragé à poursuivre le développement par un couplage avec un modèle de dynamique du vol à 6° de liberté et la prise en compte de l'échauffement du projectile pour tenir compte des conditions en vol (notamment la stabilité du projectile). Les flux thermiques peuvent également engendrer des dégradations thermiques et le modèle proposé permet la prise en compte des phénomènes d'ablation. Bien que sa modélisation soit simpliste dans un premier temps, le modèle proposé a permis de décrire de manière assez facile un problème à frontière mobile comme l'est un mécanisme d'ablation. Les calculs ont soulignés le comportement intéressant du modèle numérique sur des cas académiques et sur des ailettes caractéristiques d'une munition flèche. Un calcul couplé mécanique des fluides/thermique du projectile/ ablation témoigne du fort potentiel du modèle ainsi proposé.

Dans le domaine des systèmes propulsifs, le statoréacteur classique possède de bonnes performances propulsives. Néanmoins, celles-ci se dégradent notablement lorsque les valeurs du nombre de Mach augmentent. Dans le régime hypersonique (au-delà de Mach 6), l'utilisation d'un statoréacteur à combustion supersonique, ou superstatoréacteur, doit permettre de surmonter ces difficultés. La simulation numérique est un des moyens d'étude de la combustion dans ces régimes d'écoulements rapides. Elle doit alors être capable de restituer des effets spécifiques aux écoulements à grand nombre de Mach, pour lesquels les temps caractéristiques chimiques et de mélange aux petites échelles peuvent être du même ordre de grandeur. Ce travail de thèse est consacré à l'amélioration des outils de simulation de la combustion dans les écoulements rapides en prenant en compte les effets de chimie finie et de micro-mélange sur la base d'une approche de réacteur partiellement prémélangé. La modélisation UPaSR ainsi proposée est validée sur la base du calcul d'une flamme jet supersonique. Les simulations numériques correspondantes conduisent à des résultats encourageants qui confirment l'importance, pour ce type de conditions, des effets cinétiques d'une part, et des effets compressibles d'autre part. Enfin, le modèle UPaSR est appliqué à l'analyse d'une configuration plus complexe de superstatoréacteur (RESTM12) étudiée expérimentalement à l'Université du Queensland. Deux méthodes différentes sont utilisées et comparées afin d'obtenir les principaux indices de performance.

Ce travail est consacré à l'étude du givrage atmosphérique des structures par accrétion de neige collante qui peut conduire à des dommages sévères aux structures. Les particules à la base de ce type d'accrétions sont caractérisées par un mélange d'eau et glace quantifié dans cette étude par un paramètre sans dimension: la teneur en eau liquide: 푇 définie comme le ratio de la masse liquide sur la masse totale de la particule. La définition de la TEL considérée dans ce travail est différente de celle utilisée en aéronautique. Dans cette étude, la neige collante a été reproduite avec une températures ambiante négative. L'approche expérimentale, mise en oeuvre dans une soufflerie climatique, est consacrée à l'étude de l'effet de la 푇 sur l'accrétion de neige sur une structure de test. La 푇 est ajustée en modifiant la température ambiante. Les résultats sont synthétisés par le coefficient definì comme le ratio entre le flux massique de l'accrétion, et le flux massique de neige incidente. Un premier modèle numérique évalue les conditions aux limites pour le modèle d'accrétion: c.à.d. la distribution en taille des particules à l'amont de la structure et la 푇 associée. La première partie du modèle numérique d'accrétion concerne l'analyse du comportement des particules à proximité de la structure expérimentale quantifié par le nombre de Stokes. La capacité des particules à impacter la structure est synthétisé par le coefficient de collision . L'analyse du coefficient expérimental , en fonction de est développée. Ceci permet l'étude de la capacité des particules à s'accrocher à la surface en fonction de la 푇 . Le résultat est évalué par le coefficient de collage . La seconde partie expose une approche pour modéliser la forme d'accrétion, par le coefficient de collage , en s'appuyant sur l'angle d'impact entre la particule et la surface. Des perspectives sont proposées.

Dans le cadre de la sécurité incendie, et de la prévention de départ d'un feu en environnement confiné, un objectif majeur consiste en l'amélioration des procédés d'extinction et plus précisément de la pulvérisation de brouillards d'eau qui est un moyen de lutte largement utilisé. Les simulations numériques doivent prévoir l'efficacité des brouillards en évaluant précisément l'évolution spatiotemporelle des caractéristiques du foyer incendie en présence d'un champ pulvérisé de gouttelettes. Pour déterminer les fractions massiques d'eau sous forme liquide ou vapeur, les concentrations des produits formés ainsi que les niveaux de températures en tout point du local, nous présentons ici le développement d'un modèle apte à décrire un milieu réactif dans lequel la stabilité de la flamme est altérée par la présence de gouttelettes d'eau. Un formalisme diphasique eulérien-eulérien est utilisé pour modéliser le transport des gouttelettes qui interagissent avec le milieu réactif en le refroidissant et en le diluant via l'introduction de vapeur d'eau issue du processus d'évaporation. Le modèle sousjacent est une approche de combustion à multi-fractions de mélange avec un diagramme de reconstitution des espèces mettant en compétition un domaine inflammable et un domaine non inflammable. Les modèles finalement obtenus ont été implantés dans Code_Saturne, un logiciel de mécanique des fluides qui a récemment été adapté à l'étude des incendies. La validation de ces modèles a été effectuée à partir de données expérimentales issues de la littérature, et sur des cas test d'échelle intégrale.

On a étudié la détonation de milieux hétérogènes composés d‟aérosols de gouttelettes de carburants liquides dans de l‟air, dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, et plus particulièrement l‟influence de la granulométrie des gouttelettes sur les conditions d‟existence d‟une détonation, ses caractéristiques de propagation et l‟existence d‟une structure cellulaire analogue à celle observée dans les mélanges gazeux homogènes. Avec des carburants volatils (Heptane, Isooctane) la structure cellulaire a été mise en évidence pour des gouttelettes de diamètre d0=8 μm. En revanche, pour d0=30 ou 45 μm, on observe soit la détonation hélicoïdale, soit un régime limite de détonation avec de grosses cellules assez irrégulières. Dans des carburants moins volatils (Octane), des détonations n‟ont été observées que pour d0=8 et 30 μm, alors que pour d0=45μm, la détonation ne s‟établit pas, quelle que soit la richesse. Dans le cas de carburants peu volatils (Décane ou Dodécane), il n‟est pas possible d‟initier une détonation pour d0=30 ou 45 μm, mais seulement pour d0=8 μm, avec la structure cellulaire dans le cas du décane, et le régime de détonation hélicoïdal avec le dodécane. Un modèle numérique a été développé pour simuler les détonations dans des mélanges hétérogènes gaz/gouttelettes liquides. Pour d0=30 μm et d0=45 μm, il est nécessaire de prendre en considération la désintégration mécanique des gouttelettes sous l‟effet du choc incident pour obtenir une détonation. Pour d0=8μm, l‟étape de la désintégration n‟est pas requise. Les résultats concernant l‟influence de d0 sur la taille de la cellule de détonation sont en accord raisonnable avec les expériences.

Les modèles régionaux de climat (MRCs) permettent de simuler les écoulements atmosphériques sur une région limitée de la surface terrestre. Pilotés à leurs frontières latérales par des données à basse résolution provenant de modèles mondiaux (MCGs), ils permettent d'augmenter considérablement la résolution spatiale des simulations en vue de répondre au besoin grandissant d'évaluer les impacts régionaux reliés aux changements climatiques. Plusieurs études ont démontré que la taille du domaine régional est un paramètre pouvant affecter considérablement les résultats des simulations. En effet, le domaine doit être assez grand pour permettre le développement des fines échelles qui n'existent pas dans les conditions aux frontières latérales. D'un autre côté, une simulation effectuée sur un trop grand domaine peut montrer d'importantes différences avec les données de pilotage si aucun forçage des grandes échelles n'est appliqué à l'intérieur du domaine régional. Les effets reliés à la taille du domaine d'intégration d'une simulation MRC sont évalués selon le cadre expérimental du "Grand-Frère". L'expérience consiste d'abord à générer une simulation climatique à haute résolution (-45 km) sur un domaine continental couvrant la majorité de l'Amérique du Nord, sur 196x196 points de grille. Cette simulation de référence, le Grand-Frère (GF), est ensuite traitée à l'aide d'un filtre passe-bas ayant la propriété de conserver les plus grandes échelles de l'écoulement (approximativement ≥ 2160 km). La série de données ainsi obtenue, le Grand-Frère Filtré (GFF), possède un niveau de détails similaire à celui des données provenant des MCGs. On utilise alors le GFF pour piloter quatre simulations, les Petits-Frères (PFs), à l'aide du même modèle mais sur des domaines plus restreints et de tailles différentes qu'on notera PFl à PF4, et qui ont des dimensions respectives de 144x144, 120x120, 96x96 et 72x72 points de grille. Les résultats des PFs sont comparés avec le GF en cumulant les statistiques climatiques (moyenne temporelle et écart-type) sur quatre mois d'hiver, au-dessus d'une zone commune correspondant pratiquement à la province canadienne du Québec. De manière générale, les patrons (pression, vent, humidité relative et taux de précipitation) des PFs s'améliorent en corrélation spatiale par rapport au GF lorsque le domaine est réduit de 144x144 à 72x72. Cette tendance a aussi été observée pour la moyenne temporelle des fines échelles de l'écoulement. Toutefois, il a été observé que l'intensité de la variabilité transitoire (écart-type) de ces échelles pouvait être compromise par la proximité des frontières latérales par rapport à la zone d'intérêt. En effet, d'importantes sous-estimations ont été détectées, particulièrement du côté entrant du domaine, ce qui suggère l'existence d'une distance de "spin-up" se devant d'être parcourue par l'écoulement avant que celui-ci démontre des particularités de fines échelles. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modèle régional de climat, Sensibilité à la taille du domaine, Petites échelles, Protocole du Grand-Frère.

Le présent projet évalue la sensibilité du Modèle régional canadien du climat (MRCC) à la position de sa frontière supérieure. Les premières simulations en configuration hémisphérique ont montré que le MRCC simule mal la structure thermique de la haute troposphère et de la basse stratosphère, surtout en hiver au-dessus du pôle Nord. Ce projet teste l'hypothèse que la position de la frontière supérieure à 29 km gêne la simulation de la circulation méridienne stratosphérique (CMS). La CMS est responsable d'une subsidence au-dessus de la région polaire hivernale, réchauffant par compression adiabatique l'ensemble de la stratosphère et la haute troposphère. Afin de vérifier cette hypothèse, les résultats de deux groupes de simulations sont comparés, le premier ayant sa frontière supérieure à 29km et le second à 45km. Les résultats montrent que le déplacement de la frontière supérieure de 29 à 45km permet de réduire localement certains biais pour la basse stratosphère, mais la structure thermique verticale comporte de nouveaux biais. Cette étude a permis d'identifier certains facteurs susceptibles d'influencer les résultats du modèle. Premièrement, les réanalyses ERA40 utilisées pour évaluer les résultats sont biaisées de plusieurs degrés dans la haute stratosphère. Deuxièmement, les paramétrages du déferlement des ondes de gravité et du roof drag qui ont été introduits directement à partir du Modèle canadien de circulation général semblent être inadéquats pour la configuration hémisphérique MRCC. Troisièmement, les concentrations d'ozone stratosphérique dans le MRCC sont vraisemblablement surestimées. Le MRCC ne comporte pas de module de chimie interactif, mais la radiation réagit aux concentrations des espèces chimiques prescrites. Finalement, le choix des années de simulations, de 1991 à 1995, complique d'avantage l'analyse des résultats puisque l'éruption du Pinatubo en 1991 modifie le climat observé des années subséquentes, modifications dont le MRCC ne peut tenir compte. Toutes ces hypothèses sont avancées suite à l'étude faite au cours de ce mémoire, mais leur vérification nécessitera le développement de nouveaux outils. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation climatique, Simulations hémisphériques, Sensibilité à la frontière supérieure.