Le laboratoire auquel j'appartiens s'intéresse depuis un certain temps à une nouvelle technologie d'hydrolienne à ailes oscillantes (HAO) et a mené plusieurs études numériques sur le sujet, mais celles-ci n'ont jamais considéré les effets de confinement et de surface libre (effet du nombre de Froude) inhérents aux rivières. L'intérêt est donc ici d'étudier le comportement de l'HAO dans ce contexte et de développer une meilleure compréhension des écoulements à surface libre. Non seulement il est important de mieux saisir la physique associée à l'opération d'une turbine hydrocinétique en rivière, mais il est aussi avantageux de pouvoir prédire à l'avance les forces et la puissance d'une turbine réelle installée sur un site spécifique. Puisqu'il existe déjà un modèle 1D, stationnaire et non visqueux permettant de prédire les performances en milieu confiné d'une turbine idéale uniforme, il est possible d'en tirer profit pour mieux envisager l'impact du lit de la rivière et de la surface sur une turbine réelle. D'abord, la validité du modèle 1D est testée à l'aide de simulations numériques 2D et 3D utilisant une méthode CFD multiphase combinée à une approche par puits de quantité de mouvement. Ces simulations montrent que dans la plage d'opération typique d'une turbine, la théorie reste valide en dehors des hypothèses 1D et non visqueux. Elles confirment également que la présence d'une turbine en rivière crée une hausse du niveau de l'eau en amont de celle-ci, occasionnant du même coup un ralentissement de l'écoulement. Cela a pour effet de diminuer l'estimation initiale des forces et des puissances basé sur l'écoulement non perturbé. De plus, des calculs URANS 2D de turbines à ailes oscillantes alliant des techniques de maillages mobiles et de remaillage sont présentés afin d'établir que ce genre de turbine suit les mêmes tendances que la théorie 1D face au confinement. Cependant, les performances du puits idéal de quantité de mouvement augmentent plus vite en milieu confiné que pour une HAO. Les simulations mettent également en lumière qu'au-delà de trois longueurs de corde sous la surface, celle-ci n'a que des effets minimes sur les performances et elles confirment que le point d'opération optimal d'une turbine dépend du confinement. Enfin, comme HAO est une technologie instationnaire, il est difficile de développer un modèle permettant de prédire les performances d'une telle turbine en fonction du confinement. Bien qu'un modèle ait pu être développé ici, celui-ci n'est pas encore parfait et évalue incorrectement la traînée une fois la turbine confinée. Des pistes pour améliorer le modèle actuel sont proposées et discutées. / The laboratory to which I belong has long been interested in a new technology of hydrokinetic turbine using oscillating foils (HAO) and has conducted several numerical studies on the subject, but never with consideration of free surface (Froude number effects) and blockage effects. The interest here is to study the turbine HAO in this context and to get a better understanding of open-channel flows. Not only it is important to better understand the physics associated with the operation of hydrokinetic turbines in rivers, but it is also advantageous to be able to predict the forces and power of a real turbine installed in a specific site. Since there already exists a 1D, stationary and nonviscous model to predict the performances of an ideal uniform turbine in blockage and surface proximity conditions, it is possible to build on it to better address the impact of the river bed and the free surface on a real (nonideal) turbine. First, the validity of the 1D model is tested against 2D and 3D numerical simulations using a multiphase CFD method and an actuator disc approach. These simulations show that within the typical operating range of a turbine, the theory remains valid outside its 1D and nonviscous assumptions. They also confirm that the presence of a turbine in a river creates a swelling up of the water level upstream of the turbine, causing at the same time a slowdown of the upstream flow. This yields a decrease in the initial guess of forces and power based on the undisturbed flow. Further, 2D URANS calculations of oscillating foils turbines HAO combining moving meshes and remeshing techniques are presented to establish that this kind of turbine follows the same trends as the 1D theory relative to blockage effects. However, as the theory implies an ideal uniform momentum sink, performances of the latter grow faster than an actual HAO in a confined flow. The simulations also highlight that beyond three chord lengths beneath the surface, the latter has only minimal effects on performances. They also confirm that a turbine must be optimized according to the blockage ratio. Finally, as HAO is an inherently unsteady technology, it is particularly difficult to develop a simple model well suited to such turbines that can predict accurately its performances as a function of blockage ratio. Although one has been developed in this work, it is not perfect yet and incorrectly evaluates drag in a confined flow context. Avenues to improve the current model are proposed and discussed.

Cette thèse traite de la dynamique des jets et projections liquides faisant suite à l'effondrement de cavités à la surface libre. Une large gamme d'échelle sera considérée : des cavités submillimétriques à décimétriques. La dépendance de la vitesse d'éjection du jet avec la taille de cavité et les propriétés du liquide nous permet de déterminer les lois d'échelle pertinentes et ainsi d'extraire l'essence des mécanismes physiques en jeu. Dans une première partie, les jets sont créés par l'éclatement de petites bulles : la force motrice qui permet de combler la cavité est alors la capillarité. Nous avons mis en évidence les rôles contre-intuitifs de la gravité et de la viscosité. Les aérosols éjectés par ce mécanisme ont ensuite été caractérisés, de leurs tailles à leurs évaporations. Dans une seconde partie, le pendant gravitaire à été considéré via une expérience modèle permettant l'étude de jets issus de cavités centimétriques sculptées à l'air comprimé. Une dynamique originale traduisant une focalisation de liquide et une dissipation localisée à la base du jet a été mise en évidence. Ces jets modèles ont ensuite été comparés à ceux issus de l'impact d'une bille dans un liquide visqueux. Dans la troisième partie, le champ de vitesse dans les jets étirés évoluant dans un régime inertiel a été étudié expérimentalement et théoriquement. La vitesse inertielle en z/t (z la position dans le jet et t le temps) communément utilisé a été caractérisée en fonction de l'alimentation en liquide à la base du jet. / This thesis deals with the dynamics of jets and liquid projections occuring when a cavity collapses at a free surface. A full range of scales will be investigated: from submilimetric cavitis to decimetric ones. The jet velocity dependence with cavity size and liquid properties allow us to establish the right scaling laws and thus to point out the relevant physical mecanisms at play. In a first chapter, jets are created by the bursting of small bubbles: the cavity collapses because of capillary forces. We highligthed the counterintuitive role of both gravity and viscosity. This mecanism gives birth to aerosols, which have been characterized from their size to their evaporation. In a second chapter, we considered the gravity-fed equivalent: a model experiment was set up to study jets from relaxing centimetric cavity shaped by blowing air at a free surface. We evidenced an unusual dynamics revealing the liquid focalisation in the jet and a localized dissipation at the base of the jet. A comparison of those model jets with the ones ejected after a solid objet impacts a viscous liquid was then performed. In the third chapter, we studied experimentally and theoretically the velocity field of inertial stretched jets. The inertial velocity z/t (with z the position in the jet et t the time) commonly used has been investigated depending on the jet feeding at its base.

L'objectif principal de cette étude consiste à réduire les temps de calcul des simulations de procédés de mise en forme continus sous le logiciel Forge3®. Ces procédés, tel que le laminage et le tréfilage, sont caractérisés par des pièces dont la longueur est très importante en comparaison des dimensions de la section ainsi que de la zone de contact. Une approche incrémentale générale implique des temps de calcul conséquents allant de quelques heures à plusieurs jours. En se concentrant sur le régime quasi permanant de ces procédés, une formulation stationnaire est développée pour accélérer leur simulation. Le domaine de calcul correspond initialement à une estimation de la forme de l'écoulement solution au voisinage des outils. Une étape de correction du domaine est ajoutée en plus du calcul stationnaire de l'écoulement. Comme les conditions aux limites sont modifiées, ces deux étapes sont répétées jusqu'à convergence.L'étude s'est concentrée principalement sur l'étape de correction du domaine correspondant à la résolution d'un problème de surface libre par la méthode des éléments finis. Le caractère purement convectif du problème ainsi que la prise en compte du contact nécessite l'utilisation de formulations faibles faisant apparaître un décalage amont (SUPG). Deux nouvelles formulations basées sur la méthode des moindres carrés sont développées avec succès (MC_supg et MC_lc). Pour appliquer la méthode à des géométries complexes, différentes méthodes de généralisations sont développées où un 2ème degré de liberté est ajouté aux nœuds de surface. La méthode la plus performante (CSL_dif) consiste à utiliser ce 2ème degré de liberté pour le calcul de surface libre uniquement sur les nœuds appartenant à une arête géométrique, pour les autres une régularisation du maillage dans la direction tangente y est effectuée. Des résultats excellents ont été observés sur un grand nombre de cas tests analytiques. Le contact est appliqué par une méthode de pénalisation aux nœuds. Afin de renforcer le couplage entre cette étape et celle du calcul de l'écoulement, un contact bilatéral glissant est attribué aux nœuds en compression alors que pour les autres nœuds un contact unilatéral est employé. Un algorithme spécifique est développé pour déterminer avec précision la zone de contact.Cette formulation itérative pour la recherche de l'état stationnaire a été appliquée avec succès sur un grand nombre de cas tests de mise en forme. Des accélérations comprises entre 10 et 60 ont été obtenues par rapport à Forge3®. / The aim of this study is to reduce the computational time for the simulation of continuous material forming processes with Forge3® software. These processes, like rolling and wire drawing, are characterized by an important length of the pieces in comparison to their sectional's dimensions and to the local contact area. A general and incremental approach requires important computational times ranging from a few hours to several days. By focusing on the quasi permanent regime of these processes, a stationary approach is developed to speed up their simulation. The computational domain consists of an initial guess of the steady flow near the tools. A domain correction stage is added after the computation of the steady flow. As boundary conditions are changed, these two stages are repeated until the convergence is reached.Most of the works is concentrated on the domain correction which is a free surface problem solved by the finite elements method. As it is a case of a pure convection problem where the treatment of contact is necessary, weak formulations have to show up an upwind shift (SUPG). Two new formulations based on the least squares method have been successfully developed (MC_supg, MC_lc). To take into account complex geometries, severals new methods have been developed by adding a second degree of freedom for surface nodes. The most efficient method (CSL_dif) uses this second degree of freedom for free surface computation only for nodes belonging to geometric edges, whereas the other nodes have a mesh regularization in tangent direction of the surface. Excellent results are obtained for many analytical test cases. A penalization method is used to apply contact equations on nodes. In order to enforce the coupling between this stage and the one for the computation of the flow, a bilateral sliding contact is assigned to the nodes in compression, whereas for the others a unilateral contact is used. A specific algorithm has been developed to efficiently compute the contact area.This iterative formulation for the search of the steady state is successfully used on a large number of material forming test cases. Important accelerations are gained compared to Forge3®, ranging from 10 to 60.

Ce mémoire traite de l’étude des écoulements en rivière naturelle. Plus précisément, l’impact de la granulométrie du lit des rivières, ainsi que de la profondeur d’eau sur la génération de courants secondaires y est analysé. Les courants secondaires sont causés par les effets de cisaillement ainsi que de la turbulence. Cependant, les structures d’écoulement telles que les courants secondaires peuvent être affectés par une multitude de facteurs et la majorité des recherches actuelles sur le domaine sont effectuées en laboratoire. Le but de ce projet est donc d’observer les courants secondaires en milieu naturel. Un vélocimètre acoustique Doppler (ADV) a été utilisé afin de déterminer les profils de vitesse in situ de différentes sections de rivières. Le lit de la rivière a été échantillonné afin d’en déterminer la granulométrie. Différentes bases théoriques sont explorées afin d’interpréter les profils de vitesse obtenus. La base théorique choisie est en mesure de décrire les processus physiques de la rivière naturelle ainsi que de permettre la caractérisation des phénomènes de courants secondaires. Selon les recherches effectuées, nous croyons que la granulométrie a un impact sur la structure des courants secondaire puisque ceux-ci dépendent de la rugosité du lit de la rivière. Or, la taille et la forme des grains du lit de la rivière ont certainement un impact sur la rugosité du fond de la rivière. Les effets anthropogéniques sur l’environnement, notamment sur les cours d’eau, sont de plus en plus reconnus. Afin de bien comprendre et mitiger les impacts dus à l’aménagement de notre environnement, il devient nécessaire de caractériser les processus physiques des rivières. Les courants secondaires sont liés à la résistance à l’écoulement des rivières et ont donc un impact considérable sur le comportement de celles-ci.

Nous étudions la stabilité de l'écoulement de films superposés de fluides newtoniens ou non newtoniens sur un plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités dans ce type d'écoulements intéresse particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage. Il est en effet intéressant de pouvoir maîtriser le déclenchement des instabilités en vue d'éviter qu'elles ne déteriorent la qualité du produit. Nous nous sommes intéressés au cas de fluides rhéofluidifiants, dont la viscosité est décrite par la loi de Carreau. <br />La première partie est consacrée au cas d'une seule couche. Trois approches complémentaires sont exploitées : une approche asymptotique, considérant un comportement faiblement non newtonien dans la limite des grandes longueurs d'onde, une approche phénoménologique basée sur les mécanismes de l'instabilité au niveau de la surface libre et une approche numérique. Cette dernière s'appuie sur la résolution sous forme d'un problème aux valeurs propres de l'équation d'Orr–Sommerfeld généralisée par la méthode spectrale de collocation de type Tau-Tchebychev. <br />Dans une deuxième partie, nous avons étendu l'étude à deux couches et étudié l'influence sur la stabilité de l'écoulement des principaux paramètres : propriétés rhéofluidifiantes, tensions de surface, rapport des débits, densités et viscosités. L'étude de stabilité est combinée à une approche énergétique qui nous a permis d'analyser le rôle de chaque terme de l'équation de l'énergie. Nous avons montré le rôle clé joué par le cisaillement aux interfaces pour expliquer l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur les différentes contributions du bilan énergétique.

Nous étudions la stabilité de l'écoulement de fluide rhéofluidifiant (pseudoplastique) sur plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités intéresse ici particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage (papeterie, photographie), ou le secteur environnemental dans la compréhension de certaines situations exceptionnelles (coulées de boues, laves torrentielles, écoulements de glaciers). Nous modélisons la viscosité des fluides utilisés par la loi de Carreau. Afin de caractériser nos fluides, nous utilisons l'électrocapillarité comme technique optique consistant à étudier la propagation et l'atténuation d'ondes capillaires. Les résultats de mesures permettent en particulier de déterminer la viscosité à valeur de cisaillement aussi faibles que 10−3s−1. Notre objectif est d'étudier expérimentalement la stabilité de films rhéofluidifiants sur plan incliné. Pour des valeurs fixées de l'angle d'inclinaison, nous avons déterminé le seuil critique expérimental et tracé la courbe marginale de stabilité sur les plans (Re, k) et (Re, c) pour nos différents fluides. Nous trouvons que nos résultats expérimentaux sont en bon accord avec les résultats numériques, et confirment l'effet rhéofluidifiant déstabilisant relativement au cas Newtonien. Nous discutons enfin la validité du théorème de Squire en écrivant l'équation d'Orr-Sommerfeld généralisée aux ondes 3D et aux fluides de Carreau. Analytiquement, les relations de Squire ne sont pas vérifiées, et les résultats numériques montrent que les relations de Squire ne s'écrivent que dans le cas Newtonien / We study the stability of shear-thinning (pseudoplastic) fluid films flow down an inclined plane. This problem is of interest in many industrial applications such as coating, and may explain the manifestation of a specific kind of surface waves, appearing in some spectacular environmental flow configurations such as debris flows or surge waves. We focus on fluids obeying the Carreau law. An optical technique called electrocapillarity has been implemented in order to determine the surface tension and viscosity, at values of the shear rate as small as 10−3s−1, by studying the damping of propagating capillary waves. The main objective of this work is to experimentally study the linear stability of shear-thinning fluid films flow. For a fixed inclination angle, the experimental study essentially consists in measuring the cutoff frequency and wavelength of primary waves, and then determining the critical Reynolds number. The experimental results presented in the (Re, k) and (Re, c) planes are in good agreement with the numerical results, and confirm the destabilizing effect of the shear-thinning properties in comparison with the Newtonian case (the critical Reynolds number is smaller, and the ratio between the marginal waves celerity and the flow velocity at the free surface is larger). Finally, we discuss the validity of the Squire’s theorem in the case of generalized Newtonian fluids film flow down an inclined plane. Analytically, the Orr-Sommerfeld problem with respect to 3D disturbances is not equivalent to a 2D problem, and the numerical results show that the Squire’s transformations can only be used in the Newtonian case

Nous considèrons le ballottement des liquides dans les réservoirs cylindriques pour de forts taux de remplissage. Le système est soumis à une oscillation rectiligne horizontale et périodique de basse fréquence. Des visualisations ainsi que des mesures temporelles de la position de la surface libre par sonde capacitive ont permis de détailler les mouvements d'ondes ainsi que la déstabilisation du front. Trois régimes sont mis en évidence : un mode plan antisymétrique, un régime chaotique et un mode tournant. Le mode forcé est très bien modélisé par un pendule simple amorti. Ce modèle mécanique permet de prévoir la coexistence initiale du mode propre décroissant et du mode forcé et de déterminer l'amplitude stationnaire et le déphasage par rapport à l'excitation. La résonance est observée pour des fréquences inférieures à la fréquence propre linéaire du mode 1, la non linéarité est négative pour ces taux de remplissage. Le mode plan déferle alors et un régime pseudo périodique d'alternance des différents modes et de phases de brisure s'installe. L'étude détaillée de la brisure est réalisée en cuve carrée. Le front de l'onde à la paroi est déstabilisé par des ondes transverses de type Faraday. Cette instabilité donne lieu à une forte modification du profil de l'onde. Elle conduit également à une importante création de bulles entraînées et de gouttes par un phénomène de splashing. Pour des fréquences légèrement supérieures à la fréquence de résonance linéaire, le mode tournant, onde progressive azimutale, émerge. Ce mode existe pour des fréquences élevées par mise en rotation de la masse de fluide et effet Doppler. Il reste stable pour des amplitudes d'ondes très importantes.

L' écoulement d'un fluide sur une surface inclinée en conditions de mouillage partiel existe dans de nombreuses situations de la vie courante et dans des applications industrielles variées. A faible débit, des zones sèches stationnaires peuvent exister au sein d'un film en ruissellement, qui compromettent le fonctionnement de certains échangeurs de chaleur. Nous avons entrepris une etude expérimentale systématique de l' écoulement d'un film d'huile silicone sur un plan incliné convenablement traité pour obtenir un angle de contact statique fini. Nous montrons que des zones sèches stationnaires de forme bien définie et reproductible existent dans une certaine gamme de débit, et qu'elles sont supprimées au dessus d'un débit critique. Nous proposons une modélisation de ces phénomènes basés sur de subtils équilibres entre les effets de la gravité, de la viscosité et de la capillarité rendant compte des observations dans une large gamme de paramètres. Au premier ordre l' équilibre du bourrelet liquide délimitant une zone sèche résulte d'une compensation de son poids par les effets capillaires, et pour les forts angles de contact et des inclinaisons faibles du plan de l'écoulement, des effets secondaires liés à la courbure de la ligne de contact et à la pression hydrostatique dans le film jouent un rôle non négligeable et déterminent la stabilité du système. Nous avons également abordé le ruissellement de gouttes sur un plan incliné, pour lequel nous mettons en évidence l'existence de régimes d'écoulement variés. Suivant leur vitesse, les gouttes peuvent être ovales, pointues ou perlantes. Une interpr etation de l'existence du régime de gouttes pointues basée sur un modèle d'angle de contact dynamique est proposée. Enfin, nous présentons quelques résultats qualitatifs sur l'écoulement d'eau dans un faisceau de tubes tel qu'on en rencontre dans certains échangeurs de chaleur.

Ce travail concerne la simulation d'écoulements viscoélastiques compressibles appliquée à l'injection de polymères. La compressibilité est intégrée dans Rem3D en supposant que la densité du matériau suit une loi d'évolution du type loi de Tait. La conservation de la masse est écrite comme une équation en vitesse, pression et température, à travers des coefficients de compressibilité isotherme et de dilatation isobare. Le système obtenu est désigné "Stokes compressible" et sa résolution numérique est faite par la méthode des éléments finis mixtes. Le système obtenu est non-linéaire et non-symétrique. Le couplage thermique et l'extension à des problèmes avec surface libre sont aussi considérés. Le modèle viscoélastique choisi est le modèle Pom-Pom, issu de la dynamique moléculaire. L'extra-contrainte est fonction des propriétés microscopiques du matériau, comme l'orientation moléculaire et son étirement. L'élasticité est vue comme une perturbation dans le problème mécanique, et une méthode de stabilisation du type DEVSS est utilisée. L'orientation et l'étirement sont déterminés par la résolution de deux équations d'évolution via une méthode espace-temps Galerkin discontinu. Finalement, la thermoviscoélasticité est abordée brièvement. Dans le contexte de l'injection de polymères, REM3D couvre aujourd'hui toutes les phases du procédé. Néanmoins, la solidification et la transition liquide-solide sont approximées par un comportement du type liquide de très haute viscosité. L'introduction de la compressibilité permet de compenser le retrait du matériau par un apport supplémentaire de matière. D'un autre côté, la prise en compte d'un comportement viscoélastique détecte d'éventuelles anisotropies des propriétés de la pièce injectée. Les diverses comparaisons des résultats obtenus avec la littérature et l'expérience montre une bonne concordance, validant les modèles implémentés.

La production industrielle d'aluminium met en jeu plusieurs aspects physiques, à la fois chimiques, thermiques et magnétohydrodynamiques (MHD). L'une de ses particularités est la coexistence dans une cuve de deux fluides non miscibles, ce qui conduit à la présence d'une interface libre. Ce procédé consomme près de 2% de l'électricité mondiale, la moitié étant perdue par effet Joule. L'enjeu est de réduire ce coût sans déstabiliser le procédé: il s'agit typiquement d'un problème de contrôle optimal, que nous traitons en considérant une modélisation MHD de la cuve. Deux approches sont utilisées pour effectuer cette optimisation, à savoir considérer une contrainte d'état non linéaire basée sur un couplage entre les équations de Maxwell et de Navier-Stokes multifluides, et une contrainte d'état linéaire résultant d'une approximation shallow water de la précédente. Après une courte introduction à la modélisation du procédé et aux concepts du contrôle optimal basé sur le principe de Pontryagin, nous décrivons dans un premier temps le contrôle de l'évolution de l'interface modélisée par l'approximation shallow water. S'ensuivent un travail de parallèlisation du logiciel de simulation du procédé dans le cadre non linéaire et la recherche numérique d'actionneurs acceptables pour son contrôle. Enfin, un algorithme d'optimisation de la forme de l'interface est proposé sous une contrainte d'état non linéaire simplifiée, à savoir les équations de Navier-Stokes bifluides en dimension deux.