L'objectif de l'étude est d'établir un modèle de comportement de l'ensemble navire et eau l'entourant permettant de prédire à court terme (10-15 s) et en temps réel les mouvements du navire sur la houle. L'approche proposée consiste 1) à établir une équation d'évolution autonome de/dt = f(e) de l'ensemble navire et eau, 2) à observer à chaque instant les variables d'état e à partir de mesures physiques. Le modèle f est établi par une mise en équations en fluide parfait et incompressible. Le potentiel et sa dérivée temporelle sur la surface libre ou sur la carène sont des variables d'état possibles pour l'eau. Ces grandeurs sur la surface libre peuvent être observées à partir de la mesure de sa dénivellation. L'observabilité de ces grandeurs sur la carène à partir de la mesure de la pression est un problème ouvert. Pour obtenir un modèle indépendant du temps, la mise en équations est développée en perturbations à partir d'une solution d'ordre zéro elle-même indépendante du temps.

Dans le but de mieux comprendre les phénomènes fondamentaux de l'érosion hydraulique des sols, nous étudions la relation entre la quantité locale de matière érodée et la contrainte locale exercée par l'eau sur le sol. La situation considérée est celle d'un écoulement bidimensionnel stationnaire, diphasique, turbulent, sur un sol immobile. Les équations dynamiques et les équations de conservation de la masse sont résolues simultanément. Les équations de Rankine-Hugoniot sont utilisées pour décrire les conditions de saut aux limites à l'interface eau-sol, et une loi d'érosion est fixée pour quantifier la quantité de matériaux érodés. Nous considérons ici deux types de lois d'érosion, l'une de type limite de plasticité, et l'autre proportionnelle à la différence entre la contrainte pariétale exercée par l'écoulement et la contrainte critique caractéristique du sol. Ce travail nous a permis d'étudier l'influence des différents paramètres mis en jeu, en particulier l'inclinaison du sol pour deux configurations différentes (écoulement de type couche limite et à surface libre), et l'introduction d'une loi différentielle de diffusion turbulente, tenant compte entre autre, du gradient de pression vertical au sein de l'écoulement et de la taille des sédiments. Les résultats obtenus montrent l'existence d'un fort couplage entre l'écoulement, l'érosion et les sédiments érodés en suspension, et notamment, pour des écoulements de type couche limite, la mise en évidence d'une pente critique du sol, à partir de laquelle l'érosion est amplifiée par la présence des sédiments déjà érodés. Cette modélisation, qui a l'originalité de proposer une description locale du phénomène d'érosion, se veut être un outil pratique et simple qu'il faudra chercher à confronter à des résultats expérimentaux, pour valider les lois théoriques utilisées dans la modélisation.

La motivation principale de cette thèse était de pouvoir simuler numériquement les procédés de mise en œuvre des propergols, comme le mélange et le remplissage de Booster. La viscosité de ce type de fluide implique durant la phase de remplissage l'apparition d'oscillations toroïdales caractéristiques du phénomène appelé Fluid Buckling. Ce phénomène est particulièrement difficile à représenter numériquement car l'interface entre le fluide et l'air présente une surface libre dont la complexité augmente avec le temps. C'est pourquoi, c'est cet exemple qui a été choisi pour valider l'efficacité d'une méthode numérique de représentation des surfaces libres. Nous avons pour cela choisit d'implémenter dans la librairie de calcul CimLib une méthode de type Level Set. Celle-ci a pour particularité d'effectuer l'étape de convection et l'étape de réinitialisation, indispensables à ce type de résolution, simultanément. De plus, la fonction distance a été tronquée aux alentours de l'interface à l'aide d'une fonction sinus, obtenant ainsi une fonction niveau sinusoïdale auto-déterminante. La résolution est stabilisée à l'aide d'une méthode de type SUPG. L'implémentation finale de la méthode est facilitée puisque le problème est réduit à une unique équation de convection d'une fonction Level Set Locale. Après une série de tests classiques de validation de méthode de surface libre, notre méthode a donc été validée en 2 et 3 Dimensions en simulant l'apparition du Fluid Buckling. La méthode a ensuite été implémentée dans les deux logiciels de simulation et validée sur des cas tests industriels prédéfinis de remplissage et de mélange. Les défauts obtenus numériquement correspondent à ceux attendus expérimentalement. La méthode est aujourd'hui utilisée pour simuler de nombreux autres procédés et a montré sa robustesse particulièrement dans des procédés multifluides. Afin d'optimiser la visualisation des défauts d'interfaces et de diminuer les temps de calcul, on peut envisager comme suite de ces travaux de recherche l'adaptation du maillage à proximité de l'interface et du pas de temps, le tout de façon automatique.

Les travaux portent sur l'analyse des écoulements qui se développent dans les bassins d'alimentation de pompes. Les structures qui en découlent sont généralement des tourbillons qui peuvent entrainer de l'air ou des particules solides comme les sédiments. Ce problème est généralement rencontré pour des applications d'irrigations, de captage des eaux usées et pour quelques applications marines. Les travaux présentent d'une part, des résultats expérimentaux obtenus sur une configuration de bassin d'alimentation de pompes de forme rectangulaire. Plusieurs configurations géométriques sont testées et analysées en particulier celles qui traitent de l'influence de l'immersion du tuyau d'alimentation et de sa position entre les murs latéraux. D'autres parts, une analyse basée sur une modélisation numérique de type RANS, permet de comprendre certains phénomènes, pour des configurations bien documentées qui ont également fait l'objet de résultats publiés. L'étude numérique est ensuite étendue à d'autres configurations en particulier pour détecter l'influence relative de certains paramètres géométriques jugés importants pour modifier les structures d'écoulements dans ces bassins

Nous nous intéressons aux effets en surface induits par un écoulement turbulent, en utilisant une approche expérimentale. Nous étudions un écoulement turbulent de faible épaisseur avec une surface libre. L'écoulement est produit dans un métal liquide à l'aide d'une force électromagnétique. Il présente des tourbillons, des bandes de cisaillement et des ondes, dépendent des conditions de forçage. Trois aspects ont été considérées: la déformation de surface engendré par la turbulence; les effets de la turbulence sur la propagation des ondes; et les effets de la turbulence sur des particules qui flottent à la surface. Concernant la déformation de surface : à mesure que l'on augmente l'intensité du forçage, l'écart type de la déformation augmente de façon linéaire, jusqu'à atteindre le 10% de l'épaisseur du fluide. Les déformations extrêmes peuvent atteindre la moitié de l'épaisseur. A faible forçage, la déformation de surface est principalement liée à la présence des tourbillons, impliquant une distribution de l'hauteur avec un facteur d'asymétrie négatif. Cette observation contraste avec la turbulence d'onde, où une asymétrie est aussi observée, mais avec un facteur d'asymétrie positif, notamment à cause des crêtes pointues dans les ondes de gravité. Le spectre en fréquence de la déformation présente une loi de puissance avec un exposant -5, similaire au spectre de singularité de Phillips. Ainsi, nous avons présenté les empreintes statistiques des tourbillons. Deuxièmement, nous avons considéré un autre aspect de la relation onde-écoulement turbulent : nous avons induit mécaniquement des ondes monochromatiques à la surface de l'écoulement. Lorsque l'écoulement deviens plus intense, nous avons mesure la décroissance et l'élargissement du mode associé à l'onde. Nous avons calculé une moyenne cohérente que souligne l'onde para rapport aux fluctuations turbulentes. Ceci nous permet d'observer la décroissance spatial de l'onde lorsque l'écoulement deviens plus intense. Ces analyses nous ont permit de quantifier une augmentation de l'atténuation des ondes à cause de la turbulence. Si l'on considère des particules qui flottent à la surface du liquide, on s'aperçoit qu'elles ont tendance à former des amas. Ce phénomène est confirmé par une analyse statistique des aires définies par la position des trois particules voisines. Ce faisant, on peut identifier clairement les particules qui appartiennent aux amas. De plus, ces particules présentent une corrélation très forte des vitesses et d'orientation angulaire. Plusieurs mécanismes physiques peuvent induire cette formation des amas: (i) l'inertie des particules ; (ii) des mouvements verticaux secondaires et ; (iii) la déformation de surface. Nous avons construit des quantités pour corréler les effets de concentration de particules avec ses mécanismes. Les corrélations plus importantes sont celles que concernent les mouvements verticaux secondaires, qui l'on interprète comme le mécanisme responsable des effets de concentration.

Le présent travail de thèse s'inscrit dans le cadre de la mise au point d'un nouveau procédé de fusion d'oxydes dans un four chauffé par induction. Le procédé étudié met en jeu des fortes interactions entre des phénomènes électromagnétique, thermique et hydrodynamique dans un milieu fluide aux propriétés physiques fortement dépendantes de la température. L'objectif de la thèse est de modéliser le procédé en couplant étroitement le chauffage par effet Joule, le brassage mécanique et la vidange du four. La modélisation de l'évolution temporelle de l'interface entre le verre et l'air lors de vidange du creuset froid a été réalisée. S'agissant de la méthodologie, nous avons choisi de coupler deux logiciels : Flux® pour le calcul électromagnétique et Fluent® pour la thermo-hydraulique. L'évolution de la surface libre a été traitée par la méthode multiphasique « Volume-Of-Fluid – VOF », et l'agitation mécanique par les modèles « Moving Reference Frame » et « Sliding Mesh ». Nous avons d'abord considéré la vidange sans agitation mécanique d'une cuve remplie d'une huile silicone de haute viscosité. Ce modèle initial prend en compte des études de similitude hydraulique entre l'huile silicone et le verre. Puis nous avons superposé l'écoulement forcé crée par un agitateur mécanique et les phénomènes électromagnétique et thermique afin modéliser l'écoulement du bain de verre fondu. Le modèle final permet de fournir de diverses grandeurs, notamment des estimations pour le temps de vidange, le flux thermique et l'évolution temporelle du débit massique et de la température dans le four. / This thesis is part of the development of a new technology of oxides melting in a furnace heated by induction. The technology studied involves strong interactions between electromagnetic, thermal and hydrodynamic phenomena in a flow with physical properties strongly dependents of the temperature. The aim of the thesis is the modelling of the process by coupling closely the Joule heating, the mechanical stirring and the draining of the furnace. The modeling of the time evolution of the interface between glass and air during the emptying of the cold crucible was performed. Regarding the methodology, we chose to combine two scientific codes: Flux® for the electromagnetic calculation and Fluent® for thermal-hydraulics. The evolution of the free surface was treated by the multiphasic method "Volume -Of- Fluid - VOF" and the mechanical stirring by the “Moving Reference Frame” and the “Sliding Mesh”. First of all, we considered the draining of a tank filled with a silicon oil of high-viscosity without mechanical stirring. This initial model took into account studies of hydraulic similarity between the silicon oil and the glass. Then we superimposed the forced flow creates by the mechanical stirrer, the thermal and the electromagnetic phenomena in order to model the flow of the molten glass. The final model can provide various parameters, including the time needed to drain the furnace, the heat transfer flux and the time evolution of the mass flow rate and of the temperature inside de furnace.

Le rotomoulage réactif est un procédé de fabrication de pièces creuses en polymère où la synthèse du matériau intervient pendant la mise en œuvre. Cette méthode présente plusieurs avantages comparée à la méthode traditionnelle utilisant des poudres thermoplastiques : réduction du temps de cycle, utilisation possible de matériaux techniques, et baisse de la consommation d'énergie et du coût des matières premières. Cependant le rotomoulage réactif est plus complexe à mettre en œuvre car la polymérisation provoque un changement important et rapide de la viscosité. Une des solutions pour optimiser ce procédé est de simuler l'écoulement du système réactif pendant la mise en œuvre.Pour ce travail nous avons utilisé un polyuréthane thermodurcissable. Des analyses thermiques et rhéologiques ont permis d'étudier les phénomènes de gélification et de vitrification du matériau et le diagramme Temps-Température-Transformation a été établi. Le comportement rhéocinétique du système a également été modélisé.Le procédé a été simulé en utilisant un code de calcul basé sur la méthode « Smoothed Particle Hydrodynamics » (SPH). Ce code a été développé par notre équipe et plusieurs améliorations ont été apportées au cours de cette étude. Pour effectuer des simulations plus réalistes en utilisant un plus grand nombre de particules, la première amélioration a consisté à accélérer la résolution des calculs. Ensuite l'évolution de la viscosité a été prise en compte grâce à l'utilisation d'un modèle rhéocinétique et une nouvelle condition limite a été développée pour simuler l'adhésion du polymère sur la paroi du moule. Les modifications nécessaires à la simulation d'écoulements 3D ont également été apportées au code SPH. / Reactive rotational molding is a process to manufacture hollow plastic parts where synthesis occurs during the shaping. This method has several advantages compared to traditional rotomolding using thermoplastic powders: shorter cycle time, possible use of high performance materials, and decrease of energy consumption and raw materials costs. However reactive rotational molding is more complex to implement mainly because of the important and quick change of viscosity occurring during polymerization. One of the solutions to optimize this process is to simulate the reactive system flow during processing.In this work we used thermoset polyurethane as reactive system. Thanks to thermal and rheological analysis, gelation and vitrification phenomena were studied and Time-Temperature-Transformation diagram was established. Material chemiorheological behavior was also modeled.The process has been simulated using a solver based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method. This solver was developed in our research team and several improvements have been added during this study. To be able to simulate realistic flows with a high number of particles, the first improvement was to accelerate the resolution of calculations. Then the change of viscosity has been taken into account using a chemiorheological model and a new boundary condition was developed to simulate adhesion of polymer on the mold wall. To be able to simulate 3D flows, the needed modifications have been also added to the SPH solver.

La plupart des réseaux d'irrigation gravitaire traditionnels, encore majoritaires dans le monde, distribuent l'eau aux parcelles agricoles à travers un réseau de canaux à surface libre. La distribution de l'eau sur ce type de réseau suit en général le mode de distribution au tour d'eau (tour d'eau fixe, modulé, arrangé ou mixte) et nécessite de définir un planning de manœuvre des vannes et un calendrier d'arrosage. La performance de la distribution d'eau est généralement très faible, du fait de contraintes de l'infrastructure, de main d'œuvre et d'évolutions des demandes en eau.La thèse propose une méthode générique permettant d'optimiser les manœuvres des vannes et le calendrier d'arrosage, ainsi que des stratégies de modernisation basées sur la mise en place de vannes automatiques et réservoirs tampon.La méthode est basée sur la programmation linéaire en variables mixtes (MILP). La définition des contraintes et des objectifs s'appuie sur l'analyse de deux périmètres traditionnels du Sud de la France, ainsi que sur une description des principales caractéristiques hydrauliques des systèmes de transport d'eau. Les méthodes prennent en compte trois critères d'optimisation : l'adéquation, la main d'œuvre et l'efficience hydraulique, ces critères pouvant être pondérés pour tenir compte de priorités.La méthode développée est testée sur un réseau virtuel, puis appliquée à un système réel où les évolutions récentes ont profondément dégradé l'adéquation offre-demande. La méthode permet alors de réduire fortement les volumes d'eau prélevés en tête de réseau mais non utilisés par les usagers, tout en assurant une très bonne adéquation offre-demande.L'enjeu de la modernisation des réseaux traditionnels est abordé sur un réseau au tour d'eau fixe, fortement contraint par la charge de travail pour manœuvrer les ouvrages. On montre, sur un site réel, comment définir des priorités de mise en place de vannes automatiques. Dans d'autres cas, la modernisation peut se faire par la mise en place de réservoirs tampon dont l'emplacement et le volume peuvent être optimisés. / Most traditional gravity irrigation networks, still the majority in the world, deliver water to farm field (offtakes) through an open channel network. Water distribution on this type of network is generally based on irrigation schedule/delivery methods (fixed rotation, central system, arranged or mixed schedule) and requires two schedules: one for irrigation and another for gate operations. Water distribution performance of this system is low due to hydraulics infrastructures constraints, manpower and water demand evolution.The thesis proposes a generic method for optimizing gate operations and irrigation schedules, as well as modernization strategies based on the development of automated gates and buffer reservoirs.The method uses mixed integer linear programming (MILP). The definition of constraints and objectives is based on the analysis of two traditional irrigation networks of Southern France, as well as a description of the main characteristics of hydraulic systems for water delivery. Methods take into account three optimization criteria: adequacy, hydraulic efficiency and manpower. These criteria can be weighted for setting the priorities.The developed method is tested on a virtual network, and then applied to a real system where recent evolution have profoundly damaged the adequacy between supply and demand. We show that the method can greatly reduce the volume of water withdrawn by the network, and not used by users, for ensuring a good adequacy between supply and demand.The challenge of modernization is taken into account for an open channel network which is strongly constrained by manpower for gates operations. It is shown on a real network, how to set priorities for implementation of automatic gates. In other cases, the modernization may be achieved by the implementation of the buffer reservoir which location and volume can be optimized.

Cette thèse propose de nouveaux outils de calcul pour la simulation du moulage de pièces minces par injection de thermoplastiques. Ces travaux s'intègrent au sein d'un code de calcul 3D dédié à la simulation du remplissage de pièces volumiques. La description thermo-mécanique du remplissage du moule est obtenue par une discrétisation éléments finis eulérienne. Nous proposons en première partie une méthode de génération de maillages pour traiter les géométries minces. La solution proposée, issue des méthodes d'optimisations locales, nécessite l'introduction de la notion de métriques. Elle permet de générer et d'adapter des maillages anisotropes bi- ou tridimensionnels non structurés tétraédriques ou triangulaires. En deuxième partie, on a été amené à caractériser l'erreur commise sur le calcul d'un écoulement visqueux incompressible sur de tels maillages. Un nouvel estimateur d'erreur a posteriori pour le problème de Stokes est proposé pour traiter ces maillages. Enfin, l'utilisation de tels maillages peut dégrader, localement, le calcul du remplissage au niveau des surfaces libres. Pour maîtriser cet effet, une méthode d'adaptation de maillage par déformations locales est proposée. S'inspirant des méthodes de régularisation par barycentrage, elle permet d'adapter dynamiquement les mailles au niveau des fronts en mouvement, tout en régularisant le maillage en amont et en aval de ceux-ci. L'ensemble de ces outils permet d'élargir le domaine d'applications du logiciel de simulation existant aux géométries minces, mais aussi d'en améliorer la précision dans le cadre de l'injection multifluides. Des applications, regroupées dans le dernier chapitre, permettent d'illustrer les avancées permises par cette étude.

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés.