Une des problématiques majeures dans l’industrie des bioprocédés réside dans l’extrapolation des procédés biologiques à grande échelle. On observe généralement à l’échelle industrielle des écarts de rendement de croissance de la biomasse, ainsi que la formation de sous-produits comparativement à l’échelle du laboratoire. La formation de gradients de concentration à l’échelle des bioréacteurs est souvent évoquée. Dans ce travail, les interactions entre micromélange et assimilation du substrat sont abordées à l’échelle du microorganisme. Un modèle couplant transport et assimilation à l’échelle d’un microorganisme est proposé. L’existence de régimes physique et biologique, limitant l’assimilation du substrat est mise en lumière. Une approche basée sur le suivi Lagrangien de particules dans un champ de turbulence homogène isotrope est ensuite retenue. Les effets des hétérogénéités de concentration vues par les microorganismes, sont traduits à l’échelle de la population entière. Une loi analytique permettant de construire la distribution de flux reçus par les microorganismes à partir de la distribution de concentration en substrat dans le fluide, est proposée. Partant de cette distribution de concentrations vues, l’adjonction d’un modèle métabolique simplifié permet d’expliquer les baisses de vitesse spécifiques de croissance et la formation de sous-produits observées expérimentalement. Enfin, de premiers résultats sur le couplage inverse biologique sont présentés. L’effet des microorganismes sur le champ de concentration est caractérisé et une étude paramétrique sur les propriétés dynamiques et biologiques est réalisée. / The scale-up of biological process is a critical issue in the bioprocess industry. When passing from a laboratory to an industrial scale, the conversion yield of substrate into biomass is often overestimated and by-products are formed. Different existing works attempt to predict the effect of mixing on biomass growth and the emergence of substrate concentration gradients at the reactor scale are a first explanation of the degraded performances. In this work the interactions between micro-mixing and substrate assimilation are addressed at the microorganism scale. A coupled transport-assimilation model is proposed for an isolated microorganism. The emergence of physical and biological regimes limiting the substrate assimilation is enlightened. An approach based on the Lagrangian tracking of microorganisms in a homogeneous isotropic turbulent field is then chosen. The effects of local concentration heterogeneities seen by microorganisms are observed at the population scale. An analytical expression is proposed for the assimilated substrate flux distribution by the microorganisms, based on the substrate concentration distribution in the fluid. From these concentrations encountered by microorganisms, we coupled a simplified metabolic model that explains the decreased specific growth rate, and the by-products formation often observed in many experiments. Finally, first results on the biological two-way coupling are proposed. The effect of microorganisms on the substrate field is characterised and a parametric study on the dynamics as well as biological parameters is realised.

La propagation de flammes turbulentes dans des milieux réactifs inhomogènes concerne un grand nombre d’applications pratiques, y compris celles qui reposent sur des cycles de combustion à volume constant. Les hétérogénéités de composition (richesse, température,dilution par des gaz brûlés, etc.) sont issues de plusieurs facteurs distincts tels que la dispersion du spray de gouttelettes de combustible et son évaporation, la topologie de l’écoulement ainsi que la présence éventuelle de gaz brûlés résiduels issus du cycle précédent. La structure des flammes partiellement prémélangées qui en résultent est significativement plus complexe que celles des flammes plus classiques de diffusion ou de prémélange. L’objectif de ce travail de thèse est donc de contribuer à l’amélioration de leur connaissance, en s’appuyant sur la génération et l’analyse de base de données de simulations numériques directes ou DNS (Direct Numerical Simulation). Celles-ci sont conduites avec le code de calcul Asphodele qui est basé sur l’approximation de faible nombre de Mach. Le combustible de référence retenu est l’iso-octane.La base de données est structurée suivant cinq paramètres qui permettent de caractériser l’écoulement turbulent ainsi que l’hétérogénéité de composition du milieu réactif. Dans un premier temps, des configurations bidimensionnelles ont été considérées en raison du coût élevé induit par la description détaillée de la cinétique chimique. L’étude des ces différents cas de calcul a permis de mettre en lumière plusieurs mécanismes fondamentaux de propagation dans les milieux hétérogènes en composition. Une réduction significative des coûts de calcula pu ensuite être obtenue grâce au développement d’un modèle chimique simplifié optimisé.Son utilisation a permis d’étendre les analyses à de / The propagation of turbulent flames in non-homogeneous reactive mixtures of reactants concerns a large number of practical applications, including those based on constant volume combustion cycles. The composition heterogeneities (equivalence ratio, temperature, dilution by burnt gases, etc.) result from several distinct factors such as the dispersion of the spray of fuel droplets and its evaporation, the flow field topology as well as the possible presence of residual burnt gases issued from the previous cycle. The resulting partially premixed flames structure is significantly more complex than the one of more conventional diffusion or premixed flames.The aim of this thesis work is therefore to contribute to the improvement of their understanding, by proceeding to the generation and analysis of a new set of direct numerical simulations (DNS) databases. The present computations are performed with the low-Mach number DNS solver Asphodele. The database is structured according to five parameters that characterize the turbulent flow as well as the composition heterogeneity of the reactive mixture. First, because of the high numerical costs induced by the detailed description of chemical kinetics, two-dimensional configurations were considered. The study of these various simulations highlights several fundamental mechanisms of flame propagation in heterogeneous mixtures. Then, a significant computational cost saving has been achieved through the development of an optimized simplified chemistry model. The use of the latter allowed to overcome the major bottleneck of high CPU costs related to chemical kinetics description and thus to extend the analysis to three-dimensional configurations. Some of the conclusions obtained previously were reinforced.

La régulation des polluants a mené à la création de nouveaux systèmes de combustion. Le carburant étant stocké sous forme liquide, sa transformation jusqu’à sa combustion est complexe. La capacité de la Simulation aux grandes échelles à simuler des écoulements turbulents réactifs a été montrée sur des cas académiques comme sur des configurations industrielles, tout en prenant en compte les phénomènes multiphysiques intervenant dans ces configurations, mais les études sur la structure de flamme diphasique sont encore trop peu nombreuses. La présence de deux solveurs pour la simulation d’une phase liquide étant disponible dans le code AVBP, leur utilisation permet une comparaison et une compréhension des phénomènes en jeu combinant dispersion, évaporation, et combustion. La première partie de l’étude relate la validation du modèle d’injection FIM-UR. Ce modèle est capable de reconstruire les profils de vitesses et de granulométrie à l’injecteur sans avoir à simuler les phénomènes d’atomisation primaire et secondaire. Une validation en régime turbulent avait déjà été réalisée, et on propose ici de valider le modèle dans un cas laminaire. Des comparaisons entre simulations monodisperses et polydisperse et des expériences sont effectuées. La simulation monodisperse Lagrangienne donne une bonne structure globale mais la simulation polydisperse Lagrangienne permet de retrouver le comportement au centre du cône avec la présence des petites gouttes et à la périphérie du cône par la présence des grosses gouttes. De plus, des améliorations sont apportées au modèle pour le formalisme Eulérien et montrent de bons résultats. La partie suivante s’intéresse à caractériser un spray polydisperse par une distribution monodisperse. En effet, au cas où une approche polydisperse n’est pas possible, le choix du diamètre moyen à prendre pour une simulation monodisperse est délicat. On propose donc d’analyser le comportement d’un spray polydisperse en le comparant à ceux de sprays monodisperses. Deux configurations académiques sont choisies : des cas de Turbulence Homogène Isotrope chargée en particules pour étudier la dynamique, et des calculs d’évaporation 0D. Trois paramètres sont étudiés pour la dynamique : la concentration préférentielle (ou ségrégation), la traînée moyenne et la traînée réduite moyenne. Cette dernière et la ségrégation de la distribution polydisperse semblent affectées par les tailles de goutte les plus faibles, et la concentration préférentielle apparait alors comme la moyenne des ségrégations des classes qui la composent pondérées par l’inverse du nombre de Stokes associé à chacune de ces classes. La traînée moyenne de la simulation polydisperse possède un comportement proche des diamètres moyens D10 et D20. Ces analyses nous poussent donc à choisir le D10 pour caractériser la dynamique d’un spray polydisperse. Les calculs d’évaporation 0D ne permettent pas dans un premier temps de caractériser efficacement la masse évaporée d’un spray polydisperse par celle d’un spray monodisperse équivalent, mais la définition de nouveaux diamètres issus de la littérature des lits fluidisés comme le D50% le permet, ce qui le place autour du D32. On propose donc de caractériser l’évaporation d’un spray polydisperse par ce diamètre. Enfin, la dernière partie étudie la structure de flamme diphasique dans la chambre MERCATO, à l’aide du formalisme Lagrangien, monodisperse et polydisperse, mais aussi en utilisant le formalisme Eulérien. La validation du modèle FIM-UR du premier chapitre et ses améliorations sont utilisées pour représenter les conditions d’injection liquide. En plus d’un calcul polydisperse, deux simulations monodisperses Lagrangiennes sont réalisées en prenant les diamètres moyens D10 et D32, suite à la partie précédente. Des comparaisons qualitatives et des validations sont réalisées, en comparant des profils de vitesses gazeuses axiale et fluctuante et vitesse axiale liquide issus de l’expérience. / Regulations on pollutants have led to the creation of new combustion systems. Giving that fuel is stored in a liquid form, its evolution until combustion is complex. The ability of Large Eddy Simulation has been demonstrated on academic cases, as well as on industrial configurations, by taking into account the multi-physics phenomena, but there is a lack of studies about two-phase flow flame structures. Two solvers for the simulation of two-phase flows are available in the AVBP code, hence both simulations are performed to compare and increase understanding of the phenomena involved such as dispersion, evaporation and combustion. The first part of the study focuses on the validation of the FIM-UR injection model. This model is able to build velocity and droplet profiles at the injector, without simulating primary and secondary break up. A validation in a turbulent case has already been done, and this study validates the model in a laminar case. Comparisons between monodisperse and polydisperse simulations, and experiments are performed. The monodisperse Lagrangian simulation shows good results but the polydisperse simulation is able to represent profiles in the center of the cone by small droplets and at the peripheral part of the cone, by big ones. Moreover, improvements in the Eulerian model exhibit good results. The next section tries to evaluate the impact of polydispersion. Indeed, when a polydisperse approach is not available, choosing the mean diameter can be tricky. A comparison between the behavior of polydisperse spray and monodisperse sprays ones is realised. Two academic cases are studied: Homogeneous Isotropic Turbulence with particles to analyze the dynamics, and 0D evaporation cases. For the dynamics, preferential concentration, mean drag and reduced mean drag are studied. The latter and preferential concentration are affected by small droplets, and the preferential concentration of a polydisperse spray is equivalent to the average of preferential concentration of classes, extracted from the polydisperse distribution, weighted by the inverse of the Stokes number of each class. The mean drag behaves like the D10 and D20 mean drags. This analysis allows us to choose the D10 to characterize a polydisperse distribution for the dynamics. Zero-D evaporation simulations cannot characterize the polydisperse spray evaporated mass by the evaporated mass of monodisperses sprays. New definitions of diameters from fluidized bed literature enable the use of D50%, which is close to D32. We propose to use this diameter to characterize the evaporation of a polydisperse spray. Finally, the last section studies the structure of two-phase flames in the MERCATO bench, using the Lagrangian formalism, monodisperse and polydisperse but also using the Eulerian formalism. The validation of FIM-UR model and improvements from the first section are used to represent liquid injection conditions. A polydisperse simulation is realized and two monodisperse simulations are computed using mean diameters D10 and D32, thanks to the previous section. Qualitative comparisons and validations are realized, comparing gaseous velocity profiles and liquid velocity profiles. Good agreements are found and the mean diameter D32 seems to be close to the polydisperse spray. A comparison between mean flames is done with an Abel transform of the flame from the experiments. The flame has an "M shape", anchored by small recirculation zones out of the swirler, and by a point at the tip of the central recirculation zone. Then, the impact of droplet distributions is analyzed. Even if few bigger droplets from the polydisperse distribution are convected in the hot gases due to bigger particular time and evaporation time, two-phase flow flame structures are equivalent. Different combustion regimes appeared with premixed flames and pockets of fuel burning in the hot gases.