On peut constater une analogie étroite entre les mécanismes d'atomisation primaire dans une couche cisaillée diphasique et ceux précédant la transition au mélange dans une couche monophasique : l'instabilité primaire et la cinétique d'étirement des ligaments de fluide dense dans le courant rapide sont similaires dans les cas monophasiques et diphasiques si les vitesses d'injection et le rapport initial des masses volumiques sont les mêmes. L'atomisation primaire s'apparente au mélange turbulent de deux fluides pris dans la même phase pour les grands nombres de Reynolds et de Weber, comme dans le cas d'une injection LOx-H2 dans Vulcain. On choisit alors d'étudier l'influence du rapport initial de masse volumique sur la dynamique prétransitionnelle d'une couche monophasique plane au moyen de simulations numériques. A ce stade, la raideur des fonctions manipulées implique le recours aux solveurs hyperboliques de type solveur de Roe associés à des schémas Essentiellement Non Oscillants d'ordre élevé (WENO) et ce, pour la discrétisation des flux convectifs. Une fois établies les limites du compromis précision-robustesse des solveurs développés, deux directions d'étude sont privilégiées : tout d'abord des calculs Navier-Stokes, destinés à la compréhension des mécanismes fondamentaux de mélange, avant la transition à la turbulence 3D. L'étude révèle que, lorsque le rapport des masses volumiques entre les courants lents et rapides est supérieur à 1, la dynamique non-linéaire de la couche est gouvernée par un champ tourbillonaire asymétrique, au bilan duquel contribue fortement la distribution des gradients de masse volumique via le couple barocline. La possibilité de prendre en compte à la fois de forts rapports de masse volumique et des effets diffusifs variables permet d'établir les échelles intégrales de temps de mélange. Ensuite, des calculs conduits dans l'approche MILES, autorisant des nombres de Reynolds plus élevés, produisent des bases de données statistiques desquelles on peut estimer les composants des modèles de mélange pour les écoulements à masse volumiques très variables. Cette dernière étape sert la modélisation eulérienne de l'atomisation primaire.

La miniaturisation de plus en plus poussée (micro et nano) des systèmes mécanique connaît un important développement depuis une dizaine d'années. Leur conception et réalisation nécessite une connaissance approfondie des écoulements micro-fluidiques. Dans le domaine énergétique, le rendement d'un moteur thermique se dégrade sérieusement lors d'une réduction d'échelle. En effet, les pertes de chaleur pariétales peuvent devenir aussi importantes que l'énergie libérée. Une voie prometteuse consiste à utiliser les ondes de choc / détonation pour accélérer la libération d'énergie. Dans ce cas, la détonation peut être assimilée à une onde de choc inerte, couplée à une zone de réaction, caractérisée par la présence d'instabilités longitudinales et transverses, soumettant ainsi le front de choc à de violentes accélérations / décélérations. L'objectif de la thèse est de mieux appréhender la structure moyenne de la zone de réaction qui s'étend du choc jusqu'à la surface sonique. Sur le plan de la modélisation numérique, les équations de Navier-Stokes compressibles, multi-espèces, réactives sont résolues au sein du solveur CHOC-WAVES développé au CORIA, avec une thermodynamique variables et des coefficients de transport dépendant des espèces. La condition de Chapman-Jouguet généralisée a été élaborée et confirmée par les résultats de simulations numériques dans le cas d'une détonation multidimensionnelle stable. En particulier, il a été montré que les instabilités transverses s'atténuaient avec la réduction d'échelle. A cet effet, un scénario a été proposé pour expliquer le déficit de la vitesse du front de détonation, en se basant sur la structure de la poche subsonique aval, en corrélation avec l'épanouissement de la couche limite. Ce schéma partage de fortes similitudes avec la macro-détonation, tout en gardant des différences. En particulier, il a été montré que la forte vorticité, produite au niveau de la singularité de Prandtl-Meyer, souvent négligée dans les modèles de macro-détonation, diffusait au sein de la poche subsonique. Ces résultats tout à fait originaux ont permis une avancée significative dans la compréhension du mécanisme de propagation des fronts de détonation stables et confinées.

The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed

This thesis is concerned with experimental and computational studies on pulse detonation engine (PDE) that has been envisioned as a new concept engine. These engines use the high pressure generated by detonation wave for propulsion. The cycle efficiency of PDE is either higher in comparison to conventional jet engines or at least has similar high performance with much greater simplicity in terms of components. The first part of the work consists of an experimental study of the performance of PDE under choked flame and partial fill conditions. Detonations used in classical PDEs create conditions of Mach numbers of 4-6 and choked flames create conditions in which flame achieves Mach numbers near-half of detonation wave. While classical concepts on PDE's utilize deflagration-to-detonation transition and are more intensively studied, the working of PDE under choked regime has received inadequate attention in the literature and much remains to be explored. Most of the earlier studies claim transition to detonation as success in the working of the PDE and non-transition as failure. After exploring both these regimes, the current work brings out that impulse obtained from the wave traveling near the choked flame velocity conditions is comparable to detonation regime. This is consistent with the understanding from the literature that CJ detonation may not be the optimum condition for maximum specific impulse. The present study examines the details of working of PDE close to the choked regime for different experimental conditions, in comparison with other aspects of PDEs. The study also examines transmission of fast flames from small diameter pipe into larger ducts. This approach in the smaller pipe for flame acceleration also leading to decrease in the time and length of transition process. The second part of the study aims at elucidating the features of deflagration-to-detonation transition with direct numerical simulation (DNS) accounting for and the choice of full chemistry and DNS is based on two features: (a) the induction time estimation at the conditions of varying high pressure and temperature behind the shock can only be obtained through the use of full chemistry, and (b) the complex effects of fine scale of turbulence that have sometimes been argued to influence the acceleration phase in the DDT cannot be captured otherwise. Turbulence in the early stages causes flame wrinkling and helps flame acceleration process. The study of flame propagation showed that the wrinkling of flame has major effect on the final transition phase as flame accelerates through the channel. Further, flame becomes corrugated prior to transition. This feature was investigated using non-uniform initial conditions. Under these conditions the pressure waves emanating from corrugated flame interact with the shock moving ahead and transition occurs in between the flame and the forward propagating shock wave. The primary contributions of this thesis are: (a) Elucidating the phenomenology of choked flames, demonstrating that under partial fill conditions, the specific impulse can be superior to detonations and hence, allowing for the possibility of choked flames as a more appropriate choice for propulsive purposes instead of full detonations, (b) The use of smaller tube to enhance the flame acceleration and transition to detonation. The comparison with earlier experiments clearly shows the enhancements achieved using this method, and (c) The importance of the interaction between pressure waves emanating from the flame front with the shock wave which leads to formation of hot spots finally transitioning to detonation wave.

Minimizing numerical dissipation without compromising the robust shock-capturing attributes remains an outstanding challenge in the design of numerical methods for high-speed compressible flows. The conflicting requirements of low and high numerical dissipation for accurate resolution of discontinuous and smooth flow features, respectively, are the principal reason behind this challenge. In this work we pursue a recently proposed novel strategy of combining adaptive mesh redistribution with conservative high-order shock-capturing finite-volume discretization methodology to overcome this challenge. In essence, we perform high-order finite-volume WENO (weighted essentially non oscillatory) reconstruction on a continuously moving grid the nodes of which are repositioned adaptively in such a way that maximum spatial resolution is achieved in regions associated with sharpest flow gradients. Moreover, to reduce computational expense, the finite-volume WENO discretization strategy is combined with the midpoint quadrature so that only one reconstruction along each intercool location is necessary. To estimate a monotone upwind flux, a rotated HLLC (Harten-Lax-vanLeer-contact resolving) Riemann solver is employed at each intercool location with the state variables estimated from the high-order WENO reconstruction procedure. The effectiveness of this adaptive high-order discretization methodology is assessed on the well-known double Mach reflection test case for reconstruction orders ranging from five to eleven. We find that the resolution of the intricate flow features such as the wall-jet improves progressively with the reconstruction order, which is indicative of the reduced dissipation level of the adaptive high-order WENO discretization. The adaptive discretization methodology is applied to simulate a flow configuration consisting of a Mach 3 supersonic jet injected in a Mach 2 supersonic crossflow of similar ideal gas. It is found that the flow characteristics and especially features that are formed as a result of the Kelvin-Helmholtz instability are strongly influenced by the reconstruction order. The influence of the jet inclination angle on the overall flow features is analyzed.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse. / For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough.

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L'objet de ce travail concerne l'application de la méthode de simulation des grandes échelles au mélange de deux fluides à propriétés thermodynamiques différentes.<br />L'origine des erreurs numériques liées à la discrétisation des équations de Navier-Stokes ainsi que leur interaction avec un modèle sous-maille sont étudiées pour une turbulence homogène et isotrope en auto-amortissement. Un code de calcul à haut pouvoir de solution est alors développé pour la simulation de couches de mélange bi-espèces. La réduction de l'amplitude des ondes acoustiques initiales est assurée par l'utilisation d'un champ en similitude temporelle.<br />L'importance relative des termes sous-maille issus des équations filtrées est mesurée à partir du filtrage explicite des champs de simulations numériques directes des couches de mélange temporelles $N_2/O_2$ et $H_2/O_2$.<br />L'utilisation d'une fermeture implicite autour d'un schéma numérique dissipatif est ensuite évoquée.