Les travaux de cette thèse contribuent à la vérification et à la validation d'un modèle diphasique instationnaire, le mo- dèle bifluide de Baer-Nunziato, pour modéliser les phénomènes de transitoires hydrauliques tels que les coups de bélier et les marteaux d'eau, qui peuvent apparaître dans les réseaux de tuyauteries industrielles. Il s'agit d'abord de modéliser les écoulements de transitoires hydrauliques avec le modèle bifluide en représentation eulérienne, puis d'étendre ce modèle en formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) pour prendre en compte l'interaction fluide-structure (IFS). Pour mo- déliser les écoulements, des lois de fermetures du modèle bifluide concernant les termes interfaciaux, les termes sources et les lois thermodynamiques ont d'abord été étudiées. Ensuite, le système complet a été simulé avec une méthode à pas fractionnaires qui admet deux étapes, l'une pour la résolution de la partie convective, l'autre pour la prise en compte des termes sources. Pour la partie convective, le schéma de Rusanov a d'abord été vérifié. Des problèmes de stabilité ayant été observés, un nouveau schéma plus stable à pas fractionnaires a été proposé et vérifié. En ce qui concerne les termes sources, quatre schémas de relaxation non-instantanés qui représentent respectivement le retour à l'équilibre de pression, les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse, sont appliqués successivement. Ces schémas ont été étendus aux lois thermodynamiques 'Stiffened Gas généralisées' afin de représenter le changement de phase eau-vapeur. Après avoir retrouvé certains phénomènes typiques associés aux écoulements de transitoires hydrauliques le modèle bi- fluide a été confronté aux résultats de l'expérience de Simpson, qui est un cas classique de coup de bélier et à ceux de l'expérience Canon, dédiée à la décompression rapide d'un fluide à haute pression dans une tuyauterie. Par ailleurs, le modèle bifluide a été comparé avec deux modèles homogènes sur ces deux expériences. Enfin, une version ALE du mo- dèle bifluide a été mise en œuvre et vérifiée sur un cas de propagation d'ondes de pression dans une conduite flexible, en écoulement 'quasi-monophasique', ou diphasique. La variation de la célérité des ondes de pression dans le fluide liée au couplage entre le fluide et la structure a été bien retrouvée. La validation a été effectuée sur une expérience qui étudie la réponse d'une tuyauterie remplie d'eau soumise à un pic de pression violent (140 bar). Les simulations sont en bon accord avec les données expérimentales.

Cette thèse a pour objectif l'approfondissement de l'étude des équations régissant les écoulements à surface libre en dimension trois.<br />Nous proposons d'une part une nouvelle formulation variationnelle du problème hydrostatique aboutissant à un problème semi-discretisé en temps bien posé. Nous en faisons l'analyse mathématique et nous montrons quelques résultats numériques obtenus après programmation de l'approximation de ce problème dans le logiciel Telemac-3D développé au Laboratoire National d'Hydraulique et Environnement (LNHE) d'edf.<br />D'autre part, nous étudions la réinterprétation dans le cadre ALE de la méthode de discrétisation verticale de domaines tridimensionnels appelée transformation sigma, et nous en proposons une généralisation permettant d'améliorer la représentation des stratifications dans un écoulement<br />Finalement, nous présentons un schéma ALE-MURD conservatif pour la résolution des équations de convection linéaires posées sur un domaine mobile. Une condition particulière doit être vérifiée afin que le schéma soit conservatif lorsque le domain bouge effectivement. Nous montrons comment assurer cette contrainte dans le cas particulier où le domaine est tridimensionnel et ne bouge que selon la verticale. Ce résultat est illustré dans le cadre des écoulements à surface libre en dimension trois.

La turbine Pelton est une turbine hydraulique dont le fonctionnement se caractérise par l'interaction d'un jet d'eau avec les augets d'une roue. Cette étude a pour but de comprendre les phénomènes influençant le jet et son interaction avec les augets. Pour cela deux actions différentes ont été menées. Une première a visé à caractériser expérimentalement la fragmentation d'un jet de turbine Pelton. La seconde s'est attachée à développer une méthode numérique pouvant mener'à la simulation précise de jets réels de turbines Pelton. La partie expérimentale a permis de déterminer le mode de fragmentation de ces jets (atomisation turbulente), mais aussi l'influence de la rugosité des parois de l'injecteur sur les performances de la turbine. La participation de ce travail à un projet expérimental a permis de montrer l'influence de l'écoulement en sortie d'injecteur sur la fragmentation du jet. Les phénomènes physiques influençant principalement l'évolution du jet ont ainsi été déterminés. La partie numérique a eu pour but de mettre en place une méthode permettant de simuler l'évolution d'un jet de turbine Pelton (fragmentation) et son interaction avec un auget. Etant donnés les progrès de la méthode SPH-ALE pour la simulation d'impact de jets pour les turbines Pelton, il a été décidé d'adapter cette méthode pour les simulations visées. Ainsi une étude du choix de la vitesse des interfaces de problème de Riemann a permis de réaliser un modèle multiphase stable pour les forts rapports de densité (eau-air). Cette méthode s'est avérée garantir les propriétés de continuité de vitesse normale et de pression à l'interface entre les fluides. L'ajout des phénomènes de tension de surface s'est fait par l'adaptation du modèle CSF (Continuum Surface Force) et le développement d'un second modèle nommé Laplace Law Pressure Correction (LLPC).L'intégration du saut de pression dans le solveur de Riemann a nécessité une étude précise du calcul de la courbure et a permis d'améliorer la simulation de loi de Laplace. La méthode numérique a été ensuite validée sur les cas académiques d'onde gravitaire, de rupture de barrage et d'oscillation de goutte. Les ressources en mémoire et le temps de calcul associé à cette méthode ont nécessité la parallélisation du code de calcul. Le caractère lagrangien de la méthode a très largement influencé la méthode de découpe de domaine pour permettre une bonne répartition de la charge de calcul entre les différents processeurs. En conclusion les phénomènes physiques influençant la fragmentation de jets issus d'injecteurs de turbine Pelton sont désormais mieux connus et ils ont pu être introduits dans la méthode numérique. Les prochains développements porteront sur la simulation de jets dont la condition d'entrée s'attachera à être représentative des caractéristiques d'un écoulement en sortie d'un injecteur de turbine Pelton.

Cette thèse traite de la modélisation et de l'approximation numérique des écoulements liquide-gaz compressibles. La difficulté essentielle réside dans la modélisation et l'approximation de l'interface liquide-gaz. Schématiquement, deux types de méthodes permettent l'étude de la dynamique de l'interface : l'approche eulérienne, aussi dite de capture de front ("front capturing method") et l'approche lagrangienne, de suivi de front ("front tracking method"). Nos travaux sont plutôt basés sur la méthode de capture de front. Le modèle bifluide est constitué d'un système de lois de conservation du premier ordre traduisant le bilan de masse, de quantité de mouvement et d'énergie du système physique. Ce système doit être fermé par une loi de pression du mélange gaz-liquide pour que sa résolution soit possible. Cette loi de comportement doit être choisie soigneusement, puisqu'elle conditionne les bonnes propriétés du système comme l'hyperbolicité ou l'existence d'une entropie de Lax. Les méthodes d'approximation doivent permettre de traduire au niveau discret ces propriétés. Les schémas conservatifs classiques de type Godunov peuvent être appliqués au modèle bifluide. Ils conduisent cependant à des imprécisions qui les rendent inutilisables en pratique. Enfin, l'existence de solutions discontinues rend difficile la construction de schémas d'ordre élevé. La structure complexe des solutions nécessite alors des maillages très fins pour une précision acceptable. Il est donc indispensable de proposer des algorithmes performants pour les calculateurs parallèles les plus récents. Au cours de cette thèse, nous allons aborder partiellement chacune de ces problématiques : construction d'une "bonne" loi de pression, construction de schémas numériques adaptés, programmation sur calculateur massivement multicoeur.

Ce mémoire présente des travaux portant (i) sur les méthodes numériques lagrangiennes et (ii) sur le développement des méthodes dites arbitrairement lagrangienne-eulérienne (ALE). Ces deux thématiques ont en commun de tenter de résoudre les équations de la mécanique des fluides compressibles en multi-dimensions sur des maillages mobiles se déplaçant soit à la vitesse du fluide (lagrangienne), soit à une vitesse arbitraire (ALE). En particulier nous abordons les problèmes de viscosité artificielle, de consistance et précision, de stabilité, de consistance en volume, le traitement des points exceptionnels ou encore les lignes de glissement. Dans le chapitre ALE nous proposons des études sur les phase de projection conservative, correction a posteriori, reconnexion topologique de maillage ou de reconstruction d'interface dans des mailles mixtes. (iii) Une troisième partie propose un ensemble de sujets plus hétéroclites : reconstruction d'interface dans des schémas multi- matériaux sur maillage fixe, schémas cinétiques ultra rapides, et des schémas de type volumes finis d'ordre très élevé.

Vortex shedding is an important mechanism, by which the flow around bluff bodies create forces that excite vibratory motion. Vortex-induced vibration (VIV) is studied for a single circular cylinder by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. An arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation is used to achieve the grid deformation needed for VIV. In this thesis, a multifaceted approach is undertaken by which response dynamics and wake interaction are addressed. Four major aspects are considered in the study: the Reynolds number (Re); the mass and damping; the degree-of-freedom for VIV; and the mutual effect between VIV and heat transfer.As attention is paid towards high pre-critical Re flow, the turbulent flow around the cylinder is treated by two turbulence modelling approaches: unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (uRANS), and Large Eddy Simulation (LES). The wake-VIV interaction is analyzed by looking at mean velocities and Reynolds stresses, where decomposition of flow scales is undertaken to explore the evolution of coherent eddy structures, downstream of the cylinder. Conversely, the VIV response is analyzed by considering oscillation amplitude and frequency, in addition to the excitation and inertial dynamics.High turbulence in the separated shear layers disorders the cylinder's VIV response and induces higher amplitudes. The sensitivity for Re is found more pronounced in cylinders with low mass and damping. Meanwhile, VIV is found to enhance wake mixing, and to significantly change the near wake Reynolds stresses. It is suggested that the increase in Re brings a change to the wake patterns, which are known in VIV at lower Re. The kinetic energy production, of near wake eddy structures, is qualitatively altered with the presence of VIV. Furthermore, the surface heat flux is found to cause a noticeable increase in VIV amplitude, as long as it does not disorder the wake correlation. The cylinder's oscillation increases the average value of the Nusselt number (Nu), while the local variance of Nu rises markedly post-separation.

Le développement d'outils de simulation efficaces demande d'appréhender à la fois la modélisation physique, la modélisation mathématique et la programmation informatique. Pour chacun de ces points, il est nécessaire de garder à l'esprit l'application visée, en effet le niveau de modélisation à adopter mais également les techniques de programmation à mettre en œuvre vont être différents selon l'utilisation que l'on envisage pour un code de calcul ou un logiciel de simulation.On commence dans ce travail de thèse par s'intéresser au niveau fin pour lequel on résout les équations d'Euler pour calculer un écoulement, on aborde ensuite la question de l'utilisation d'un code de calcul parallèle dans le contexte de la simulation d'un benchmark industriel. Enfin, on traite du niveau macroscopique associé à la simulation d'une installation industrielle complète pour lequel on utilise des relations phénoménologiques basées par exemple sur des corrélations expérimentales.Le premier chapitre traite de la détermination d'une vitesse de grille dans le contexte des méthodes ALE (Arbitrary Langrangian-Eulerian). Dans le chapitre suivant, on s’intéresse aux équations d'Euler compressibles résolues à l'aide de la méthode VFFC (Volumes Finis à Flux Caractéristiques), il s'agit d'introduire un modèle d'interface entre un fluide seul d'une part et un mélange homogène de deux fluides d'autre part, l'un des deux fluides ayant la même loi d'état que celui présent de l'autre côté de l'interface.Le troisième chapitre est consacré à la réalisation de simulations haute performance utilisant le code de calcul FluxIC basé sur la méthode VFFC avec capture d'interfaces, on s'intéresse plus particulièrement au phénomène de sloshing rencontré lors du transport de gaz naturel liquéfié par navire méthanier.Pour finir, le quatrième et dernier chapitre traite de la modélisation au niveau système d'une installation industrielle. On y présentera une approche systémique qui constitue un niveau de modélisation adapté à la simulation d'un grand nombre de composants et de leurs interactions. L'approche qui est présentée permet de concilier la modélisation de phénomènes physiques déterministes avec une modélisation stochastique visant à simuler, par exemple, le comportement de l'installation pour divers régimes de fonctionnement caractéristiques. / The development of efficient simulation tools requires an understanding of physical modeling, mathematical modeling and computer programming. For each of these domains it is necessary to bear in mind the intended application, because the use for a calculation code or simulation software will dictate the level of modeling, and also the programming techniques to be adopted.This dissertation starts with a detailed description applied in the form of fluid flow calculations using the Euler equations. Then simulation of an industrial benchmark is considered using a parallel computational method. Finally, simulation of a complete industrial plant is addressed, where phenomenological relations based on experimental correlations can be used.The first chapter deals with the determination of mesh velocity in the context of ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) methods. In the following chapter we focus on the compressible Euler equations solved using the FVCF method (Finite Volume with Characteristic Flux). In this case we consider an interface between a single fluid and a homogeneous two-fluid mixture, where one of the two mixed fluids and the single fluid have the same equation of state.The third chapter is devoted to running high performance simulations using the FluxIC computation code based on the FVCF method with interface capturing. The focus is on sloshing phenomenon encountered during transportation of Liquefied Natural Gas by LNG carriers.The fourth and final chapter deals with modeling of an industrial facility at system level. A systemic approach is presented that provides a level of modeling adapted to the simulation of a large number of components and their interactions. This approach enables users to combine deterministic modeling of physical phenomena with stochastic modeling in order to simulate the behavior of the system for a large set of operating conditions.

Les simulations dépendant du temps sont toujours un challenge dans l'industrie, notamment à cause des problèmes posés par les géométries mobiles en termes de CPU et de précision. Cette thèse présente des contributions à certains aspects des simulations en géométrie mobile. Un algorithme de bouger de maillage fondé sur une déformation de maillage sur un grand pas de temps et des changements de connectivité (swaps) est étudié. Une méthode d'élasticité et une méthode d'interpolation directe sont comparées en 3D, démontrant l'efficacité de l'algorithme. Cet algorithme est couplé à un solver ALE, dont les schémas et l'implémentation en 3D sont décrits en détail. Une interpolation linéaire est utilisée pou traiter les swaps. Des cas de validation montrent que les swaps n'influent pas notablement sur la précision de la solution. Plusieurs examples complexes en 3D démontrent la puissance de cette approche, pour des mouvement imposés ou pour des problèmes d'Interaction Fluide-Structure. L'adaptation de maillage anisotrope a démontré son efficacité pour améliorer la précision des calculs stationnaires pour un coût raisonnable. On considère l'extension de ces méthodes aux problèmes instationnaires, en mettant à jour l'algorithme de point fixe précédent grâce à une ananlyse de l'erreur espace-temps fondée sur le modèle de maillage continu. Une parallélisation efficace permet de réaliser des simulations adaptatives instationnaires avec une précision inégalée. Cet algorithme est étendu au cas des géométries mobiles en corrigeant la métrique optimale instationnaire. Finalement, plusieurs exemples 3D de simulations adaptatives en géométries mobiles démontrent l'efficacité de l'approche. / Time dependent simulations are still a challenge for industry, notably due to problems raised by moving boundaries, both in terms of CPU cost and accuracy. This thesis presents contributions to several aspects of simulations with moving meshes. A moving-mesh algorithm based on a large deformation time step and connectivity changes (swaps) is studied. An elasticity method and an Inverse Distance Weighted interpolation method are compared on many 3D examples, demonstrating the efficiency of the algorithm in handling large geometry displacement without remeshing. This algorithm is coupled with an Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) solver, whose schemes and implementation in 3D are described in details. A linear interpolation scheme is used to handle swaps. Validation test cases showed that the use of swaps does not impact notably the accuracy of the solution, while several other complex 3D examples demonstrate the capabilities of the approach both with imposed motion and Fluid-Structure Interaction problems. Metric-based mesh adaptation has proved its efficiency in improving the accuracy of steady simulation at a reasonable cost. We consider the extension of these methods to unsteady problems, updating the previous fixed-point algorithm thanks to a new space-time error analysis based on the continuous mesh model. An efficient p-thread parallelization enables running 3D unsteady adaptative simulations with a new level of accuracy. This algorithm is extended to moving mesh problems, notably by correcting the optimal unsteady metric. Finally several 3D examples of adaptative moving mesh simulations are exhibited, that prove our concept by improving notably the accuracy of the solution for a reasonable time cost.

Dans cette thèse, nous proposons l'analyse numérique et le développement d'algorithmes partitionnés pour coupler l'écoulement du sang dans différents comparti- ments cardiovasculaires (3D-3D, 3D-0D) Dans une première partie, un problème couplé fluide-fluide est introduit. Sur l'interface qui sépare les domaines, des conditions aux limites de type Robin-Robin dérivées de la formulation d'interface de Nitsche sont considérées. Nous proposons différents schémas explicites dont la stabilité est analysée dans la norme de l'énergie. Des simulations numé- riques illustrent le potentiel des méthodes présentées. La deuxième partie propose des applications cardiovasculaires plus réalistes. Tout d'abord, un modèle d'ordre réduit pour les valves cardiaques est décrit. Sans traiter l'inter- action fluide-structure avec le sang, les valves sont remplacées par des surfaces agissant comme des résistances immergées dans le fluide. Des simulations numériques montrent l'efficacité et la robustesse de ce modèle. Pour finir, une formulation ALE est utilisée pour la résolution d'un modèle fluide sur un domaine mobile. Nous montrons qu'en ajoutant un terme consistent, une inégalité d'éner- gie stable peut être obtenue sans considérer aucune hypothèse de Loi de Conservation Géométrique. Le travail se termine avec des simulations numériques sur la dynamique du sang dans le ventricule gauche, couplé avec l'écoulement du sang dans l'aorte. / In this thesis we present the numerical analysis and the development of parti- tioned algorithms in order to couple the blood dynamics in different cardiovascular compart- ments (3D-3D, 3D-0D). In the first part a fluid-fluid coupled problem is introduced. On the interface between the domains Robin-Robin boundary conditions, derived from the interface Nitsche’s formulation, are considered. We suggest different staggered explicit schemes whose stability is analyzed in the energy norm. Extensive numerical experiments illustrate the accuracy of the methods presented. The second part deals with more realistic cardiovascular applications. First a reduced order model for the heart valves is described. Without dealing with fluid-structure interaction with the blood flow, the valves are replaced by immersed surfaces acting as resistances on the fluid. Numerical simulations show the efficiency and the robustness of this model in the framework of a fluid-fluid interaction scheme. In the end, an ALE formulation is used to solve a fluid model in a moving domain. We show that adding a suitable consistent term, a stable energy inequality can be obtained without considering any Geometric Conservation Laws. The work ends with numerical sim- ulations on blood dynamics in the left ventricle coupled with the blood flowing in the aorta.

The main goal of the thesis is to propose a business plan for establishment and development of a microbrewery.