Cette thèse présente le développement d’une méthode ALE pour la modélisation del’interaction laser–plasma. La particularité de cette méthode est l’utilisation d’une étape de projectiond’ordre élevé. Cette étape de projection consiste en une interpolation conservative des quantitésconservatives du maillage Lagrangien sur un maillage régularisé. Afin d’éviter les oscillationsnumériques non-physiques, les flux numériques d’ordre élevé sont combinés avec des fluxnumériques d’ordre moins élevé. Ces flux numériques sont obtenu en considérant les quantitésconservatives constantes par morceaux. Cette méthode pour la discrétisation cellule–centrée consisteà préserver les maximums locaux pour la densité, la vitesse et l’énergie interne. Aspects particuliersde la méthode sont appliquées pour la projection la quantité de mouvement pour la discrétisation’staggered’. Nous l’utilisons ici dans le cadre de la projection sous la forme de la méthode FluxCorrection Remapping (FCR). Dans cette thèse le volet applicatif concerne la modélisation del’interaction d’un laser énergétique avec de plasma et des matériaux microstructures. Un intérêtparticulier est porté à la modélisation de l’absorption du laser par une mousse de faible densité.L’absorption se fait à deux échelles spatiales simultanément. Ce modèle d’absorption laser à deuxéchelles est mis en oeuvre dans le code PALE hydrodynamique. Les simulations numériques de lavitesse de pénétration du laser dans une mousse à faible densité sont en bon accord avec lesdonnées expérimentales. / This thesis presents the overview and the original contributions to a high–orderArbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) method applicable for the laser–generated plasma modeling withthe focus to a remapping step of the ALE method. The remap is the conservative interpolation of theconservative quantities from a low–quality Lagrangian grid onto a better, smoothed one. To avoidnon–physical numerical oscillations, the high–order numerical fluxes of the reconstruction arecombined with the low–order (first–order) numerical fluxes produced by a standard donor remappingmethod. The proposed method for a cell–centered discretization preserves bounds for the density,velocity and specific internal energy by its construction. Particular symmetry–preserving aspects of themethod are applied for a staggered momentum remap. The application part of the thesis is devoted tothe laser radiation absorption modeling in plasmas and microstructures materials with the particularinterest in the laser absorption in low–density foams. The absorption is modeled on two spatial scalessimultaneously. This two–scale laser absorption model is implemented in the hydrodynamic codePALE. The numerical simulations of the velocity of laser penetration in a low–density foam are in agood agreement with the experimental data.

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l’injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d’améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. Intrinsèquement, il est possible de simuler l’ensemble de l’écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l’injection (gouttes de diamètre < à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C’est pourquoi il est nécessaire d’introduire une modélisation diphasique. C’est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le cœur liquide dense proche de l’injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d’une population de gouttes polydisperse générées après le processus d’atomisation en aval de l’injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d’applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Elles reposent sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d’équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l’évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d’ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments ( QMOM) en une ou plusieurs dimensions d’espace. De la même manière, l’utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d’espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l’élaboration de schémas de transport d’ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (DNS) dédié à l’évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L’extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d’étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d’une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d’un calcul d’injection dans une chambre de combustion d’un spray polydisperse avec le modèle EMSM. / The general context of the PhD is the simulation of fuel injection in an internal combustion engine, in order to improve its thermal and ecological efficiency. This work more generally concerns any industrial device involving a multiphase flow made of liquid fuel injected in a chamber filled with gaz: automotive or aircraft engines, or turbo machines. In and of itself, it is possible to simulate this flow without any modeling. However the small structures created during injection (droplets of diameter until 10 μm or less) lead to a prohibitive computational cost for any industrial application. Therefore modeling is necessary. In this context, two areas are formally distinguished: the dense liquid core close to the injector called separate-phase flow, and the spray made of a polydisperse droplet population (i.e. droplets with different sizes) generated after the atomization processes downstream of the injector. This PhD work investigates Eulerian models for the description of polydisperse evaporating sprays, for industrial computations. They represent a potential alternative to Lagrangian models, widely used at present, yet suffering from major drawbacks. Thus, the Multi-Fluid model is assessed. Although it is very promising, two difficulties are highlighted: its cost for a precise description of polydispersity, and its inability to describe particle trajectory crossing (PTC). Solutions to these two limitations are considered. Both rely on high order moment methods. First, the Eulerian Multi Size Moment (EMSM) proposes a much more efficient resolution of polydisperse evaporating sprays than the Multi-Fluid model does. Mathematical tools are used to close the model and combined with original finite volume kinetic-based schemes in order to preserve the moment-set integrity, for evaporation and advection. An answer to the second limitation is provided with the Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) based on high order velocity moments. A bimodal velocity distribution can be locally reconstructed for the moments using the quadrature method of moments (QMOM), in one or multi-dimensions. Here also, finite volume kinetic-based schemes are studied in order to preserve the moment set integrity. Moreover, a mathematical study of the one-dimensional dynamic system highlights its peculiarity and constitutes a necessary basis for the design of high order numerical schemes. In order to assess them, both the models and their numerical tools are implemented in the MUSES3D code, an academic DNS solver that provides a framework devoted to spray method evaluation. Achievements of the EMSM and the EMVM models are presented. The extension of the EMSM model to an industrial context is then considered, with its implementation in the IFP-C3D code, a 3D unstructured reactive flow solver with spray. In order to perform computations within a moving domain (due to the piston movement) the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formalism is used. A numerical study has been achieved, in order to extent to this formalism the properties of accuracy and stability of the EMSM model, which already induces strong stability condition in an Eulerian approach. The robustness of the EMSM model in the IFP-C3D code has been successfully demonstrated on a case involving a moving piston, and also on a comparison with the MUSES3D code. Moreover, very encouraging results demonstrate the feasibility of the EMSM model for spray injection.

Nas últimas décadas, houve um aumento do consumo de cerveja no Brasil e no resto do mundo. Existem diversos conceitos e metodologias que diferenciam os estilos de cerveja, sejam nas modificações dos processos de produção, uso de diferentes ingredientes, fermentações em fermentadores de diferentes tipos, metodologias de envase, utilização de madeira na maturação da bebida, entre outros. Paralelamente à evolução dos conhecimentos científicos em Microbiologia, tais como, o crescente entendimento da fisiologia celular, as técnicas de imobilização da levedura cervejeira e o isolamento de novas estirpes que fornecem características aromáticas diferenciadas às cervejas. O armazenamento de bebidas em barris de madeira é amplamente utilizado desde a antiguidade na produção de bebidas, seja na forma de armazenamento e no aumento da complexidade do produto. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a formação de alguns compostos aromáticos durante o envelhecimento de cerveja tipo Flanders Red Ale em barris de madeira, levando em consideração aspectos químicos e microbiológicos tais como: congêneres de maturação analisando os conteúdos de compostos fenólicos de baixo peso molecular determinados por cromatografia líquida de alto desempenho, congêneres voláteis (aldeídos, ésteres e álcoois superiores) determinadas por cromatografia em fase gasosa e as propriedades microbiológicas da cerveja como viabilidade celular, meios de cultivo diferenciados para isolamento de levedura totais, bactérias ácidos acéticas, bactérias láticas e meio modificado para isolamento de Brettanomyces. O estudo foi realizado nas dependências da microcervejaria do Departamento de Agroindústria, Alimentos e Nutrição da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Piracicaba (SP). A fermentação primária do mosto cervejeiro foi conduzida à 23°C em fermentador cilíndrico cônico de inox, após refrigeração a 0°C por duas semanas a cerveja foi armazenada em barris (50 litros) de carvalho americano à 25°C por três e cinco meses. Após a maturação, uma cerveja nova (Young Ale) foi produzida e misturada (Blend) com a cerveja envelhecida em diferentes proporções: cerveja Young Ale; blends com 33% e 66% de cerveja envelhecida; 100% cerveja envelhecida, após os Blends, as cervejas foram engarrafadas e armazenadas por um período de três meses para início das análises químicas, microbiológicas e sensoriais. Ocorreram alterações químicas e microbiológicas que favoreceram o aumento da complexidade da cerveja após passar por um período de armazenamento em barril de carvalho, sendo que, essa alteração foi maior proporcionalmente ao aumento do tempo de armazenamento da cerveja. / In recent decades, there has been an increase in beer consumption in Brazil and around the world. There are many methodologies and concepts that differentiate styles of beer, are the modifications of the production processes, use of various ingredients fermentations in fermenters of different types of packaging methodologies, wood use in beverage maturation, among others. Parallel to the development of scientific knowledge in microbiology, such as the growing understanding of cellular physiology, the immobilization techniques of brewing yeast and isolation of new strains that provide aromatic characteristics differentiated the beers. The storage of drinks in wooden barrels is widely used since antiquity in the production of drinks. The objective of this research was to evaluate the formation of some aromatic compounds at Ale type beer aging in wooden barrels, taking into account chemical and microbiological aspects such as: maturation of similar analyzing the content of phenolic compounds of low molecular weight determined by chromatography high performance liquid volatile counterparts (aldehydes, esters and higher alcohols) determined by gas chromatography using a flame ionization detector and microbiological properties of beer analyzing cell viability, different culture media for total yeast, bacteria acetic acid, Lactic acid bacteria and growth medium modified to Brettanomyces. The study was conducted in the microbrewery premises of the agribusiness department, food and nutrition Luiz de Queiroz College of Agriculture, Piracicaba (SP). The primary fermentation was conducted at 23° C in tapered cylindrical stainless steel fermenter after cooling to 0° beer was stored in barrels (50 liters) American oak at 25° C for three and five months. After maturation, a new beer (Young Ale) was produced and blended (blend) with the aged beer bottled and stored for analysis. After maturation, a new beer (Young Ale) was produced and mixed ( Blend ) with the beer aged in different proportions : Young beer Ale ; blends of 33 % and 66 % of aged beer; 100 % aged beer, the beers were bottled and stored for a period of three months to the beginning of the chemical, microbiological and sensory analysis. Microbial and chemical chenges accurred that favored increased complexity of the beer after passing through a storage period in oak barrel, and that changes was greater in proportion to the increase beer storage time.

Although the flow of granular material in silos and the pressure acting on the silo walls have been studied for over a century, many challenges still remain in silo design. In particular, during the discharge process some dynamic phenomena in silos can often be observed to display large, self-induced and dynamic pulsations which may endanger the stability of the silo structure. The aim of this thesis is to study the flow and pressure in silos using numerical modelling and analytical methods, and to further understand the mechanical behaviour of granular material and mechanism of dynamic phenomena during silo discharge. The Finite Element (FE) method can be used to analyse the behaviour of the granular material in silos by considering the material as a continuum. In this thesis, FEM modelling of silo flow was developed using the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation in the Abaqus/Explicit program and the key parameters that affect the predictions of the flow and pressure during discharge were identified. Using the ALE technique, almost the entire silo discharge process can be simulated without mesh distortion problems. The mass flow rate and temporally averaged discharge pressure predicted by the FE model were first investigated in a conical hopper and were found to be in good agreement with those from the most commonly quoted theoretical solutions. The transient dynamic pressure fluctuations during incipient silo discharge were predicted and the causes for these dynamic events have been investigated which led to the conclusion that the stress wave propagation and the moving shear zone phenomena within the bulk solid were responsible for the dominant higher and lower frequencies effects respectively. A one-dimensional dynamic model of granular columns subject to Coulomb wall friction was developed to investigate the propagation of stress waves, focusing on the effect of geometry by examining converging and diverging tapered columns. The analytical solutions of this model are compared to the FE model based on the ALE formulation. This FE model was first validated using the known behaviour for cylindrical columns. In all cases, the stress impulse set off by incipient discharge at the silo outlet grew with the distance travelled up the column, however the rate was shown to depend on the halfangle of the taper. Over a range of small angles, the proposed analytical model was found to accurately predict this behaviour. After the successful application of the ALE technique for a conical hopper, the FE model was extended to simulate the granular flow in a flat-bottomed model silo. The FE predictions were compared with the silo pressure measurements in a model silo (Rotter et al, 2004). Pressure cells mounted along a vertical line on the silo walls were used to measure the pressure distribution in the silo tests using dry sand. The FE model was further extended to simulate the granular flow in a model silo consisting of a cylindrical section with a conical hopper. The prediction was compared with the experimental observations from a model silo (Munch-Andersen et al, 1992), together with the well-known theoretical solutions. Two numerical issues were addressed in some detail: one is the numerical treatment of the abrupt transition between the cylinder section and the conical hopper, the other is the interaction between the granular solid and the silo walls that was modelled using a dynamic friction model. In addition, the dynamic pressure events during discharge were examined and plausible explanations were given. Finally, this thesis deployed a non-coaxial elastoplastic constitutive model to explore the effect of non-coaxiality on silo phenomena. The non-coaxial FE modelling was performed on three problems: a simple shear test under various initial conditions, a steep hopper and a flat-bottomed silo. The results show that non-coaxiality did not influence the prediction of wall pressure during filling and storing, on the other hand, the discharge pressure was predicted to be larger when non-coaxiality is considered.

Ce travail de thèse porte sur l’étude numérique de la propagation d’ondes de choc dans les écoulements compressibles multiphasiques et en interaction (fluide-structure). Deux approches sont étudiées pour la résolution numérique de la partie fluide : L’approche ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) et l’approche lagrangienne SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) ; la partie structure, quant à elle, est résolue par une approche classique EF (Éléments finis). L’étude des méthodes ALE et SPH constituent les deux principaux axes de recherche. La problématique des coups de bélier dans l’ingénierie nucléaire est abordée dans cette thèse. Lors d’un coup de bélier, les nombreuses réflexions d’ondes de choc dans les tuyauteries nucléaires peuvent faire baisser la pression de l’eau en dessous de sa pression de saturation et générer localement de la cavitation. Le modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model) de changement de phase proposé par Saurel et al. (1999) à trois équations est étudié et appliqué aux coups de bélier. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales. Malgré l’utilisation des techniques de renormalisation en SPH, des instabilités (oscillations numériques) se développent à l’interface entre les particules de matériaux différents. Ces instabilités restreignent l’utilisation des schémas SPH classiques pour des problèmes à faible ratio de densité. Afin de résoudre les problèmes de choc, le schéma proposé par Hu et Adams (2006) est adapté au régime fortement compressible en considérant le couplage entre la densité et la longueur de lissage. Les différents schémas SPH sont comparés entre eux pour les problèmes de chocs multiphasiques en 1-D et 2-D. Les résultats SPH sont validés avec la solution exacte pour les problèmes 1-D et la solution ALE pour les problèmes 2-D. / This thesis focuses on the numerical study of the propagation of shock waves in compressible multiphase flows and fluid structure interaction. Two approaches are being studied for the numerical solution of the fluid part: the ALE approach (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and the Lagrangian SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) approach; while the structure part is solved by a conventional FE (Finite Element). The numerical investigation of the ALE and SPH methods are the two main areas of research.Water Hammers phenomena occuring in nuclear industries are investigated in this thesis. During a Water Hammer, the shock waves reflections in nuclear piping may drop locally the water pressure below its saturation pressure and generate cavitation. The three equations HEM (Homogeneous Equilibrium Model) phase change model proposed by Saurel et al. (1999) is studied and applied to solve water hammers. The obtained results are compared with experimental data. Despite the use of renormalization techniques in SPH, instabilities (numerical oscillations) are developed at the interface between particles from different materials. These instabilities restrict the use of traditional SPH schemes to problems with low density ratio. In order to solve the shock problems in the compressible regime, the scheme originally proposed by Hu and Adams (2006) is adapted to fully compressible regime (FC-SPH) by considering the coupling between the density and the smoothing length. The different SPH schemes are compared for 1-D and 2-D multiphase shock problems. Validation is performed in comparison with exact solutions for 1-D problems and ALE solution for 2-D problems.

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d'améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. De manière plus générale, ce travail s'applique à tout système industriel mettant en jeu un écoulement multiphasique constitué d'un carburant liquide injecté dans une chambre occupée initialement par du gaz, comme par exemple les moteurs automobiles ou aéronautiques, ou les turbomachines. Intrinsèquement, il est possible de simuler l'ensemble de l'écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l'injection (gouttes de diamètre inférieur à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C'est pourquoi il est nécessaire d'introduire une modélisation diphasique. C'est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le coeur liquide dense proche de l'injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d'une population de gouttes polydisperse (c'est-à-dire de tailles différentes) générées après le processus d'atomisation en aval de l'injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d'applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC, en anglais). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Ces solutions reposent chacune sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d'équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l'évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d'ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments (Quadrature Method of Moment, QMOM en anglais) en une ou plusieurs dimensions d'espace. De la même manière que précédemment, l'utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d'espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l'élaboration de schémas de transport d'ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation DNS en anglais) dédié à l'évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L'extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles (dû au mouvement du piston) dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian en anglais) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d'étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d'une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d'un calcul d'injection dans une chambre de combustion d'un spray polydisperse avec le modèle EMSM.

Le contexte général de cette thèse est la simulation numérique de l'injection de carburant dans un moteur à combustion interne, afin d'améliorer son rendement et de limiter la production de polluants. De manière plus générale, ce travail s'applique à tout système industriel mettant en jeu un écoulement multiphasique constitué d'un carburant liquide injecté dans une chambre occupée initialement par du gaz, comme par exemple les moteurs automobiles ou aéronautiques, ou les turbomachines. Intrinsèquement, il est possible de simuler l'ensemble de l'écoulement avec les équations classiques de la dynamique des fluides sans avoir recours à des outils de modélisation supplémentaires liés au caractère diphasique. Mais, les tailles des structures générées pendant l'injection (gouttes de diamètre inférieur à 10 μm) conduisent à des temps de calculs prohibitifs pour une application industrielle. C'est pourquoi il est nécessaire d'introduire une modélisation diphasique. C'est dans ce contexte que deux régions sont formellement distinguées: le coeur liquide dense proche de l'injecteur, appelé écoulement à phases séparées, et le spray constitué d'une population de gouttes polydisperse (c'est-à-dire de tailles différentes) générées après le processus d'atomisation en aval de l'injecteur. Ce travail de thèse étudie les modèles Eulériens pour la description de spray évaporants et polydisperses, en vue d'applications industrielles. Ils représentent une alternative potentielle aux modèles Lagrangiens qui sont majoritairement utilisés en industrie mais présentant des inconvénients majeurs. Ainsi, le modèle multi-fluide est étudié dans un premier temps. Bien que prometteur, deux difficultés sont soulignées: le coût requis pour une description précise de la polydispersion, et son incapacité à décrire les croisements de gouttes (particle trajectory crossing, PTC, en anglais). La thèse propose des solutions à ces deux limitations. Ces solutions reposent chacune sur des méthodes de moments. Premièrement, le modèle appelé Eulerian Size Multi Size Moment (EMSM) permet de résoudre des sprays évaporants et polydisperses de manière bien plus efficace que le modèle multi-fluide. Des outils mathématiques sont utilisés pour fermer le système d'équations associé au modèle, et combinés à des schémas de types volumes finis appelés schémas cinétiques, afin de préserver la réalisabilité du vecteur de moments, pour le transport et l'évaporation. Une réponse à la seconde limitation est apportée avec le modèle appelé Eulerian Multi Velocity Moment (EMVM) basé sur le transport de moments en vitesse d'ordre élevé. Une distribution bimodale peut être localement reconstruite à partir des moments en utilisant une méthode de quadrature de moments (Quadrature Method of Moment, QMOM en anglais) en une ou plusieurs dimensions d'espace. De la même manière que précédemment, l'utilisation de schémas cinétiques permet de préserver la réalisabilité du vecteur de moment. De plus, une étude mathématique approfondie de la dynamique du système en une dimension d'espace en révèle toute la complexité et représente une étape indispensable en vue de l'élaboration de schémas de transport d'ordre élevé (supérieur ou égal à 2).Afin de les tester, ces deux modèles ainsi que les outils numériques associés sont implémentés dans MUSES3D, un code académique de simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation DNS en anglais) dédié à l'évaluation des modèles de spray. Des résultats de grande qualité démontrent le potentiel des modèles. L'extension du modèle EMSM dans un contexte industriel est ensuite considérée, avec son implémentation dans IFP-C3D, un code résolvant des écoulements réactifs sur des maillages non structurés et mobiles (dû au mouvement du piston) dans un formalisme RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) en présence de sprays. Le formalisme ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian en anglais) est utilisé et le modèle EMSM réécrit dans ce formalisme afin de mener des calculs en maillage mobile. De plus, une étude numérique a permis d'étendre les propriétés de précision et de stabilité obtenues en maillage fixe. La robustesse du modèle EMSM est alors démontrée avec succès dans IFP-C3D sur un cas impliquant un mouvement de piston, ainsi que dans le cadre d'une comparaison avec le code MUSES3D. Enfin, des résultats très encourageants prouvent la faisabilité d'un calcul d'injection dans une chambre de combustion d'un spray polydisperse avec le modèle EMSM.

Dans le cadre de la simulation de procédés de mise à forme par la méthode des éléments finis, le formalisme Arbitraire Lagrangien Eulérien (ALE) permet de découpler le mouvement du maillage et de la matière. Pour de très grandes déformations, la qualité du maillage peut être ainsi améliorée sans avoir recours à une procédure de remaillage complexe et coûteuse. Un second domaine d'application du formalisme ALE est la simulation de procédés stationnaires pour lesquels le maillage peut rester fixe dans la direction de l'écoulement de matière. Ce type de maillage quasi eulérien permet de diminuer le nombre d'éléments finis du modèle numérique par rapport à une simulation lagrangienne classique. En conséquence, le temps de calcul est également réduit. Bien que le formalisme ALE ne soit pas nouveau, il est rarement utilisé en pratique. D'une part, les techniques de repositionnement de noeuds tridimensionnelles ne sont pas évidentes à mettre en oeuvre et, d'autre part, il n'existe pas de schéma de transfert de données précis adapté aux éléments finis à plus d'un point de Gauss tels que ceux utilisés en dynamique implicite. Cette thèse tente de combler ces deux lacunes: une méthode de repositionnement de noeud sur les surfaces libres du solide est présentée. Elle est très robuste et permet de conserver la forme des surfaces malgré le mouvement arbitraire du maillage. Concernant le transfert des données, un schéma de convection 3D précis au second ordre et utilisable pour des éléments finis à plusieurs points de Gauss est déduit d'un opérateur de projection. L'efficacité et la généralité de l'algorithme ALE qui en résulte sont ensuite démontrées sur une série d'applications de plus en plus complexes: impact d'une barre de Taylor, traction d'une barre d'Hopkinson, double extrusion, laminage, planage et profilage à froid. Dans chaque cas, les résultats ALE sont comparés avec des résultats lagrangiens traditionnels ainsi que des mesures expérimentales lorsque celles-ci sont disponibles.

Dans le cadre de la simulation de procédés de mise à forme par la méthode des éléments finis, le formalisme Arbitraire Lagrangien Eulérien (ALE) permet de découpler le mouvement du maillage et de la matière. Pour de très grandes déformations, la qualité du maillage peut être ainsi améliorée sans avoir recours à une procédure de remaillage complexe et coûteuse. Un second domaine d'application du formalisme ALE est la simulation de procédés stationnaires pour lesquels le maillage peut rester fixe dans la direction de l'écoulement de matière. Ce type de maillage quasi eulérien permet de diminuer le nombre d'éléments finis du modèle numérique par rapport à une simulation lagrangienne classique. En conséquence, le temps de calcul est également réduit. Bien que le formalisme ALE ne soit pas nouveau, il est rarement utilisé en pratique. D'une part, les techniques de repositionnement de noeuds tridimensionnelles ne sont pas évidentes à mettre en oeuvre et, d'autre part, il n'existe pas de schéma de transfert de données précis adapté aux éléments finis à plus d'un point de Gauss tels que ceux utilisés en dynamique implicite. Cette thèse tente de combler ces deux lacunes: une méthode de repositionnement de noeud sur les surfaces libres du solide est présentée. Elle est très robuste et permet de conserver la forme des surfaces malgré le mouvement arbitraire du maillage. Concernant le transfert des données, un schéma de convection 3D précis au second ordre et utilisable pour des éléments finis à plusieurs points de Gauss est déduit d'un opérateur de projection. L'efficacité et la généralité de l'algorithme ALE qui en résulte sont ensuite démontrées sur une série d'applications de plus en plus complexes: impact d'une barre de Taylor, traction d'une barre d'Hopkinson, double extrusion, laminage, planage et profilage à froid. Dans chaque cas, les résultats ALE sont comparés avec des résultats lagrangiens traditionnels ainsi que des mesures expérimentales lorsque celles-ci sont disponibles.

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