Cette thèse est consacrée au calcul et à l’étude du champ acoustique rayonné par un jet fortement supersonique, sur-détendu et chauffé. L’approche numérique utilisée consiste à résoudre simultanément l’écoulement turbulent et le champ proche acoustique par simulation des grandes échelles.Afin de résoudre les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles, des schémas numériques de dérivation spatiale et d’intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés. Pour le système de coordonnées cylindriques, une procédure de déraffinement progressive au voisinage de l’axe du jet est proposée pour augmenter le pas de temps de l’intégration temporelle. Une procédure de capture de choc est finalement développée pour supprimer les oscillations de Gibbs aux voisinages des chocs. Cette procédure est explicite, adaptative et conservative.Un jet rond, sur-détendu et présentant un nombre de Mach d’éjection de 3.30 ainsi qu’une pression et une température de réservoir de 28.6 × 105Pa et 1144K est résolu par simulation des grandes échelles. Ce jet est initialement laminaire et possède un nombre de Reynolds de 0.94 × 105. Les champs aérodynamique et acoustique obtenus sont comparés aux données disponibles dans la littérature. Afin de pouvoir identifier les sources acoustiques,le champ turbulent est caractérisé le long de la couche de mélange, notamment en utilisant une analyse spectrale et une décomposition selon les modes azimutaux. Les champs acoustiques proche et lointain sont enfin étudiés et différentes composantes de bruit sont identifiées à partir de comparaisons avec des mesures et des modèles de la littérature, ainsi qu’en établissant des liens avec les propriétés de l’écoulement turbulent. L’influence des effets de la propagation non linéaire des ondes acoustiques est finalement discutée. / This thesis deals with the computation and the investigation of the noise radiated by a rocket-like jet. A direct noise simulation based on large-eddy simulation is used in this study. Low-dissipation and low-dispersion numerical schemes are implemented in the solver.As the cylindrical Navier-Stokes equations are considered, a procedure to increase the integration time step is derived. To remove Gibbs oscillations near shocks, an explicit, adaptative and conservative shock-capturing procedure is developed for aeroacoustics computations.An over expanded initially laminar jet with an exit Mach number of 3.30 and stagnation pressure and temperature of 28.6 × 105Pa and 1144K is then computed by large-eddy simulation.The jet Reynolds number is 0.94 × 105. Aerodynamic and acoustic results are compared to data available in the literature. In order to identify noise sources, the turbulent flow fluctuations along the shear layer are characterized, especially by using a two dimensional Fourier transform in time and in the azimuthal direction. Acoustic near and far fields are also studied and different noise components are identified using comparisons with models and experimental data, and by establishing links with the turbulent flow field. Non-linear propagation effects of acoustic waves are finally discussed.

Cette thèse est consacrée au calcul et à l'étude du champ acoustique rayonné par un jet fortement supersonique, sur-détendu et chauffé. L'approche numérique utilisée consiste à résoudre simultanément l'écoulement turbulent et le champ proche acoustique par simulation des grandes échelles.Afin de résoudre les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles, des schémas numériques de dérivation spatiale et d'intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés. Pour le système de coordonnées cylindriques, une procédure de déraffinement progressive au voisinage de l'axe du jet est proposée pour augmenter le pas de temps de l'intégration temporelle. Une procédure de capture de choc est finalement développée pour supprimer les oscillations de Gibbs aux voisinages des chocs. Cette procédure est explicite, adaptative et conservative.Un jet rond, sur-détendu et présentant un nombre de Mach d'éjection de 3.30 ainsi qu'une pression et une température de réservoir de 28.6 × 105Pa et 1144K est résolu par simulation des grandes échelles. Ce jet est initialement laminaire et possède un nombre de Reynolds de 0.94 × 105. Les champs aérodynamique et acoustique obtenus sont comparés aux données disponibles dans la littérature. Afin de pouvoir identifier les sources acoustiques,le champ turbulent est caractérisé le long de la couche de mélange, notamment en utilisant une analyse spectrale et une décomposition selon les modes azimutaux. Les champs acoustiques proche et lointain sont enfin étudiés et différentes composantes de bruit sont identifiées à partir de comparaisons avec des mesures et des modèles de la littérature, ainsi qu'en établissant des liens avec les propriétés de l'écoulement turbulent. L'influence des effets de la propagation non linéaire des ondes acoustiques est finalement discutée.

Notion de volume élémentaire représentatif pour les matériaux hétérogènes : approche statistique et numérique.

La capillarité dans un milieu granulaire est étudiée aux échelles locale et macroscopique dans le cas 3D polydisperse. A l'échelle locale, un modéle explicite de cohésion par capillarité est proposé. Il comprend une loi de comportement et un critère de rupture locaux fonctions des caractéristiques du doublet. La pertinence du modèle est vérifiée expérimentalement sur des billes de verre. Il est implémenté dans un code de calcul en éléments discrets, en association avec une gestion numérique de la répartition de l'eau dans le milieu. Des essais de compression sont réalisés numériquement et expérimentalement. Leur concordance a permis de valider l'approche en éléments discrets dans le cas de la capillarité, et d'envisager l'étude du comportement macroscopique des matériaux granulaires humides. Enfin, l'influence de certains couplages est abordée afin de montrer la sensibilité de la cohésion par capillarité aux conditions environnementales ainsi que les possibilités offertes par le code

Dans les grands systèmes de réfrigération, l’utilisation de réfrigérants comme lubrifiants, à la place des huiles, simplifie la conception du système, l’allège et réduit son impact environnemental. La très faible viscosité du réfrigérant conduit à une épaisseur de film séparant les deux surfaces comparable à leur rugosité. Néanmoins, des travaux expérimentaux avec le réfrigérant R1233zd suggèrent que la lubrification est possible dans ces conditions grâce à la formation d’une couche adsorbée sur la surface d’oxyde de fer. Les analyses expérimentales in situ dans le contact sont très difficiles à cause des conditions de fort confinement et haute pression. C’est pourquoi une approche numérique multi-échelles est développée, afin d’étudier l’impact des réactions physico-chimiques à l’interface réfrigérant-surface sur les propriétés de lubrification. La théorie de la fonctionnelle de la densité est utilisée pour quantifier au niveau quantique, l’adsorption d’une molécule de réfrigérant sur une surface d’oxyde de fer. Des énergies de liaison allant de -0.92 eV à -0.22 eV sont observées et reliées à différents cas d’adsorption. Ces résultats sont exploités pour paramétrer un champ de forces interfacial, qui prédit des structures moléculaires à l’interface, différentes de celles obtenues avec des potentiels basés sur les règles de mélange classiques. Des simulations de dynamique moléculaire utilisant ce champ de forces paramétré confirment l’existence d’une couche fortement adsorbée de R1233zd sur une surface d’oxyde de fer. Avec des surfaces atomiques lisses et seulement 2 nm d’épaisseur de film de réfrigérant, les couches adsorbées résistent à des pressions allant jusqu’à 4 GPa et des vitesses de cisaillement atteignant 100 m/s. Une valeur minimale de 5 molécules de réfrigérant par nm² est nécessaire à la formation de deux couches adsorbées à 0.5 GPa. De plus, des simulations en cisaillement avec une surface rugueuse prédisent une rupture totale du film à environ 13 GPa. / In large refrigeration systems, using the refrigerant as lubricant instead of oil can help to simplify the design, lighten the systems, and reduce their environmental impact. However, the very low viscosity of refrigerants leads to ultra-thin films separating the surfaces, with a thickness comparable to surface roughness. Nevertheless, experiments with the R1233zd refrigerant suggests that lubrication is still possible in that situation thanks to an adsorbed layer formed on iron oxide surfaces. Experimental in situ analysis area is very difficult because of high confinement and high pressure. That is why a multiscale numerical approach is developed here, to explore the impact of chemical reactions and physical processes at the refrigerant-surface interface on large-scale lubrication properties. Density functional theory is used to quantify the adsorption of a refrigerant molecule on an iron oxide surface at the quantum level. Binding energies ranging from -0.92 eV to -0.22 eV are measured and related to different adsorption cases. These results are then used to parametrize an interfacial force field, whose predictions of interfacial molecular structure differs from those obtained using potentials based on standard mixing rules. Large-scale molecular dynamics simulations involving this parametrized force field confirm the existence of a strongly adsorbed layer of R1233zd molecules on iron oxide surface. With atomically smooth surfaces, and a refrigerant film thickness as small as 2 nm, the adsorbed refrigerant layers resists pressures as high as 4 GPa and sliding velocities as high as 100 m/s. A minimum value of 5 refrigerant molecules per nm² is necessary to the formation of two adsorbed layers at 0.5 GPa. Moreover, sliding simulations with a rough surface reveal total film breakdown for ca. 13 GPa.

Un certain nombre de travaux théoriques récents a été consacré à l' étude de la déformation du front d'une fissure 3D au cours de sa propagation coplanaire, notamment dans un milieu hétérogène. Ces travaux ont généralement fait apparaître une croissance au cours du temps du désordre géométrique du front. Ces études ne considèrent que le cas d'une fissure unique. L'objectif de cette thèse est de les étendre à la coalescence de fissures coplanaires. Le présent travail comporte deux volets, faisant chacun un usage fondamental de la théorie des fonctions de poids de Bueckner-Rice. Cette théorie permet, dans certains cas, de déterminer la distribution des facteurs d'intensité des contraintes le long du front de fissures planes, et ce sans avoir à résoudre le probème d'élasticité 3D impliqué. Elle peut être utilisée de manière analytique ou numérique, suivant la complexité du problème. Le premier volet de cette thèse consiste en une étude analytique du cas-modèle d'un système de deux fissures parallèles coplanaires en forme de fentes infinies. Il s'agit de quantifier l'influence du rapprochement progressif des fronts sur la rapidité du développement de leur désordre géométrique. Le résultat majeur de cette étude est que, contrairement au cas d'une fissure isolée, le désordre s'amplifie continuellement lors de la propagation quand la distance entre les fronts diminue. Le second volet est lui aussi consacré au problème de la coalescence mais, cette fois, par le biais numérique. Il s'agit d'étendre le programme de Lazarus (2003), écrit pour une fissure isolée en mode I, au cas de deux fissures circulaires coplanaires. Les simulations montrent que l'attraction mutuelle des deux fronts au cours du rapprochement (i) se fait sentir de façon significative uniquement lorsque les fronts sont très proches et (ii) a un faible impact sur le chargement.

Pas de résumé / No abstract

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la durabilité des structures en acier au carbone envisagées pour le stockage des déchets radioactifs à haute activité et à vie longue. Ce travail porte plus particulièrement sur la simulation numérique de la corrosion généralisée (et de son évolution), principale forme de corrosion susceptible d’affecter ces aciers en phase aqueuse et en condition désaérée.Le processus de corrosion des aciers au carbone est grandement influencé par la formation de couches de produits de corrosion (CPC) dont le rôle sur l’évolution de la vitesse de corrosion a été mis en évidence dans de nombreuses études. Le caractère plus ou moins protecteur d’une CPC dépend de plusieurs paramètres physiques (porosité, épaisseur et propriétés électriques de CPC) et chimiques (pH, PCO2, formations de complexes,…). Le principal objectif de ce travail de thèse est l’étude du rôle d’une CPC de sidérite sur la vitesse de corrosion des aciers au carbone en condition désaérée. Le régime de corrosion est ainsi simulé sur la base de modèles mécanistes en faisant appel à une résolution par la méthode des éléments finis de l’équation de transport réactif en milieu poreux et en potentiel libre.Dans un premier temps, l’étude de la stabilité d’une CPC par expérience numérique est présentée et constitue une étape importante dans la mesure où elle permet de sélectionner les paramètres influençant cette stabilité et par conséquent le processus de corrosion. Cette expérience numérique confirme des résultats expérimentaux obtenus sur des coupons dans un environnement représentatif des conditions de stockage mais sur des durées beaucoup plus courtes (de l’ordre de quelques années). Ces calculs montrent qu’en fonction des conditions chimiques (pH, complexants,…), morphologiques (épaisseur, distribution de porosité dans la CPC, …) et des propriétés électriques de la couche, on obtient soit un dépôt stable pouvant potentiellement entraîner une diminution de la vitesse de corrosion, ou soit un dépôt instable mettant à nu la surface du métal et qui se traduit par une vitesse de corrosion élevée.De manière complémentaire, le transitoire de croissance d’une CPC est également étudié en prenant en compte numériquement le déplacement de l’interface métal – CPC correspondant à la création de vide par la dissolution du métal. Deux approches, la première dite « implicite » et la seconde dite « explicite », de mouvement de cette interface sont présentées. Tous ces modèles numériques sont comparés à différents retours d’expérience. A cet égard, une loi de précipitation de la sidérite, discutée et confrontée aux différentes lois de la littérature, est proposée. Les résultats de simulation d’un transitoire de croissance d’une CPC conductrice sont conformes à certains retours d’expériences, montrant d’abord une phase active de corrosion suivie d’une phase pseudo-passive où la vitesse de corrosion est ralentie par le recouvrement de la surface métallique par la CPC. / This thesis is related to the issue of the sustainability of carbon steel structures intended for the storage of high-level long-lived radioactive waste. This work focuses on the numerical simulation of the uniform corrosion (and on its evolution), representing the main form of corrosion likely to affect these steel components in aqueous and deaerated conditions.The corrosion process of carbon steels is greatly influenced by the formation of corrosion product layers (CPL) whose role on the evolution of the corrosion rate has been demonstrated in numerous studies. The more or less protective nature of a CPL depends on several physical (porosity, thickness and electrical properties of CPL) and chemical parameters (pH, PCO2, complex formations, ...). The main objective of this thesis is the study of the role of a siderite CPL on the corrosion rate of carbon steels in deaerated conditions. The corrosion regime is simulated on the basis of mechanistic models using a finite element method to resolve the reactive transport equation in porous media and in free potential conditions.Firstly, the stability of a CPL is studied by numerical experiment and constitutes an important step that permits to select the key parameters influencing this stability and consequently the corrosion process. This numerical experiment confirms experimental results obtained on coupons in an environment representative of the storage conditions but on much shorter durations (few years). These calculations show that depending on the chemical conditions (pH, complexing medium, ...), morphological (thickness, distribution of porosity in the CPC, ...) and the electrical properties of the layer, we obtain either a stable deposit that could potentially lead to a decrease of the corrosion rate, or an unstable deposit exposing the metal surface and resulting in a high corrosion rate.In a second time, the transient step i.e. the formation and growth process of a CPL, is also studied numerically considering the displacement of the metal-CPC interface corresponding to the creation of voids caused by the dissolution of the metal. Two approaches, the first one called "implicit" and the second "explicit", of the movement of this interface are presented. All these numerical models are compared with different experimental feedbacks. Thus, a kinetics law of precipitation of siderite, discussed and compared with different laws proposed in the literature, is implemented in these models. The results obtained by simulating the growth of a conductive CPL are consistent with some experimental feedbacks, showing firstly a period of active corrosion followed by a pseudo-passive period during which the corrosion rate is significantly decreased resulting from the coverage of the metal surface by the CPL.

Ce travail de thèse est focalisé sur l’établissement d’un modèle de coupe orthogonale simulant l’usinage de l’alliage de Titane (Ti–6Al–4V). L’objectif principal est de contribuer à des approches et des méthodologies numériques permettant la modélisation de la formation du copeau de ce type d’alliage et l’amélioration de la compréhension des phénomènes multi-physiques induits par l’enlèvement de matière et qui découle de l’interaction outil-matière. Pour se faire, ce travail de recherche commence par la présentation d’une méthodologie macroscopique et robuste permettant d’établir un modèle de coupe en adoptant la loi de comportement phénoménologique de Johnson et Cook. L’une des améliorations apportés dans ce modèle consiste à adopter le critère de l’énergie de rupture pour contrôler l’évolution de l’endommagement de la matière et pourvoir par conséquent simuler pertinemment la genèse du copeau. Cela a permis de capturer la localisation de la déformation maximale par cisaillement et par la suite de dimensionner les formes caractéristiques liées au phénomène de segmentation du copeau selon les conditions de coupe adoptées. Le modèle de frottement à l’interface outil-matière découpée a également été affiné en intégrant une contrainte de cisaillement limite à l’interface copeau-outil. L’effet de la température sur cette contrainte limite a également été considéré et implémenté dans une routine utilisateur. Cela a permis de modéliser la formation du copeau même sous des conditions de frottement agressives et avec des rayons d’acuité d’arête de coupe élevés. L’étude paramétrique ainsi effectuée montre une très bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Dans un second temps un modèle qui peut-être qualifié de multi-echelles a été élaboré. Ce modèle de coupe tient compte de la microstructure du matériau à découper. Il est basé sur la théorie de la plasticité cristalline pour simuler la coupe orthogonale de l’alliage de Titane Ti–6Al–4V. Dans cette approche, les grains de la matière traitée sont présentés explicitement dans le maillage avec des formes hexagonales caractérisées par différentes orientations et systèmes de glissement. Dans ce cas d’étude le processus de dégradation de la matière sous différentes sollicitations thermomécaniques est le résultat de la cœxistence de deux types d’endommagement. En effet, il est supposé une rupture de la matière au niveau des grains qualifiée de dommage intra-granulaire et un dommage éventuel, aux interfaces des grains, qualifié d’inter-granulaire. Ce dernier est simulé par des éléments cohésifs d’épaisseurs nulles traduisant la possibilité de la décohésion des gains de la matière. Ce modèle est validé par des résultats de compression provenant de la littérature. / The objective of this study is to model material removal with cutting tool in the case of the machining of Titanium alloy (Ti–6Al–4V) and to bring a multi-physic comprehension of chip formation and the tool/workpiece interaction by adopting finite element approaches and methodologies. For that, the present contribution begins by a macroscopic modeling of the orthogonal cutting process. The cut material behavior considered is supposed based on JC law. Moreover, in order to simulate properly the chip genesis, the material fracture energy concept is adopted for controlling the material damage evolution. This allows capturing the shear strain localization and consequently the chip segmentation for a given set of cutting parameters. The frictional contact model considers the influence of temperature on the limiting shear stress at the tool/chip interface. As a result, this reliable model has the capability to simulate the cutting process even with high coefficient of friction and with large cutting edge radius. The parametric study carried out by referring to this model shows a very interesting corroboration with experimental results. In a second step, the present research work presents a material microstructure-level cutting model (MML cutting model) for cutting simulation. The crystal plasticity theory is adopted for modeling the cutting of the Titanium alloy Ti–6Al–4V in orthogonal case. In this model, the grains of the studied material are explicitly considered, and their orientation angles and slip system strength anisotropy are considered as the main source of the microstructure heterogeneity in the cutting material. To simulate the material degradation process, the continuum intra-granular damage and discrete cohesive zone inter-granular damage models are developed, wherein the zero thickness cohesive elements are implemented to simulate the bond between grain interfaces. The material model is validated by a comparison of compression tests from literature. Finally, simulation results demonstrate the possibility to capture the influence of the microstructure on the material removal in terms of chip formation. It is demonstrated that the grain orientation angle plays an important role for the chip segmentation and its periodicity during the cutting process. This certainly can affect the evolution of the cutting force. Additionally, the surface integrity is discussed based on the MML cutting model for different cutting speeds and feed rates. Indeed, a parametric study shows that the surface integrity is seriously affected by the machining parameters, and the affected region is limited within three layer grains for the present MML cutting model.

Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement hydromécanique endommageable des géomateriaux non saturés. Plus précisément, cette recherche est appliquée à l’étude du comportement de galeries de stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Dans un premier temps, après avoir résumé les principaux traits du comportement hydromécanique des géomateriaux, en insistant sur l’effet de la succion et de l’endommagement mécanique, un nouveau modèle PPE-NS couplant les aspects hydromécaniques, de plasticité et d’endommagement isotrope est présenté. Etabli dans le cadre de la thermodynamique des milieux poreux, il est basé sur le concept de contrainte effective plastique et de la pression interstitielle équivalente. Supposant une distribution bimodale de tailles des pores pour les milieux poreux endommagés, l'effet d'endommagement sur le comportement hydraulique est modélisé au moyen des fonctions phénoménologiques. L’endommagement intervient donc aussi bien sur le comportement mécanique qu'hydraulique dans ce modèle. La prise en compte des contributions à l’énergie des interfaces venant à la fois de l'interaction mécanique entre les phases solide et fluide (via la pression équivalente) et du mécanisme physico-chimique de rétention d'eau (via la fonction de rétention d’eau) permet à ce modèle de décrire de façon pertinente le couplage bilatéral entre elles. Dans un deuxième temps, ce modèle rhéologique est appliqué au comportement de l’argillité du Callovo-Oxfordian, qui est potentiellement la roche hôte du stockage de déchets nucléaires en France, afin d’étudier les évolutions hydromécaniques d’une galerie type selon son cycle de vie simplifié. Tout d’abord, ce modèle est validé par des essais mécaniques et hydrauliques au laboratoire, en considérant des échantillons « homogènes ». Ensuite, l’approche analytique est utilisée pour constituer une solution exacte de référence de ce problème dans un cas limite d’une roche hôte poro-viscoplastique saturée. Cette solution permet de mieux comprendre l’effet du fluage sur le comportement de la galerie et aussi de tester la fiabilité d’autres solutions numériques complexes développées par la suite. Enfin, l’approche numérique des éléments finis est mise en œuvre afin d'implémenter le nouveau modèle PPE-NS dans un code de calcul initialement développé au LGCB (Laboratoire Génie Civil et Bâtiment). Sa validité est partiellement vérifiée en considérant le comportement « limite » en photoélasticité d'une galerie non revêtue ou des solutions quasi-analytiques ont été développées. Des études paramétriques dans le cas général d'un tunnel revêtu montrent la cohérence du modèle et mettent en lumière l’influence de la désaturation sur le comportement de la galerie. / This thesis aims to study the damageable hydromechanical behavior of unsaturated geomaterials. More precisely, the research is applied to study the behavior of underground galleries of radioactive waste disposals in deep geological formations. Firstly, after summarizing the main features of the hydro-mechanical behavior of geomaterials, emphasizing the effect of suction and damage, a new model PPE-N coupling hydromechanical interactions with plasticity and isotropic damage is presented. Established in the framework of thermodynamics of porous media, it is based on the concept of the so called plastic effective stress and equivalent pore pressure. Assuming a bimodal pore size distribution for cracked porous media and using the concept of bundle cylindrical capillaries, damage effects on hydraulic behaviour (water retention curve and hydraulic conductivity) is modelled using phenomenological functions. The accountance of the contributions to the interfacial energy from the mechanical internations between solid and fluid phases (via theequivalent pore pressure) as well as the physico-chemical mechanism of water retention (via the water retention function) enables this model to describe in apertinent manner bilateral couplings between them.Secondly, this constitutive model is applied to Callovo- Oxfordian argillite, which is the potential host rock for the French nuclear waste disposal, and then to study the evolution of the hydromechanical responses of an underground gallery according to its simplified life cycle. The model is first validated against a range of mechanical and hydraulic laboratory tests, considering "homogeneous" samples. The analytical approach is then used to provide an exact reference solution of this problem in the limiting case of a saturated poro-viscoplastic host rock. This solution allows to better understand the effect of creep on the behavior of the gallery and also to test the precision of other complex numerical solutions . Finally, the numerical approach using finite elemnts is used to implement the new model EPP-NS in a computer code originally developed in LGCB (Laboratoire Genie Civil et Batiment). Its validity is partly checked by examining the poroelastic behavior of an unlined tunnel where quasi-analytical solutions have been developed. Parametric studies in the generalcase of a lined tunnel demonstrate the consistency of the model and highlight the influence of desaturation on the behavior of the gallery.