L'objet de cette thèse a été de développer un code de calcul pour la simulation d'écoulements diphasiques de fluides non miscibles, incompressibles et isothermes afin de l'appliquer au phénomène de fragmentation d'un jet liquide, et plus particulièrement à la désintégration assistée d'une nappe de liquide par deux écoulements d'air portés à haute vitesse.<br /><br />Les choix des hypothèses physiques et des schémas numériques associés ont été fait afin de respecter au mieux la physique complexe de brisure d'un jet liquide. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles est faite de façon directe par le biais d'une méthode de projection. La méthode naissante et prometteuse Level-Set assure quant à elle le suivi numérique de la surface de séparation entre deux fluides non miscibles. Enfin, la méthode Ghost Fluid permet un traitement correct des discontinuités à la traversée de l'interface en préservant au niveau discret les conditions de saut entre équilibre des forces de capillarité, de pression et de viscosité. Les bonnes aptitudes de tels schémas numériques sont montrées à travers une batterie de cas tests académiques.<br /><br />Les mécanismes physiques mis en jeu lors de l'atomisation primaire d'un jet liquide ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. Les instabilités se développant à la surface du liquide sont multiples et clairement tridimensionnelles. Actuellement et malgré beaucoup d'efforts de recherche, aucune théorie ou modèle ne rend compte rigoureusement de ce phénomène. Or, il est montré que l'outil numérique peut apporter une lumière nouvelle. Par exemple, l'impact de la couche limite gazeuse sur la fréquence d'oscillation est étudié. Nous avons également pu retrouver par la simulation la dynamique ligamentaire intrinsèque à la désintégration assistée d'un jet liquide.

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La demande croissante de poudres d‟alliages métalliques aux propriétés spécifiques utilisées en particulier en projection thermique et fabrication rapide pousse les chercheurs à améliorer et à optimiser sans cesse les procédés de production de ces poudres. L‟objectif affiché sur ces procédés est de maîtriser à la fois morphologie/ distribution de taille des particules produites et coût de fabrication. Actuellement, la majorité de ces poudres est produite par des procédés d‟atomisation par fluide et essentiellement par le procédé d‟atomisation gazeuse. Parmi ces procédés, le procédé Nanoval utilisant une buse "De Laval" est l‟un des plus performants en termes de distribution granulométrique et de rendement.L‟objectif principal de ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu par le procédé Nanoval afin d‟en optimiser le fonctionnement. Deux approches composent ce travail :- une partie numérique de modélisation sous Fluent. Deux modèles ont été étudiés, un modèle monophasique relatif à l‟écoulement gazeux dans l‟unité d‟atomisation (passage de l‟autoclave à la chambre d‟atomisation) et un modèle diphasique relatif à la constriction du filament de métal liquide en sortie de buse de coulée. Cette étude numérique a permis de mettre en évidence l‟effet des paramètres opératoires tels que la pression d‟atomisation et le diamètre de la buse de coulée sur la dynamique du jet de gaz, sur la striction du filament de métal liquide ainsi que les zones de forte pression et de haute vitesse avant, pendant et après la désintégration du filament métallique.- une partie expérimentale pour laquelle la mise en place d‟outils de diagnostic in-situ a été nécessaire pour la caractérisation du procédé en cours de fonctionnement. Trois analyses ont été conduites. La première renseigne de la dynamique du jet d‟atomisation évaluée à partir de mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) à proximité de la sortie de la buse De Laval. La deuxième concerne les caractéristiques à l‟écrasement des particules sur un substrat placé dans la chambre d‟atomisation. La troisième et dernière analyse porte sur les propriétés des particules produites et la comparaison avec la matière récupérée après refroidissement dans l‟autoclave. Différents paramètres opératoires ont été explorés (pression d‟atomisation, diamètre de la buse de coulée, pression dans la chambre d‟atomisation, nature du métal) et reliés à leur influence sur la vitesse et le diamètre des particules. Des relations directes entre les résultats de ces trois analyses ont pu être démontrées ainsi qu‟une bonne adéquation entre résultats expérimentaux et résultats issus de la modélisation.

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 porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (" sprays ") sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d'un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d'air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d'un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d'injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d'un modèle de spray par l'approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d'échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d'injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar.

Le travail de cette thèse a pour but de fournir et valider des outils permettant d'étudier et de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l'injection d'un carburant dans un moteur à combustion interne, principalement axé sur l'écoulement intra-injecteur. Ces outils sont numériques et permettent de simuler la formation d'un spray. Une première partie est axée sur la modélisation 0D. Les modèles permettant de prédire des caractéristiques de spray comme son angle, sa pénétration ou encore la longueur du corps liquide, sont comparés à des données expérimentales. Les conclusions sont que la modélisation 0D permet d'obtenir de bons résultats. Par contre une meilleure connaissance de l'influence de la cavitation sur le spray, qui passe par la compréhension de l'écoulement intra-injecteur, pourrait être bénéfique pour la prédiction de ces modèles. Une seconde étude sur l'écoulement intra-injecteur est alors menée en utilisant un modèle à équation barotrope. Une validation de celui-ci est effectuée de façon à vérifier qu'il est capable de prédire correctement l'écoulement dans un injecteur. Le modèle offre de bons résultats et peut être utilisé pour l'étude suivante. Enfin, dans la dernière partie, le modèle de cavitation qui a été validé est utilisé. Une géométrie d'injecteur mono-trou est utilisée avec des pressions comparables à celles utilisées actuellement en automobile. L'étude consiste à étudier l'influence de plusieurs paramètres géométriques sur l'apparition de la cavitation. Le mouvement de l'aiguille est aussi étudié et est comparé, après avoir offert au code la possibilité de maillage mobile, à des résultats in-stationnaires pour plusieurs levées d'aiguille.

L’atomisation d’un jet ou d’une nappe liquide assistée par un courant gazeux rapide est couramment utilisée dans l’industrie ainsi qu’en propulsion aéronautique (turboréacteur) et spatiale (moteur-fusée cryotechnique). Plusieurs processus permettent la fragmentation de la structure cohérente liquide en gouttes. L’épluchage, qui intervient à courte distance en aval de l’injection, a été assez largement étudié (Marmottant et Villermaux 2004, Hong et al 2004) et les mécanismes sont assez bien décrits. En revanche, l’origine des instabilités large échelle – ou « flapping » - intervenant plus loin en aval, instabilités qui sont à l’origine de la production de large gouttes, reste mal comprise. Ceci est particulièrement vrai pour des jets cylindriques qui, contrairement au cas de nappes, ont fait l’objet de très peu d’études. Nous nous sommes donc attachés à comprendre l’origine du « flapping », à analyser ses liens avec les instabilités interfaciales de cisaillement, et à quantifier son impact sur la structure du jet ainsi que sur les gouttes produites. Pour cela, des expériences ont été menées en eau/air sur de larges plages de paramètres, aussi bien en termes de vitesses phasiques que des dimensions des veines gaz et liquide. Un soin particulier a été apporté au contrôle des écoulements internes.Pour l’ensemble des géométries, nous avons montré que la longueur du dard liquide est pilotée par le battement large échelle et non par le processus d’épluchage. Par ailleurs, la longueur de brisure présente une décroissance marquée avec la vitesse gaz, puis reste constante au delà d’une vitesse gaz critique. Un modèle a été proposé pour ce comportement asymptotique dans lequel la longueur de brisure est pilotée par le rapport de la vitesse liquide d’injection à une vitesse capillaire construite sur le diamètre liquide.La technique de mesure de la fréquence du battement large échelle mise en œuvre à partir d’images acquises par ombroscopie s’est avérée opérationnelle sur toute la plage de vitesses gaz considérées. Cette fréquence, qui ne varie pas spatialement, présente deux comportements : un premier où elle augmente avec la vitesse gaz, et un second où elle reste indépendante de la vitesse gaz. Ce second régime n’est pas mentionné dans la littérature. Pour le premier régime, le lien entre flapping et instabilité de cisaillement a été démontré en s’appuyant notamment sur des analyses de stabilité. Le nombre de Strouhal associé est piloté par le cisaillement côté gaz. La dépendance de la fréquence de battement à l’épaisseur de vorticité côté gaz est ainsi établie lorsque l’instabilité de cisaillement est pilotée par un mécanisme inviscide. Pour le second régime, le caractère opportuniste du flapping a été démontré l’aide d’une expérience de forçage : le flapping amplifie des structures liquides de longueur d’onde plus grande que celle associée à l’instabilité de cisaillement. Un nombre de Strouhal construit sur le diamètre liquide du jet et la vitesse du jet liquide à la distance de brisure a été proposé. Enfin, le rapport du diamètre du jet liquide à la longueur d’onde de l’instabilité de cisaillement semble pertinent pour définir la frontière entre ces deux régimes.Les tailles des gouttes produites sur l’axe de symétrie ont été mesurées à l’aide d’une sonde optique. Il apparaît que la distribution granulométrique évolue fortement avec la vitesse gaz, et qu’elle est multi-modale, ce qui traduit la présence de plusieurs mécanismes de brisure. La taille moyenne des gouttes décroit globalement comme UG-2, dans la limite de forts nombres de Weber aérodynamique. Cette taille moyenne s’avère aussi très sensible à la géométrie : elle diminue lorsque l’épaisseur gaz augmente jusqu’à atteindre une valeur plancher, et elle croît avec le diamètre liquide. / Jet or sheet atomized by a fast coaxial gas jet is currently used in industry, like aeronautical propulsion (turbofan) or spatial propulsion (cryotechnic rocket engine). Many physical processes allows liquid coherent structure fragmentation into drops. Stripping, which appears downstream near injector, has been largely studied (Marmottant et Villermaux 2004, Hong & al 2004), mecanisms has been correctly described.However, the origin of large scale - or 'flapping' instabilities - intervening further downstream, instabilities that are causing the production of large drops, remains poorly understood. This is particularly true for cylindrical jets which, unlike the case of sheets, have been the subject of very few studies. We are therefore committed to understand the origin of the "flapping", to analyze its relationship with interfacial shear instabilities, and to quantify its impact on the structure of the jet as well as on the drops produced. For this, experiments were carried out in water/air on wide set of parameters, both in terms of phasic speed than the dimensions of the gas gap and liquid diameter. Special care were made to the internal flow control.For all the geometries, we showed that the length of the liquid cone is driven by the large scale displacements and not by the stripping process. Furthermore, the length of brokenness jet presents a decline marked with the gas speed, then remains constant beyond a critical gas speed. A model was proposed for this asymptotic behavior in which the break-up length is driven by the report of the liquid injection speed to a capillary speed built on the liquid diameter.Measurement of the frequency of large scale displacement technology has been implemented from images acquired by shadowgraphy proved operational over the gas velocity range considered. This frequency, which varies not spatially, present two behaviors: a first where it increases with the speed of the gas, and a second where it remains independent of the gas speed. This second scheme is not mentioned in the literature. For the original plan, the link between flapping and shear instability has been demonstrated based on analyses of stability. The associated Strouhal number is controlled by the shear gas side. The dependence of the frequency of heartbeat to the thickness of vorticity gas side is thus established when shear instability is driven by an inviscide mechanism. For the second scheme, the opportunistic nature of the flapping has been demonstrated using forcing experience: the flapping amplifies liquid structures of wavelength greater than those associated with shear instability. A Strouhal number built on liquid jet diameter and the speed of the liquid jet at break distance has been proposed. Finally, the ratio of the diameter of the liquid jet at the wavelength of the shear instability seems relevant to define the border between these two regimes.Sizes drops produced on the symmetry axis were measured using an optical probe. It appears that granulometric distribution is evolving strongly with speed gas, and it is multi-modal, reflecting the presence of several mechanisms of brokenness. The average size of the drops decreases overall as UG - 2, in the limit of strong numbers of aerodynamic Weber. This medium size is also very sensitive to geometry: it decreases when the thickness of the gas increases until it reaches a floor value, and it grows with the liquid diameter. Finally, by forcing large amplitude lateral displacement, the average radial distribution of sizes of drops has been made much more homogeneous, and the average size of the drops on the axis has been reduced by a factor of 2. These results therefore open opportunities in terms of control of atomization.

Depuis le début du millénaire, la simulation numérique directe est apparue comme un outil précieux capable d'étudier l’atomisation d’une goutte isolée par un écoulement à grande vitesse. L’atomisation peut être divisée en deux phases distinctes : l'éclatement se produit d'abord sous la forme d'aplatissement de la goutte, formant également des filaments, puis il se poursuit via l'obtention d'une multitude de gouttes de tailles réduites ce qui complète le processus d’atomisation. Les principaux objectifs pour le présent travail étaient donc d’établir un modèle et une méthode numérique capables d’étudier au mieux ces phénomènes. L'atomisation d’une goutte isolée est présentée et est accompagnée d’une comparaison avec l’expérience qui confirme les capacités du modèle et de la méthode à simuler numériquement les différents processus physiques mis en jeu. Des informations essentielles quant aux mécanismes d’atomisation, non exploitables avec l’expérience, sont décrites et l’objectif d’obtenir des gouttes de tailles réduites est atteint. / Only at the beginning of the millennium, direct numerical simulation has emerged as a valuable tool capable of studying the atomization of an isolated droplet by a high-speed flow. The atomization can be divided into two distinct phases: the aerobreakup occurs first in the form of flattening of the droplet, also forming filaments, and then it continues via the obtaining of a multitude of reduced sizes droplets what completes the process of atomization. The main objectives of this work were therefore to establish a model and a numerical method able to study these phenomena as well as possible. The atomization of an isolated droplet is presented and is accompanied by a comparison with the experiment which confirms the capacities of the model and the method to numerically simulate the different physical processes involved. Essential information on atomization mechanisms, which cannot be exploited with experiments, is described and the objective of obtaining droplets of reduced sizes is achieved.

La réduction des émissions polluantes et l'amélioration des performances des turboréacteurs nécessitent une connaissance détaillée des phénomènes physiques mis en jeu dans une chambre de combustion. L'atomisation du carburant résulte du cisaillement engendré par un fort écoulement d'air généré dans l'injecteur. La simulation numérique directe d'écoulements avec interface permet de simuler l'ensemble du processus d'atomisation. L'utilisation de maillages Cartésiens permet la réalisation de calculs HPC efficaces et précis. Mais, une des complexités de l'atomisation vient d'une interaction forte entre le comportement de la nappe liquide et l'écoulement gazeux dans les conduites de l'injecteur, rendant impératif la simulation de l'injecteur complet. Ceci étant impossible avec des maillages Cartésiens structurés, l'objectif de cette thèse est de développer une méthode d'interface immergée permettant l'inclusion d'objets solides dans un domaine de calcul, indépendamment du maillage, afin de réaliser des DNS du système d'injection complet. Les équations de Navier-Stokes incompressibles diphasiques sont résolues à l'aide d'un algorithme de projection, l'interface liquide-gaz étant transportée avec une méthode CLSVOF conservative en masse et quantité de mouvement. La présence du solide est prise en compte grâce à la méthode d'interface immergée. Cette méthode a été appliquée à la simulation numérique de nappes liquides cisaillées pour une configuration d'injecteur utilisée en essais à l'ONERA et a permis une meilleure prédiction de la fréquence de battement de la nappe. / The reduction of polluting emissions and improvement of aeronautical engines efficiency depends on the detailed knowledge of the physical phenomena encountered in a combustion chamber. Fuel atomization results from the shearing effect induced by the high velocity airflow generated inside the injector. The Direct Numerical Simulation of interfacial flows allows the simulation of the whole atomization process, while Cartesian structured meshes allows efficient and accurate HPC computations. However, the complexity of atomization comes from a strong interaction between the jet behavior and the injector internal flow, which makes essential to simulate the whole injector system. As that is impossible on Cartesian structured grids, the main objective of this thesis is to develop an Immersed Interface Method (IIM) allowing the inclusion of solid objects in the computational domain, independently of the mesh. The incompressible two-phases Navier-Stokes equations are solved using a projection algorithm with the CLSVOF method, conservative in mass and momentum. The solid presence is taken into account using the IIM. The proposed IIM has been applied to the numerical simulation of sheared liquid sheets corresponding to an ONERA experimental configuration and allows a better prediction of the flapping frequencies of the liquid sheet.

Émissions polluantes, les motoristes souhaitent contrôler au mieux l’atomisation du carburant, injecté généralement sous forme de jets ou de nappes liquides. Les essais étant long et coûteux, leur remplacement par un outil numérique capable de simuler le processus d’atomisation permettrait non seulement une réduction des coûts importante mais faciliterait également la phase de conception. Toutefois, en raison du caractère multi-échelle du phénomène, il est difficile de le décrire dans son ensemble avec les approches habituellement utilisées en mécanique des fluides numérique.L’objectif de cette thèse est de concevoir une nouvelle approche qui permettra à terme de simuler l’atomisation pour une configuration industrielle complète. Celle-ci consiste à coupler deux types de modèles. Le premier, dit modèle bifluide, est un modèle à deux fluides compressibles basé sur les équations de Navier-Stokes diphasiques. Celui-ci permet de décrire les grandes échelles du phénomène d’atomisation correspondant à la formation de ligaments et d’amas liquides dans la zone proche de l’injecteur. Le second, dit modèle de spray, est basé sur une équation cinétique. Dans la zone située en aval de l’injecteur, ce dernier permet de décrire de manière statistique l’évolution du brouillard de gouttelettes issues de la fragmentation primaire du jet de carburant. Le point délicat, à la fois sur le plan de la modélisation et sur celui de l’algorithmique, réside dans le couplage des deux modèles. Celui ci a été réalisé grâce à l’introduction de deux modèles auxiliaires permettant de traiter le transfert de liquide entre le modèle bifluide et le modèle de spray par atomisation ou ré-impact.L’approche proposée a été appliquée à la simulation numérique de nappes liquides cisaillées. Les comparaisons entre les résultats numériques et des résultats expérimentaux montrent que le modèle bifluide permet de prévoir l’influence de la géométrie et des conditions d’injection sur l’atomisation primaire de la nappe liquide. Le modèle d’atomisation permet quant à lui, de reproduire le caractère instationnaire des mécanismes de production de gouttes lors du transfert de la phase liquide depuis le modèle bifluide vers celui de spray. Des cas de ré-impact valident également la robustesse et la généralité de la méthodologie de couplage. / In order to improve efficiency of aircraft combustion chambers and reduce polluting emissions,engine manufacturers try to achieve a better control on fuel atomization, which is usually injectedas a jet or liquid sheet. As experiments are expensive and time consuming, a numerical tool able to simulate atomization would be a powerful asset in engine conception design. However, simulation ofthe whole atomization process with commonly used approach in computational fluid dynamics is still prohibitive due to the multi-scale nature of the phenomenon.The objective of this thesis is to develop a new approach allowing the simulation of the spray formation for a industrial configuration in the near future. This involves coupling of two types of models.The first one, called two-fluid model, is based on the Navier-Stokes equations for two immiscible compressible fluids. This one is used to describe the large scales of the atomization mechanism corresponding to the formation of ligaments and liquids blobs in the near-injector area. The second one,called spray model, is based on a kinetic equation. Further downstream from the injector, this model describes statistically the evolution of the droplet cloud produced by the primary fragmentation of liquid jet. The main difficulty, in terms of both modeling and algorithmic, is the coupling of these twomodels.This has been achieved by introducing an atomization and an impact models which ensure liquid transfer between the two-fluid model and the spray model.This new approach was applied to the numerical simulation of sheared liquid sheets. Comparisons between numerical and experimental results show how the two-fluid model predicts the influence of injector geometry and injection conditions on the primary atomization of the liquid sheet. Concerning droplets production, the atomization model is able to reproduce the unsteady nature of this mechanism when transferring liquid phase from the two-fluid model to the spray model. Test cases for the impact model also validate the robustness and generality of the coupling approach.