La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. A partir d’un solveur développé au sein de l’équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l’intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d’état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l’introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d’une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l’effet des ouvrants (dans les phases d’ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d’analyse. / Characterization of heat transfer mechanisms between an incompressible fluid flow and solid structure is the main objective of the proposed work. From a solver developed within the team, we particularly focused on strategies for coupling with a solid solver to address both energy and structure motion. In our approach, the model treating solid part is the solver ASTER and specific attention was paid to the coupling strategy. In the fluid / structure coupling part, reference cases were performed with increasing complexity and immersed boundaries was investigated. The change in topology for the Immersed Boundary Method enhances here and there some numerical instability and the latter can be more or less damped by hybrid techniques in the treatments to submerged borders.Despite such limitations, the solver is able to handle large deformation ensuring robust and fast analysis for the characterization of strongly coupled mechanisms. To emphasize such a point, isothermal flow in a cavity representing a cold-cell was conducted as part of the research project OSEO. To our knowledge, the processing performed for the first time quantified the effect of opening (in the opening and closing of the doors of the cell phases) on the flow and heat exchange. Such modeling is then used to suggest improvements to the geometry being analyzed.

On développe dans ces travaux un outil numérique permettant de simuler le procédé Friction Stir Spot Welding. Le modèle est basé sur un couplage fluide/solide et permet une description correcte des parties fortement malaxée et solide de la structure. Une approche ALE est utilisée avec un mouvement arbitraire défini de façon que le maillage suive la matière dans la partie solide mais pas dans la partie pâteuse. Ceci permet la simulation de plusieurs tours de l'outil tout en suivant les bords des tôles soudées durant le procédé. Ce modèle numérique s'appuie sur l'élément fini mixte P1+/P1. Ce dernier a été développé avec une formulation température/vitesse/pression en mécanique des fluides (dans le cas d'un écoulement laminaire incompressible et transitoire) et en mécanique des solides dans le cadre des grandes transformations. La transition fluide/solide est effectuée au moyen d'un test explicite sur une température moyenne par élément, l'interface passant alors entre les éléments du maillage. Une procédure d'actualisation de la géométrie associée à l'approche ALE est effectuée à convergence. Ce couplage a été intégré au sein d'une nouvelle option du code SYSWELD. On présente ici une première simulation du procédé Friction Stir Spot Welding. D'autre part, deux montages spécifiques sont proposés pour l'investigation du procédé Friction Stir Spot Welding. Ces deux dispositifs intègrent une démarche de validation globale visant à calibrer la modélisation proposée du procédé. La stratégie expérimentale suivie est détaillée, et des premiers résultats obtenus sur un alliage d'aluminium basique sont présentés.

Nous étudions l'influence des perturbations géométriques des parois d'un domaine sur les solutions d'équations aux dérivées partielles à valeurs vectorielles, à travers un effet géométrique appelé l'effet de rugosité. Cet effet consiste à transformer des conditions de non pénétration imposées sur une suite de parois oscillantes convergeant vers une paroi lisse, en une condition qualifiée de glissement dirigé avec friction, ou friction-driven, dont une formulation générale a été obtenue en 2009 par Bucur, Feireisl et Necasova. Nous caractérisons l'effet de rugosité produit par des parois périodiques ou cristallines à l'aide des mesures de Young et de mesures capacitaires permettant de comprendre l'effet des oscillations des vecteurs normaux. D'autre part, nous démontrons la stabilité de la trajectoire d'un solide déformable à faible nombre de Reynolds, par rapport aux déformations qu'on lui impose, et proposons un schéma numérique de résolution du modèle. C'est une première étape vers la compréhension d'un effet de rugosité dynamique produit par une famille continue de micro-déformations du bord. Enfin, nous considérons le problème de la traînée d'un solide immergé dans un fluide visqueux, avec des conditions friction-driven sur la paroi solide. Après avoir montré que le problème est bien posé, nous décrivons le problème de minimisation de la traînée en termes de micro-structure de la paroi associée à la condition friction-driven. À l'aide d'outils de gamma-convergence, nous montrons que ce problème de micro-optimisation de forme possède une solution. Nous validons ces résultats par des exemples numériques et mettons en oeuvre une méthode numérique d'optimisation.

Les problèmes d'interaction fluide-structure sont de plus en plus employés dans l'industrie et dans de nombreux domaines de recherches. L'évolution de la médecine mène à de nouveaux problèmes biomécanique. L'un d'entre eux est l'étude de l'écoulement du sang dans les artères. Il y a deux types de problème d'interaction fluide-structure dans l'étude d'écoulement sanguin. Le premier est la l'évolution des cellules sanguines dans le plasma. Le second est l'interaction entre le fluide et la paroi de l'artère, l'étude de cette catégorie de problèmes est l'objet de cette thèse. Dans notre étude, le sang est modélisé comme fluide homogène et l'artère par un modèle de coque mince de Donnell. Le premier chapitre est consacré à la modélisation du problème. Dans le deuxième chapitre, nous étudions un problème fluide simplifié. Le troisième chapitre est la partie principale de cette thèse, il est consacré à l'établissement d'un résultat d'existence du problème liquide non linéaire, où nous modélisons le fluide par les équations compressibles Navier-Stokes. Dans le dernier chapitre nous présentons les méthodes numériques que nous avons utilisé afin de résoudre le problème précédent dans un domaine dépendant de temps.

La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. A partir d'un solveur développé au sein de l'équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l'intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d'état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l'introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d'une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l'effet des ouvrants (dans les phases d'ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d'analyse.

Cette thèse s'intéresse au problème du contrôle actif des vibrations structurelles d'une aile d'avion induites par le ballottement du carburant dans les réservoirs qu'elle contient. L'étude proposée ici est concentrée sur l'analyse d'un dispositif expérimental composé d'une longue plaque rectangulaire en aluminium équipée d'actionneurs et de capteurs piézoélectriques et d'un réservoir cylindrique. La difficulté principale réside dans le couplage complexe entre les modes de vibration de l'aile et les modes de ballottement du liquide. Un modèle de ce dispositif à l'aide d'équations aux dérivées partielles est tout d'abord construit. Ce modèle de dimension infinie couple une équation des plaques avec l'équation de Bernoulli pour le mouvement du fluide dans le réservoir. En analysant la contribution énergétique des modes, une approximation en dimension finie, de type espace d'état est alors construite. Après une méthode de recalage fréquentiel du modèle, un contrôle est réalisé en utilisant dans un premier temps une méthode par placement de pôle et dans un deuxième temps, la théorie de la commande robuste H-infini. La dimension du modèle et les performances demandées imposent le calcul d'un contrôleur H-infini d'ordre réduit, conçu en utilisant la librairie HIFOO 2.0 et testé sur le dispositif expérimental pour différents niveaux de remplissage. Finalement, le problème de la correction simultanée avec un correcteur HIFOO d'ordre réduit est aussi analysé.

Les fluctuations thermiques présentes dans les tés de mélange provoquent des contraintes thermiques qui peuvent mener à l'apparition de fissures qui se propagent plus ou moins rapidement dans la structure. Une possibilité pour réduire ces risques est d'installer des mélangeurs statiques (statics mixers) pour accroître le mélange. Une telle technologie a été utilisée par Utveckling AB depuis 1980 dans des installations nucléaires. Toutefois, ces technologies sont très coûteuses. C'est pour cette raison que plusieurs investigations numériques ont été faites pour prédire les fluctuations de température causées par le mélange turbulent dans cette configuration d'écoulement. On effectue la simulation numérique de l'écoulement sur deux types de té de mélange. L'un avec des bords droits et une paroi en Plexiglas, et l'autre avec des bords arrondis et une paroi en inox 304L. Dans le premier cas la condition de paroi est adiabatique et dans le second cas on effectue un couplage entre le code CFD (Computational Fluid Dynamic) Code_Saturne et le code SYRTHES pour l'analyse de la température dans le solide. L'apport principal de la thèse est la détermination des statistiques temporelles d'ordre élevé dans une configuration aussi complexe. En effet, les équations de transport de l'énergie cinétique turbulente, de la variance de la température et des flux thermiques turbulents sont déterminées dans les deux configurations (adiabatique et avec des parois en inox), ce qui montre l'influence de la paroi sur le transfert de chaleur en région proche paroi. / Thermal fluctuations present in mixing tees cause thermal stresses that can lead to the appearation of cracks, which spread more or less quickly in the structure. One possibility to reduce these risks is to set static mixers (statics mixers) to increase the mixture. Such technology has been used by Utveckling AB since 1980 in nuclear installations. However, these technologies are very expensive. It is for this reason that many numerical investigations have been made to predict temperature fluctuations caused by turbulent mixing in this configuration flow. The resolution of the conservation equations is made with a finite volume approach using large eddy simulation or LES . The subgrid models used are Smagorinsky, WALE (Wall Adapted Local Eddy) and dynamic Smagorinsky. The SGDH model (Simple Gradient Di? Usion Hypothesis) is used for modeling greeting thermal subgrid and the turbulent Prandtl number is fixed one. Generation turbulence input field is made using the SEM method (Synthetic Eddy Method). The main contribution of this thesis is the determination of time turbulent statistic in a complex configuration. Indeed, the transport equations of turbulent kinetic energy, temperature variance and turbulent heat flux are determined in both configurations (adiabatic walls and stainless steel), which shows the influence of the wall on heat transfer in near-wall region.

Autour de nous, les systèmes granulaires sont omniprésents et rarement dissociés d'une phase liquide ou gazeuse. L'interaction entre les deux phases (solide et fluide) implique une dynamique d'écoulement complexe de ces systèmes couplés. Cette thèse expérimentale a pour but de caractériser la dynamique d'effondrement gravitaire instationnaire d'une colonne fluide-grains dans différentes configurations de mélange diphasique. Considérant uniquement l'effet des grains au sein du fluide, la dynamique d'écoulement d'une suspension isodense dans l'air est d'abord abordée avec une description macroscopique. En particulier, La rhéologie du fluide apparent est extraite à partir de l'évolution temporelle du front en utilisant des solutions auto-similaires, modèles de la dynamique de propagation aux temps longs. Sur la gamme du nombre de Reynolds étudiée, la dynamique d'écoulement de la suspension est décrite comme celle d'un fluide apparent Newtonien ou non-Newtonien (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, viscoplastique) dépendant des paramètres considérés (fraction volumique, viscosité du fluide interstitiel, diamètre des grains, protocole de préparation). Afin de décrire la configuration opposée d'un massif sédimentaire pour lequel les interactions entre particules solides deviennent dominantes, la configuration d'une colonne granulaire dense saturée en fluide, i.e. où les grains sont plus lourds que le fluide porteur, est ensuite étudiée. Un travail préliminaire est consacré à la caractérisation de l'effondrement d'une colonne granulaire totalement immergée dans un fluide. Le rôle dissipatif de ce dernier sur le milieu granulaire est mis en évidence par une analyse de la dynamique d'effondrement et des caractéristiques du dépôt final. Cette caractérisation permet de classifier les régimes d'effondrement en fonction de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant, i.e. du nombre de Stokes et du rapport de masse volumique entre le fluide et les grains. Dans le cas triphasique, i.e. lorsque la colonne fluide-grains s'effondre dans l'air, la dynamique peut être fortement affectée par les effets capillaires à travers le nombre de Bond qui contrôle alors la mise en mouvement de la colonne initiale. Quand ces effets deviennent négligeables à l'échelle de la colonne et à celle du grain, le fluide interstitiel peut jouer un rôle moteur ou dissipatif vis-à-vis dumilieu granulaire conduisant à une longueur d'étalement plus ou moins importante en comparaison au cas sec. Le rôle du fluide interstitiel dépend essentiellement de sa viscosité modifiant, par la même occasion, la dynamique d'effondrement. Enfin, une étude préliminaire sur la dynamique d'écoulement d'une suspension non-isodense, initialement homogène, est réalisée. Cette configuration, à la transition des situations décrites précédemment, permet d'aborder le couplage de la dynamique de sédimentation des grains et celle du courant. En particulier, nous observons que la vitesse de sédimentation décroît avec l'augmentation de la fraction volumiqueinitiale en particules.

Cette thèse consiste à mettre en place un couplage externe aéro-thermo-mécanique, sur la base d'un schéma partitionné, entre les codes de recherche CEDRE (mécanique des fluides, volumes finis) et Z-set (modules indépendants pour la mécanique des structures et la thermique du solide, éléments finis). Les résultats numériques sont confrontés à ceux de l'expérience (une campagne de mesures a été menée dans le cadre de cette étude), dans le cas d'un problème complexe lié au domaine de l'aérospatial : l'interaction flamme-paroi. Ce phénomène est piloté par la thermique, à travers le flux de chaleur pariétal généré par la flamme. A cause de la disparité des temps caractéristiques thermiques entre les milieux fluide et solide, la partie aéro-thermique du couplage est traitée de façon simplifiée, en considérant le fluide comme une suite d'états stationnaires. L'échauffement de la plaque métallique provoque sa déformation (la loi de comportement mécanique du matériau est de type élasto-visco-plastique). Le déplacement de l'interface fluide-structure est propagé sur le maillage fluide. En se basant sur les similitudes entre jets non réactifs et réactifs (de type flamme) dans le cas de l'impact, des calculs couplés sont menés dans des configurations 2D et 3D de l'impact d'un jet chaud non réactif.

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure (IFS) par la méthode des éléments finis pour un fluide incompressible et non visqueux en interaction avec une structure flexible. Les modèles numériques développés sont basé sur une approche d'IFS partitionnée. Une amélioration basée sur une compensation des effets de massé ajoutée est proposée au cours de la thèse afin d'assurer la convergence et la stabilité du schéma de couplage partitionné indépendamment de la densité du fluide impliqué. L'approche corrective nécessite une estimation de la matrice de masse ajoutée et demande une légère modification de l'algorithme itératif. Les méthodes proposées ont été validées sur les cas académiques en comparaison avec les solutions analytiques et sont appliqués au cas d'une nouvelle conception de pompe pour tout type de fluides (gaz, liquides, fluide chargé...), en vue d'affiner la compréhension de son fonctionnement et ainsi mieux la caractériser. Les méthodes ainsi que les validations sont publiées sur un article qui a été accepté par le revue scientifique " Computers & Fluids ". Une présentation orale a effectuée pendant la conférence internationale ACE-X2012 à Istanbul et une autre a été accepté par la conférence nationale CSMA-2013 à Giens.