Le circuit primaire d'une centrale nucléaire est composé d'un ensemble d'éléments très différents (cuve, coeur, réseau de conduite ...). A chacun de ces éléments correspond actuellement un ou plusieurs codes de calcul spécifiques basés sur des systèmes d'équations aux dérivées partielles spécifiques. Afin de permettre la simulation des écoulements diphasiques dans l'ensemble du circuit primaire, il faut envisager de coupler ces différents codes. L'approche proposée dans ce travail de thèse est de coupler les codes grâce à un échange d'information interfaciale instationnaire. Des flux numériques sont calculés au niveau des interfaces de couplage et servent de conditions aux limites à chacun des codes. Les méthodes permettant le calcul des flux de couplage sont dérivées du formalisme de Greenberg-Leroux proposé dans le cadre du décentrement des termes sources des systèmes hyperboliques non-homogènes stationnaires, et font intervenir un modèle d'interface. Trois cas de couplage ont été examinés : (i) le couplage du système des équations d'Euler en dimension un et deux ; (ii) le couplage de deux modèles diphasiques homogènes distincts ; (iii) le couplage d'un modèle homogène à quatre équations et du modèle bi-fluide standard.

Pour une meilleure compréhension des mécanismes d’explosions de nuages réactifs hétérogènes, la dispersion de particules solides par choc ainsi que la détonabilité des mélanges diphasiques aluminium-oxygène ont été étudiés expérimentalement et numériquement.La dispersion des particules solides est réalisée par l’explosion en champ libre de charges sphériques composées d’un explosif solide central entouré par une couche de particules solides inertes. Les données expérimentales sont obtenues à l’aide de capteurs de pression, d’un piège à particules et d’une caméra rapide.La compaction puis la décompaction de la couche est suivie de la formation d’agglomérats, tandis que certaines particules sont brisées par le choc. Le choc frontal est retardé et l’effet de souffle nettement réduit. Les particules sont réparties dans le nuage en fonction de leur taille. Les simulations numériques 1D sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux.La détonabilité de mélanges diphasiques oxygène-particules d’aluminium en suspension a été étudiée en initiant une détonation divergente non confinée, dont on enregistre l’évolution temporelle de la pression et la structure cellulaire. Lors d’un amorçage avec 200-250g d’explosif solide (C4), la détonation se forme à une distance  1,6m. Les caractéristiques maximales sont observées à une distance de 2,3m (limite du nuage expérimental) et sont en accord avec les caractéristiques théoriques CJ. La structure cellulaire a été mise en évidence pour la première fois dans ce type de mélange ; sa taille est 10-15cm. Les simulations numériques 2D cylindriques, effectuées avec le code EFAE, donnent une taille de cellule légèrement supérieure. / Explosive dispersal of solid particles and detonability of two-phase oxygen-aluminum particles mixtures have been investigated experimentally and numerically in order to get a better understanding of the mechanisms governing the explosion of reactive heterogeneous mixtures.Solid particles were dispersed by the free-field explosion of spherical charges made of a central booster of solid explosive surrounded by a loose-packed density shell of inert particles. Pressure gauges, a particles trap and a high frame rate camera were used to gather experimental data. Compaction and decompaction of the layer are followed by the formation of particle agglomerates, whereas some other particles are burst by the shock. The leading shock is delayed and the blast effect is strongly damped. Particles are spread into the cloud accordingly to their size. 1D numerical simulations agree in general with the experimental results.The detonability of two-phase oxygen-aluminum particles mixtures was studied by initiating an unconfined diverging detonation, during which the temporal pressure evolution and the cellular structure were recorded. The detonation wave formed at 1,6m. With an ignition charge of 200-250g C4, the maximal values of pressure and velocity recorded at a radial distance of 2,3m (corresponding to the border of the cloud) are consistent with the CJ values. The cellular structure was observed for the first time in this kind of mixture with a cell size of 10-15cm. The cell size calculated with a 2D cylindrical simulation (performed with the EFAE code) is slightly larger.

De manière à respecter les normes européennes en matière d’émission de gaz polluants, les constructeurs automobiles pratiquent le downsizing. Cette pratique consiste en une réduction de la cylindrée des moteurs tout en maintenant un bon niveau de performance. Il s’en suit des puissances spécifiques moteur importantes, l’objectif cible étant de l’ordre de 100 kW/l. Pour de telles puissances, les températures atteintes au niveau des pistons sont élevées, ce qui pose alors le problème de leur tenue thermomécanique. Le refroidissement du piston devient donc un acteur important de la fiabilité du moteur. Le procédé le plus répandu actuellement est le refroidissement par jet d’huile. Le piston est alors refroidi par un écoulement turbulent diphasique incompressible (Air/Huile) dans un environnement mobile. Il s’agit de phénomènes physiques complexes qui sont pour l’instant mal connus. L’optimisation du refroidissement nécessitant une bonne compréhension des phénomènes physiques concernés, nous nous proposons dans ce mémoire de le modéliser au moyen du modèle 1-Fluide diphasique couplé à l’équation de l’énergie. / The present work aims at studying the cooling system used in cars engine to ensure piston thermo mechanical resistance by numerical simulation. Most of actual engines use an oil jet cooling system coupled with 'cocktail shaking' to extract heat from piston. This cooling method brings into play a two-phase incompressible turbulent flow in a mobile environment, due to motion of pistons in the cylinder. The need today for more effective cooling of pistons involves an accurate understanding of the physical mechanisms which are concerned. Modeling could be a good way to achieve it. The idea is to support the engine design process to account for advanced technologies to improve turbine or engine performances, less fuel burn and green house gases. In the present work, a numerical model dedicated to the simulation at small scale of oil/air two-phase flows and related heat transfers is proposed to characterize the cooling of engine elements under fragmented jet impact.

Cette travail de thèse est lié au besoin de modélisation des écoulements diphasiques en générateurs de vapeur (entrée liquide et sortie vapeur). La démarche proposée consiste à faire le choix d'une modélisation hybride de l'écoulement, en scindant la phase gaz en deux champs, modélisés de manières différentes. Ainsi, les petites bulles sphériques sont modélisées avec une approche dispersée classique avec le modèle eulérien à deux fluides, et les bulles déformées sont simulées à l'aide d'une méthode de localisation d'interface.Le travail effectué porte sur la mise en place, la vérification et la validation du modèle dédié aux larges bulles déformées, ainsi que le couplage entre les deux approches pour le gaz gaz, permettant des premiers calculs de démonstration utilisant l'approche hybride complète. / The present study is related to the need of modeling the two-phase flows occuring in a steam generator (liquid at inlet and vapour at outlet). The choice is made to investigate a hybrid modeling of the flow, considering the gas phase as two separated fields, each one being modeled with different closure laws. In so doing, the small and spherical bubbles are modeled through a dispersed approach within the two-fluid model, and the distorted bubbles are simulated with an interface locating method.The main outcome is about the implementation, the verification and the validation of the model dedicated to the large and distorted bubbles, as well as the coupling of the two approaches for the gas, allowing the presentation of demonstration calculations using the so-called hybrid approach.

Des expériences d'ébullition convective de HFE-7000 dans un tube vertical chauffé ont été menées dans des conditions de gravité terrestre et de microgravité. Ces expériences consistent principalement en l'étude d'écoulements diphasiques dans un tube de saphir de 6 millimètres de diamètre intérieur, uniformément chauffé par effet Joule à travers un dépôt conducteur d'ITO. Des mesures de pertes de pression, de taux de vide, et de températures de paroi ou de liquide sont réalisées simultanément avec des enregistrements vidéo des régimes d'écoulement dans le tube. Les données correspondantes ont été collectées au sol et lors de quatre campagnes de vols paraboliques qui ont fourni des conditions de niveau de gravité proches de l'apesanteur. Les visualisations des films d'écoulement, ainsi que les signaux de température et de pression sont analysés afin d'obtenir des données sur les régimes d'écoulement, le taux de vide, les frottements pariétaux et interfaciaux, et les coefficients d'échange de chaleur. Ces résultats expérimentaux et les comparaisons réalisées avec d'autres jeux de données en microgravité sont utilisés pour proposer une modélisation de l'ébullition convective en microgravité. / Forced convective boiling experiments of HFE-7000 in a vertical heated tube were conducted in earth gravity and under microgravity conditions. The experiment mainly consists in the study of a two-phase flow inside a 6mm diameter sapphire tube uniformly heated through an ITO coating. Measurements of pressure drops, void fraction, and liquid and wall temperatures are performed, along with flow visualisations. Data were collected in normal gravity and during four parabolic flight campaigns providing near weightlessness conditions. Flow visualisations, temperature and pressure signals are analysed to obtain flow patterns, void fraction, wall and interfacial shear stresses, and heat transfer coefficient data. These experimental results and comparisons with other available datasets are used to attempt a modelling of flow boiling in microgravity.

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.

En fonction de la configuration avion, de son altitude du vol, du type de carburant, différents phénomènes physiques modifient les caractéristiques de l'alimentation du moteur en carburant. En effet, il se produit principalement un phénomène de dégazage qui pourrai être couplé à de la cavitation. Les écoulements diphasiques ainsi obtenus contiennent des microbulles, des bulles ou des poches de gaz qui risquent d'induire des dysfonctionnements du moteur. Ces dysfonctionnements se traduisent par des fluctuations de poussée pouvant conduire à une perte de contrôle de l’appareil. De cette problématique industrielle découlent de nombreux verrous scientifiques encore mal connus. Dans le cadre de cette thèse des travaux sur la modélisation numérique et la caractérisation expérimentale du couplage entre la cavitation et le dégazage. Pour cela deux bancs d’essai et un code propre capable d'étudier la problématique scientifique retenue ont été développés et exploités. Trois régimes de cavitation pure et trois autres de cavitation aérée sur une géométrie de venturi 8° symétrique ont été étudiés." / Depending on the configuration of the plane, its flight altitude, the type of fuel, different physical phenomena significantly change the characteristics of the fuel supply to the engine. Indeed, it primarily occurs a fuel degassing phenomenon that could be coupled to the cavitation phenomenon. As a result, the thus obtained multiphase flows contain micro bubbles, larger bubbles or vapor pockets which might induce engines malfunctions. The latter result in thrust fluctuations which can lead to a loss of power. The scientific context of the industrial problem lies in the development of a numerical and experimental representation of the cavitation and degassing phenomena on a smaller scale. As a result, it is of primary importance for one to understand the mechanisms of occurrence of gas and cavitation in the given industrial configuration. In order to deal with those issues, two test benches have been developed, as well as an in-house numerical code capable of simulating aerated cavitation phenomenon. Therefore, three different pure cavitation regimes and three other aerated cavitation are shown, as a result of the experimental work. The multiphase flow observations are based on a statistical post-processing of images taken by a high-speed camera. Moreover, two 2D aerated cavitation numerical simulations, as well as the first 3D pure cavitation simulation have been shown.

Le travail de cette thèse concerne l’étude des écoulements diphasiques dans les mini-canaux d’une pile à combustible. Ces canaux, de taille millimétrique, ont un double rôle d’alimentation de la pile en combustibles gazeux et d’évacuation de l’eau produite. Il a été montré expérimentalement que la configuration d’écoulement a un impact direct sur les performances de la pile. L’objectif est donc de progresser dans la compréhension des mécanismes physiques présents dans ces canaux. Pour cela, l’outil de simulation numérique JADIM est développé pour modéliser la physique de la ligne triple afin de permettre la description des écoulements diphasiques et les transitions entre configurations, où la mouillabilité joue un rôle déterminant. Deux phénomènes physiques sont essentiellement étudiés : la migration dans le canal de gouttelettes formées par l’introduction d’eau dans le canal, et l’évolution et la stabilité de la répartition spatiale des phases lors du remplissage progressif des canaux.

L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau. / The present work deals with the modelling of shock wave propagation in bubbly liquids, inorder to assess the damping of underwater explosion by bubble curtains. The modelling is basedon a scale transition technique, which allows to formulate efficient continuum models of bubblyliquids. A modelling of homogeneous bubbly liquids has first been proposed, then extended tothe case of liquids with spherical bubble clusters. A modelling of bubble fragmentation duringshock propagation has also been developed, based on a stability analysis of the bubbles. Thisstudy enables us to establish a criterion for bubble fission and to determine the numberof fragments. The accuracy of the proposed models has been assessed through comparisonwith experimental data of the literature. The agreement between numerical and experimentalresults proves the predictive capabilities of the whole approach. The modelling has then beenapplied to the mitigation of UNDEX-induced shock wave by bubble curtain. A sensitive studyabout physical parameters of the curtain has been performed, and confirms the experimentaltendencies : the use of a bubble curtain can dissipate a significant part of the shock energy.

Cette thèse est consacrée au développement et à la comparaison des méthodes de suivi d'interface pour les écoulements diphasiques incompressibles. Elle s'intéresse à la sélection de méthodes robustes de suivi d'interface, puis à leur couplage avec le solveur des équations de Navier-Stokes. La méthode level-set est en premier lieu étudiée, en particulier l'influence du schéma d'advection et de l'étape de réinitialisation sur la qualité des résultats du suivi d'interface. Il a été montré que la méthode de réinitialisation avec contrainte de volume est robuste et précise en combinaison avec des schémas conservatifs WENO d'ordre 5 pour l'advection. Il a été constaté que les erreurs du suivi d'interface augmentent de manière abrupte lorsque la condition CFL est trop petite. Comme remède, la réinitialisation du champ level-set effectuée moins souvent réduit la diffusion numérique et le déplacement non-physique de l'interface. La conservation de la masse n'est pas assurée avec les méthodes level-set. Les méthodes VOF (volume-of-fluid) qui conservent naturellement la masse du fluide de référence sont alors étudiées. Une résolution géométrique avec un schéma consistent et conservatif est alors adoptée, ainsi qu'une autre technique alternative plus aisément extensible en 3D. Il a été trouvé que ces deux dernières méthodes donnent des résultats très proches. La méthode MOF (moment-of-fluid), qui reconstruit l'interface en utilisant le centre de masse du fluide de référence, est plus précise que les méthodes VOF. Différentes méthodes couplées entre level-set et VOF sont alors étudiées, notamment: CLSVOF, MCLS, VOSET et CLSMOF. Il a été observé que la méthode level-set tend à épaissir les filaments minces, tandis que VOF et les méthodes couplées les fragmentent en petites particules. Finalement, on a couplé les méthodes level-set et VOF avec le solveur incompressible des équations de Navier-Stokes. On a comparé différentes manières de prise en compte des conditions de saut à l'interface (lisse et raide). Il a été montré que les méthodes VOF sont plus robustes, et donnent d'excellents résultats pour quasiment toutes les simulations. Deux méthodes level-set donnant de très bons résultats, comparables à ceux de VOF, sont aussi identifiées. / This thesis is devoted to the development and comparison of interface methods for incompressible two-phase flows. It focuses on the selection of robust interface capturing methods, then on the manner of their coupling with the Navier-stokes solver. The level-set method is first investigated, in particular the influence of the advection scheme and the reinitialization step on the accuracy of the interface capturing. It is shown that the volume constraint method for reinitialization is robust and accurate in combination with the conservative fifth-order WENO schemes for the advection. It is found that interface errors increase drastically when the CFL number is very small. As a remedy, reinitializing the level-set field less often reduces the amount of numerical diffusion and non-physical interface displacement. Mass conservation is, however, not guaranteed with the level-set methods. The volume-of-fluid (VOF) method is then investigated, which naturally conserves the mass of the reference fluid. A geometrical consistent and conservative scheme is adopted, then an alternative technique more easily extended to 3D. It is found that both methods give very similar results. The moment-of-fluid (MOF) method, which reconstructs the interface using the reference fluid centroid, is found to be more accurate than the VOF methods. Different coupled level-set and VOF methods are then investigated, namely: CLSVOF, MCLS, VOSET and CLSMOF. It is observed that the level-set method tends to thicken thin filaments, whereas the VOF and coupled methods break up thin structures in small fluid particles. Finally, we coupled the level-set and volume-of-fluid methods with the incompressible Navier-Stokes solver. We compared different manners (sharp and smoothed) of treating the interface jump conditions. It is shown that the VOF methods are more robust, and provide excellent results for almost all the performed simulations. Two level-set methods are also identified that give very good results, comparable to those obtained with the VOF methods.