Cette thèse porte sur l’étude des ondes et instabilités dans les écoulements tournants à surface libre. On s’intéresse en particulier à la situation générique d’un récipient cylindrique partiellement rempli d’un fluide incompressible et dont le fond est en rotation rapide. En particulier, la formation de motifs connus sous le nom de polygones tournants ainsi que des phénomènes d’alternance temporelle nommés switching et sloshing est considérée. Dans ce but, des analyses de stabilité globale sont présentées en considérant des champs d’écoulement de base modèles tels que la rotation solide (seau de Newton), la rotation potentielle et le tourbillon de Rankine. Egalement, quelques résultats expérimentaux originaux obtenus lors d’un séjour au DTU (Copenhague) sont présentés. Les analyses de stabilité globales permettent de montrer que diverses familles d’ondes sont présentes dans ces configurations, à savoir des ondes de surface gravitaires et centrifuges, des ondes inertielles, des ondes de Rossby et des ondes de Kelvin-Kirchhoff. Il est constaté que le seau de Newton est toujours stable dans la gamme des paramètres considérés. Au contraire, des instabilités sont obtenues pour des nombres d’onde azimutaux m>=2 pour le tourbillon potentiel. Le diagramme de stabilité obtenu dans l’espace des paramètres (a, F), avec a le rapport d’aspect et F un nombre de Froude, reproduit qualitativement les zones d’observation expérimentales des motifs polygonaux. Les instabilités sont dues à une résonance entre des ondes gravitaires et des ondes centrifuges. Le mécanisme peut être interprété en terme d’onde à énergie négative à l’aide d’un modèle simplifié à deux couches, ou en terme d’over-reflection en utilisant une approche de type WKBJ pour de grandes valeurs de m et dans l’approximation de faibles profondeurs. Par ailleurs, les mécanismes d’un phénomène d’hysteresis observé expérimentalement ainsi que le phénomène de switching sont appréhendés à l’aide d’une étude faiblement non-linéaire effectuée sur le modèle à deux couches. Enfin, le modèle de Rankine, plus représentatif de l’expérience pour de faibles nombres de Froude est étudié et révèle la présence de nouvelles interactions d’ondes conduisants à des instabilités. Ces nouvelles instabilités capturent le phénomène de sloshing et donnent des éléments additionnels pour la comparaison avec les expériences.

The more and more restrictive standards in terms of fuel consumption and pollution for aircraft engines lead to a constant improvement of their design. Numerical simulations appear as an interesting tool for a better understanding and modeling of the turbulent phenomena which occur in turbomachinery. The large-eddy simulation (LES) of a turbomachinery stage at realistic conditions (Mach number, Reynolds number...) remains out of reach for industrial congurations. The phase-lagged method, widely used for unsteady Reynolds-averaged Navier--Stockes (URANS) calculations, is a good candidate to reduce the computational cost. However, it needs to store the signal at all the boundaries over a full passage of the opposite blade. A direct storage of the information being excluded given the size of the mesh grid and timesteps involved, the most used solution currently is to decompose the signal into Fourier series. This solution retains the fundamental frequency of the signal (the opposite blade passage frequency) and a limited number of harmonics. In the frame of a LES, as the spectra are broadband, it implies a loss of energy. Replacing the Fourier series decomposition by a proper orthogonal decomposition (POD) allows the storage of the signal at the interfaces without making any assumptions on the frequency content of the signal, and helps to reduce the loss of energy caused by the phase lagged method. The compression is done by removing the smallest singular values and the associated vectors. This new method is first validated on the URANS simulations of turbomachinery stages and compared with Fourier series-based conditions and references calculations with multiple blades per row. It is then applied to the large eddy simulation of the flow around a cylinder. The error caused by the phase-lagged assumption and compression are separated and it is showed that the use of the POD allows to halve the filtering of the velocity fluctuations with respect to the Fourier series, for a given compression rate. Finally, the large eddy simulation of a compressor stage with POD phase-lagged conditions is carried out to validate the method for realistic turbomachinery configurations.

La croissance et le détachement des bulles formées sur une paroi par injection ou ébullition sont présents dans de nombreuses situationsindustrielles (les contacteurs gaz/liquide, les évaporateurs ou des dispositifs d’impression à jet d’encre). Dans la plupart des applications, les bulles grossissent dans un écoulement cisaillé ou au repos et la plupart des études visent à prévoir le rayon de détachement par une analyse de l’équilibre des forces. Ainsi, une bonne modélisation des forces capillaires et hydrodynamiques est nécessaire pour prédire correctement le rayonau détachement. Dans un premier temps, la croissance quasi-statique d’une bulle d’air formée sur la paroi d’une cuve et d’un canal rectangulaire est étudiée. Trois substrats différents sont utilisés pour observer l’influence des conditions de mouillage. La dynamique de la croissance de la bulle et le détachement sont alors enregistrés différentes configurations : canal horizontal, canal incliné, avec et sans écoulement liquide. Ensuite,le comportement des bulles de vapeurs en croissance sur une paroi en ébullition en vase et convective est étudié. Les expériences sonteffectuées en gravité terrestre et en microgravité dans un liquide sous-refroidi (HFE 7000) à basse pression (1-2bars). Des bulles de vapeurssont nuclées sur la paroi par l’intermédiaire d’un générateur de bulles. Ce dernier chauffe le liquide environnant au-dessus de sa température de saturation. Les bulles croient sur le site de nucléation dans un écoulement cisaillé et se détachent soit directement soit en glissant le long de la paroi. Une copie de la cellule d’essai appelée RUBI développée par l’ESA est implémentée dans le dispositif expérimental pour effectuer lespremières expériences en microgravité avant son lancement dans la station spatiale ISS. Toutes les acquisitions sont filmées à l’aide d’une caméra rapide et l’extraction du contour de la bulle est réalisée par traitement d’images. Différentes forces agissant sur une bulle sont calculées à partir des paramètres géométriques de la bulle. Un modèle prédictif de détachement de bulles est proposé. Enfin, un bilan thermique diphasique est effectué.

Dans ce travail, nous avons déterminé le diagramme de phases liquide-vapeur par la méthode des équations intégrales pour des modèles d interactions représentant non seulement des liquides simples, mais aussi des liquides complexes grâce au concept de ¡gros grains¡ . Notre choix s est porté sur une nouvelle formulation de l équation intégrale de Sarkisov qui a une bonne cohérence thermodynamique sans paramètre ajustable. La résolution du système d équations intégrales est opéré par la méthode de Labik et al., alors que le calcul des dérivées des fonctions de corrélation est réalisé de manière formellement exact grâce à un outil de différentiation automatique de code par la méthode linéaire tangent. Enfin, l exploration efficace du diagramme de phases est rendue possible par une technique adaptative garantissant une détermination précise des lignes binodales et spinodales ainsi que du point critique. Dans la première phase, nous avons mis au point et validé notre approche pour un fluide de sphères dures et pour celui de Lennard-Jones. Nous avons ensuite étudié les propriétés structurales, les grandeurs thermodynamiques et le diagramme de phases de deux familles de potentiels¡: la première regroupant les potentiels de type Yukawa, la seconde correspondant aux potentiels discrets. Dans chacun de ces cas, les résultats ont été validés par comparaison avec les résultats de simulations numériques disponibles dans la littérature. Nous avons également pu étudier l évolution du diagramme de phases avec les caractéristiques du potentiel, ainsi que l apparition d un transition liquide-liquide dans un cas particulier de potentiels discrets. Enfin, nous avons aussi entendu notre étude aux systèmes métalliques dont les potentiels effectifs dépendent de la densité. / N this work we determined the liquid-vapour phase diagram from the integral equations method in the case of interaction potentials representing not only simple liquids, but also complex ones through the coarse-grain concept. We chose a new formulation of the integral equation of Sarkisov characterised by high thermodynamic self-consistency without adjustable parameter. The set of integral equations is solved numerically according to Labik et al. algorithm, while the derivatives of the correlation functions are computed in a formally exact way by a tangent linear method. Finally, the phase diagram is scanned resorting to a self-adapting method producing accurate determinations of both the spinodal and binodal lines as well as of the critical point. In a first stage, we built up and tested our approach in the cases of hard-spheres and Lennard-Jones fluids. Then, we studied structural and thermodynamic properties, as well as phase diagrams of two families of fluids: the first one interacting with hard-core Yukawa-type potentials and the second one with discrete potentials. In each case, our results were compared with simulation predictions available in the literature. We were also able to study the evolution of the phase diagram with the features of the potential, and we observed a liquid-liquid phase transition in a specific discrete potential fluid. Finally, we also studied some metallic systems whose effective potentials depend on the density.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique des Fluides : Lyon 1 : 2003. / Titre provenant de l'écran titre. 106 réf. bibliogr.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--INP, 1981. N°: 180.

Le but de cette étude est de faire le bilan des principales techniques de simulation mathématique des écoulements autour des corps et de mettre celles-ci sous des formes appropriées au calcul des écoulements autour des corps de révolution. Jusqu'à ces dernières années, on s'est limité au calcul des écoulements des fluides parfaits, bien que dès 1908, H, Blasius [1] eut déjà abordé le calcul des couches limites laminaires sur les corps de révolution.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 141 réf.

Thèses de sciences. Toulouse. Doctorat ès sciences physiques. No 45.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 365.