Des études numériques ont montré que la taille de la cellule de maillage peut avoir un effet drastique sur la modélisation du lit fluidisé circulant avec des petites particules. En effet, la taille de la cellule doit être de l’ordre de quelques diamètres de particules pour prédire avec précision le comportement dynamique d’un lit fluidisé. En conséquence, les simulations numériques d’ Euler-Euler des processus industriels sont généralement effectuées avec des grilles trop grossières pour permettre la prédiction des effets de ségrégation locale. La modélisation appropriée, qui prend en compte l’influence des structures non résolues, a déjà été proposée pour les simulations monodispersés. Dans ce travail, l’influence des structures non résolues sur un mélange binaire de particules est analysée et on propose des modèles pour tenir compte de cet effet dans des simulations de lit fluidisé polydispersés. Pour atteindre cet objectif, des simulations Euler-Euler de références sont réalisées avec un raffinement du maillage aboutissant à une solution indépendante de la taille de la cellule. Ce type de simulation numérique est très coûteux et se limite à des configurations très simples. Dans ce travail, la configuration se consiste en un lit circulant périodique 3D, qui représente la région établie d'un lit circulant. Parallèlement, une approche filtrée est développée où les termes inconnus, appelés contributions de sous-maille, doivent être modélisés. Les filtres spatiaux peuvent être appliqués aux résultats de simulation de référence afin de mesurer chaque contribution de sous-maille apparaissant dans l’approche théorique filtrée. Une analyse est réalisée afin de comprendre et de modéliser l’effet de la contribution des termes de sous-maille. L’opération de filtrage fait apparaître de nouveaux termes, les termes de sous-maille. Un terme filtré est la somme d’un terme résolu, obtenus à partir des champs filtrés, et d’ un terme de sous-maille. L’analyse de l’équation filtrée de quantité de mouvement montre que les contributions résolues de la traînée des particules fluides et la collision entre particules surestiment les effets de transferts de quantité de mouvement filtrés. L’analyse de l’équation filtrée de l’énergie cinétique des particules montre que la production résolue par le cisaillement moyen et par le mouvement relatif moyen des particules sous-estime contribution filtrée. Des modèles fonctionnels sont proposés pour les contributions de sous-maille de la traînée et des collisions inter-particule. / Detailed sensitivity numerical studies have shown that the mesh cell-size may have a drastic effect on the modelling of circulating fluidized bed with small particles. Typically, the cell-size must be of the order of few particle diameters to predict accurately the dynamical behaviour of a fluidized bed. Hence, the Euler-Euler numerical simulations of industrial processes are generally performed with grids too coarse to allow the prediction of the local segregation effects. Appropriate modelling, which takes into account the influence of unresolved structures, have been already proposed for monodisperse simulations. In this work, the influence of unresolved structures on a binary mixture of particles is investigated and models are proposed to account for those effect on bidisperse simulations of bidisperse gas-solid fluidized bed. To achieve this goal, Euler-Euler reference simulations are performed with grid refinement up to reach a mesh independent solution. Such kind of numerical simulation is very expensive and is restricted to very simple configurations. In this work, the configuration consists of a 3D periodical circulating fluidized bed, that could represent the established zone of an industrial circulating fluidized bed. In parallel, a filtered approach is developed where the unknown terms, called sub-grid contributions, appear. They correspond to the difference between filtered terms, which are calculated with the reference results then filtered, and resolved contributions, calculated with the filtered fields. Then spatial filters can be applied to reference simulation results to measure each sub-grid contribution appearing in the theoretical filtered approach. A budget analysis is carried out to understand and model the sub-grid term. The analysis of the filtered momentum equation shows that the resolved fluid-particle drag and inter-particle collision are overestimating the momentum transfer effects. The analysis of the budget of the filtered random kinetic energy shows that the resolved production by the mean shear and by the mean particle relative motion are underestimating the filtered ones. Functional models are proposed for the subgrid contributions of the drag and the inter-particle collision.

The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des fluides complexes qui possèdent souvent un seuil d'écoulement leur permettant de résister à des efforts finis sans s'écouler. Par ailleurs, ces fluides peuvent glisser aux parois lorsque les conditions interfaciales sont favorables. Toutes ces propriétés influencent leurs écoulements autour d'obstacles. Cette thèse se propose de comprendre ces écoulements dans le domaine où les vitesses d'écoulement sont telles que les effets inertiels peuvent être négligés devant les effets visqueux eux-mêmes faibles par rapport aux effets plastiques. Elle analyse l'influence de la vitesse et du glissement sur la force de traînée et les champs cinématiques générés par l'écoulement très lent et en régime permanent d'un fluide à seuil autour d'obstacles aux surfaces adhérentes ou glissantes. Les géométries considérées sont le disque, la sphère, le cône et la plaque plane. Le fluide utilisé a un comportement élasto-viscoplastique pouvant être décrit par les modèles de Herschel-Bulkley et de Hooke. Ce comportement a été caractérisé en volume et en présence de glissement par des mesures rhéométriques. Le nombre adimensionnel clé de l'étude est le nombre d'Oldroyd, ratio entre les effets plastiques et les effets visqueux, compris ici entre 10 et 200. Les mesures de forces de traînée ont montré qu'indépendamment de l'obstacle et des conditions interfaciales, le coefficient de traînée diminue avec le nombre d'Oldroyd et tend vers une valeur asymptotique. Cette valeur montre qu'au-delà d'un certain nombre d'Oldroyd, ce coefficient n'est plus gouverné par la vitesse mais dépend uniquement du seuil et de la surface caractéristique de l'obstacle. Elle permet de calculer un critère de stabilité pour lequel l'objet est maintenu en suspension. Les champs cinématiques déterminés par PIV ont permis de caractériser la forme et l'étendue des zones rigides et cisaillées. Les mesures de forces de traînée et de champs cinématiques ont permis de quantifier la contribution des contraintes normales et tangentielles dans la force de traînée totale. La présence de glissement aux parois de l'obstacle diminue significativement le coefficient de traînée et modifie la morphologie de l'écoulement en réduisant l'étendue des zones cisaillées. Une simulation numérique a été menée dans le cas de la plaque plane avec un modèle élasto-viscoplastique et un code à éléments finis avec points d'intégration Lagrangiens. / Many industrial processes include numerous complex fluids often presenting a yield stress. Those fluids can also slip when interfacial conditions are favorable. All these properties affect their flows around obstacles. This thesis aims to understand such flows in a domain where the flow velocities are so low that inertia effects can be neglected compared to viscous effects which are substantially low compared to plastic effects. It analyzes the influence of the velocity and the slip on the drag force and the kinematic fields of the creeping flow of a yield stress fluid around obstacles either with adhesive or slippery wall. The flow is analyzed in steady regime. The considered geometries are the disc, the sphere, the cone and the flat plate. The fluid used has an elasto-viscoplastic behavior which is modelled by the Herschel-Bulkley and Hooke models. This behavior has been characterized by rheometrical tests performed with adherence and slip conditions. The main non-dimensional number is the Oldroyd number, i.e. the ratio between plastic and viscous effects, which ranges from 10 to 200. The drag forces measurements have shown that regardless of the obstacle and the interfacial conditions, the drag coefficient decreases with the Oldroyd number before tending towards to an asymptotical value. This asymptotical value highlights that for high Oldroyd numbers the drag coefficient is no longer governed by the velocity but depends only on the yield stress and the characteristic section of the obstacle. A stability criterion for which the obstacle is held in suspension has been calculated from it. The kinematic fields determined by PIV have enabled to characterize the shape and the extent of the sheared and static regions. The drag forces and the kinematic fields measurements have enabled to quantify the contribution of the normal and tangential stresses in the total drag force. The wall slip significantly reduces the drag coefficient and also reduces the extent of the sheared zones. A numerical simulation has been performed with an elasto-viscoplastic model by means of a code using finite elements method with Lagrangian integration points in the case of an adhesive flat plane.

La combustion en boucle chimique (CLC) est un procédé du type oxy-combustion où des particules sont utilisées pour fournir de l'oxygène à la combustion. Des études sont nécessaires pour l'extrapolation et l'optimisation du procédé CLC, fonction des propriétés des particules du groupe B et de la technologie CFB. Les études hydrodynamiques ont été faites dans un riser de 18 m de hauteur. Des profils axiaus de pression, ainsi que les profils radiaux de flux et de quantité de mouvement ont été obtenus. Trois types de particules ont été utilisées ayant un diamètre de Sauter entre 250 et 300 μm et une densité entre 2600 et 3300 kg/ m3. Un impact de la sphéricité des particules sur la perte de charge a été révélé. Dans des conditions identiques, les billes de verre génèrent des pertes de charge d'environ 50% inférieures à celles du sable. Dans la zone d'écoulement développée, la présence du régime cœur-anneau a été détectée. Un modèle hydrodynamique 1D du riser qui est à la fois fondé sur des données expérimentales et sur les équations gaz-solide Euler-Euler, a été développé. Une nouvelle corrélation pour la force de traînée moyennée sur la section est proposée. Une nouvelle corrélation des conditions limite dans la partie inférieure du riser a aussi été établie. Le modèle 1D final est en mesure de prédire la perte de charge du riser pour différentes conditions opératoires et en tenant compte des propriétés des particules, comme la densité, la taille et la forme. Une étude sur la pertinence de l'utilisation du logiciel Barracuda CPFD® pour simuler des particules du groupe B en régime de transport a été réalisée. Il a été montré que le code sous-estime la perte de charge pour le sable / Chemical Looping Combustion (CLC) is an oxy-combustion like process where particles are used to supply oxygen to combustion. Further work is still needed for extrapolation and optimization of the CLC process, concerning properties of Group B particles and CFB technology. Hydrodynamic tests were made on a 18 m tall riser. Axial pressure profiles as well as radial flux profiles and radial momentum quantity profiles were obtained. Three types of Group B particles were used with Sauter mean diameters between 250 and 300 μm and densities between 2600 and 3300 kg/m²s. An important impact of particle sphericity on riser pressure drop has been revealed. At identical conditions, glass beads present about half the pressure drop generated by sand. In the developed region of the riser, the core-annulus regime has been found. A 1D model of the riser, based on experimental results and on the Euler-Euler gas-solid equations, has been developed. Moreover, a new cross section averaged drag force correlation is presented. A new boundary condition on the bottom of the riser has been investigated. The final 1D model is capable of predicted riser pressure drop from the operating conditions and it takes into account particle properties such as density, size and shape. A study on the adequacy of the use of the commercial CFD code Barracuda to simulate risers with Group B particles was made. It was shown that the code under estimates pressure drop along the riser for sand simulations

Les simulations numériques des équations d’Euler deux-fluides réalisé sur des maillages grossiers éliminent les structures fins d’écoulement gaz-solide dans les lits fluidisés. Pour précisément estimer l’hydrodynamique globale de lit, il faut proposer une modélisation qui prend en compte les effets de structure non-résolue. Dans ce but, les maillages sont raffinés pour obtenir le résultat de simulation pleinement résolue ce que les grandeurs statistiques ne modifient plus avec un autre raffinement pour le lit fluidisé périodique dilué gaz-particules sur une géométrie 3D cartésienne et ce résultat est utilisé pour tests "a priori". Les résultats de tests "a priori" montrent que l’équation filtrée de la quantité de mouvement est effectuée mais il faut prendre en compte le flux de la fraction volumique de solide de sous-maille en raison de l’interaction locale de la vitesse du gaz et la fraction volumique de solide pour la force traniée. Nous proposons les modèles fonctionnels et structurels pour le flux de la fraction volumique de solide de sous-maille. En plus, les modèles fermetures du tenseur de sous-maille de la phase dispersée sont similaires aux modèles classiquement utilisés en écoulement turbulent monophasique. Tous les modèles sont validés par test "a priori" et "a posteriori" / Eulerian two fluid approach is generally used to simulate gas-solid flows in industrial circulating fluidized beds. Because of limitation of computational resources, simulations of large vessels are usually performed by using too coarse grid. Coarse grid simulations can not resolve fine flow scales which can play an important role in the dynamic behaviour of the beds. In particular, cancelling out the particle segregation effect of small scales leads to an inadequate modelling of the mean interfacial momentum transfer between phases and particulate shear stresses by secondary effect. Then, an appropriate modelling ac counting for influences of unresolved structures has to be proposed for coarse-grid simu-lations. For this purpose, computational grids are refined to get mesh-independent result where statistical quantities do not change with further mesh refinement for a 3-D peri-odic circulating fluidized bed. The 3-D periodic circulating fluidized is a simple academic configuration where gas-solid flow conducted with A-type particles is periodically driven along the opposite direction of the gravity. The particulate momentum and agitation equations are filtered by the volume averaging and the importance of additional terms due to the averaging procedure are investigated by budget analyses using the mesh independent result. Results show that the filtered momentum equation of phases can be computed on coarse grid simulations but sub-grid drift velocity due to the sub-grid correlation between the local fluid veloc- ity and the local particle volume fraction and particulate sub-grid shear stresses must be taken into account. In this study, we propose functional and structural models for sub- grid drift velocity, written in terms of the difference between the gas velocity-solid volume fraction correlation and the multiplication of the filtered gas velocity with the filtered solid volume fraction. Particulate sub-grid shear stresses are closed by models proposed for single turbulent flows. Models’ predictabilities are investigated by a priori tests and they are validated by coarse-grid simulations of 3-D periodic circulating, dense fluidized beds and experimental data of industrial scale circulating fluidized bed in manner of a posteriori tests