Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l'air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l'environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d'étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l'air et du carburant. La prise en compte de l'aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l'apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d'injection, et d'évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d'une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l'écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d'essai Mercato. Ce banc est équipé d'un système d'injection d'air vrillé et d'un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l'injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d'un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d'obtenir des temps d'évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration MERCATO. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d'évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L'utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l'équation sur l'énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l'énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d'obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L'accès à l'évolution instationnaire de l'écoulement permet d'identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n'est pas résolue dans l'approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l'approche Euler-Lagrange malgré l'injection monodisperse.

Les turbines à gaz aéronautiques doivent satisfaire des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d’air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement turbulent gazeux. La simulation aux grandes échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est d’évaluer l'impact de modèles d'injection simplifiés sur la SGE de l'écoulement diphasique évaporant d’une configuration complexe. La configuration cible choisie est un brûleur aéronautique installé sur le banc expérimental MERCATO. Le banc expérimental est equipé d’un système d’injection d'air vrillé et d’un système d'injection liquide avec un atomiseur pressurisé swirlé représentatif de foyers aéronautiques réels. Dans un premier temps, un modèle d'injection simplifié pour atomiseurs pressurisés swirlés négligeant les effets de l'atomisation sur la dynamique du spray est présenté. L'objectif principal de ce modèle réside dans la reproduction de conditions d’injection similaires pour des traitements Eulériens et Lagrangiens de la phase particulaire. Dans un second temps, la composante Lagrangienne de ce modèle d'injection est combinée à un modèle d'atomisation secondaire de la litérature pour permettre une prise en compte partielle des phénomènes de pulvérisation liquide. Les SGE de l'écoulement diphasique évaporant de la configuration MERCATO présentées comportent deux aspects. Premièrement, différents modèles d’injection sont évalués pour quantifier leur impact sur la dynamique de la phase particulaire. Deuxièmement, une comparaison de simulations Euler-Euler et Euler-Lagrange reposant sur un modèle d'injection unifié est effectuée. / Aeroautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flowfield. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objective of this thesis is to evaluate the impact of simplified injection methods on the LES of the evaporating two-phase flow inside a complex geometry. The chosen target configuration is an aeronautical combustor installed on the MERCATO test-rig. The experimental setup includes an air-swirler injection system and a pressureswirl atomizer typical of realistic aeronautic combustors. In a first step, a simplified injection model for pressure swirl atomizers neglecting the impact of liquid disintegration on spray dynamics is presented. The main objective of this model lies in the reproduction of similar injection conditions for Eulerian and Lagrangian representations of the dispersed phase. In a second step, the Lagrangian injection method is combined to a secondary breakup model of the literature to partly account for the liquid disintegration process. The presented LES’s of the evaporating two-phase flow inside the MERCATO geometry consider two different aspects. First, the impact of injection modeling on spray dynamics is assessed. Second, Euler-Euler and Euler-Lagrange simulations relying on the common simplified injection model are compared.

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d’émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l’air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l’environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d’étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l’air et du carburant. La prise en compte de l’aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l’apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d’injection, et d’évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d’une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l’écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d’essai Mercato. Ce banc est équipé d’un système d’injection d’air vrillé et d’un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l’injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d’un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d’obtenir des temps d’évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration Mercato. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d’évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L’utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l’équation sur l’énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l’énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d’obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L’accès à l’évolution instationnaire de l’écoulement permet d’identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n’est pas résolue dans l’approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l’approche Euler-Lagrange malgré l’injection monodisperse. / Aeronautical gas turbines are facing growing demands on emission reductions. Indeed, the quality of the air-fuel mixture directly triggers the formation of pollutants degrading the environment. Large Eddy Simulation is an accurate numerical method to predict turbulent mixing in combustors. Adding the liquid phase of the fuel in these simulations also becomes necessary to properly predict the injection process and the vaporization of the fuel in the combustion chamber. The purpose of this dissertation is to evaluate the accuracy and reliability of Euler-Euler LES in a complex combustor configuration. The injection and vaporization processes of the fuel liquid phase are both modeled in the present LES as they drive the formation of the fuel gas phase. Moreover, the numerical methods that solve the continuous equations of the disperse phase must be accurate and robust in realistic combustor configurations. The simulations shown in the present study reproduce the non-reactive two-phase flow of the ONERA Mercato test bench. The experimental set-up is equipped with an air-swirler injection system and a pressure-swirled atomizer typical of actual turboengine combustors. In the present work the FIM-UR liquid injection model has been developed. It creates boundary conditions profiles for a liquid spray produced by a pressure-swirled atomizer. Kerosene used in the experiments is modeled in the present numerical simulations by a single species leading to a good estimate of the vaporization rate. Three numerical strategies have been tested on the Mercato configuration. Comparisons between experimental and LES results help defining the most accurate numerical strategy. The use of the centered numerical scheme TTGC stabilized by a localized artificial viscosity operator is best when the random uncorrelated energy of droplets is also resolved. Unlike an upwind numerical scheme, the selected strategy allows the user to control where and how much artificial viscosity is added. The source terms coming from the mesoscopic movement redistribute the energy in the compression or expanding zones of the disperse phase, and provide the proper distribution of fluctuations in the combustion chamber. The obtained strategy is compared with the statistics provided by a Lagrangian description of the liquid spray in the same mono-disperse injection. The Euler-Euler approach leads to the same accuracy in the same spray dynamics of the disperse phase as in the Euler-Lagrange method. Both unsteady flow simulations also provide the same dispersion and mixing processes in the Mercato set-up. Differences on the mean diameter and the fuel distribution in the combustion chamber are seen and related to the local poly-dispersion that cannot be resolved in the mono-disperse Euler-Euler approach and that naturally appear in the Euler-Lagrange method despite the mono-disperse injection.

Ce travail porte sur l’étude du procédé de projection plasma par voie liquide et en particulier sur l’interaction entre la phase liquide et l’écoulement de plasma. Différents phénomènes physiques ont lieu comme la fragmentation du jet, l’évaporation du liquide et la fusion des particules. La simulation numérique permet de mieux comprendre les phénomènes physiques et vient en appui des expériences qui sont parfois difficiles voire impossibles à réaliser. Un modèle compressible diphasique est développé afin de prendre en compte les effets compressibles du plasma. Des validations sont réalisées sur des cas test académiques et sur un jet d’argon pur. De bons accords sont obtenus entre les simulations et la théorie ou les expériences. Ensuite différents mélanges de gaz plasmagènes, classiquement utilisés en projection plasma, sont étudiés : l’argon/hydrogène et l’argon/hélium.Une analyse du caractère instationnaire et turbulent est ensuite menée et permet de voir l’importance des effets instationnaires dans ces écoulements. Puis des simulations de l’injection de la phase liquide sous forme de gouttes ou de jet continu dans l’écoulement de plasma sont réalisées. L’influence de la nature des gaz plasmagènes et du mode d’injection est démontrée. Les structures observées expérimentalement sont également obtenues parles simulations. / The study of the plasma spraying process is investigated in this work, in particular the interaction between a liquid phase and a plasma flow. Different physical phenomena occureas the jet fragmentation, the liquid vaporization and the particles fusion. The numerical simulation is used to better understand the physical phenomena and is an alternative to experimental measurements, which could be locally difficult to perform because of the measurement techniques limitations and the particular characteristics of the plasma. A compressible two-phase model is developped to take into account the compressible effects of the plasma flow. Validations are realized on academic test cases and on a argonjet. Good agreements are obtained between simulations and theory or experiments. Then different mixtures of plasmagen gas, classically used in plasma spraying, are studied :argon/hydrogen and argon/helium. An analysis of unsteady and turbulent character isled and allows seeing the importance of unsteady effects in these flows. Numerical simulations of the injection of a liquid phase into the plasma flow are realized. The influence of the plasmagen gas nature and the injection type is anlysed. Structures observed by experiments are also obtained by the simulations.

Les matériaux utilisés dans le domaine de l’emballage sont parfois revêtus d’une couche barrière afin de réduire les interactions entre le contenant et son contenu. Sur les flacons en verre, le dépôt de ces couches permet de limiter la dégradation de leur surface interne, de réduire le lessivage des cations du verre et d’améliorer la stabilité des propriétés du produit au contact. Dans ce contexte, un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à partir de tri-isopropoxyde d’aluminium (TIA) par injection liquide directe est mis en œuvre pour appliquer des revêtements d’alumine amorphe sur les parois internes de flacons en verre. Etant donné le nombre important de paramètres expérimentaux et la complexité de la géométrie à revêtir (une cavité avec un seul orifice étroit), le procédé de dépôt est modélisé avec le code de Mécanique des Fluides Numériques Fluent. Le modèle représente les profils locaux de vitesse d’écoulement, de température et de concentration des espèces gazeuses dans l’enceinte réactionnelle, ainsi que les vitesses locales de croissance, s’appuyant sur une loi cinétique hétérogène apparente de décomposition du TIA en alumine. Il permet une meilleure compréhension des phénomènes physico-chimiques se produisant à l’intérieur du corps creux et conduit ainsi à l’amélioration de la configuration du réacteur pour obtenir une couche mince transparente et d’épaisseur relativement uniforme. Le modèle est ensuite utilisé comme guide dans le choix des conditions opératoires pour revêtir la surface interne du flacon à pressions élevées, se rapprochant des conditions de fonctionnement à pression atmosphérique sur les lignes de production industrielle. Une interaction entre expériences et simulations est nécessaire pour adapter la configuration du réacteur aux dépôts à hautes pressions. Des films submicroniques sont déposés à différentes pressions de 666 Pa àt 97,3 kPa, pour un profil prédéterminé de températures le long des parois du flacon comprises entre 480 et 650 °C. Les films obtenus sont amorphes, stœchiométriques, sans traces de carbone et présentent une microstructure dense et légèrement rugueuse. Les flacons revêtus sont soumis à un essai de vieillissement hydrothermal lors d’un cycle de stérilisation pendant une heure à 121 °C et 200 kPa en contact avec de l’eau ultra-pure. La résistance hydrolytique, qui correspond à la résistance du verre à la cession de substances minérales solubles au contact de l’eau est évaluée pour des revêtements de différentes épaisseurs comprises entre 45 et 650 nm en moyenne. Les mécanismes de diffusion et d’extraction des cations sont analysés par spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X et spectrométrie par torche plasma. Les effets du vieillissement sur l’adhérence, la nature et la microstructure en surface de la couche d’alumine amorphe sont étudiés. Une synthèse évaluant entre autre la robustesse du procédé, les vitesses de dépôt, les performances barrières et la résistance au vieillissement hydrothermal des couches minces d’alumine, en vis-à-vis des solutions de traitements de surface sur flacon déjà existantes, permet de conclure sur la maturité industrielle et la valeur ajoutée de ce procédé. / Materials for packaging applications are sometimes coated with a barrier film in order to decrease the interactions between the content and the container. Deposition of such coatings on glass bottles allows limiting the deterioration of the internal surface, decreasing the leaching of cations from the glass and improving the stability of the properties of the liquid content. In this context, a chemical vapor deposition (CVD) process has been designed for the deposition of amorphous alumina thin films on the inner walls of a glass container. The process involves aluminum tri-isopropoxide (ATI), which is fed to the deposition volume by a direct liquid injection (DLI) technology. Given the number of experimental parameters and the complexity of the substrate (a hollow body with a unique narrow entrance), a model of the process has been developed with the Computational Fluid Dynamics code Fluent. The model displays the local profiles of mass flow, temperature and gas species concentrations in the reactor, and the local growth rates based on the kinetic law of the apparent heterogeneous reaction of ATI decomposition to alumina. A good agreement has been found between the experimental and the calculated growth rates. The model allowed gaining a better insight into the physic-chemical phenomena occurring inside the hollow body and thus improving the reactor configuration to obtain transparent and relatively uniform thin films. Following, the model was used as a guide for the choice of the operating conditions of the depositions at higher pressure. An interplay between experimental and simulated results was used to adapt the reactor configuration for depositions at atmospheric pressure. Submicronic films were performed for several pressures between 666 Pa and 97.3 kPa, for thermal profiles along the bottle walls ranging from 753K to 923K. The deposited films are amorphous, stoichiometric without carbon residues, dense and slightly rough. The coated bottles underwent a test of hydrothermal ageing with a cycle of sterilization filled with ultra-pure water during one hour at 121°C and 200 kPa. The hydrolytic resistance, which is the resistance of the glass to the release of soluble mineral substances into water, is measured for films with several thicknesses ranging from 45 to 650 nm on average. The mechanisms of diffusion and extraction for the alkali ions have been analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy and inductively coupled plasma spectrometry. The impacts of ageing on the adhesion, the nature and the surface microstructure of the amorphous alumina films have been studied. The robustness of the process, the growth rate, barrier performances and resistance to the hydrothermal ageing of thin films, and the comparison of the above with the scarce existing solutions of surface treatments on glass bottles, allows concluding on the industrial viability and the added value of the process.