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Le travail présenté dans cette thèse consiste à l’étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite « champ proche ». Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l’amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l’émissaire marin dans la réduction de l’impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l’émissaire marin. Il s’agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l’établissement d’un modèle Lagrangian pour l’étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d’un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition. / In this study, we are interested in the problem of marine wastewater discharge via the submarine outfall. We emphasize on the urban discharge laden with suspended solids. These suspended solids may depose around the discharge point in the sea and create a highly polluted zone. The objective of this study is the modeling of deposition of suspended solids from urbandischarge in the zone near the discharge point, called nearfield, in order to understand the phenomenon and determine thereafter the treatment level upstream in addition to the configuration of the discharge point depending on the capacity of receiving milieu to assimilate the solid pollution. The work is realized in three parts. In the first part, we studied the management of urban discharge in coastal areas, including the characteristics of urban wastewater, and those of solid particles transported by wastewater. We studied also the relation between the receiving water quality criteria and urban discharge in addition to the role played by the submarine outfall in the reduction of environmental impact of the urban discharge on the marine milieu. In the second part, we concentrate on the zone near the submarine outfall that means the turbulent jet issued from the discharge. We study the hydrodynamic behaviour of the jet, the modeling of this behaviour. Then we present our Lagrangian model designed for the study of nearfield (liquid phase model). In the third part, we construct a model to anticipate the deposition of solid particles driven to the sea by the urban discharge (solid phase model). This model is based on the phenomenon of preferential concentration and is coupled with the Lagrangian model of hydrodynamic behaviour of the jet designed in the second part. The model is validated by experimental data presenting the longitudinal deposition rate of horizontal and inclined jets in stationary ambient, in presence of coflow in addition to the case of horizontal non-buoyant jets in stationary ambient. Finally, a sensitivity analysis is performed where we studied the effects of many parameters of the jet ad the ambient milieu, on the hydrodynamic behaviour of the jet and on the deposition rate.

La présente étude porte sur la simulation numérique de la croissance des cristaux de glace dans le sillage proche d'une aile rectangulaire munie de deux injecteurs qui modélisent les deux moteurs. Dans cette configuration, les phénomènes microphysiques interviennent lors de l'interaction du jet, issu du moteur, et du tourbillon marginal qui se développe à chaque bout d'aile. Cet écoulement, très turbulent, perturbe fortement l'air environnant. Les jets diffusent dans l'atmosphère et s'enroulent autour des deux tourbillons de bout d'aile. Ces jets contiennent de la vapeur d'eau, des suies, des gaz mais également des aérosols et particules chargées. Le modèle microphysique utilisé dans cette étude repose sur l'hypothèse que la vapeur d'eau condense uniquement sur les particules de suie. Les simulations numériques sont effectuées à l’aide du code CEDRE développé à l’ONERA. Les méthodes numériques sont basées sur une approche volume finie pour des maillages non structurés généralisés. La résolution des équations de Navier stokes compressibles pour des fluides multi-espèces se fait selon une approche de type RANS et seul le champ stationnaire, jusqu'à huit envergures en aval de la maquette, est calculé. La turbulence de l'écoulement est modélisée au moyen du système de fermeture à deux équations k-l . Cette approche permet d'obtenir une description spatiale plus réaliste de l'interaction entre le jet et le tourbillon marginal. Le champ aérodynamique du sillage est ainsi comparé aux données expérimentales existantes. Le jet est correctement enroulé autour du tourbillon à huit envergures, et la dilution du panache est bien décrite par les simulations. Le modèle microphysique est ensuite couplé au modèle aérodynamique. Une première simulation porte sur les phénomènes microphysiques intervenant dans le sillage de la maquette dans des conditions particulières, représentatives d'un avion commercial en vol de croisière dans une atmosphère saturée par rapport à la glace. L'influence de la taille initiale des particules de suies émises par les moteurs ainsi que l'humidité relative de l'atmosphère, sur les propriétés de la traînée de condensation, sont ensuite étudiées et discutées. Ce travail, de part la stratégie de calcul mise en place et notamment l'utilisation de maillages non structurés généralisés, permettra d'appréhender le rôle de certains paramètres clés liés à l'avion comme la géométrie des ailes ou bien encore la position des nacelles sur les propriétés microphysiques de la traînée de condensation. / Numerical simulations of ice particles growth, in the near wake of a rectangular wing with two injectors, are presented in this study. In this configuration, microphysical processes occur during the interaction between the engines jets and the marginal vortices developping at each wing tip. This strong turbulent flow disturbs highly the environmental flow. The jets diffuse in the atmosphere and are wrapped around the two wing tip vortices. They contain water vapour, soots, gas, aerosols and charged particles as well. One of the hypothesis of the microphysical modeling, used in this study, is that water vapour condenses on soot particles only. Numerical simulations are performed with the code CEDRE developed at ONERA. The numerical methods are based on a cell-centered finite volume approach for general unstructured grids. A Navier-Stokes solver for turbulent, compressible and multi-species flows with a RANS approach, based on the k-l turbulence model, is used. Only stationary states of the flow, until eight spans downstream the setup, are computed. This approach enables to get a better spatial description of the interaction between the jet and the marginal vortex. The numerical flow field is then compared to existing experimental data. The jet is correctly wrapped around the wing tip vortex at eight spans and the dilution of the effluents is well described by our simulations. The microphysical model is then coupled to the aerodynamics. The microphysical processes occurring in the wake of the setup in specific conditions, representative of a cruising civil aircraft in an ice-saturated atmosphere, are firstly simulated. The role, on the contrail’s properties, of soot particles initial size and of the atmospheric humidity is studied and discussed. This work, through its computational strategy, with the use of unstructured grids, will enable to understand the potential role of some key parameters such as the wings geometry or the engines position on the contrail properties.

Le rayonnement thermique joue un rôle important dans un large éventail d'applications de génie thermique comprenant des écoulements turbulents. La motivation principale de cette thèse est le besoin croissant de précision et fiabilité dans les simulations numériques appliqué à ce domaine.Cette thèse s’intéresse tout particulièrement à la compréhension physique de l’impact du rayonnement thermique sur la dynamique des fluides et le transfert thermique, ainsi que de l’influence des fluctuations turbulentes sur le transfert radiatif dans les écoulements à couche de cisaillement.L'objectif de cette thèse est de fournir des données haute-fidélités de jets libres turbulents couplés au rayonnement thermique afin de développer et de valider des modèles turbulents d’écoulements à couche de cisaillement prenant en compte les interactions de couplage. À cette fin, les jets libres turbulents sont décrits par des simulations numériques directes (DNS) couplées à une méthode de Monte-Carlo réciproque pour résoudre l'équation de transfert radiatif. La dépendance spectrale des propriétés radiatives est prise en compte avec la méthode Correlated-k (ck). L'étude numérique est réalisée avec la plus grande fidélité pour être aussi représentative que possible d'un jet réel dans un milieu participatif. La simulation est optimisée en termes de temps de calcul en tirant parti d'une méthode d'accélération appelée Acoustic Speed Reduction et en injectant de la turbulence artificielle pour améliorer les conditions d'entrée.Deux simulations directes de jets chauffés couplés au rayonnement thermique sont réalisées. D'une part, un jet chauffé avec un rayonnement modéré a été simulé et l’analyse de ses données DNS couplées a permis de dériver une nouvelle loi d’échelle pour la décroissance du profil de température. Cette mise à l'échelle rend compte des effets de la densité modifiée due à un rayonnement modéré. De plus, cela permet de distinguer si le rayonnement thermique modifie ou non la nature des mécanismes de transfert thermique dans la région développée du jet. D'autre part, un jet libre fortement chauffé a été calculé afin de quantifier les effets du rayonnement sur les champs de température et de vitesse moyens ainsi que sur les moments de second ordre.Outre les données DNS couplées, un solver RANS pour les écoulements à densité variable couplé au rayonnement thermique a été développé au cours de cette thèse. L'objectif était de quantifier directement la précision des modèles turbulents existants et d'identifier les paramètres clés pour une modélisation plus poussée des interactions de couplage. / Radiation plays an important role in a broad range of thermal engineering applications comprising turbulent flows. The growing need for accurate and reliable numerical simulations to support the design stages of such applications is the main motivation of this thesis.Of special interest in this work are the free-shear flows and the fundamental understanding of how radiation can modify their fluid dynamics and heat trans- port as well as how their turbulence fluctuations can alter radiative transfer. The goal of this thesis is to provide high-fidelity data of turbulent free jets coupled with thermal radiation in order to develop and validate free-shear turbulent models accounting for coupling interactions. To this end, turbulent free jets are described by direct numerical simulations (DNS) coupled to a reciprocal Monte- Carlo method to solve the radiative transfer equation. The spectral dependency of the radiative properties is accounted for with an accurate Correlated-k (ck) method. The numerical study is carried out with state-of-the-art fidelity to be as representative as possible of an actual jet in a participating medium. The simulation is optimized in terms of processing time taking advantage of an acceleration method called Acoustic Speed Reduction and by injecting artificial turbulence to enhance inlet boundaries.Two direct simulations of heated jets coupled with thermal radiation are carried out. On the one hand, a heated jet with moderate radiation is simulated. The analysis of its high-fidelity coupled DNS data has allow to derive a new scaling law for the decay of the temperature profile. This scaling accounts for the effects of modified density due to moderate radiation. Moreover, it allows for distinguishing whether thermal radiation modifies the nature of heat transfer mechanisms in the jet developed region or not. On the other hand, a strongly heated free jet is computed in order to quantify the effects of radiation on mean temperature and velocity fields as well as on second order moments.Besides the coupled DNS data, a RANS solver for variable-density flows coupled with thermal radiation has been implemented during the course of this thesis. The goal is to directly quantify the accuracy of the existing turbulent models, and to identify key parameters for further modeling of coupling interactions.

Le travail présenté dans cette thèse consiste à l'étude des rejets en mer, par émissaire marin, des eaux usées urbaines des collectivités littorales. Nous focalisons notre étude sur les rejets chargés de matières en suspension. Ces matières risquent de déposer autour du point de rejet et créent une zone très polluée. Dans ce contexte, nous procédons à la modélisation de la déposition des particules transportées en suspension par les rejets urbains dans la zone proche du point de rejet dite " champ proche ". Ceci est fait dans le but de mieux comprendre ce phénomène et de pouvoir déterminer, en conséquence, le niveau de traitement à l'amont ainsi que la configuration du dispositif de rejet en fonction des capacités du milieu récepteur à assimiler la pollution solide. Nous avons réalisé ce travail en trois parties. Dans la première partie, nous avons étudié les rejets urbains dans les zones littorales, les caractéristiques des eaux usées urbaines et celles des particules solides transportées par ces eaux. Nous avons aussi étudié la relation entre les différents critères de qualité des eaux du milieu récepteur et le rejet urbain ainsi que le rôle de l'émissaire marin dans la réduction de l'impact environnemental du rejet sur le milieu marin. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur la zone proche de l'émissaire marin. Il s'agit du jet turbulent issu du rejet. Dans ce contexte, nous étudions le comportement hydrodynamique du jet et nous le modélisons. Ceci est fait par l'établissement d'un modèle Lagrangian pour l'étude du champ proche (modèle de la phase liquide). Dans la troisième partie, nous construisons un modèle pour anticiper la déposition des particules solides transportées par les rejets urbains (modèle de la phase solide). Ce modèle se base sur le phénomène de concentration préférentielle. Il est couplé avec le modèle Lagrangian du comportement hydrodynamique du jet, conçu dans la deuxième partie. Le modèle est validé par des données expérimentales représentant le taux de déposition longitudinale des jets horizontaux et inclinés flottants dans un milieu stationnaire, en présence de co-courant et les jets horizontaux non flottants dans un milieu stationnaire. Nous terminons ce travail par une analyse de sensibilité pour étudier les effets d'un certain nombre de paramètres du jet et du milieu ambiant sur le comportement hydrodynamique du jet et sur le taux de déposition.

Cette étude s'inscrit dans l'effort de réduction des nuisances sonores des avions au décollage. Une des principales composantes est le bruit de jet, dont la partie à basse fréquence peut notamment être imputée au rayonnement acoustique directif des structures cohérentes de grande échelle engendrées par les instabilités dans la couche de mélange du jet. L'évolution de ces ondes d'instabilité peut être décrite au moyen des équations de Stabilité Parabolisées (PSE). Un premier objectif a été de déterminer si dans le cas d'un jet turbulent naturel, les interactions non linéaires entre les ondes d'instabilité ont un impact significatif sur sa dynamique et sur son rayonnement acoustique. À cet effet, une modélisation PSE non linéaire a été développée et appliquée à une configuration réaliste. La possibilité de manipuler ces ondes d'instabilité par non linéarité a ensuite été étudiée en vue d'une réduction du rayonnement acoustique. Pour cela, une analyse PSE a été menée pour déterminer l'effet sur le bruit de jet de l'excitation d'un ou plusieurs modes instables. Ces travaux de thèse ont permis de montrer, d'une part, que les non linéarités semblent avoir un impact mineur sur la dynamique des ondes d'instabilité dans le cas des jets turbulents naturels, et d'autre part, qu'il est possible de réduire le rayonnement acoustique des modes dominants par interactions non linéaires. / This study is part of the effort to reduce aircraft noise during take-off. Jet noise is oneof the main contributors, of which lower frequency component can be attributed to thedirective acoustic field generated by the large-scale coherent structures arising from jetmixing-layer instabilities. The development of these instability waves can be describedusing Parabolized Stability Equations (PSE). A first objective was to determine if inthe case of a natural turbulent jet, nonlinear interactions between instability waveshave a significant impact on its dynamic and acoustic behaviour. For this purpose,a nonlinear PSE model has been developed and applied to a realistic configuration.Then, the possibility to manipulate these instability waves by means of nonlinearity wasinvestigated with a view to reduce noise. To this end, a PSE analysis has been carried outto assess the impact on jet noise of exciting one or more unstable modes. The findingsof this doctoral work demonstrate a minor impact of nonlinearities on the dynamics ofinstability waves for natural turbulent jets on the one hand, and the possibility to makethe initially dominant instability acoustically ineffective using nonlinear interactions onthe other hand.

L'une des étapes du procédé de conversion de l'UF₆ gazeux en UO₂ solide par voie sèche est la formation de poudre d'UO₂F₂ dans un jet coaxial triple UF₆/N₂/H₂O. Les caractéristiques de la poudre obtenue ont ensuite une influence sur les propriétés des pastilles d'UO₂ utilisées en réacteur nucléaire, d'où l'intérêt d'une bonne maîtrise de cette étape du procédé. L'étude présentée a pour but d'évaluer expérimentalement et de modéliser l'effet de divers paramètres sur les particules formées dans un jet coaxial turbulent suite à une réaction. On s'est notamment intéressé à l'influence sur les distributions granulométriques des vitesses absolues et relatives des gaz constituant le jet. Deux types d'études expérimentales ont été réalisés. Le développement des couches de mélange dans la région initiale du jet a d'abord été évalué à l'aide de mesures de température. des mesures de distributions granulométriques par turbidimétrie ont ensuite permis d'étudier les particules formées lors de l'hydrolyse de chlorures métalliques gazeux (SnCl₄, TiCl₄) dans un jet coaxial double ou triple. Une modélisation des phénomènes de mélange et de précipitation a été proposée. Elle prend notamment en compte le développement des couches de mélange, le mésomélange, le micromélange et la croissance des particules par agglomération. L'influence des paramètres opératoires, et en particulier des vitesses, apparaît différente pour les jets TICl₄/H₂O ET SnCl₄/H₂O. Une comparaison des résultats théoriques et expérimentaux semble indiquer que les particules formées par hydrolyse de TiCl₄ croissent essentiellement par agglomération alors qu'un autre phénomène de croissance parait impliqué pour les particules issues de l'hydrolyse de SnCl₄.