Nous présentons dans cette étude le développement de la convection à partir de différentes perturbations de l'état conductif d'une couche fluide confinée dans une cavité cylindrique, chauffée par le bas et avec une surface supérieure libre. La discrétisation spatiale du domaine repose sur la méthode des éléments spectraux et les itérations temporelles sont assurées par une méthode splitting.Au déclenchement de la convection, les structures convectives correspondent à des modes de Fourier, et les seuils critiques dépendent du rapport de forme de la cavité, et des nombres de Biotet de Marangoni qui caractérisent la surface libre. Les transitions d'écoulements au-delà du seuil primaire sont caractérisées quantitativement en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes valeurs du nombre de Biot et Ma = 0. Les résultats présentés sont obtenus en résolvant l'ensemble des équations non-linéaires de conservation à travers une méthode de continuation. Lorsque la convection se déclenche sous la forme d'un mode axisymétrique m = 0, l'évolution non-linéaire montre la coexistence de différentes structures convectives, des structures axisymétriques avec écoulement montant ou descendant au centre de la cavité et des structures correspondant à des combinaisons de modes qui apparaissent sur des branches secondaires sous-critiques.L'action d'un champ magnétique constant est ensuite étudiée pour des fluides conducteurs dans une même configuration comprenant une surface supérieure libre. Nous montrons l'effet stabilisateur du champ magnétique sur les seuils primaires ainsi que son action sélective sur les différents modes de convection. Nous analysons l'évolution des structures convectives au delà de ces seuils et montrons comment le champ magnétique modifie les transitions entre ces structures.En soumettant le bain fondu à un champ magnétique tournant, le mouvement de rotation du fluide se superpose aux mouvements de convection thermique et on observe une diminution des fluctuations de température et un retard du déclenchement de l'instabilité de Rayleigh-Bénard(lorsque les deux parois haut/bas du bain sont rigides). La rotation influe sur ce déclenchement qui de stationnaire devient oscillatoire, à l'exception du mode m = 0 de Fourier, pour qui la transition reste stationnaire jusqu'à une certaine valeur critique du nombre de Taylor magnétique.La dynamique de l'écoulement axisymétrique de part et d'autre de cette valeur critique sera étudiée en détail. / The growth of thermal convection out of different perturbations of the conductive base state is investigated using a spectral element time-stepping code. The fluid is subject to a vertical heat transfer in a cylindrical cavity with an upper free surface corresponding to the so-called Rayleigh-Bénard-Marangoni situation and the heat exchange through the free surface is evaluated via the Biot number. The results of the stability diagrams show that the evolution of the primary thresholds are largely influenced by the Biot number, the Marangoni number, and the aspect ratio of the cavity. Flow transitions are elucidated in quantitative detail as a function of the Rayleigh number for different Biot numbers in the tension free limit Ma = 0. The results shown are obtained by solving the full nonlinear field equations numerically among a continuation method. When an axisymmetric m = 0 Fourier mode is obtained at onset, the non-linear evolution shows the coexistence of different convective structures, the axisymmetric structures with up-ow or down-ow at the center and mixed-mode structures which appear on secondary subcritical branches. The action of a constant magnetic field is then considered for melts in the same type of configuration with an upper free surface. We show the global stabilizing effect of the magnetic field on the primary bifurcation thresholds and the selective effect on the different instability modes. We also analyze the evolution of the convective structures above the thresholds and show how the magnetic field modifies the transitions between these structures. When applying a magnetic body forcing in the azimuthal direction (RMF), one can damp the unavoidable thermal fluctuations inside the melt and delay the transition to the Rayleigh-Bénard instability (for rigid-rigid circular plates at top and bottom). The rotation effect also changes the transitions from steady to oscillatory, except for the m = 0 Fourier mode where the transitionis first steady until a critical Taylor number and then becomes oscillatory. The dynamics of the transitions to the axisymmetric flow, below and above this value of critical magnetic Taylor number, is particularly interesting and will be described.

Studying the coupling between buoyancy-driven instabilities and chemical reactions is not only relevant to fundamental research, but has also recently gained increased interest because of its relevance to CO$_2$ sequestration in subsurface geological zones. This technique aims to limit the emissions of CO$_2$ to the atmosphere, with a view to mitigating climate change. When injected in e.g. a saline aquifer, CO$_2$ dissolves into the brine occupying the geological formation, thereby increasing the density of the aqueous phase. This increase of density upon dissolution leads to a denser fluid boundary layer rich in CO$_2$ on top of less dense fluid in the gravity field, which drives dissolution-driven convection. This process, also called convective dissolution, accelerates the transport of dissolved CO$_2$ to the host phase and thus improves the safety of CO$_2$ sequestration. The same kind of instability can develop in other contexts involving the dissolution of a phase A into a host phase, such as solid dissolution or transfer between partially miscible liquids. In this context, the goal of our thesis is to understand how chemical reactions coupled to dissolution-driven convection affect the dynamics of the dissolving species A in the host solution. To do so, we introduce a general reaction of the type A + B $rightarrow$ C where A, B and C affect the density of the aqueous solution. We theoretically analyze the influence of the relative physical properties of A, B and C on the convective dynamics. Our theoretical analysis uses a reaction-diffusion-convection model for the evolution of solute concentration in a host fluid solvent occupying a porous medium. First, we quantify the characteristic growth rate of the perturbations by using a linear stability analysis. Thereby we show that a chemical reaction can either accelerate or slow down the development of convection, depending on how it modifies the density profile that develops in the reactive solution. In addition, new dynamics are made possible by differential diffusion effects. Then, by analyzing the full nonlinear dynamics with the help of direct numerical simulations, we calculate the dissolution flux into the host phase. In particular, the dissolution flux can be amplified when convection develops earlier, as CO$_2$ is then transported faster away from the interface. Finally, we compare these theoretical and numerical predictions with results of laboratory experiments and discuss the possible implications of this study for CO$_2$ sequestration. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce travail de thèse est consacré à l'étude numérique de la forme instationnaire des équations de Navier--Stokes incompressibles en dimension trois d'espace. Ces équations sont étudiées dans leur formulation classique mais aussi dans leur formulation hydrostatique. Le schéma en temps est résolu à l'aide d'une méthode de projection, la méthode de projection incrémentale standard qui sert de référence à l'étude numérique des nouvelles méthodes proposées: la méthode de projection hydrostatique et la méthode de projection dynamique étendue. Ces méthodes sont combinées à la méthode de pénalisation de volume qui permet de tenir compte de la présence d'obstacles de forme quelconque dans le domaine de simulation en utilisant un maillage cartésien. Une nouvelle expression des équations de Navier--Stokes hydrostatiques issue de l'application de la méthode de pénalisation de volume est obtenue et étudiée. La discrétisation en espace s'effectue en utilisant la méthode des volumes finis sur une maillage décalé de type MAC. Un nouveau code de calcul baptisé VivAn'O a été conçu et validé durant ce travail. Il a permis l'étude numérique des différentes méthodes proposées et a également permis de réaliser des simulations dans la zone portuaire de Pointe-à-Pitre à partir de données bathymétriques réelles. / The present work is about the numerical study of the three dimensional form of the unstationnary Navier--Stokesequations. These equations are studied under their classical form but also under their hydrostatic one. Thetime--dependent problem is solved using a projection method called the standard incremental projection method which isused as the reference to the numerical study of the new projection methods we proposed : the hydrostatic projectionmethod and the extended dynamical projection method. These methods are combined with a volume penalization methodto take into account obstacles of any shape in the simulation domain using cartesian meshes. A new formulation of the hydrostatic Navier--Stokes equations is obtained from the use of the penalization method and studied. The space isdiscretized using the finite volume method on a staggered MAC mesh.A new computational fluid dynamic code nammed VivAn'O have been developped during this work. It had permitted thenumerical study of the proposed methods. It was also used to carry out simulations in the harbour area of Pointe--à--Pitre usine real bathvmetric data.

Dans la première partie de cette thèse on étudie les systèmes abcd qui ont été dérivés par J.L. Bona, M. Chen et J.-C. Saut en 2002. Ces systèmes sont des modèles approximant le problème d'ondes hydrodynamiques dans le régime de Boussinesq, à savoir, des vagues de faible amplitude et de grande longueur d'onde. Dans les deux premiers chapitres on considère le problème d'existence en temps long à savoir la construction de solutions pour les systèmes abcd qui ont leur temps d'existence minoré par $1/varepsilon$ où $varepsilon$ est le rapport entre une amplitude typique du vague et la profondeur du canal. Dans un premier temps on considère des données initiales appartenant aux espaces de Sobolev qui sont inclus dans l'espace des fonctions continues qui s'annulent à l'infini. D'un point de vue physique cette situatuion correspond à des vagues sont localisées en espace. Le point clé est la construction d'une fonctionnelle non linéaire d'énergie qui contrôle certaines normes de Sobolev sur un intervalle de temps long. Pour y arriver, on travaille avec des équations localisées en fréquence. Cette approche nous permet d'obtenir des résultats d'existence en temps long en demandant moins de régularité sur les données initiales. Un deuxième avantage de notre méthode est que l'on peut traiter d'une manière unifiée presque tous les cas correspondant aux différentes valeurs des paramètres abcd. Dans le deuxième chapitre on montre des résultats d'existence en temps long pour le cas des données ayant un comportement non trivial à l'infini.Ce type des données est relevant pour l'étude de la propagation des mascarets. L'idée qui est à la base de ces résultats est de considérer un découpage convenable de la donnée initiale en hautes et basses fréquences. Dans le troisième chapitre on emploie des schémas de volumes finis afin de construire des solutions numériques. On utilise ensuite nos schémas pour étudier l'interaction d'ondes progressives.La deuxième partie de ce manuscrit est consacrée à l'étude des problèmes de régularité optimale pour le système de Navier-Stokes qui régi l'évolution d'un fluide incompressible, inhomogène et pour le système Navier-Stokes-Korteweg utilisé pour prendre en compte les effets de capillarité. Plus précisément, on montre que ces systèmes sont bien-posés dans leurs espaces critiques, à savoir, les espaces quiont la même invariance par changement d'échelle que les systèmes eux-mêmes. Pour pouvoir démontrer ce type de résultats on a besoin d'établir de nouvelles estimations pour un problème de type Stokes avec des coefficients variables / The first part of the present thesis deals with the so -called abcd systems which were derived by J.L. Bona, M. Chen and J.-C. Saut back in 2002. These systems are approximation models for the waterwaves problem in the Boussinesq regime, that is, waves of small amplitude and long wavelength. In the first two chapters we address the long time existence problem which consists in constructing solutions for the Cauchy problem associated to the abcd systems and prove that the maximal time of existence is bounded from below by some physically relevant quantity. First, we consider the case of initial data belonging to some Sobolev spaces imbedded in the space of continuous functions which vanish at infinity. Physically, this corresponds to spatially localized waves. The key ingredient is to construct a nonlinear energy functional which controls appropriate Sobolev norms on the desired time scales. This is accomplished by working with spectrally localized equations. The two important features of our method is that we require lower regularity levels in order to develop a long time existence theory and we may treat in an uni ed manner most of the cases corresponding to the di erent values of the parameters. In the second chapter, we prove the long time existence results for the case of data thatdoes not necessarily vanish at in nity. This is especially useful if one has in mind bore propagation. One of the key ideas of the proof is to consider a well-adapted high-low frequency decomposition of the initial data. In the third chapter, we propose infinite volume schemes in order to construct numerical solutions. We use these schemes in order to study traveling waves interaction.The second part of this manuscript, is devoted to the study of optimal regularity issues for the incompressible inhomogeneous Navier-Stokes system and the Navier-Stokes-Korteweg system used in order to take in account capillarity effects. More precisely, we prove that these systems are well-posed in their truly critical spaces i.e. the spaces that have the same scale invariance as the system itself. Inorder to achieve this we derive new estimates for a Stoke-like problem with time independent variable coefficients

This work proposes to address the computation of flow-generated noise, including the high frequency components in an acceptable computational time, relative to industrial applications. In this framework, hybrid methods based on aeroacoustic analogies are relevant to predict the corresponding sound, in term of computational time and easy implementation, and are separating the sources of sound computation from the sound propagation itself. Both parts of the hybrid method are then investigated.<p><p>Firstly, the sources of sound should be computed accurately, reproducing most of the energy content of the turbulent flow. The present study is mainly based on LES computations, that are a good compromise between the accuracy and the time required to obtain the sources, especially for low Mach number application, where incompressible flow computations can be used. The influence of the computational parameters is then studied through the investigation of the influence of the boundary conditions, flow solver, mesh refinement, LES subgrid-scale model and computational domain definition. <p><p>Secondly, the sound sources propagation is computed using classical analogies based most of the time on free field Green's functions. They are limited to the low frequency range of the emitted sound spectrum, where the source is compact, if incompressible acoustic sources are used. They are then proposed to be combined with Amiet's theory for airfoil noise to cover the remaining high frequency part of the sound spectrum. The limitations of Amiet's theory are analysed through the geometrical and acoustical far-field assumptions. Furthermore, an inverse strip method is proposed to extend Amiet's theory to spanwise varying flow conditions and taking correctly into account the spanwise wave number effects. <p><p>The leading-edge noise mechanism is studied through the interaction of the turbulent region of a jet with a NACA0012 airfoil. The hybrid method, consisting in an incompressible LES computation combined with Curle's analogy, showed its limitation to the low frequency range of the sound spectrum when low-order CFD are used. The Amiet's theory, based on the modelisation of the upstream velocity spectrum, provides a good sound prediction at high frequency, as far as the airfoil thickness is accounted for. <p><p>The Trailing-edge noise mechanism is studied through the flow around a mid-span cut of a blade (CD airfoil) of an automotive cooling fan. <p>Three different acoustic methods are used :Curle's analogy is using wall-pressure fluctuations over the airfoil surface, Ffowcs-Williams and Hall's analogy is using volumetric velocity informations around the trailing-edge and Amiet's theory for trailing-edge noise is using the wall-pressure spectrum around the trailing-edge and the corresponding spanwise correlation. The methods using wall-pressure informations are shown to directly transfer the informations of the wall-pressure spectrum to the sound spectrum. Differences are appearing in the higher frequency range where the airfoil starts to be non compact, invalidating the use of Curle's analogy at such frequencies compared to the other methods, taking scattering effects into account implicitly in their formulations. <p><p>Finally, in order to reduce the computational cost, Amiet's theory for trailing-edge noise is proposed to be driven from steady RANS computations. Two methods to compute the wall-pressure spectrum from boundary-layer informations are studied. Their respective robustness and reliability are analysed in an uncertainty quantification framework, in case of varying velocity profiles upstream the airfoil. Both models showed similar results and tendency compared to the wall-pressure LES spectrum, as far as the flow topology remains similar. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'utilisation croissante de véhicules au cours des dernières décennies a causé une augmentation dans les émissions de gaz d'échappement nocifs provoquant des problèmes de santé et d'environnement. Cette problématique a conduit les gouvernements à mettre en place des limites d'émissions plus strictes. Afin de respecter ces limites, il est nécessaire de développer des systèmes de post-traitement plus performants. Parmi plusieurs solutions possibles, l'analyse et l'optimisation de l'impact de l'écoulement sur les réactions chimiques est une approche importante pour résoudre ce problème complexe. Au point de vue expérimental, il est très difficile de mesurer le champ de vitesse détaillé et la distribution de la température et de la concentration. Les simulations numériques peuvent fournir des informations supplémentaires pour comprendre l'interaction entre la distribution de l'écoulement et l'efficacité des réactions. La simulation numérique de ces systèmes est très coûteuse due aux phénomènes physiques et chimiques complexes ayant lieu simultanément dans tout le système. Afin de diminuer ce coût, on peut développer des modèles physiques et chimiques simplifiés ainsi que des techniques numériques spécifiques pour simuler le système tout en réduisant le temps de calcul. Dans cette thèse, nous développons une approche générale pour modéliser et simuler le système de post-traitement des gaz d'échappement automobile contenant les aspects physiques et chimiques. L'approche présente combine des modèles simplifiés et des techniques numériques de multi-résolutions afin de capturer correctement les caractéristiques de l'écoulement dans le système. Alors que la méthode de raffinement de maillage adaptatif (AMR) est optimisée afin de minimiser l'effort de calcul dans les régions divergente et convergente, un modèle de sous-maille est développé pour décrire l'écoulement dans les micro-canaux du substrat catalytique placé entre la région divergente et la région convergente. La performance du modèle est validée par rapport aux résultats expérimentaux obtenus par Benjamin et al. (2002). Le couplage effectif de méthode AMR et le modèle de sous-maille permet de capturer les caractéristiques de l'écoulement dans le système avec un temps de calcul réduit de manière significative. L'impact de l'écoulement pulsé et de l'écoulement en expansion sur le taux de réaction dans un canal de monolithe est étudié numériquement. La méthode AMR est montrée pour capturer les couches mince de diffusion près de la paroi à l'interface solide-liquide. Sur la base des résultats numériques, nous proposons un modèle simplifié de transport capturant les effets de l'écoulement, la diffusion et la réaction catalytiques à la paroi. Le modèle simplifié de transport peut être directement appliqué dans la forme de modèle de sous-maille pour la description complète de tous les processus physiques et chimiques ayant lieu à l'intérieur du système. Grâce aux approches de modélisation numériques physiques et chimiques développées, il est possible de simuler le système en trois dimensions avec un temps de calcul raisonnable capturant encore la physique principale du problème. / The increasing use of passenger vehicles over the past decades has caused an increase in harmful exhaust gas emissions which give rise to environmental and health problems. This problematic has led governments to establish very stringent emission limits. The emission restrictions require more performing after-treatment systems. Among many other solutions, analysing and optimising the flow impact on the conversion efficiency is an important step towards the solution of the complex engineering problem. Detailed velocity, temperature and concentration distributions are very difficult to measure experimentally. Numerical simulations can provide additional information to understand the interaction of flow distribution and conversion efficiency. The simulation of these systems is computationally very expensive due to complex physical and chemical phenomena occurring simultaneously throughout the system. To overcome this cost, one can resort to some simplified physical and chemical models together with specific numerical techniques to simulate the system with a reduced computational time. In this dissertation, we develop a general approach to model and simulate the automotive catalytic converter system including all the physical and chemical processes. The present approach combines sub-grid models and numerical multi-resolution techniques in order to correctly capture the flow characteristics inside an automotive catalytic converter. While Adaptive Mesh Refinement (AMR) techniques are optimized in order to minimise the computational effort in the divergent and convergent regions, a sub-grid model is developed to describe the flow inside the catalytic substrate placed between the convergent and divergent regions. The performance of the sub-grid model is validated against the experimental results obtained by Benjamin et al. (2002). The effective coupling of AMR techniques and the sub-grid model allows to capture the flow features with significantly reduced computational time. The impact of pulsating and expansion flow on the conversion efficiency within a single monolith channel is investigated numerically. AMR techniques are shown to capture the small boundary layers near the wall at the solid-fluid interface. Based on the numerical results, we propose a simplified transport model that captures the effects of flow, diffusion and catalytic wall reactions. The simplified transport model can be directly applied as a sub-grid model for the complete description of all the physical and chemical processes taking place inside the system. The developed physical, chemical and numerical modelling approaches make the three-dimensional simulations possible with a reasonable computational time still capturing the main physics of the problem.

Cette thèse est consacrée à l'étude numérique des interactions non-linéaires entre des vagues et un corps rigide perçant la surface libre. La méthode développée repose sur un modèle d'éléments de frontière qui réduit la dimensionnalité du problème d'une dimension. Dans un premier temps, un modèle2D est appliqué à des géométries simples et permet de démontrer la pertinence de l'approche envisagée pour la prédiction des mouvements d'une structure flottante soumise à des vagues monochromatiques régulières. Dans un second temps, en nous inspirant d'un modèle potentiel non-linéaire 3D développé par Grilli textit{et al.}~cite{grilli2001fully}, nous proposons une généralisation de la méthode pour des maillages triangulaires non-structurés de surfaces 3D. Le modèle développé permet de traiter des configurations arbitraires de plusieurs cylindres verticaux en interaction avec les vagues. Nous présentons des cas de validation de nature académique qui permettent d'apprécier le comportement du modèle numérique. Puis nous nous tournons vers l'application visée par EDF R&D, qui concerne le dimensionnement d'éoliennes off-shore flottantes. Un flotteur de type semi-submersible est évalué à l'aide du modèle non-linéaire / This PhD work is devoted to the study of nonlinear interactions between waves and floating rigid structures. The developed model relies on a boundary element method which reduces the dimensionality of the problem by one. First, a 2D model is applied to basic geometries and allows us to demonstrate the validity of the method for predicting the motion of a floating structrure subject to incoming monochromatic regular waves. Secondly, getting inspired by the 3D fully nonlinear potential flow model of Grilli textit{et al.}~cite{grilli2001fully}, we propose a novel model which generalizes the method for unstructured triangular meshes of 3D surfaces. The proposed model is able to deal with arbitrary configurations of multiple vertical cylinders interacting with the waves. We present academic validation test cases which show how the model works and behaves. Finally, we study situations of interest for EDF R&D related to floating off-shore wind turbines. A semi-submersible platform is evaluated with the nonlinear model

La première partie de ce travail a porté sur la mesure du gradient de vitesse et la direction de l'écoulement local de liquide dans un empilement de sphères. Cette étude a été menée grâce à des micro-électrodes tri-segmentées implantées à la paroi de sphères supports. Ces expériences originales ont en particulier permis de caractériser les recirculations dans le pore suivant les conditions opératoires. La seconde partie a porté sur la simulation numérique de ce même écoulement local. Un écoulement monophasique dans une géométrie complexe représentant exactement le milieu poreux a été simulé. Ces simulations ont été confrontées aux expériences; l'accord est satisfaisant, surtout à faible vitesse. L'inadéquation des modèles de turbulence usuels a été montrée dans notre cas. Enfin, des mesures par Vélocimétrie Laser Doppler ont montré l'intérêt de cette technique, bien que des améliorations soient nécessaires pour obtenir des résultats exploitables sur l'ensemble du milieu / The first part of this work deals with local measurement of flow direction and velocity gradients in a structured packing of spheres. Tri-segmented micro-electrodes flush mounted at the wall of supporting spheres are used for the measurements. Among other results, these original experiments allowed to charatcerize the flow recirculation within the pore.In the second part, the local liquid flow in the packing was numerically computed. More specifically, the local flow of liquid in a complex geometry was modelled and simulated. Numerical results are in agreement with experiments, especially for low flow rates. Usual turbulence models were shown to be inappropriate for the present case. Finally, some Laser Doppler Velocimetry measurements were carried out and showed the interesting potential of this technique, but improvements are yet to be made to get velocities in the bulk of the bed

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un procédé de décarbonation directe du méthane par voie plasma pour la coproduction de noir de carbone et d’hydrogène. Ce procédé est particulièrement intéressant dans la contexte d'un mix électrique faiblement carboné en offrant une solution pour diminuer drastiquement les émissions des procédés actuels de production de noir de carbone et d’hydrogène qui comptent parmi les procédés actuels les plus polluants en termes d'émissions de CO2. A court terme, la viabilité économique de ce procédé passe par la valorisation simultanée de ces deux produits : noir de carbone et hydrogène. À plus long terme, il pourrait représenter une réelle alternative à la capture et le stockage du CO2.Cette étude a pour but de proposer des méthodes numériques fiables et robustes afin de mieux comprendre, contrôler, voire optimiser les caractéristiques morphologiques des noirs de carbone issus de ce procédé, caractéristiques qui jouent un rôle primordial sur la qualité et les applications des noirs de carbone. Elle traite ainsi de l’évolution de systèmes carbonés en partant du combustible sous sa forme moléculaire jusqu’à la formation de nanoparticules puis de microstructures solides et aborde les phénomènes de nucléation, de croissance chimique, de croissance par coagulation, de maturation et d’agrégation.Des outils et des méthodes numériques ont ainsi pu être développés afin de simuler la formation de particules solides au sein d’un écoulement fluide. Ceux-ci purent être implémentés avec succès à un code CFD. Enfin des simulations numériques du procédé en question ont été réalisées en intégrant les phénomènes de transferts thermiques et de turbulence spécifiques aux plasmas thermiques. / This thesis takes part of the development of a direct decarbonation process of methane by plasma to produce both carbon black and hydrogen. This process is particularly interesting in an electrical mix context with low carbon emission. It proffers a solution to reduce drastically CO2 emissions rejected by the current carbon black and hydrogen ways of production, which are ones of the most polluting industrial processes.This study aims to develop reliable and robust numerical methods for a better understanding and a greater control of the morphologic features of the carbon black generated. These features play a key role in the quality and applications of the carbon black produced. This research retraces the evolution of the carbon structure from the molecules of the fuel to the formation of nanoparticles and solid microstructures. It tackles different phenomenon such as: nucleation, chemical growth, coagulation, maturity and aggregation.Numerical tools and methods were developed thereby and enable to simulate carbon particle formation. They were successfully implemented in a commercial CFD software. Eventually numerical simulation of the plasma process were performed, integrating heat transfers and turbulence.

Des événements géologiques passés ont montré que les glissements de terrain, près des côtes, impliquant des volumes de quelques milliers de mètre cube à plusieurs centaines de kilomètres cube, peuvent provoquer des vagues de tsunami d’une amplitude considérable. La vague générée et l’effondrement représentent tous deux un danger important pour la population et les infrastructures situées sur ou proche des côtes. Une modélisation réaliste nécessite de tenir compte de la nature granulaire du glissement de terrain. Nous avons développé dans ce travail de thèse, une série d’expériences de laboratoire à petite échelle, pour étudier en détail le processus de génération de vague par l’effondrement d’une colonne granulaire, initialement sèche, dans l’eau. Tout un ensemble de paramètres est testé : (1) la masse granulaire impliquée (hauteur, volume, rapport d’aspect, granulométrie et densité), (2) la hauteur d’eau et (3) la configuration géométrique (plan horizontal ou plan incliné). Des expériences quasi-bidimensionnelle en canal rectangulaire, permettent d’enregistrer à la fois l’évolution temporelle de l’effondrement granulaire et celle de la surface libre de l’eau. Nous montrons que le processus de génération des vagues est piloté par la dynamique collective de l’effondrement des grains à la surface de l’eau. Nous identifions une dépendance linéaire claire entre l’amplitude relative de la vague principale et un nombre de Froude défini comme le rapport des vitesses d’avancée du front granulaire et de la vague solitaire. En particulier, l’amplitude de la vague atteint sa valeur maximale pour une profondeur d’eau intermédiaire. Le transfert d’énergie global a montré que seulement quelques pourcents de l’énergie potentielle initiale de la colonne sont transférés à la vague, issus notamment d’une perte d’énergie considérable dans l’effondrement granulaire lui-même. Enfin, nous soulignons la faible influence du diamètre et de la masse volumique des grains dans la génération de la vague. Cela suggère que la masse de l’effondrement est de faible importance par rapport à son volume. Un autre résultat intéressant est la dépendance linéaire de l’amplitude relative de la vague avec le volume immergé du dépôt final. Cette loi nous permet d’estimer l’amplitude de la vague pour des événements passés et potentiels. Malgré les échelles, géométries diverses et variées de ces événements, et l’incertitude des données, cette loi empirique provenant de notre expérience à petite échelle prédit des vagues similaires à d’autres modèles numériques ou expérimentaux. / Various past geological events have shown that landslides near coastlines, involving volumes from a few thousand cubic meters to several cubic kilometers, can lead to tsunami waves with significant amplitude. The generated wave and the collapse both represent an important hazard for the population and infrastructure located on or near the coast. Realistic modeling requires considering the granular nature of landslides. Here, we developed a new set of small-scale laboratory experiments to investigate in detail the wave generated by the collapse of an aerial granular column into water. An entire set of parameters are tested: (1) the falling granular mass (height, volume, aspect ratio, grain size and density), (2) the water layer height and (3) the geometrical configuration (horizontal or inclined plane). From quasi-bidimensional experiments in a rectangular channel we record both the time evolution of the granular collapse and of the generated wave. We show that the wave generation process is driven by the collective dynamics of the granular collapse at the water free surface. We identify a clear linear dependence between the relative wave amplitude and a Froude number defined as the ratio of the granular front velocity and the solitary wave velocity. The wave amplitude reaches its maximum value at an intermediate water depth. The total energy transfer shows that only a few percent of the initial potential energy of the column is transferred to the wave, suggesting a considerable energy loss in the granular collapse itself. Finally, we highlight the low influence diameter and density of the falling grain in the generation of the wave. This suggests that the mass of the collapse is of low importance compared to its volume. Another interesting result is the linear dependence of the relative wave amplitude with the relative immersed volume of the final deposit. This allows us to estimate the wave amplitude generated by past or potential events in Nature. Despite the various scales and geometries of these natural events, and the uncertainty of the data, our empirical law, from our small-scale experiment, predicts waves similar to other numerical or experimental models.