Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) interviennent de plus en plus dans le domaine de la médecine régénérative, notamment pour traiter des maladies aujourd’hui difficilement curables avec les moyens actuels. Deux verrous scientifiques limitent pourtant leur utilisation et leur commercialisation. D’une part, de grandes quantités de cellules sont nécessaires pour répondre à la forte demande médicale. D’autre part, les cellules étant elles-mêmes le médicament final, délivré chez le patient, leur qualité doit être préservée (phénotype souche, capacité de différenciation). La mise en culture de ces cellules, sur des microporteurs, en bioréacteur agité, semble répondre à ces enjeux. Cependant, une connaissance plus précise de l’impact, sur la réponse physiologique des cellules, des technologies utilisées et de l’hydrodynamique générée est nécessaire pour améliorer les lois d’extrapolation des bioréacteurs de culture de CSM. Dans ce contexte, des travaux ont été mis en œuvre pour étudier l’influence du mode d’agitation (orbital ou mécanique) sur l’attachement, l’expansion et le détachement de CSM issues de la gelée de Wharton (GW-CSM) de cordons ombilicaux, sur des microporteurs de différentes compositions. Pour contribuer à la quantification de l’expansion cellulaire, une méthode de comptage automatique in situ a été développée pour estimer le nombre de cellules par microporteur, ainsi que leur répartition, sans avoir à procéder à leur détachement. Des microporteurs commerciaux ont ensuite pu être comparés à des microporteurs synthétisés dans un laboratoire partenaire, en termes d’attachement et expansion cellulaire, ainsi que de facilité de détachement. En parallèle de ces travaux, l’impact de la conception du mobile d’agitation, en bioréacteur mécaniquement agité, sur la mise en suspension de microporteurs a été analysé. A l’issue de cette étude, une analyse dimensionnelle et des simulations CFD ont été mises en place et deux modèles reliant la fréquence minimale de juste mise en suspension (Njs) avec la géométrie du mobile d’agitation (forme, taille, position dans la cuve) et les propriétés matérielles des particules et de la phase liquide ont été proposés. Une stratégie d’optimisation des paramètres géométriques d’un mobile en minibioréacteur, dédié à la culture de CSM sur microporteurs, a été mise en place, à partir de paramètres caractérisant les contraintes hydromécaniques perçues par la phase solide, judicieusement choisis et intégrés lors des simulations CFD. Selon un plan d’expérience, et les résultats extraits des simulations, des surfaces de réponse ont été construites et une optimisation multi-objective a été réalisée afin de déterminer la géométrie minimisant les contraintes perçues par les particules, et donc par les cellules adhérées. Des cultures de GW-CSM en minibioréacteurs équipés de différents mobiles ont finalement été validées, avec une comparaison préliminaire de l’impact de ces géométries sur l’expansion cellulaire / Mesenchymal stem cells (MSC) are becoming increasingly involved in the regenerative medicine field, particularly to treat diseases that are not effectively curable with the current therapies. Two scientific barriers are nevertheless responsible for MSC use and commercialization limitations. On one side, large amounts of cells are needed to reach the high cell dose requirements. On the other side, cells being the final product themselves, directly injected into the patient, their quality have to be controlled (stem cell phenotype, differentiation capability). MSC cultivation on microcarriers in a stirred bioreactor seems to meet these challenges. However, a precise knowledge about the impact of the technologies and the hydrodynamics generated, on the physiological cell response, is necessary to improve the scale-up of MSC cultures in bioreactors. In this context, present work is dedicated to the study of the impact of the agitation mode (orbital or mechanical) on the cell attachment, expansion and detachment on various microcarrier types, in the case of MSC derived from the Wharton’s jelly (WJ-MSC) of umbilical cords. To quantify more precisely cell distribution and expansion on microcarriers, an automatic and in situ counting method was developed, which need no detachment step. This allowed the identification of commercial microcarriers suitable for WJ-MSC cultures, which were then compared to home-made microcarriers, synthesized by a partner laboratory, in terms of cell attachment and expansion, and detachment efficiency. In parallel to these works, the impact of the impeller design on the microcarrier suspension in stirred tank bioreactors was investigated. Based on a dimensional analysis and CFD simulations, it resulted in the establishment of two models relating the minimal agitation rate to ensure all particle suspension (Njs) with the impeller geometrical characteristics (design, size, off-bottom clearance) and the material properties of both the solid and the liquid phases. CFD models validation allowed then to develop a strategy to optimize the geometrical configuration of an impeller, dedicated to MSC cultures on microcarriers in a minibioreactor. Parameters characterizing the hydromechanical stress encountered by the solid phase were wisely chosen and integrated into CFD simulations. Based on a design of experiments, and the hydrodynamics data recovered from simulations, response surfaces were built and a multiobjective optimization was achieved in order to determine the geometry minimizing the particle stress, and also by adhered cells. WJ-MSC cultures in minibioreactors equipped with impellers displaying various geometries were finally validated, with a preliminary comparison of the impact of these geometries on the cell expansion

La thèse porte sur la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, notamment en proposant un modèle décrivant le changement de phase au sein de particules sous écoulement fluide. Les transferts thermiques sont modélisés en prenant en compte l'influence de la résistance aux transferts externes (échanges avec le fluide) et internes (conduction à travers la particule et sa paroi, convection naturelle dans la phase liquide de la particule, changement de phase) à la particule. Les échanges externes avec le fluide sont pris en compte à l’aide de corrélations liant un nombre de Nusselt externe aux nombres de Reynolds et de Prandtl. La conduction interne est décrite à l’aide de solutions analytiques. L’effet de la convection naturelle a été étudié sur une particule isolée soumise à un gradient de température sous différents nombres de Rayleigh et de Prandtl permettant son déclenchement. Les résultats obtenus ont permis d’établir une corrélation reliant un nombre de Nusselt interne aux nombres de Prandtl et Rayleigh de la particule. Cette corrélation permet de recalculer l’évolution temporelle de la température moyenne de la particule en prenant en compte l’effet de la convection naturelle. Le changement de phase est décrit grâce à un modèle local basé sur l’approche « Phase Field » moyenné sur l’ensemble de la particule et validé par comparaison avec des résultats numériques et expérimentaux issus de la littérature. Enfin, le modèle complet et l’influence des phénomènes pris en compte sont testés sur un lit fixe de particules à l’échelle moyennée (Discrete Element Method–Computional Fluids Dynamics). La conduction et la convection interne donnent une quantité totale d’énergie stockée relativement similaire dans le lit à nombre de Biot égal, mais dont la distribution est différente. Le changement de phase tend à grandement densifier le stockage. Une augmentation du nombre de Biot tend à augmenter la quantité d’énergie stockée. Enfin, il est montré que les transferts sont dépendants de la distribution de porosité. / This work intends to characterize heat transfer in fluid-particle flows, specifically when phase change occurs inside the particles. The proposed model takes into account the external heat resistance (heat transfer at the particle-fluid interface) and the internal heat resistance (conduction inside and at the wall of the particle, natural convection in the liquid phase of the particle, phase change). External transfer with the surrounding fluid is described by correlations linking an external Nusselt number to Reynolds and Prandtl numbers related to the surrounding fluid. Internal conduction is calculated thanks to analytical solutions. The influence of natural convection was studied on an isolated sphere for different combinations of Rayleigh and Prandtl numbers. A correlation between an internal Nusselt number, and particle Rayleigh and Prandtl numbers was established using these simulations. This correlation allows calculating the transient evolution of the average temperature of the particle when natural convection occurs. Phase change is taken into account by a Phase Field model averaged over the particle and validated by comparison with experimental and numerical studies from the literature. Finally, the whole model and the effects of the different phenomena it describes are tested on a fixed bed of particles at mesoscopic scale using a Discrete Element Method–Computional Fluids Dynamics (DEM-CFD) model. Internal conduction and natural convection gives similar quantities of total energy stored for the same Biot number, however heat transfer distribution is modified. Phase change greatly reduces the volume of storage. Increasing the Biot number leads to a greater amount of energy stored. Finally, heat transfer greatly depends on porosity distribution.

This thesis highlights generic aspects of contact angle hysteresis and stick-slip motion,encountered in most practical wetting situations.First, we study the scaling relation between the heterogeneity strength and the amplitudeof the contact angle hysteresis it induces in the model configuration of a chemicallyheterogeneous microchannel. A key parameter which determines the qualitativefeatures is the heterogeneity wavelength. In particular, we identify a near-thresholdbehavior where the quadratic scaling between the heterogeneity amplitude and the resultinghysteresis, already known for a dilute system of wetting defects, is explainedby the closeness to the threshold, and a macroscopic limit without observable stick-slipwhere this scaling is linear.In the second part, we adapt the description to the configuration of a meniscusaround a wavy fibre. This adaptation brings the generic results of the first part in thereach of experiments. A comparison with experiments is achieved at the level of theindividual topography-induced jumps.In the third part, we expand the formulation to treat the quasi-steady interface shapecontact line dynamics and study how the the presence of stick-slip motion at the observableor unobservable scale modifies the scaling relation between the contact linevelocity and contact angle. We recover the known result that the scaling exponent dependson the nature of the externally controlled parameter, identify the causes of thisdependency in the corresponding static limits, and predict the disappearance of this dependencyabove a critical velocity which decreases with the heterogeneity wavelength.Finally, we show trough examples how the modelling framework which permitscapturing contact angle hysteresis and stick-slip motion in a minimalistic way can beadopted to treat configurations with a finite amount of contact points, or the 3D problemof a drop with a deformed contact line. We discuss the arising configuration-specificeffects, also in configurations of biomimetic interest. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

By 2050, Europe needs to have drastically decoupled its economic growth from its emissions of CO2. This is a direct response to the compelling evidence from the increasing risks of climate change brought about by the anthropogenic Greenhouse Gas (GHG) emissions and pollutant emissions (NOx). A replacement of significant percent of fossil fuels with renewable energy sources will be needed. However, energy production from most renewable energy sources, is typically intermittent and unpredictable. This requires a reliable mid-long term energy storage to synchronize production and demand. The Power-to-Fuel option or chemical storage can be the key for a sustainable energy system. Indeed, converting the excess of renewable energy into second generation fuels will unlock a long-term and high-density energy storage, ensuring also a reduction of the carbon footprint. These ”green” non-conventional fuels are blends of CH4, H2, CO and NH3. However, to achieve Power-to fuel, the development of an efficient combustion technology, coupled with virtually zero pollutant emissions, stable working conditions with different load and fuel and significant energy saving is required. In the last years, a so-called MILD or flameless combustion has drawn attention for its ability of meeting the mentioned targets. However, the studies available in literature are conducted on Jet in hot co-flow-like systems or they face conventional fuels, such as natural gas or methane. The examples using non-conventional fuels are scarce and limited to few operating conditions. In this framework, this PhD thesis focuses on a threefold aspect. Experimental campaigns investigated fuel flexibility of flameless combustion in the ULB furnace. A progressive addition of hydrogen in methane enhanced combustion features, reducing the ignition delay time and increasing the reactivity of the system, possibly losing its flameless behavior. Indeed, a threshold of 25% H2 was defined for reaching flameless/MILD conditions, characterized by still low pollutant emissions and temperature peak. This is in line with the goal of introducing “green” hydrogen into the natural gas pipeline (up to 20%) to reduce CO2 emissions. Further experimental campaigns tested the role of the injection geometry (varying the air injector ID) and fuel lance length to reduce NO emissions and retrieve flameless/MILD conditions for high hydrogen content. Finally, ammonia/hydrogen blends were tested. Results suggests that stoichiometry has a major impact on NO emissions. An optimal window, minimizing both NO and NH3-slip emissions was defined using an equivalence ratio of 0.9. To qualitatively describe the observed trends, a simplified reactors network was considered. The analysis highlighted the most important reactions correlated to NO formation and the reason of the NO reduction at stoichiometry condition. On the other side an affordable and reliable numerical model was optimized and tested in the Adelaide Jet in Hot Co-flow burner. The latter is a simplified burner capable of mimicking MILD combustion conditions. A set of RANS simulations were run using the Partially Stirred Reactor (PaSR) approach, investigating different mixing model formulations: a static, a fractal-based and a dynamic formulation, based on the resolution of transport equations for scalar variance and dissipation rate. A study about the role of combustion models and kinetic mechanisms on the prediction of NO formation was also conducted. Finally, an analysis of the choice of a Heat Release Rate (HRR) marker for MILD (HM1 flame) and not MILD (HM3 flame) conditions was carried out. Once having awareness of the capability of the proposed numerical model, simulations were conducted to define the key aspects in simulating a flameless furnace, varying the composition of the fuel, considering methane/hydrogen and ammonia/hydrogen blends. In particular, for the latter case, existing kinetic schemes showed a major over-estimation of NO emissions, reason why an optimization study was conducted in a simplified reactor (well stirred reactor) using a Latin Hypercube Sampling. Finally, the first-of-its-kind digital twin based on CFD simulations for a furnace operating in flameless combustion conditions was created. A reduced- order model (ROM) based on the combination of Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Kriging was developed for the prediction of spatial fields (i.e. temperature) as well as pollutant in the exhausts. / D’ici 2050, l’Europe devra découpler sa croissance économique de ses émissions de CO2. Il s’agit d’une réponse nécessaire au changement climatique et à la pollution de l’air induits par les émissions atmosphérique de gaz à effet de serre (GES) et de polluants (NOx). Un remplacement d’un pourcentage significatif des combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables sera nécessaire. Cependant, la production d’énergie à partir des sources renouvelables est généralement intermittente et imprévisible. Cela nécessite un stockage d’énergie fiable à moyen et long terme, pour synchroniser la production et la demande d’énergie. L’option Power-to-Fuel, ou stockage chimique, peut être la clé d’un système énergétique durable. En effet, la conversion de l’excès d’énergie renouvelable en carburants de deuxième génération permettra de débloquer un stockage d’énergie à long terme et à haute densité, en assurant également une réduction de l’empreinte carbone. Ces carburants non conventionnels « verts » sont des mélanges de CH4, H2, CO et NH3. Cependant, pour exploiter le potentiel du Power-to-Fuel, il est nécessaire de développer une technologie de combustion efficace, avec des émissions de polluants pratiquement nulles, assurant des conditions de travail stables avec une charge et des carburants différents et des économies d’énergie significatives. Au cours des dernières années, une combustion dite « MILD », ou sans flamme, a attiré l’attention pour sa capacité à atteindre les objectifs mentionnés. Cependant, les études disponibles dans la littérature sont menées sur des systèmes de laboratoire (jet in hot co-flow) et avec des carburants conventionnels comme le gaz naturel ou le méthane. Les exemples utilisant des carburants non conventionnels sont rares et limités à quelques conditions de fonctionnement.Dans ce cadre, cette thèse de doctorat se concentre sur un triple aspect.Des campagnes expérimentales ont étudié la flexibilité du combustible dans un four sans flamme installé à l'ULB. L’ajout progressif d’hydrogène dans le méthane permet d’améliorer les caractéristiques de combustion, en réduisant le délai d’allumage et augmentant la réactivité du système, ce qui, par contre, cause un éloignement du système des conditions sans flamme. En effet, un seuil supérieur de 25% H2 a été identifié pour les mélanges méthane/hydrogène, pour travailler dans des conditions sans flammes (MILD), caractérisées par une faible augmentation de température et des émissions de polluants amoindries .Cela est conforme à l’objectif d’introduire de l’hydrogène « vert » dans le gazoduc (jusqu’à 20%) afin de réduire les émissions de CO2. D’autres campagnes expérimentales se sont focalisées sur le rôle de la géométrie d’injection (variation du diamètre de l’injecteur d’air) et de la longueur de la lance du carburant pour réduire les émissions des oxydes d’azote et récupérer les conditions sans flamme/MILD pour une teneur élevée en hydrogène. Enfin, des mélanges ammoniac/hydrogène ont été testés. Les résultats suggèrent que la stœchiométrie a un impact majeur sur les émissions d’oxydes d’azote. Une fenêtre optimale minimisant les émissions de NO et d’ammoniac imbrulées a été définie en utilisant un rapport d'équivalence de 0,9. Pour tracer qualitativement les tendances observées, un réseau de réacteurs simplifié a été construit. L’analyse a mis en évidence les réactions les plus importantes pour la formation des NOx et elle a permis de justifier la réduction des oxydes d’azote à l’état stœchiométrique.De l’autre côté, un modèle numérique robuste et fiable a été optimisé et testé pour le brûleur Jet in Hot Co-flow de l’Université d’Adelaide. Ce dernier est un brûleur simplifié capable de simuler les conditions de combustion MILD/sans flamme. Un ensemble de simulations RANS ont été effectuées à l’aide de l’approche du réacteur partiellement agité (Partially Stirred Reactor – PaSR - en anglais), en examinant les différentes formulations de modèles de mélange :une formulation statique, fractale et dynamique, basée sur la résolution des équations de transfert pour la variance scalaire et le taux de dissipation. Une étude sur le rôle des modèles de combustion et des mécanismes cinétiques dans la prédiction de la formation des oxydes d’azote a également été réalisée. Enfin, une analyse sur le choix d’un marqueur de taux de dégagement de chaleur (Heat Release Rate – HRR – en anglais) pour les conditions MILD et non MILD a été réalisée. Après validation, les modèles développés ont été utilisés pour définir les aspects clés de la simulation d’un four sans flamme, en variant la composition du combustible, pour des mélanges méthane/hydrogène et ammoniac/hydrogène. En particulier, pour ce dernier cas, les schémas cinétiques existants ont montré une surestimation importante des émissions d’oxydes d’azote, raison pour laquelle une étude d’optimisation a été menée dans un réacteur simplifié.Enfin, le premier jumeau numérique en son genre, basé sur des Simulations numériques de Dynamique de Fluides (CFD – Computational Fluid Dynamics en anglais) pour un four fonctionnant dans des conditions de combustion sans flamme, a été créé. Un modèle à ordre réduit (ROM – Reduced Order Model en anglais) basé sur la combinaison de la Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres (POD) et du Kriging a été développé pour la prédiction des variables d’intérêt (température et espèces chimiques majeures) ainsi que des polluants dans les fumées. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les situations dans lesquelles une onde de choc interagit avec une couche limite sont nombreuses dans les industries aéronautiques et spatiales. Sous certaines conditions (nombre de Mach élevé, grand angle de choc…), ces interactions entrainent un décollement de la couche limite. Des études antérieures ont montré que la zone de recirculation et le choc réfléchi sont tous deux soumis à un mouvement d'oscillation longitudinale à basse fréquence connu sous le nom d’instabilité de l’interaction onde de choc / couche limite (IOCCL). Ce phénomène appelé soumet les structures à des chargement oscillants à basse fréquence qui peuvent endommager les structures.L’objectif du travail de thèse est de réaliser des simulations instationnaires de l’IOCCL afin de contribuer à une meilleure compréhension de l’instabilité de l’IOCCL et des mécanismes physiques sous-jacents.Pour effectuer cette étude, une approche numérique originale est utilisée. Un schéma « One step » volume fini qui couple l’espace et le temps, repose sur une discrétisation des flux convectifs par le schéma OSMP développé jusqu’à l’ordre 7 en temps et en espace. Les flux visqueux sont discrétisés en utilisant un schéma aux différences finies centré standard. Une contrainte de préservation de la monotonie (MP) est utilisée pour la capture de choc. La validation de cette approche démontre sa capacité à calculer les écoulements turbulents et la grande efficacité de la procédure MP pour capturer les ondes de choc sans dégrader la solution pour un surcoût négligeable. Il est également montré que l’ordre le plus élevé du schéma OSMP testé représente le meilleur compromis précision / temps de calcul. De plus un ordre de discrétisation des flux visqueux supérieur à 2 semble avoir une influence négligeable sur la solution pour les nombres de Reynolds relativement élevés considérés.En simulant un cas d’IOCCL 3D avec une couche limite incidente laminaire, l’influence des structures turbulentes de la couche limite sur l’instabilité de l’IOCCL est supprimée. Dans ce cas, l’unique cause d’IOCCL suspectée est liée à la dynamique de la zone de recirculation. Les résultats montrent que seul le choc de rattachement oscille aux fréquences caractéristiques de la respiration basse fréquence du bulbe de recirculation. Le point de séparation ainsi que le choc réfléchi ont une position fixe. Cela montre que dans cette configuration, l’instabilité de l’IOCCL n’a pas été reproduite.Afin de reproduire l’instabilité de l’IOCCL, la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente est réalisée. Une méthode de turbulence synthétique (Synthetic Eddy Method - SEM) est développée et utilisée à l’entrée du domaine de calcul pour initier une couche limite turbulente à moindre coût. L’analyse des résultats est effectuée en utilisant notamment la méthode snapshot-POD (Proper Orthogonal Decomposition). Pour cette simulation, l’instabilité de l’IOCCL a été reproduite. Les résultats suggèrent que la dynamique du bulbe de recirculation est dominée par une respiration à moyenne fréquence. Ces cycles successifs de remplissage / vidange de la zone séparée sont irréguliers dans le temps avec une taille maximale du bulbe de recirculation variant d’un cycle à l’autre. Ce comportement du bulbe de recirculation traduit une modulation basse fréquence des amplitudes des oscillations des points de séparation et de recollement et donc une respiration basse fréquence de la zone séparée. Ces résultats suggèrent que l’instabilité de l’IOCCL est liée à cette dynamique basse fréquence du bulbe de recirculation, les oscillations du pied du choc réfléchi étant en phase avec le point de séparation. / Situations where an incident shock wave impinges upon a boundary layer are common in the aeronautical and spatial industries. Under certain circumstances (High Mach number, large shock angle...), the interaction between an incident shock wave and a boundary layer may create an unsteady separation bubble. This bubble, as well as the subsequent reflected shock wave, are known to oscillate in a low-frequency streamwise motion. This phenomenon, called the unsteadiness of the shock wave boundary layer interaction (SWBLI), subjects structures to oscillating loads that can lead to damages for the solid structure integrity.The aim of the present work is the unsteady numerical simulation of (SWBLI) in order to contribute to a better understanding of the SWBLI unsteadiness and the physical mechanism causing these low frequency oscillations of the interaction zone.To perform this study, an original numerical approach is used. The one step Finite Volume approach relies on the discretization of the convective fluxes of the Navier Stokes equations using the OSMP scheme developed up to the 7-th order both in space and time, the viscous fluxes being discretized using a standard centered Finite-Difference scheme. A Monotonicity-Preserving (MP) constraint is employed as a shock capturing procedure. The validation of this approach demonstrates the correct accuracy of the OSMP scheme to predict turbulent features and the great efficiency of the MP procedure to capture discontinuities without spoiling the solution and with an almost negligible additional cost. It is also shown that the use of the highest order tested of the OSMP scheme is relevant in term of simulation time and accuracy compromise. Moreover, an order of accuracy higher than 2-nd order for approximating the diffusive fluxes seems to have a negligible influence on the solution for such relatively high Reynolds numbers.By simulating the 3D unsteady interaction between a laminar boundary layer and an incident shock wave, we suppress the suspected influence of the large turbulent structures of the boundary layer on the SWBLI unsteadiness, the only remaining suspected cause of unsteadiness being the dynamics of the separation bubble. Results show that only the reattachment point oscillates at low frequencies characteristic of the breathing of the separation bubble. The separation point of the recirculation bubble and the foot of the reflected shock wave have a fixed location along the flat plate with respect to time. It shows that, in this configuration, the SWBLI unsteadiness is not observed.In order to reproduce and analyse the SWBLI unsteadiness, the simulation of a shock wave turbulent boundary layer interaction (SWTBLI) is performed. A Synthetic Eddy Method (SEM), adapted to compressible flows, has been developed and used at the inlet of the simulation domain for initiating the turbulent boundary layer without prohibitive additional computational costs. Analyses of the results are performed using, among others, the snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. For this simulation, the SWBLI unsteadiness has been observed. Results suggest that the dominant flapping mode of the recirculation bubble occurs at medium frequency. These cycles of successive enlargement and shrinkage of the separated zone are shown to be irregular in time, the maximum size of the recirculation bubble being submitted to discrepancies between successive cycles. This behaviour of the separation bubble is responsible for a low frequency temporal modulation of the amplitude of the separation and reattachment point motions and thus for the low frequency breathing of the separation bubble. These results tend to suggest that the SWBLI unsteadiness is related to this low frequency dynamics of the recirculation bubble; the oscillations of the reflected shocks foot being in phase with the motion of the separation point.

L'analyse des écoulements au sein des faisceaux d'assemblages constitue un volet important des études des réacteurs à eau pressurisée. Une mauvaise répartition thermique au sein de ces écoulements peut conduire à une crise d'ébullition nuisible à la sûreté du réacteur. De nombreuses études ont montré l'existence de phénomènes de réorganisation de structures aux grandes échelles dans ces écoulements. Cette thèse vise à améliorer notre compréhension de ces phénomènes, l'objectif étant de développer des modélisations aux petits échelles adaptées. Un travail bibliographique a mis en évidence les difficultés rencontrées par les simulations pour reproduire ces phénomènes, ainsi que de nombreux questionnements concernant leur caractère physique. Des simulations 3D ont été réalisées et ont permis d'identifier deux mécanismes de réorganisation pour les structures aux grandes échelles : un changement de signe de la vitesse transverse entre les crayons ou du tourbillon dans un sous-canal. Il est apparu qu'il semblait pertinent d'adopter l'hypothèse de Taylor pour considérer que les grandes structures 3D évoluaient comme un écoulement 2D transporté. Un gros volet de la thèse a concerné la mise en œuvre d'un code basé sur une méthode statistique pour un champ 2D dans le but de déterminer les états thermodynamiquement stables dans des géométries avec obstacles. Des similarités ont été obtenues entre les structures en REP et les états stables en 2D. Des simulations 2D ont permis d'identifier deux bifurcations possibles pour l'écoulement, qui présentent un parallèle avec les mécanismes de réorganisations 3D, et permettent ainsi de poser les bases d'une explication physique du phénomène / The analysis of fuel rod bundle flows constitute a key element of pressurized-water reactors safety studies. Indeed, an insufficient flow thermal mixing can lead to a boiling crisis, which is nefarious for the reactor safety. Numerous studies have shown the existence of reorganisation phenomena in the flow large-scale structures. This thesis work aims at improving our understanding of these phenomena, with the long-term goal of developing small-scales models suited for this type of flow. A bibliographic study has brought to light the challenges faced by simulations attempting to capture these phenomena, as well as various questions regarding their physical meaning. 3D simulations have been performed in order to study this flow ; they allowed to identify two reorganisation mechanisms for the large-scale structures consisting in a sign change for either a transverse velocity in rod-to-rod gaps or for a subchannel vortex. It appeared relevant to adopt a Taylor hypothesis in order to consider the evolution of large-scale 3D structures as transported-2D. A statistical method has then been applied to the 2D field in order to determine its thermodynamically-stable states in geometries with obstacles using the resolution of an optimization problem with a numerical calculation tool. Interesting similarities have been obtained between the PWR coherent structures and the stable states in a simplified 2D geometry. Further, 2D numerical simulations allowed to identify two different possible flow bifurcations. A parallel is drawn between these bifurcations and the two reorganizations observed in 3D simulations, laying the foundations for a physical explanation of this phenomenon

La méthode LS-STAG est une méthode cartésienne pour le calcul d’écoulements incompressibles en géométries complexes, qui propose une discrétisation précise des équations de Navier-Stokes dans les cut-cells, cellules polyédriques de forme complexe créées par l’intersection du maillage cartésien avec la frontière du solide immergé. Originalement développée pour les géométries 2D, son extension aux géométries 3D se heurte au défi posé par le grand nombre de types de cut-cells (108) à considérer. Récemment, la méthode LS-STAG a été étendue aux géométries complexes 3D dont la frontière est parallèle à l’un des axes du repère cartésien, où sont uniquement présentes les contreparties extrudées des cut-cells 2D. Cette étude a notamment souligné deux points à élucider pour le développement d’une méthode totalement 3D : premièrement, le calcul des flux diffusifs par un simple schéma à deux points s’est révélé insuffisamment précis dans les cut-cells 3D-extrudées du fait de la non orthogonalité. Ensuite, l’implémentation de ces flux à la paroi, qui s’effectue en imposant une discrétisation distincte pour chaque type de cut-cell extrudée, se révèle trop complexe pour être étendue avec succès aux nombreux types supplémentaires de cut-cells 3D, et doit être simplifiée et rationalisée. Dans cette thèse, le premier point est résolu en utilisant l’outil des schémas diamants, d’abord étudié en 2D pour l’équation de la chaleur puis les équations de Navier-Stokes dans l’approximation de Boussinesq, puis étendu en 3D. En outre, les schémas diamants ont permis de revisiter intégralement la discrétisation du tenseur des contraintes des équations de Navier-Stokes, où disparaît le traitement au cas par cas selon la disposition de la frontière solide dans les cut-cells. Cela a permis d’aboutir à une discrétisation systématique, précise et algorithmiquement efficace pour les écoulements en géométries totalement 3D. La validation numérique de la méthode LS-STAG avec schémas diamants est présentée pour une série de cas tests en géométries complexes 2D et 3D. Sa précision est d’abord évaluée par comparaison avec des solutions analytiques en 2D, puis en 3D par la simulation d’un écoulement de Stokes entre deux sphères concentriques. La robustesse de la méthode est notamment mise en évidence par l’étude d’écoulements autour d’une sphère en rotation, dans les régimes laminaires (stationnaire et instationnaire), ainsi que pour un régime faiblement turbulent. / The LS-STAG method is a cartesian method for the computations of incompressible flows in complex geometries, which consists in an accurate discretisation of the Navier-Stokes equations in cut-cells, polyhedral cells with complex shape made by the intersection of cartesian mesh and the immersed boundary. Originally developed for 2D geometries, where only three types of generic cut-cells appear, its extension to 3D geometries has to deal with the large amount of cut-cells types (108). Recently, the LS-STAG method had been extended to 3D complex geometries whose boundary is parallel to an axis of the cartesian coordinate system, where there are only the extruded counterparts of 2D cut-cells. This study highlighted two points to deal with in order to develop a totally 3D method: firstly, the computation of diffusive fluxes by a simple 2-points scheme has shown to be insufficiently accurate in 3D-extruded cut-cells due to the non-orthogonality. In addition to that, implementation of these fluxes on the immersed boundary, which is done with a case by case discretisation according to the type of the cut-cells, appears to be too difficult for its successful extension to the several extra types of 3D cut-cells, and needs to be simplified and rationalized. In this thesis, the first point is solved by using the diamond scheme tool, firstly studied in 2D for the heat equation then for the Navier-Stokes equations in Boussinesq approximation, and finally extended to 3D. Moreover, the diamond schemes have been used to fully revisit the discretisation of shear stresses from Navier-Stokes equations, where the case by case procedure is removed. These modifications have permitted to come up with a systematic discretisation that is accurate and algorithmically efficient for flows in totally 3D geometries. The numerical validation of the LS-STAG method with diamond schemes is presented for a series of test cases in 2D and 3D complex geometries. The precision is firstly assessed by comparison with analytical solutions in 2D, then in 3D by the simulation of Stokes flow between two concentric spheres. The robustess of the method is highlighted by the simulations of flows past a rotating sphere, in laminar modes (steady and unsteady), as well as in a weakly turbulent mode.

Cette étude s'intéresse à une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de simuler des écoulements incompressibles externes autour de multiples corps en mouvement arbitraire. L'implantation initiale de la méthode a été développée à 1' Université Catholique de Louvain puis des modifications ont été apportées en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique pour prendre en compte le mouvement et la présence simultanée de plusieurs corps. Cependant, ces modifications n'étaient pas validées et aucune méthode de calcul des forces et du moment sur les corps individuellement n'était disponible. Au sein de cette étude, plusieurs approches de calcul des forces et du moment sont présentées et détaillées, toutes ayant la particularité de ne pas nécessiter la connaissance du champ de pression de l'écoulement. La première approche utilise des surfaces de contrôle englobant chaque corps ainsi que la surface même des corps. La seconde est développée à partir d'une surface de contrôle à l'infini et ne peut fournir que les forces nettes totales sur l'ensemble des corps en présence. La troisième approche ne requiert que de l'information (vitesse et vorticité) à la surface des corps et elle est la seule pour l'instant qui permet de fournir également le moment de force. Toutes ces approches ainsi que les modifications effectuées pour prendre en compte le mouvement sont validées pour des écoulements à bas Reynolds autour de corps en translation et rotation combinés. Les cas d'un cylindre unique, de deux cylindres en tandem et d'une aile oscillante sont étudiés. Les comparaisons sont effectuées à l'aide de résultats produits par le code commercial eulérien de volumes finis Fluent 6.2. Les résultats mettent en évidence l'habilité de la méthode vortex à capturer précisément la dynamique des fluides, ainsi que l'efficacité de chacune des méthodes de calcul des forces et du moment. / This work is about a 2-D lagrangian vortex method allowing simulation of external incompressible flow around arbitrary moving bodies. The initial implementation of the method was developed at Université Catholique de Louvain and adapted for multiple moving bodies in collaboration with Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. However, these modifications were not validated and no method of force and moment calculation on individual body was available. In this study, several approaches of force and moment calculation are presented and detailed, ail of which do not require information on the pressure field. The first approach uses control surfaces surrounding each body as well as the body surfaces themselves. The second one is developed from a control surface taken at infinity and can only provide total net forces on ail bodies taken together. The third one requires information (velocity and vorticity) only at body surfaces. The latter is the only approach considered up to now that can provide moment of force on the bodies. Ail three methods as well as ail the modifications that were implemented to adapt the solver to moving bodies are validated for low Reynolds number flows around bodies undergoing combined translation and angular motion. Cases of a single cylinder, two cylinders in tandem, and oscillating airfoil are studied. Comparisons are then made with results obtained with the eulerian finite volume commercial code Fluent 6.2. Results show the ability of the vortex method to correctly capture fluid dynamics, as well as the efficiency of each method for the force and moment calculations.

Nous nous intéressons aux équations classiques de Stokes et de l’élasticité linéaire stationnaires, posées dans un domaine [symbol] de frontière [symbol] courbe et régulière, associées à des conditions de glissement et de contact idéal, respectivement. L’approximation par éléments finis de tels problèmes est délicate en raison d’un paradoxe de type Babuška-Sapondžyan : les solutions dans des domaines polygonaux approchant le domaine à frontière courbe et régulière ne convergent pas vers la solution dans le domaine limite. L’objectif de cette thèse est d’explorer l’application de la méthode de pénalisation à ces conditions de glissement dans le but, notamment, de remédier à ce paradoxe. C’est une méthode classique et très répandue en pratique, car elle permet de travailler dans des espaces sans contraintes et d’éviter par exemple l’ajout de nouvelles inconnues comme dans la méthode des multiplicateurs de Lagrange. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude numérique en 2D de différents choix d’éléments finis et, surtout, de différents choix de l’approximation de la normale au bord du domaine. Avec la normale (discontinue) aux domaines polygonaux [symbol] engendrés avec les maillages de [symbol], les solutions par éléments finis ne semblent pas converger vers la solution exacte. En revanche, si on utilise des régularisations de la normale, des éléments finis isoparamétriques de degré 2 en vitesse (déplacement pour l’élasticité) ou une sous-intégration du terme de pénalisation, on observe une convergence, avec des taux optimaux dans certains cas. Dans une seconde partie, nous faisons une analyse théorique (en dimensions 2 et 3) de la convergence. Les estimations a priori obtenues permettent de dire que même avec la normale discontinue aux domaines polygonaux, l’approximation par éléments finis converge vers la solution exacte si le paramètre de pénalisation est choisi convenablement en fonction de la taille des éléments, démontrant ainsi que le paradoxe peut être évité avec la méthode de pénalisation. / We are interested in the classical stationary Stokes and linear elasticity equations posed in a bounded domain [symbol] with a curved and smooth boundary [symbol], associated with slip and ideal contact boundary conditions, respectively. The finite element approximation of such problems can present difficulties because of a Babuška-Sapondžyan’s like paradox: solutions in polygonal domains approaching the smooth domain do not converge to the solution in the limit domain. The objective of this thesis is to explore the application of the penalty method to these slip boundary conditions, in particular in order to overcome this paradox. The penalty method is a classic method widely used in practice because it allows to work in functional spaces without constraints and avoids adding new unknowns like with the Lagrange multiplier method. The first part of this thesis is devoted to the 2D numerical study of different finite elements choices and, most importantly, of different choices of the approximation of the normal vector to the boundary of the domain. With the (discontinuous) normal vector to polygonal domains [symbol] generated with the meshing of [symbol], the finite element solutions do not seem to converge to the exact solution. However, if we use a (continuous) regularization of the normal, isoparametric finite elements of degree 2 for the velocity (or the displacement for elasticity) or a reduced integration of the penalty term, convergence is obtained, with optimal rates in some cases. In a second part, we make a theoretical analysis (in dimensions 2 and 3) of the convergence. The a priori estimates obtained allow to say that even with the (discontinuous) normal vector to polygonal domains, the finite element approximation converges to the exact solution when the penalty parameter is selected appropriately in terms of the size of the elements, showing that the paradox can be circumvented with the penalty method.

L'objectif de cette thèse est l'accélération des solveurs utilisés pour la résolution de l'équation de Poisson pour la pression, dans le cas de la simulation d'écoulements à faible nombre de Mach sur des maillages non structurés. Cet objectif est complété par un besoin de stabilité, en particulier sur des géométries complexes. Plusieurs modifications de la méthode des Gradients Conjugués avec déflation ont été considérées à cet effet. Une méthode de redémarrage basée sur une estimation de l'effet des erreurs numériques a été mise en oeuvre et validée. Par la suite, une méthode consistant à calculer des solutions linéaires ou quadratiques par morceaux sur le maillage grossier s'est avérée instable dans le solveur non structuré YALES2. La nouvelle méthode alors développée consiste à transformer la méthode standard de déflation à deux niveaux de maillage en une méthode à trois niveaux. Cependant, le nombre élevé d'itérations sur le troisième niveau de maillage nouvellement créé ralentit le solveur, ce que nous avons rectifié grâce à deux méthodes développées particulièrement pour réduire le nombre d'itérations sur les niveaux grossiers. La première méthode est la création de solutions initiales grâce à une méthode de projection adaptée. La seconde consiste en une adaptation du critère de convergence sur les niveaux grossiers. Les résultats numériques sur des simulations massivement parallèles, avec le solveur à deux niveaux classique, montrent une réduction considérable du temps de calcul du solveur et une amélioration importante de sa scalabilité faible. L'application de ces techniques à la déflation à trois niveaux induit des gains supplémentaires en termes de temps de calcul. Outre le perfectionnement de ce solveur, des recherches supplémentaires doivent être conduites sur l'équilibrage dynamique de charges de calcul, qui pourrait devenir un développement-clé du solveur.