Le micro-écaillage est un mode de ruine apparaissant lorsqu'un matériau est soumis à une onde de choc non-soutenue suffisamment intense pour provoquer sa fusion. Les contraintes de traction générées à la réflexion de cette onde sur une surface libre se développent alors au sein d'un milieu liquide. Il en résulte un processus de fragmentation dynamique qui conduit à la création d'un nuage de fines gouttelettes. L'objectif de ce travail de thèse a consisté à étudier ce phénomène afin d'en proposer une modélisation physique, permettant en particulier une description du nuage de particules (distributions de tailles, de vitesses, état du liquide qui les compose). Le matériau retenu pour cette étude est l'étain. Le programme expérimental a permis de constituer une base de données de référence sur le micro-écaillage. Il a comporté des expériences d'impact de plaques et de choc laser permettant de réunir les conditions d'apparition du phénomène avec la mise en oeuvre de diagnostics variés et complémentaires.<br /><br />Une première approche théorique et numérique concerne la modélisation de la fragmentation dynamique au sein des liquides, et plus particulièrement la prédiction de la taille des gouttelettes générées. L'analyse de modèles existants fondés sur une approche énergétique globale, qui fournissent des ordres de grandeurs réalistes, conduit à la formulation d'un critère de fragmentation approprié au micro-écaillage finalement implémenté dans un code de calcul hydrodynamique. Les résultats des simulations réalisées apportent ainsi une première description du nuage micro-écaillé. En parallèle, une seconde approche de modélisation a pour objectif de mieux cerner les mécanismes physiques élémentaires mis en jeu lors du micro-écaillage. Motivée par des observations expérimentales, l'étude micro-mécanique d'une sphère creuse constituée d'étain liquide en expansion dynamique a pour but de décrire l'évolution de la cavitation au sein des métaux liquides et d'en déduire les conditions pour lesquelles celle-ci peut effectivement conduire à leur fragmentation. Certains résultats quantifiés de cette étude confortent les prédictions du modèle de fragmentation fondé sur une approche énergétique globale. Ces contributions pourront être mises à profit pour la construction d'une modélisation physique approfondie de la fragmentation des liquides.

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.