Nous étudions la propagation d'une impulsion lumineuse à<br />travers un milieu diffusant. La propagation peut être décrite<br />par l'équation de transfert radiatif en régime dynamique<br />(ETR). Nous proposons une méthode de résolution en<br />géometrie plane. Elle consiste à appliquer la méthode<br />des ordonnées discrètes dans le domaine fréquentiel de<br />l'ETR. Nous calculons ainsi le flux d'énergie directionnel<br />transmis et rétrodiffuse en fonction du temps et de l'angle.<br /><br />Dans la seconde partie, nous étudions la validité de<br />l'approximation de la diffusion. Cependant, l'expression théorique<br />du coefficient D en milieu absorbant varie selon l'approche<br />adoptée. Une nouvelle approche fondée sur l'analyse du mode<br />fondamental de l'ETR est développée. Sans faire aucune<br />hypothèse concernant le niveau d'absorption, nous obtenons une<br />nouvelle définition et interprétation de D. <br /><br />La troisième partie est consacrée à l'étude de la<br />transition entre le regime balistique et le regime<br />diffusif. Nous montrons que les reflexions internes jouent un<br />rôle important pour les systèmes à faible épaisseur<br />optique. Nous montrons ainsi que le régime diffusif est atteint<br />aux temps longs, pour des systèmes de taille 8L ou L est la<br />longueur de transport. <br /><br />Enfin, dans la derniere partie, nous modélisons la<br />corrélation temporelle du signal diffuse. Deux théories<br />(QELS et DWS) permettent de modéliser respectivement le signal en<br />diffusion simple et en régime diffusif. Nous avons<br />développe un modèle décrivant les deux régimes<br />ainsi que le régime intermédiaire. Le modèle est fondé<br />sur une approche de type marche au hasard et sur la résolution de<br />l'équation de transfert radiatif dynamique. Ce modèle a permis<br />de décrire des expériences récentes de mesures de<br />fluctuations temporelles de champs et d'intensite dans le<br />régime de diffusion multiple intermédiaire.

Cette Thèse est consacrée à la modélisation de la signature dans l'ultraviolet "Solar Blind" d'un jet de propulseur à chargement solide composite aluminisé. Le rayonnement ultraviolet émis par ce type de jet provient de l'émission de chimiluminescence des espèces gazeuses et de l'absorption et de la diffusion des particules d'alumine. Afin de prendre en compte la diffusion qui est à l'origine d'un couplage entre les directions de propagation du rayonnement, un modèle de transfert radiatif 3D adapté aux problèmes atmosphériques, est étendu aux jets : la méthode des ordonnées discrètes et des harmoniques sphériques (SHDOM). Les harmoniques sphériques permettent de réduire le temps de calcul de l'intégrale de diffusion par rapport à une méthode des ordonnées discrètes classique, tandis que l'équation de transfert radiatif est intégrée le long des ordonnées discrètes. Le modèle SHDOM, développé à l'origine pour les milieux 3D nuageux, est adapté de façon à prendre en compte les spécificités des jets de moteurs-fusées (composition et géométrie) dans l'ultraviolet. L'émission de chimiluminescence des gaz, attribuée à la recombinaison radiative de CO et de O, est évaluée à partir de mesures issues de la littérature. Par ailleurs, les propriétés optiques des particules sont étudiées en fonction de leur granulométrie et de leur indice complexe de réfraction. Une synthèse bibliographique permet d'estimer la valeur de ces paramètres. Afin de mettre en évidence l'influence des particules sur la signature des jets, des cas tests sont effectués dans des milieux cylindriques représentatifs des jets. Enfin, des comparaisons entre des calculs et des mesures de signatures sont réalisées.

Afin de modéliser l'absorption dans le traitement des transferts radiatifs en milieu atmosphérique, de nombreuses méthodes plus précises et plus rapides ont été développées. La modélisation de la formation du brouillard, où le rayonnement infrarouge joue un rôle très important, nécessite des méthodes numériques suffisamment précises pour calculer le taux de refroidissement. Le brouillard radatif se forme après des conditions de ciel clair, où l'absorption est le processus radiatif dominant, en raison d'un fort refroidissement nocturne. Avec l'augmentation des ressources de calcul et le développement du Calcul Haute Performance, les modèles à bandes, pour effectuer l'intégration sur la longueur des grandeurs radiométriques, sont les plus utilisés. Toutefois, le couplage entre les transferts radiatifs 3-D et la dynamique des fluides reste très coûteux en temps de calcul. Le rayonnement augmente d'environ cinquante pourcent le temps de la simulation pour la dynamique des fluides uniquement. Pour réduire le temps passé dans une itération radiative, une nouvelle paramétrization basée sur les modèles en émissivité a été développée. Cette approche nécessite seulement une résolution de l'ETR contre $N_{text{bandes}} times N_{text{gauss}}$ pour un modèle à $N_{text{bandes}}$ avec $N_{text{gauss}}$ points de quadratures sur chaque bande. Une comparaison avec des données de simulation a été effectuée et cette nouvelle paramétrisation de l'absorption infrarouge a montré sa capacité à prendre en compte les variations des concentrations gazeuses et d'eau liquide. Une étude à travers le couplage entre le modèle développé et le code de CFD Code_Saturne a été réalisée afin valider dynamiquement notre paramétrisation. Enfin une simulation exploratoire a été effectuée sur un domaine 3-D en présence de bâti idéalisé, pour capter les effets radiatifs 3-D dûs aux hétérogénéités horizontales du champ d'eau liquide et des bâtiments / The Atmospheric Radiation field has seen the development of more accurate and faster methods to take into account absorption. Modelling fog formation, where Infrared Radiation is involved, requires accurate methods to compute cooling rates. Radiative fog appears with clear sky condition due to a significant cooling during the night where absorption is the dominant processus. Thanks to High Performance Computing, multi-spectral approaches of Radiative Transfer Equation resolution are often used. Nevertheless, the coupling of three-dimensional radiative transfer with fluid dynamics is very computationally expensive. Radiation increases the computation time by around fifty percent over the pure Computational Fluid Dynamics simulation. To reduce the time spent in radiation calculations, a new method using the broadband emissivity has been developed to compute an equivalent absorption coefficient (spectrally integrated). Only one resolution of Radiative Transfer Equation is needed against $N_{text{band}} times N_{text{gauss}}$ for an $N_{text{band}}$ model with $N_{text{gauss}}$ quadrature points on each band. A comparison with simulation data has been done and the new parameterization of Radiative properties shows the ability to handle variations of gases concentrations and liquid water. A dynamical study through the coupling between the infrared radiation model and Code_Saturne has been done to validate our parametrization. Finally the model was tested on a 3-D domain with idealized buildings to catch 3-D infrared radiative effects due to horizontally inhomogenities of the liquid water content field and buildings

Dans les fours de raffinerie, l'efficacité du transfert énergétique vers le pétrole brut avant sa distillation est altérée par la formation d'un composé carboné dans les tubes, appelé coke. Cela conduit à l'augmentation des coûts de production et de maintenance, et exige une compréhension accrue ainsi qu'un meilleur contrôle de ce phénomène. Cet encrassement est de type chimique et induit par les fortes températures. Dans les fours de cette dimension, le transfert de chaleur s'effectue principalement par rayonnement des produits de combustion. Le flux radiatif net sur les surfaces d'échange des tubes dépend de la température de toutes les surfaces solides et a donc besoin d'être prédit avec une précision suffisante. La température sur les tubes est le résultat d'un équilibre entre le rayonnement thermique et la conduction. Le comportement thermique de l'ensemble du système est un problème de couplage entre le rayonnement et la conduction. Une méthodologie complète de couplage est exposée et validée de la manière suivante. Dans ce problème, la flamme est décrite par un modèle analytique axisymétrique avec chimie complexe. Le couplage avec la conduction dans les tubes est réalisé par l'utilisation d'une méthode aux ordonnées discrètes (DOM) avec un modèle spectral de type bandes étroites pour le rayonnement des gaz de combustion. Un bilan énergétique confirme que les transferts de chaleur sont dominés par le rayonnement thermique. Un bon accord avec les mesures disponibles sur un four réel montre que l'approche proposée est capable de prédire le rayonnement thermique. L'étape suivante consiste à coupler le calcul de la température du tube à une loi d'encrassement. Un modèle chimique simple est utilisé. Il est validé à l'aide d'une expérience de laboratoire. La comparaison entre les températures obtenues avec la simulation et celles mesurées par des sondes thermiques montre que la simulation est capable de capturer l'évolution de la température dans le tube avec précision. Enfin, un modèle d'encrassement pour la configuration réelle est trouvé puis appliqué dans une simulation couplée complète. Cette simulation montre un bon accord entre l'évolution de la température sur site et dans la simulation. Une analyse plus poussée est réalisée sur les profils de température, de flux radiatif et de dépôt de coke et montre l'impact de ce dépôt sur l'installation / In industrial refinery furnaces, the efficiency of the thermal transfer to heat crude oil before distillation is often altered by coke deposition inside the process pipes. This leads to increased production and maintenance costs, and requires better understanding and control. Crude oil fouling is a chemical reaction that is, at first order, thermally controlled. In such large furnaces, the predominant heat transfer process is thermal radiation by the hot combustion products, which directly heats the pipes. As radiation fluxes depend on temperature differences, the pipe surface temperature also plays an important role and needs to be predicted with sufficient accuracy. This temperature results from the energy balance between thermal radiation and conduction in the solid material of the pipe, meaning that the thermal behavior of the whole system is a coupled radiation-conduction problem. In this work, this problem is solved in a cylindrical furnace, using the Discrete Ordinate Method (DOM) with accurate spectral models for the radiation of combustion gases, described by a complex chemistry flame model, and coupled to heat conduction in the pipe to predict its wall temperature. An energy balance confirms that heat transfers are effectively dominated by thermal radiation. Good agreement with available measurements on a real furnace shows that the proposed approach is able to predict the heat transfer to the pipe. The method gives an accurate prediction of the radiative source term and temperature fields in the furnace and on the pipe surface, which are key parameters for liquid fouling inside the pipe. Although reasonably accurate results are obtained with simple models, they still can be easily improved by more sophisticated models for turbulence, combustion and radiation. The next step is to couple the calculation of the pipe temperature to a fouling law. Since exact composition of crude oil is not available, one needs to model coke deposition with simple fouling law. The idea is to model the deposition rate by a thermal resistance added to the heated pipe and allows to coupling the calculation of the pipe temperature to a fouling law. A simple chemical model is used, and validated against a labscale experiment, prior to apply it to a furnace configuration. Comparing the temperature obtained with the simulation to the temperature measured by thermal probes at selected locations shows that the simulation is able to capture the temperature variation at these points. It is shown that coking occurs when the temperature has remained high on both sides of the pipe for a sufficient length. We explain how to extract a fouling law in controlled condition when the deposit is induced by thermal stressing of the crude. Finally, the whole system, including radiation,conduction and deposition, is coupled. Results are compared to the real furnace and show relatively good agreement in terms of external skin pipe temperature prediction. This observation validates the methodology exposed in this script

La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente. / Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame

Dans les fours de raffinerie, l'efficacité du transfert énergétique vers le pétrole brut avant sa distillation est altérée par la formation d'un composé carboné dans les tubes, appelé coke. Cela conduit à l'augmentation des coûts de production et de maintenance, et exige une compréhension accrue ainsi qu'un meilleur contrôle de ce phénomène. Cet encrassement est de type chimique et induit par les fortes températures. Dans les fours de cette dimension, le transfert de chaleur s'effectue principalement par rayonnement des produits de combustion. Le flux radiatif net sur les surfaces d'échange des tubes dépend de la température de toutes les surfaces solides et a donc besoin d'être prédit avec une précision suffisante. La température sur les tubes est le résultat d'un équilibre entre le rayonnement thermique et la conduction. Le comportement thermique de l'ensemble du système est un problème de couplage entre le rayonnement et la conduction. Une méthodologie complète de couplage est exposée et validée de la manière suivante. Dans ce problème, la flamme est décrite par un modèle analytique axisymétrique avec chimie complexe. Le couplage avec la conduction dans les tubes est réalisé par l'utilisation d'une méthode aux ordonnées discrètes (DOM) avec un modèle spectral de type bandes étroites pour le rayonnement des gaz de combustion. Un bilan énergétique confirme que les transferts de chaleur sont dominés par le rayonnement thermique. Un bon accord avec les mesures disponibles sur un four réel montre que l'approche proposée est capable de prédire le rayonnement thermique. L'étape suivante consiste à coupler le calcul de la température du tube à une loi d'encrassement. Un modèle chimique simple est utilisé. Il est validé à l'aide d'une expérience de laboratoire. La comparaison entre les températures obtenues avec la simulation et celles mesurées par des sondes thermiques montre que la simulation est capable de capturer l'évolution de la température dans le tube avec précision. Enfin, un modèle d'encrassement pour la configuration réelle est trouvé puis appliqué dans une simulation couplée complète. Cette simulation montre un bon accord entre l'évolution de la température sur site et dans la simulation. Une analyse plus poussée est réalisée sur les profils de température, de flux radiatif et de dépôt de coke et montre l'impact de ce dépôt sur l'installation.

L'étude de la propagation de la lumière à travers un milieu diffusant est un sujet de recherche d'une portée à la fois fondamentale et appliquée : - fondamentale pour l'étude des phénomènes de transport en général; - et appliquée par exemple pour évaluer les propriétés radiatives de revêtements (comme des peintures diffusantes), pour faire de l'imagerie à travers un milieu diffusant (tissus vivants) etc... De manière générale, la lumière est diffusée (scattered en anglais) lorsqu'elle se propage dans un milieu hétérogène. Du point de vue de la théorie électromagnétique, un milieu est dit hétérogène quand l'indice de réfraction varie spatialement. En principe, la solution exacte du problème s'obtient par la résolution numérique des équations de Maxwell, mais si le système hétérogène étudié dépasse en taille quelques longueurs d'onde, alors le nombre d'inconnues est beaucoup trop important pour que l'on puisse résoudre exactement le problème. Il est nécessaire de moyenner les propriétés de diffusion du système. Pour un milieu fortement diffusant, et de taille macroscopique, on peut décrire phénoménologiquement le transport de la lumière au moyen d'une équation de diffusion (diffusion en anglais) tout comme est décrit le transport de chaleur ou de masse. On peut aussi décrire le transport de la lumière au moyen d'une Equation de Transfert Radiatif (ETR) plus générale que l'équation de la diffusion. Cette équation, une fois résolue, donne des résultats qui sont en très bon accord avec l'expérience si les paramètres de cette équation sont correctement évalués.<br /><br />La majeure partie de cette thèse est consacrée à cet aspect : la détermination des paramètres de l'ETR pour un milieu contenant des particules de taille comparable à la longueur d'onde, aléatoirement disposées dans un milieu absorbant. Alors que les modèles pour l'obtention de ces paramètres décrits dans la littérature en présence d'absorption sont tous phénoménologiques, nous présentons une méthode basée sur une théorie de champ rigoureuse et qui permet de définir sans ambiguïté ces paramètres. Nous analysons par ailleurs le rôle des corrélations en milieu absorbant (diffusion dépendante).<br /><br />Nous nous intéressons aux milieux fortement chargés pour lesquels les corrélations sur les positions des diffuseurs jouent un rôle fondamental et rendent le calcul très complexe. Nous présentons les premiers pas d'une méthode numérique capable de prendre en compte toutes les corrélations entre les paires de particules, ce qui permet de calculer le coefficient d'extinction au delà de l'approximation de la diffusion indépendante.<br /><br />Enfin, nous cherchons à évaluer les propriétés radiatives d'un système couramment rencontré : celui d'une couche diffusante a la fois en surface et en volume. Nous étudions en particulier le rôle de la diffusion multiple entre l'interface rugueuse et le volume chargé.