Les particules cométaires sont des témoins de l’évolution du système solaire, dont les caractéristiques peuvent être estimées à partir de la lumière qu’elles diffusent et émettent. Je montre qu’un modèle de diffusion lumineuse par un nuage d’agrégats fractals et de sphéroïdes permet d’interpréter, en fonction de la distribution en taille et des matériaux constitutifs, des observations polarimétriques en angle de phase et longueur d'onde. Le modèle est en particulier appliqué à la comète Hale-Bopp, et au milieu interplanétaire en modélisant aussi les observations thermiques. Je développe des outils de diffusion lumineuse (numériques et expérimentaux) pour analyser des agrégats analogues aux particules protoplanétaires qui seront formés avec ICAPS à bord de l’ISS. De façon complémentaire, une simulation expérimentale en vol parabolique avec PROGRA2 me permet de déterminer les propriétés physiques de microparticules d’intérêt astrophysique par des mesures polarimétriques.

Les particules cométaires sont des témoins de l'évolution du système solaire, dont les caractéristiques peuvent être estimées à partir de la lumière qu'elles diffusent et émettent.<br>Je montre qu'un modèle de diffusion lumineuse par un nuage d'agrégats fractals et de sphéroïdes permet d'interpréter, en fonction de la distribution en taille et des matériaux constitutifs, des observations polarimétriques en angle de phase et longueur d'onde. Le modèle est en particulier appliqué à la comète Hale-Bopp, et au milieu interplanétaire en modélisant aussi les observations thermiques.<br>Je développe des outils de diffusion lumineuse (numériques et expérimentaux) pour analyser des agrégats analogues aux particules protoplanétaires qui seront formés avec ICAPS à bord de l'ISS. De façon complémentaire, une simulation expérimentale en vol parabolique avec PROGRA2 me permet de déterminer les propriétés physiques de microparticules d'intérêt astrophysique par des mesures polarimétriques.

Afin de simuler la dispersion atmosphérique de polluants (scalaires passifs ou particules) et de<br />prédire les pics de pollution et les interactions entre particules (collisions, coalescence et fragmentation,<br />...), nous avons choisi d'utiliser une simulation des grandes échelles. Cette démarche est particulièrement intéressante pour simuler la dispersion, les réactions chimiques, les interactions entre particules et le mélange turbulent, parce qu'elle permet la prise en compte de l'évolution séparée des grandes échelles ne participant pas nécessairement à une dynamique modélisable simplement.<br />Cependant, de nombreux processus physico-chimiques ont lieu à une échelle beaucoup plus petite que l'échelle minimale résolue par la simulation des grandes échelles. Il est donc nécessaire de modéliser le comportement sous-maille du scalaire passif et des particules transportées. Pour ceci, la simulation des grandes échelles est couplée avec une équation stochastique de Langevin. Le modèle stochastique est reformulé en terme de grandeurs filtrées et il est exprimé uniquement en fonction des grandeurs obtenues par la simulation des grandes échelles. Ce couplage est appliqué à la simulation de la dispersion d'un panache de scalaire passif issu d'une source élevée. L'ensemble est confronté à l'expérience de Fackrell & Robins (1982).<br />L'équation de mouvement d'une sphère rigide dans un écoulement turbulent est introduite. Des particules solides et des gouttelettes sont suivies. Dans l'équation de transport des particules par un écoulement non uniforme, la vitesse du fluide à la position de la particule est donnée par une partie grande échelle et une partie sous-maille. La vitesse sous-maille des particules est déterminée par analogie avec le modèle stochastique de sous-maille pour le scalaire passif. La modification de l'écoulement par la présence des particules ainsi que les collisions interparticulaires sont prises en compte. L'ensemble est confronté aux expériences de laboratoire de Nalpanis et al. (1993) et de Tanière et al. (1997) relatives au transport de particules de sable et à l'érosion éolienne.<br />Un modèle probabiliste de coalescence et de fragmentation, inspiré du modèle stochastique de<br />fragmentation de Apte et al. (2003), est développé. On considère le phénomène de coalescence et<br />fragmentation sous l'hypothèse de symétrie d'échelle, initialement proposée par Kolmogorov (1941).<br />Dans ces conditions, l'évolution de la distribution de taille des gouttelettes satisfait une équation de<br />Fokker-Planck. A chaque pas de temps, la distribution de taille des gouttelettes au sein de la maille est donnée par la solution de cette équation. Les paramètres du modèle sont calculés de manière locale et instantanée, en fonction de la dynamique des gouttelettes. Au sein de chaque maille, la conservation<br />de la masse est appliquée. Le modèle est développé pour une turbulence homogène isotrope et confronée<br />aux résultats de Ho & Sommerfeld (2002) pour le seul cas de la coalescence, a ceux de Apte et al. (2003) pour la fragmentation et à ceux de Lasheras et al. (1998) pour un cas mixte. Une fois la validation terminée, le modèle est introduit dans la simulation des grandes échelles et l'ensemble est appliqué à la dispersion d'un panache de gouttelettes. Les résultats sont comparés aux profils expérimentaux relatifs à un scalaire passif. Il est en effet diffcile d'obtenir des données complètes, relatives au transport atmosphérique de gouttelettes.<br />Afin de mieux comprendre les mécanismes de transport des particules solides ou liquides dans un<br />écoulement de couche limite, l'évolution d'un ensemble de particules qui initialement sont distribuées uniformément dans l'écoulement, est étudiée. Ce cas test simple représente une première approche dans la comprehension des phénomènes ayant lieu à l'intérieur des vents de sable ou lorsque un brouillard<br />se lève sous les effets du vent. La taille et la périodicité des zones de concentration et sédimentation préférentielle sont répertoriées. Ces régions de forte concentration représentent un intérêt majeur pour l'étude de la pollution, car elles peuvent être à l'origine des pics de pollution dans une atmosphère peu polluée par ailleurs.

Les mécanismes de combustion dans des suspensions de fines particules solides dispersées dans un milieu gazeux sont étudiés en cherchant à corréler les caractéristiques d'explosion isochore aux conditions initiales existant dans le mélange au moment de l'allumage.<br />On étudie, en premier lieu, les mécanismes de génération d'une suspension de particules solides. Un montage spécifique a été réalisé, comprenant une chambre cylindrique transparente de section octogonale et de faible allongement (V=20l, L/D≡2,2). La dispersion des particules s'opère au moyen d'un écoulement turbulent créé par la décharge d'un réservoir auxiliaire. Les expériences ont été effectuées avec des mélanges amidon-air de concentrations inférieures à 400g/m3. Les enregistrements, par imagerie rapide, LDV et PIV, de l'évolution au cours du temps de l'état aérodynamique du milieu et de la répartition des particules dans l'enceinte indiquent que le délai nécessaire pour obtenir un mélange optimal (vitesse et intensité de turbulence minimales, concentration quasi-homogène) est compris entre 500 et 700ms.<br />On étudie, ensuite, les caractéristiques de combustion isochore de ces suspensions dans une chambre d'explosion de caractéristiques géométriques similaires à celle de l'enceinte précédente pouvant supporter des pressions de 50bar. A la richesse 1, la pression maximale d'explosion est de 5,8bar et la vitesse de combustion de 48cm/s. Ces valeurs diminuent lorsque l'intensité de turbulence initiale décroît.

Afin de mieux comprendre les mécanismes liés à l’érosion du sol sous l’effet du vent, le transport de particules solides dans un écoulement de couche limite turbulente à l’échelle d’une soufflerie est étudié à l’aide de simulations numériques. La présence d’une ou plusieurs collines Gaussiennes au sol permet d’étudier les effets de la topographie sur le transport, le dépôt et la réémission de particules solides. L’écoulement du fluide porteur est résolu par la Simulation des Grandes Échelles (SGE). Des modèles de paroi pour la vitesse du fluide sont implémentés afin de mieux représenter l’écoulement proche d’une colline. Le mouvement des particules est pris en compte par un suivi Lagrangien. Des modèles d’envol et de rebond sont développés et utilisés pour prendre en compte l’émission et l’impact au sol des particules. Dans la première partie, l’écoulement au-dessus de collines transversales est simulé et validé par des comparaisons avec différentes expériences. Selon Oke [1988], l’écoulement dans la canopée urbaine peut être schématiquement caractérisé par différents régimes en fonction du positionnement relatif des obstacles. Ce concept est appliqué au cas des dunes, assimilées à des collines dans notre étude. L’accent est mis sur la zone de recirculation (ZR) formée derrière ces collines. Les variations de la ZR sont examinées en fonction de différents paramètres dont la configuration des collines et le nombre de Reynolds. De plus, une étude portant sur la sous couche rugueuse est effectuée de façon à déterminer l’effet de la rugosité due à la couche de particules solides au sol. La seconde partie du travail porte sur la simulation des particules au-dessus des collines. L’objectif est l’amélioration des modélisations concernant l’envol, le rebond et le couplage entre le fluide et les particules. Un premier travail de validation est réalisé en utilisant le modèle complet de transport des particules solides. En particulier, l’évolution du flux d’émission des particules, estimé par le modèle d’envol, en fonction du nombre de Shields, donne des résultats comparables aux modèles classiques de saltation et aux expériences de la littérature. Au-dessus des collines, le transport des particules solides est étudié par des profils de concentration et de vitesse moyenne. Pour analyser les résultats, deux cartographies sont réalisées. La première donne l’intensité des événements locaux et instantanés qui seraient à l’origine de l’évacuation des particules piégées au sein de la ZR. La seconde montre la distribution des particules déposées au sol. Ces résultats permettent d’identifier des zones sujettes à l’érosion et à l’accumulation autour des collines. Enfin, les flux des particules piégées et déposées à l’intérieur de la ZR sont quantifiés et comparés aux flux des particules émises en amont. Ces flux, bien que faibles par rapport au flux entrant, contribueraient aux migrations des dunes et à l’avancée des déserts. / The transport of solid particles inside a laboratory-scale turbulent boundary-layer is studied by numerical simulations, to obtain a better understanding of the mechanisms associated with wind erosion of soil. The presence of one or several Gaussian hills allows a study of the topographic effects on the transport, deposition and re-emission of solid particles. The carrier fluid motion is resolved in a Large Eddy Simulation (LES). Wall models are implemented to better account for the effects of turbulent flow near the terrain. Particle trajectories are calculated using a Lagrangian tracking. Take-off and rebound models are developed in order to take into account particle emissions and impacts at the wall. In the first part, the flow over transversal Gaussian hills is simulated and validated by comparison with different experiments. According to Oke [1988], the flow inside an urban canopy can be schematically characterised into different flow regimes depending on the relative localisation of the obstacles at the ground. This concept is applied to the case of sand dunes, assimilated to 2D hills in this study. The focus is on the recirculation zone (RZ) on the lee side, which has the characteristic of increasing the residence time and the interaction fluid/particle in general, particle trapping and deposition in particular. The variations of RZ with different hill geometries and Reynolds numbers are examined. A study on the roughness sublayer is conducted in order to determine the roughness effects due to the layer of solid particles on the wall. The second part of the work is devoted to the simulation of solid particle transport over the Gaussian hills. The objective is to improve the modelling of particle take-off, rebound and the two-way coupling between the fluid and the particle. A first work of validation is conducted by using the complete model of solid particle transport developed in this thesis. In particular, the evolution of particle emission flux predicted by the take-off model is in accordance with classical saltation models and experiments from the literature. Over the Gaussian hills, analysis of particle transport is conducted using concentration and mean velocity fields. Two mappings are realised. The first indicates the intensity of the local and instantaneous flow structures that arguably regulate the re-entrainment of particles trapped inside the RZ. The second shows the accumulation of particles on the wall. These results highlight zones prone to wind erosion and particle deposition around the hills. Last but not least, the fluxes of particle trapping and deposition inside the RZ are quantified and compared to the incoming flux from upstream. These fluxes, albeit relatively weak in comparison to the incoming one, contribute potentially to dune migrations and desertification.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude du mouvement d'inclusions solides en suspension dans un écoulement turbulent de canal isotherme et anisotherme par simulation numérique directe. Grâce à cet outil de simulation, nous avons pu analyser l'influence de l'inertie et du croisement de trajectoires sur les caractéristiques dynamiques et thermiques de la phase dispersée ainsi que sur celles du fluide vu au sein d'une turbulence non homogène. Cela pourra notamment faciliter le développement futur des modélisations euléro-lagrangienne et euléro-eulérienne dans ce type de turbulence. Nous avons essayé d'examiner au mieux la conséquence de ces effets sur les statistiques de la phase dispersée telles que la concentration, la moyenne et l'écart type de la vitesse, les covariances fluide-particules, les corrélations triples de la vitesse des particules. Parallèlement à cela, les caractéristiques du fluide vu par les particules ont été étudiées, nous nous sommes intéressés à la vitesse de dérive, aux tensions de Reynolds du fluide vu, et la décorrélation temporelle des fluctuations de la vitesse du fluide vu. En ce qui concerne la partie thermique, nous présentons les statistiques thermiques de la phase dispersée et du fluide vu par les particules au sein de l'écoulement anisotherme vertical descendant. Tous ces aspects sont développés en gardant à l'esprit le cadre général de cette étude, c'est-à-dire comprendre le comportement thermique de la phase dispersée et fournir des informations concernant des grandeurs importantes intervenant dans la modélisation de tels écoulements.

Les particules cométaires sont des témoins de l’évolution du système solaire, dont les caractéristiques peuvent être estimées à partir de la lumière qu’elles diffusent et émettent.<p>Je montre qu’un modèle de diffusion lumineuse par un nuage d’agrégats fractals et de sphéroïdes permet d’interpréter, en fonction de la distribution en taille et des matériaux constitutifs, des observations polarimétriques en angle de phase et longueur d'onde. Le modèle est en particulier appliqué à la comète Hale-Bopp, et au milieu interplanétaire en modélisant aussi les observations thermiques.<p>Je développe des outils de diffusion lumineuse (numériques et expérimentaux) pour analyser des agrégats analogues aux particules protoplanétaires qui seront formés avec ICAPS à bord de l’ISS. De façon complémentaire, une simulation expérimentale en vol parabolique avec PROGRA2 me permet de déterminer les propriétés physiques de microparticules d’intérêt astrophysique par des mesures polarimétriques.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min. / Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one.