Actuellement, les codes de calcul de composants thermohydrauliques de réacteurs nucléaires du CEA et d'EDF utilisent des modèles physiques diphasiques de mélange à 3 ou 4 équations. Or, il existe un fort besoin industriel pour des modèles physiques plus sophistiqués tels que le modèle diphasique à 6 équations voire des modèles multichamps. Par ailleurs, le code système CATHARE du CEA, un des codes systèmes les plus utilisés aujourd'hui sur le plan international, utilise un modèle physique diphasique à 6 équations et un schéma numérique semi-implicite de type ICE à maillages décalés. Le schéma de CATHARE est connu pour sa robustesse dans une large gamme de configurations d'écoulement. En s'inspirant de l'expérience de CATHARE, on propose de mettre en œuvre un schéma volumes finis colocalisés de type « pressure based ». Le but est d'obtenir un décentrement des flux qui assure la robustesse du schéma tout en gardant une bonne précision. De plus, le fait de pouvoir utiliser des maillages colocalisés (structurés ou non-structurés) permet de traiter de différentes configurations complexes de cœur de réacteurs et de réaliser des calculs fin d'inter assemblage. Le schéma doit conserver exactement la masse et l'énergie et la solution numérique doit converger lorsque l'on raffine le maillage. Le schéma doit être capable de traiter des cas d'apparition et de disparition des phases, par exemple le cas de la colonne bouillante où il y a changement de phase dû au transfert de chaleur, des cas de tuyères avec changement de phase dû à un élargissement ou un rétrécissement brusque, ou de séparation de phase par gravité. En outre le schéma doit être capable de traiter des configurations de calcul à faible nombre de Mach, par exemple le cas du renoyage d'un cœur de réacteur. L'objet de la thèse consistera à développer une méthode Volumes Finis co-localisés (dans l'esprit de Ghidaglia et al.) et la direction d'investigation s'inspirera des travaux de Jeong et al. qui a conduit au code CUPID. Références. Ghidaglia, J. M., Kumbaro, A., & Le Coq, G. (2001). On the numerical solution to two fluid models via a cell centered finite volume method. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 20(6), 841-867. Jeong, J. J., Yoon, H. Y., Cho, H. K., Kim, J., & Park, I. K. (2008). A semi-implicit numerical scheme for a transient two-fluid three-field model on an unstructured grid. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35(5), 597-605. / Currently, there is a strong industrial need for sophisticated physical models such as the two-phase model with 6 equations or multi-field models for the thermo-hydraulic calculation of nuclear reactor components. In addition, the system code CATHARE of CEA, one of the most utilized system codes at the international level, employs a two-phase 6 equations and a semi-implicit numerical scheme of ICE type on staggered grids. The code CATHARE is known for its robustness in a wide range of flow configurations. Drawing on the experience of CATHARE, we propose to implement a collocated finite volume pressure based scheme. The aim is to obtain a decentering of flux which ensures the robustness of the scheme while keeping good accuracy. In addition, being able to use collocated grids (structured or unstructured) can handle different complex configurations. The scheme should conserve exactly the mass and energy and the numerical solution needs to converge when the mesh is refined. The scheme should be able to handle cases of phase appearance and disappearance, for example in the case of boiling column where phase change is due to heat transfer, the case of nozzles with phase change due to a widening or abrupt narrowing, or phase separation by gravity. In addition the scheme should be capable of calculation configurations at low Mach number. The purpose is to develop a co-located Finite Volume method (in the spirit of Ghidaglia et al.) And direction of investigation is build on work of Jeong et al. which led to CUPID code. References: Ghidaglia, J. M., Kumbaro, A., & Le Coq, G. (2001). On the numerical solution to two fluid models via a cell centered finite volume method. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 20(6), 841-867. Jeong, J. J., Yoon, H. Y., Cho, H. K., Kim, J., & Park, I. K. (2008). A semi-implicit numerical scheme for a transient two-fluid three-field model on an unstructured grid. International Communications in Heat and Mass Transfer, 35(5), 597-605.

La gazéification de biomasse lignocellulosique en biogaz fait partie des technologies attractives permettant de s’affranchir des énergies fossiles et de valoriser les déchets agricoles ou forestiers. Néanmoins, le développement de cette technologie est freiné par son rendement énergétique faible et la production de polluants (CO2, NOx…). La pyrolyse/gazéification par voie solaire permettrait alors de pallier certains de ces inconvénients (énergie propre et gratuite, process à haute température produisant moins de polluants). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une approche expérimentale et numérique afin de maîtriser les procédés de pyrolyse/gazéification de copeaux de bois pour mieux appréhender le développement de la gazéification solaire. D’abord, un travail détaillé de caractérisation des copeaux de bois a été réalisé, alliant diverses analyses des échantillons mais aussi des analyses basées sur l’utilisation d’images tomographiques au rayon X pour déterminer les propriétés morphologiques et, par simulation numérique, les propriétés effectives de transport des copeaux de bois. Ensuite, des essais avec un four-réacteur à échelle laboratoire ont été réalisés pour étudier le séchage, la pyrolyse et la gazéification des copeaux de bois. Ces essais nous ont permis d’étudier l’influence de paramètres comme la température en séchage et en pyrolyse ou le débit de vapeur d’eau en gazéification. En parallèle, un modèle multi-physique pour la simulation de la pyrolyse a été développé. Cet outil a permis une étude détaillé des phénomènes mis en jeu et, in fine, permettrait d’optimiser le système. Enfin, le design d’un gazéifieur solaire a été réalisé. / Thermochemical conversion of lignocellulosic biomass belongs to attractive technologies which are viable routes to reduce reliance on fossil energy and to enhance carbon conversion efficiency. Nevertheless, classical gasification process via autothermal combustion of biomass presents severe drawbacks as bad yield and produced important pollutants. Solar concentrated energy enables high temperature reactions with reduced contaminating gas and higher yield. In this context, this thesis aims at developing experimental and numerical approaches to study detailed mechanism of pyrolysis and gasification processes of wood chips packed bed which are key step toward designing efficient solar gasifier. In a first time, inner properties of wood (initial composition and thermal decomposition) were studied via ultimate and proximate analyzes. Structural and morphological properties of wood chips were computed using image analysis. Effective mass and heat transport properties of the packed bed were assessed via direct numerical simulation combined with X-ray tomographic images. Then a laboratory scale device enabling to characterize pyrolysis and gasification kinetics and gas production was developed. The aim of this experimental work was to understand the impact of parameters such as drying and pyrolysis temperatures, and the steam flow rate during gasification. A multiphysical model of pyrolysis of wood chips packed bed was also developed. It allowed to perform detailed study of pyrolysis physics and in fine it will allow optimizing the pyrolysis/gasification process. Finally, a first design for a solar gasifier was reported and constitutes the basis of further studies.

Le traitement thermique des aciers après chauffage par induction localisé est un procédé aujourd'hui répandu, notamment dans l'industrie automobile. Ce type de procédés a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais les distorsions générées sont encore parfois insuffisamment maîtrisées lorsqu'il s'agit de tôles minces. PSA-Peugeot-Citroën s'intéresse alors à l'étude et la compréhension des phénomènes en jeu ainsi qu'à la simulation numérique de tels procédés. C'est alors dans cette démarche et dans le cadre d'un partenariat entre le Cemef et PSA, que s'inscrit ce travail appliqué au traitement thermique d'un renfort de pied central. Un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique, de la métallurgie, de l'électromagnétisme, ainsi que de leurs interactions mutuelles au chauffage comme au refroidissement. Ce travail se trouve alors au carrefour de plusieurs disciplines comme la thermomécanique et l'électromagnétisme, ainsi que les méthodes numériques et l'étude expérimentale. Il fait suite à divers travaux réalisés au laboratoire concernant la thermique ou la mécanique, ainsi qu'une thèse précédente portant sur la modélisation numérique couplée de la trempe. Il constitue également la première approche 3D des procédés de chauffage par induction et des couplages multi physiques qui en découlent. La présentation de ce travail se décompose en 3 grandes parties. Premièrement, on décrit le contexte industriel, la problématique et l'historique de l'étude du procédé, pour en arriver aux études expérimentales réalisées dans ce travail : une porte sur le procédé industriel et l'autre sur un modèle simplifié que nous avons conçu pour une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui génèrent les distorsions. Ces études expérimentales, riches en résultats, soulignent la nécessité d'un outil numérique pour aller encore plus loin dans la compréhension physique du procédé. Nous poursuivons alors sur trois chapitres présentant les modèles numériques par éléments finis, développés et utilisés dans le code de calcul pour simuler les problèmes couplés : thermique / électromagnétisme, mécanique / métallurgie et l'ensemble de la structure couplée. La troisième et dernière partie du rapport traite, d'une part, de la mise en donnée d'un cas semi-industriel ainsi que de la caractérisation des paramètres, et d'autre part, des résultats numériques obtenus et de leur comparaison avec les résultats expérimentaux. Le modèle développé permet d'estimer dans une première approche les distorsions subies par une structure mince lors de son traitement thermique localisé par induction. Le code de calcul actuel forme une base solide pour de futures évolutions permettant de simuler des problèmes industriels complexes.

Ce travail porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du traitement thermique des aciers. La simulation numérique d'un procédé aussi complexe nécessite la compréhension de la thermique, de la mécanique et de la métallurgie ainsi que de leurs interactions pendant tout le refroidissement. Cette étude se trouve au carrefour de plusieurs disciplines comme le numérique, la mécanique et la métallurgie. Dans le but de réaliser une étude complète, cette étude fait suite à de précédents travaux dans chacune des disciplines nommées, et a pour but de faire converger les connaissances dans ces domaines pour réaliser l'ensemble des couplages nécessaires pour une représentation réaliste du procédé. C'est tout naturellement que ce travail se décompose principalement en trois parties :<br/> Premièrement les méthodes numériques employées pour la résolution du problème thermomécanique sont décrites. Le modèle thermomécanique repose sur une loi de comportement thermo-élasto-viscoplastique additive à écrouissage isotrope et cinématique. Le modèle éléments finis est basé sur un traitement original de l'élément P1+/P1 dans le but de réduire le temps de calcul tout en conservant l'ordre d'interpolation de l'élément. Le couplage thermomécanique est un couplage alterné par incrément de type Gauss-Seidel. Ce couplage est géré par une gestion automatique du pas de temps pour assurer la convergence globale du système.<br/>Dans une deuxième étape, nous avons intégré un modèle de calcul des évolutions des cinétiques de transformation de phases au cours du refroidissement de pièces présentant un gradient de teneur en carbone.<br/>Finalement, nous avons développé les couplages métallurgie-thermomécanique, et l'ensemble de ces interactions est validé sur des géométries cylindriques. Enfin, au dernier chapitre nous présentons la confrontation modèle-expérience sur deux types d'application. Premièrement dans le cas de refroidissement naturel d'un coupon de rail, et deuxièmement sur la trempe d'un pignon automobile cémenté.<br/>La stratégie du modèle couplé permet d'envisager des simulations pour des cas industriels de la phase de refroidissement et de trempe du procédé de traitement thermique.

Dans un contexte environnemental fort, la législation Européenne actuelle impose aux centrales thermiques à gaz des limites d'émission à 25 ppmvd pour le monoxyde de carbone (CO) et les oxydes d'azote (NOx). L'exploitant est alors contraint de régler finement ses machines pour éviter l'imposition de pénalités financières. Afin d'orienter les opérateurs vers les réglages optimaux, un outil numérique est développé. Il a pour but de prédire les émissions polluantes avec précision (quelques ppmvd), rapidité (utilisation sur site) et pour toutes sortes de configurations (géométrie, conditions de fonctionnement). Toutefois, modéliser et simuler la formation d'espèces minoritaires dans un écoulement turbulent réactif reste, aujourd'hui encore, un challenge scientifique et numérique en raison des larges spectres spatiaux et temporels mis en jeu. La solution proposée dans cette thèse consiste à réaliser un calcul CFD (Computational Fluid Dynamics) basé sur un mécanisme réactionnel simple en vue de construire un réseau de réacteurs 0D incluant une cinétique chimique détaillée. Une méthodologie générale est présentée pour le découpage de l'écoulement en zones statistiquement homogènes qui, une fois connectées, forment un réseau de réacteurs. Deux modèles de réseaux de réacteurs sont définis et prennent ou non en compte les fluctuations turbulentes (densité de probabilité) et une distribution des temps de séjour dans chaque réacteur. Des études de sensibilité des émissions de NOx à l'hygrométrie, à la variabilité combustible et aux changements de charge sont menées. La comparaison aux mesures sur site souligne la représentativité des modèles proposés. Enfin, une nouvelle modélisation du terme source chimique moyen est introduite (méthode de tabulation du terme source chimique et nouvelle densité de probabilité) pour permettre une prédiction affinée des émissions de NOx dès le calcul CFD.

Analyse et simulation numérique d'écoulements supersoniques réactifs. Étude de la stabilisation d'une flamme par effet Mach au sein d'un écoulement air-hydrogène prémélangé bidimensionnel. Analyse phénoménologique des conditions d'allumage et de stabilisation d'une flamme à l'aval d'un système stationnaire d'ondes de choc ; cette analyse montre qu'il faut tenir compte de la réaction chimique dans la structure considérée. Exploration de méthodes de résolution des équations de la cinétique chimique complexe explosive air-hydrogène ; analyse de la stabilité de ces méthodes.

Afin de continuer l'amélioration des performances du transistor MOSFET à l'échelle décananométrique, la recherche en microélectronique explore différentes solutions. Les travaux menés au cours de cette thèse se sont plus particulièrement orientés vers l'étude de transistors innovants avec une architecture Double-Grille (DGMOSFET) et l'utilisation de “nouveaux” matériaux tels que les diélectriques de grille à forte permittivité dits “high-κ” et les semiconducteurs à forte mobilité intrinsèque (Ge et III-V). Grâce au développement de codes de simulation numérique basés sur la résolution auto-cohérente du couple d'équations Poisson-Schrödinger ou en utilisant le formalisme des fonctions de Green (NEGF), nous étudions le comportement électrique de différentes structures. Dans un premier temps, le fonctionnement des capacités Métal-Isolant-Semiconducteur et Métal-Isolant-Métal est simulé afin d'évaluer l'influence des propriétés des matériaux innovants et de la composition de l'empilement de grille sur les caractéristiques capacité-tension et sur le courant de fuite tunnel à travers la grille. Puis, les performances en termes de courant de drain face à la réduction de la longueur de grille (effets électrostatiques) et de l'épaisseur du canal de conduction (effet de confinement quantique) sont comparées dans le transistor MOS Double-Grille (à grilles indépendantes ou connectées) avec plusieurs matériaux aux propriétés très différentes (Si, Ge, GaAs et In0.53Ga0.47As). Enfin, nous avons développé une approche simplifiée (modélisation compacte) pour le calcul du courant de drain en dérive-diffusion ou balistique dans les transistors MOS Double-Grille à grilles indépendantes, validée par nos codes de simulation numérique.

En aéronautique, l'élaboration via des pré-imprégnés n'est pas toujours adaptées àla fabrication de nouvelles pièces de formes complexes ou de grandes dimensions. Desprocédés directs existent, dénommés Liquid Composites Molding (LCM), tels que leResin Transfer Moulding (RTM) ou les procédés d'infusion de résine, comme le LiquidResin Infusion (LRI) et le Resin Film Infusion (RFI). Actuellement, environ 5 à 10%des pièces composites sont fabriqués par ces procédés directs. Avec le procédé RTM,les tolérances dimensionnelles et la porosité peuvent être maîtrisées et on peut atteindredes pièces haute qualité, mais son industrialisation est complexe et les modèlesmécaniques doivent être améliorés pour réaliser des simulations représentatives. Parcontre, les procédés d'infusion peuvent être utilisés dans des conditions plus flexibles,par exemple, dans des moules ouverts à sac vide en nylon ou silicone, à faible coût. Parconséquent, les procédés de LRI et RFI sont particulièrement adaptés pour les petites etmoyennes entreprises car les investissements sont plus faibles par rapport à d'autresprocédés de fabrication.Les procédés par infusion de résine LRI ou RFI sont basés sur l'écoulement d'unerésine liquide (pour RFI, après le cycle de température, la résine solide obtenir son étatliquide) à travers l'épaisseur d'un renfort fibreux sec dénommé préforme.L'optimisation du procédé est difficile à réaliser car le volume de la préforme changefortement pendant le procédé car elle est soumise à une pression extérieure et qu'il n'ya pas de contre-moule. Pour optimiser les paramètres de fabrication des matériauxcomposites par infusion de résine, il est nécessaire de mettre en oeuvre un modèlenumérique. Récemment, une modélisation de l'écoulement d'un fluide isotherme dansun milieu poreux compressible a été développée par P. Celle [1]. Avec ce modèlenumérique, nous avons simulé des cas test en 2D pour des géométries industriellesclassiques. Pour valider ce modèle numérique, des essais d'infusion d'une plaque par leprocédé LRI dans des conditions industrielles ont été réalisés. D'une part, la simulationnumérique permet de calculer le temps de remplissage, l'épaisseur de la préforme et lamasse de la résine durant l'infusion. D'autre part, nous avons suivi de procédéexpérimentalement par des micro-thermocouples, la fibre optique et la projection defranges. Un des points clefs de l'approche expérimentale est que l'écoulement de larésine et le comportement de la préforme dépendent intrinsèquement de paramètres quiévoluent pendant l'infusion de la résine, tels que la variation de l'épaisseur, le temps deremplissage et le taux volumique de fibres, via la perméabilité. Enfin, une comparaisonentre les résultats expérimentaux et la simulation numérique permet de valider lemodèle numérique. Cette confrontation des résultats permettra de mettre en lumière lesdifficultés et les limites de ce modèle numérique, afin d'améliorer les futurs modèles.De plus, ces deux approches constituent un bon moyen d'étudier et d'approfondir nosconnaissances sur les procédés d'infusion de résine, tout en développant un outil desimulation indispensable à la conception de pièces composites avancées.

Dans le domaine de la modélisation du brouillard ou des nuages bas, la compréhension précise des interactions complexes entre la turbulence, la microphysique, et le rayonnement reste un enjeu majeur pour améliorer la prévision numérique. Si l'amélioration de la modélisation du brouillard est un enjeu important pour la prévision dans le domaine du transport, elle l'est aussi dans le domaine industriel en raison de ses rejets atmosphériques (aéroréfrigérants industriels, brouillards pollués . . . ). La version 1D de Code_Saturne a été utilisée pour la simulation du brouillard sur les données de la campagne ParisFog réalisée sur le site du SIRTA pendant l'hiver 2006-2007. La simulation des cas observés a permis de montrer que le modèle était capable de reproduire correctement les principaux processus mis en jeu dans le brouillard depuis sa formation jusqu'à sa dissipation. Une étude de sensibilité aux différentes paramétrisations physiques choisies a montré que la dynamique du brouillard est particulièrement sensible à la fermeture turbulente, la teneur en eau à la sédimentation, et le spectre des gouttes au schéma de nucléation. La mise en oeuvre de Code_Saturne 1D sur une longue période en mode prédictif a montré la robustesse de nos choix et l'apport du couplage par nudging avec un modèle de méso-échelle à 36 heures d'échéance. La version 3D de Code_Saturne nous a permis d'étudier l'effet des hétérogénéités spatiales du site SIRTA sur la formation du brouillard. Dans un premier temps, les calculs ont été effectués sur le site considéré comme homogène horizontalement, sans la prise en compte des hétérogénéités. Il s'agissait ici de comparer la version 3D de Code_Saturne en mode RANS avec l'ensemble des paramétrisations physiques concernant le brouillard avec la version 1D. Ensuite, les effets de la prise en compte de la rugosité, des zones boisées et des bâtiments ont été étudiés.

Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal ! De ceci résulte la question à la base de ce travail : « Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ? » Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables. Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).