L'influence de l'ajout d'hydrogène sur les flammes de premelange pauvre methane-air est simulée dans cette étude. Le modèle de la chambre a haute pression Orleans - ICARE (France), a été développé. Les propriétés du front de flamme sont examinées par deux modèles de combustion turbulente prémélangée, à savoir Zimont et Flamme Cohérente Model (CFM) modèles.Toutes les études de modélisation sont effectués avec le logiciel Fluent et les résultats sont comparés aux expériences. En suite, l'influence de la pression sur les statistiques de la front de flamme prémélangée a été examinée. Les simulations montrent que l'augmentation du ratio d'équivalence a diminué la hauteur des flammes et l'épaisseur de la flamme du méthane/air flames. D'autre part, l’ajout d’hydrogene de mélange pauvre méthane-air a modifié les propriétés de la flamme prémélangée. Lorsque le pourcentage volumique de l'hydrogène dans le mélange est augmenté, la position en hauteur de la flamme est réduite et l'épaisseur de la flamme devient plus mince. En outre, il a été observé que les propriétés de la flamme prémélangée ont été modifiées avec l'opération à des conditions de pression plus élevée. / Hydrogenated premixed methane/air flames under lean conditions are simulated in this study. The model of the high pressure chamber setup of Orleans - ICARE (France) has been developed. The flame front properties are investigated by two turbulent premixed combustion models, Zimont and Coherent Flame Model (CFM) models. All modeling studies are performed with Fluent software and compared to experiments. The influence of the pressure on the premixed flame front statistics has been examined as well. The simulations show that increasing the equivalence ratio decreases the flame tip height and the flame brush thickness for methane/air flames. In addition, enriching the methane-air mixture with hydrogen modifies the premixed flame front properties. When the volumetric percentage of hydrogen in the mixture is increased, the flame-end position is reduced and flame brush thickness becomes thinner. It is also observed that the premixed flame properties have been modified with operation at higher pressure conditions.

La démolition de bâtiments par foudroyage est une technique devenue classique. Elle génère des nuisances qui doivent être prises en compte, sous peine de rendre caduc ce type d'activité. Les principales nuisances générées par le foudroyage sont : - les projections générées par l’explosion et la dislocation du bâtiment ; - l’onde de surpression générée par l’explosif ; - la vibration du sol induite par l’effondrement du bâtiment ; - la création et la propagation d’un nuage de poussière. Les deux premiers points sont maitrisés. En ce qui concerne les vibrations, aucune méthode n’existe pour les limiter. Seuls, des fossés creusés permettent de bénéficier d’un effet d’ombre vis-à-vis de certains bâtiments. Les nuisances générées par les poussières et les manières de les limiter commencent à être une question fréquemment posée. Dans le cadre de la destruction d’installation classée pour la protection de l’environnement, cette question devient critique, car ce nuage peut déplacer des particules nocives. Actuellement, aucune information sur les mécanismes de production ou sur les mécanismes de propagation des poussières n’a été élaborée. Cette thèse propose un protocole de mesure pour l'étude des caractéristiques du nuage de particule. Elle présente les premières informations sur la production et la propagation des particules. Et pour finir, elle présente les premières simulations numériques du phénomène. / The demolition of buildings caving is a technique which has become classic. The demolition generates nuisance that must be taken into account, under penalty of rendering this type of demolition. The main nuisance generated by the caving are: - The projections generated by the explosion and the disintegration of the building; - The pressure wave generated by the explosive; - The ground vibration induced by the collapse of the building; - The creation and spread of a cloud of dust. The first two points are controlled. With regard to vibration, no method exists to limit them. Only the ditches can provide access to a shadow effect vis-à-vis some buildings. Nuisances generated by dust and ways to limit them begin to be a common question. As part of the destruction of classified installations for environmental protection, this issue becomes critical because the cloud can move harmful particles. Currently, no information on the mechanisms of production or on the mechanisms of spread of dust has been developed. This thesis proposes a measurement protocol for the study of the characteristics of cloud particles. It prensetes the first information on the production and propagation of the particles. And finally presents the first numerical simulation of the phenomenon.

Le procédé de dépôt physique en phase vapeur assisté par plasma thermique (PS-PVD) consiste à évaporer le matériau sous forme de poudre à l’aide d’un jet de plasma d’arc soufflé pour produire des dépôts de structures variées obtenus par condensation de la vapeur et/ou dépôt des nano-agrégats. Dans le procédé de PS-PVD classique, l’intégralité du traitement du matériau est réalisée dans une enceinte sous faible pression, ce qui limite les phénomènes d’évaporation ou nécessite d’utiliser des torches de puissance importante. Dans ce travail, une extension du procédé de PS-PVD conventionnel à un procédé à deux enceintes est proposée puis explorée par voie de modélisation et de simulation numérique : la poudre est évaporée dans une enceinte haute pression (105 Pa) reliée par une tuyère de détente à une enceinte de dépôt basse pression (100 ou 1 000 Pa), permettant une évaporation énergétiquement plus efficace de poudre de Zircone Yttriée de granulométrie élevée, tout en utilisant des torches de puissance raisonnable. L’érosion et le colmatage de la tuyère de détente peuvent limiter la faisabilité d’un tel système. Aussi, par la mise en oeuvre de modèles numériques de mécaniquedes fluides et basé sur la théorie cinétique de la nucléation et de la croissance d’agrégats, on montre que, par l’ajustement des dimensions du système et des paramètres opératoires ces deux problèmes peuvent être contournés ou minimisés. En particulier, l’angle de divergence de la tuyère de détente est optimisé pour diminuer le risque de colmatage et obtenir le jet et le dépôt les plus uniformes possibles à l'aide des modèles susmentionnés, associés à un modèle DSMC (Monte-Carlo) du flux de gaz plasmagène raréfié. Pour une pression de 100 Pa, les résultats montrent que la barrière thermique serait formée par condensation de vapeur alors que pour 1 000 Pa, elle serait majoritairement formée par dépôt de nano-agrégats. / Plasma Spray Physical Vapor Deposition (PS-PVD) aims to substantially evaporate material in powder form by means of a DC plasma jet to produce coatings with various microstructures built by vapor condensation and/or by deposition of nanoclusters. In the conventional PS-PVD process, all the material treatment takes place in a medium vacuum atmosphere, limiting the evaporation process or requiring very high-power torches. In the present work, an extension of conventional PS-PVD process as a two-chamber process is proposed and investigated by means of numerical modeling: the powder is vaporized in a high pressure chamber (105 Pa) connected to the low pressure (100 or 1,000 Pa) deposition chamber by an expansion nozzle, allowing more energetically efficient evaporation of coarse YSZ powders using relatively low power plasma torches. Expansion nozzle erosion and clogging can obstruct the feasibility of such a system. In the present work, through the use of computational fluid dynamics, kinetic nucleation theory and cluster growth equations it is shown through careful adjustment of system dimensions and operating parameters both problems can be avoided or minimized. Divergence angle of the expansion nozzle is optimized to decrease the clogging risk and to reach the most uniform coating and spray characteristics using the aforementioned approaches linked with a DSMC model of the rarefied plasma gas flow. Results show that for 100 Pa, the thermal barrier coating would be mainly built from vapor deposition unlike 1,000 Pa for which it is mainly built by cluster deposition.

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La stratégie de combustion par auto-inflammation d’une charge homogène en composition s’intègre dans une démarche de réduction des émissions de particules et de NOx, tout en conservant les rendements thermiques élevés des moteurs Diesel classiques. Pour contrôler ce nouveau mode de combustion, une compréhension fine des mécanismes de couplage entre l'aérodynamique et la thermochimie est nécessaire. Des simulations numériques directes d'un écoulement homogène, turbulent, réactif et subissant une compression, ont été effectués. Deux régimes d'auto-inflammation ont ainsi pu être définis. Le premier, dit quasi-homogène, est caractérisé par une auto-inflammation en masse d'un volume important du mélange réactif et s'accompagne de fortes ondes de pression. Dans le second régime, dit localisé, les noyaux s'initient de manière plus sporadique dans l'espace et dans le temps et aucune onde de pression significative n'est générée lors de l'auto-allumage. / Combustion by autoignition of a homogeneous charge aims at reducing particulate matter as well as NOx emissions, while maintaining higher thermal efficiency of conventional diesel engines. To control this new mode of combustion, a fine understanding of the mechanisms of coupling between aerodynamics and thermochemistry is required. Direct Numerical Simulations of a turbulent reactive flow, undergoing a compression, have been performed. This study led to identification of two regimes. The first, known as quasi-homogeneous, is characterized by volumetric autoignition of large zones of the reactive mixture and results in the generation of strong pressure waves, which are potentially dangerous for the structure of engines. In the second regime, called localized, hot spots are initiated more sporadically in space and time, and their topology is such that no significant pressure wave is generated.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs. / We study premixed flame dynamics using DNS and EEM approaches. DNS solves compressible Navier-Stokes equations with simplified chemistry. To reduce computational costs and increase efifciency, we analyse and develop a modified staggered scheme. Treatment of acoustic waves at boundaries is known to slightly square cylindrical flames. We try to explain these unphysical distortions by highlighting the poor modeling of fluid acceleration when mainstrean is transverse to outow. A parametric and statistical study of expanding flames is carried out in 2D and also for an expanding (3cm)3 flame. The EEM approach models the flame as an infinitely thin interface. This perturbative strategy dramatically decreases cpu costs. Simulations are carried out and compared to DNS results to check the ability of EEM modeling to give quantitative results.

Depuis les travaux pionniers de Brown et Roshko portant sur les effets des variations de masse volumique au sein de l’écoulement de couche de mélange, plusieurs autres études tant théoriques, expérimentales ou numériques se sont attelées à étudier finement cet écoulement. Les motivations sont d’ordre pratiques (industrie de la chimie, l’aérodynamique, la combustion . . .) ou alors purement théoriques (rôle des structures cohérentes, instabilités secondaires. . .). Ces études se sont intéressées, entre autres, aux effets de compressibilité et/ou de masse volumique variable. A notre connaissance, les effets des variations de viscosité dans la configuration de couche de mélange sont peu abordés dans la littérature. L’objectif de ces travaux de recherche est l’exploration théorique et numérique de l’écoulement de couche de mélange temporelle à viscosité variable, plus particulièrement durant sa phase initiale de développement. D’un point de vu numérique, les équations de Navier-Stokes sont résolues,en formulation faiblement compressible, au moyen du solveur CHOC-WAVES, basé sur le schéma WENO. L’approche DNS est justifiée par l’absence, dans la littérature, de modèles de sous-maille capables de prendre en compte les effets de la viscosité variable. Les équations de transport des différentes grandeurs moyennes et fluctuantes en un point et en chaque échelle (bilan d’énergie cinétique) sont réécrites en formulations incompressible et à viscosité variable. Des termes supplémentaires, engendrés par les variations spatio-temporelles de la viscosité, apparaissent dans ces équations. Celles-ci sont utilisées comme outil, afin d’explorer l’écoulement de couche de mélange et d’étudier le développement de la turbulence dans un milieu hétérogène. Les rapports de viscosité simulés sont Rv = [1−18]. Les résultats numériques montrent que l’épaisseur de la zone de mélange δθ évolue plus rapidement lorsque le rapport de viscosité Rv est élevé. De même, les gradients verticaux de la vitesse longitudinale sont amplifiés par les gradients de viscosité, un gain de près de 60%, par rapport aux valeurs initiales, est observé. La production de l’énergie cinétique turbulente est également amplifiée.L’évolution temporelle des fluctuations des vitesse est accélérée, celles-ci sont augmentées de près de 120% par rapport à l’écoulement à viscosité constante. Le régime autosimilaire du tenseur de Reynolds est atteint plus rapidement par l’écoulement à viscosité variable et l’isotropie des fluctuations de vitesse est améliorée. / Since the pioneering work of Brown and Roshko on the effects of density variations within the mixed layer flow, several other theoretical, experimental and numerical studies harnessed to finely investigate this flow. The motivations are of practical order (chemical industry, aerodynamics, combustion. . .) or purely theoretical (the role of coherent structures,secondary instabilities). These studies have focused on, among others, the effects of compressibility and/or variable density. To our knowledge, the effects of viscosity variations in the mixing layer configuration are not discussed in the literature. The objective of this researchis the theoretical and numerical exploration of the variable viscosity temporal mixedlayer flow, especially during its initial phase of development. From a numerical viewpoint, the Navier-Stokes equations are solved in weakly compressible formulation, using the solver CHOC-WAVES, based on WENO scheme. The DNS approach is justified by the absence in the literature of subgrid models that account for the effects of variable viscosity. The transport equations of different mean and fluctuating quantities at a point and each scale (scale-by-scale energy budget) are rewritten in incompressible and variable-viscosity formulation. Additional terms, generated by the spatial and temporal variations of viscosity occur in these equations. These are used as a tool to explore the mixed layer flow and study the development of turbulence in a heterogeneous environment. The simulated viscosity ratios are Rv = [1 − 18]. The numerical results show that the mixing layer thickness δθ growsfaster when the viscosity ratio Rv is high. The vertical gradients of the longitudinal mean velocity are amplified by the viscosity gradients, a gain of almost 60 %, compared to initial values was observed. The production of turbulent kinetic energy is also amplified. The temporal evolution of the velocity fluctuations is accelerated, they are increased to nearly 120 % with respect to the constant viscosity flow. The self-similar regime of the Reynolds tensor is reached more quickly by the variable viscosity flow and the isotropy of the velocity fluctuations is improved.

Cette thèse montre le développement d’un code de calcul pour les simulations numériques directes d’écoulements diphasiques compressibles avec évaporation. Un couplage entre les méthodes Level Set et VOF est réalisé pour le suivi d’interface. Afin de résoudre les équations de la mécanique des fluides, une méthode basée sur la pression est employée et, pour découpler la vitesse de la pression, une méthode de projection est effectuée. Cette méthode permet l’implicitation des termes liés à l’acoustique et donc de diminuer la contrainte sur le pas de temps. Le liquide et le gaz sont traités de manière compressible permettant des variations locales des masses volumiques grâce à l’utilisation d’équations d’état. L’évaporation est simulée de deux manières différentes ; une première, où un taux d’évaporation constant est employé et une seconde, où ce taux est calculé par la thermique. Parallèlement à ce sujet, une étude de la distribution des courbures dans une injection de liquide est réalisée. Cette étude permet d’étendre le concept de distribution des tailles de gouttes dans un spray et d’améliorer les informations disponibles dans le modèle ELSA. Enfin, une autre étude est effectuée sur la recherche d’un critère, basé sur les courbures à l’interface, pour estimer la qualité d’une simulation. / This PhD thesis shows the development of a numerical method for solving two-phase flows with vaporisation. A coupling between Level Set and VOF methods is realised for the interface capturing. In order to solve fluid mechanics equations, a pressure based method is employed and, to decouple velocity and pressure, a projection method is performed. This method allows the implicitation of the acoustic terms and the time step constraint reduction. Liquid and gas are considered as compressible allowing local density variations with equations of state. The vaporisation is computed in two different ways ; a first one where the vaporisation rate is constant and a second one, where this rate is calculated by thermodynamics. Along with this topic, a study on curvature distribution in a liquid injection configuration is realised. This study allows to extend the drop size distribution concept in a spray and to improve available informations on ELSA model. Finally, an other study is performed on thedevelopment of a criterion, based on interface curvatures, which estimates the quality of a simulation.

Dans cette thèse, nous avons étudié expérimentalement, numériquement et théoriquement la sédimentation d’un soluté en cellule de Hele-Shaw, modèle analogue de milieu poreux, avec un écoulement zonal horizontal. Une cellule, alimentée par deux grands réservoirs assurant un écoulement zonal uniforme, a été réalisée au laboratoire. La vitesse a été mesurée par PIV. L’injection d’une solution saline dans cet écoulement permet de visualiser la propagation du panache de pollution, et de mesurer le champ de concentration par LIF. Trois configurations typiques ont été observées : panache sans digitation (« stable »), avec une seule digitation (« faiblement instable »), et avec de nombreuses digitations (« fortement instable »). L’influence du contraste de densité, de la vitesse zonale, et du débit d’injection sur la stabilité du panache a été analysée. Ces résultats ont été comparés à des simulations numériques sous COMSOL Multiphysics®. Les champs de concentration simulés sont en accord quantitatif avec les champs expérimentaux. Ces simulations ont de plus permis d’étudier l’influence de l’anisotropie du tenseur de dispersion sur la stabilité du panache. Une étude théorique linéaire, effectuée à partir d’un écoulement de base unidirectionnel et quasi-stationnaire, est venue compléter ces résultats. Elle montre que le panache est toujours convectivement instable pour les valeurs des paramètres considérées, et permet de retrouver et de quantifier les principaux résultats mis en évidence lors des études expérimentale et numérique, comme l’effet stabilisant de la dispersivité longitudinale ou l’effet déstabilisant du contraste de densité / This thesis is an experimental and numerical investigation of solute transport and sedimentation in a Hele-Shaw cell with zonal flow. A vertical cell joining two large tanks has been built to provide a uniform horizontal flow, the velocity of which has been measured by using PIV. The concentration field of a solute injected in this flow has been measured by using LIF. Three typical plume configurations have been observed: without digitations (“stable”), with a single digitation (“weakly unstable”), and with various digitations appearing at the lower interface (“unstable plume”). The influence of density contrast, zonal flow and solute flow rate on the appearance of the various configurations has been investigated. These results have been compared to numerical simulations using the COMSOL Multiphysics® software. The numerical concentration fields are in qualitative agreement with the experimental ones. In addition, these simulations allowed us to investigate the effect of the anisotropy of the dispersion tensor on the occurrence of unstable configurations. A linear stability analysis based on a uniform parallel flow superposed to a quasi-steady horizontal layer of solute has been performed. It shows that the plume is convectively unstable for the parameters considered here, and confirms the various behaviors observed in both the experimental and the numerical analyses, like the stabilizing effect of the longitudinal dispersivity or the destabilizing effect of the solute concentration

De nombreux systèmes fluides dans les domaines de la biologie ou encore de la cosmétique sont limités par une interface dont les propriétés mécaniques régissent la stabilité. En particulier, les objets tels que des gouttes, vésicules ou polymersomes se déforment dans un écoulement simple et mènent à une grande richesse de dynamiques spatio-temporelles contrôlées par la nature des matériaux qui composent l'interface. Les travaux présentés concernent l'étude numérique de la déformation de ces objets dans un écoulement de Stokes, en particulier dans des situations où les viscosités de l'interface jouent un rôle important. Un code de calcul couplant intégrales de frontières et éléments finis a été utilisé afin de décrire la physique interfaciale et étudier leur comportement une fois plongés dans un écoulement. Ces travaux ont permis d'étudier l'influence des viscosités interfaciales sur la dynamique d'une goutte dans un écoulement extensionnel plan, leur influence sur sa dynamique de déformation et sur les conditions de rupture de celle-ci. Les études réalisées sur une vésicule fortement dégonflée et plongée dans un écoulement cisaillé ont caractérisé la bifurcation entre les deux familles de forme existantes dans ces conditions. Ces formes ayant une influence sur la dynamique de la vésicule dans l'écoulement, celle-ci a été étudiée dans le cadre d'un écoulement infini puis proche d'une paroi parallèle à l'écoulement. Enfin, de premiers résultats sur la dynamique d'un polymersome dans un écoulement cisaillé permettent de construire un diagramme de phase illustrant les différents comportement de cet objet en fonction de la viscosité de la membrane et du taux de cisaillement / There are many fluid systems in the biology, food industry, pharmacology or cosmestics fields that are bound by an interface which mechanical properties rule the system stability. Objects like droplets, vesicles or polymersomes change their shape in a simple flow which lead to a wealth of space and time dynamics. These properties are controlled by the nature of the interface material. The aim of this work is the numerical study of the deformation of droplets, vesicles and polymersomes in a Stokes flow, especially when the interfacial viscosities play an important role. A numerical computation code coupling boundary integrals and finite elements was used to describe the interfacial physics of these objects and study their behaviour when immerged in a flow. Multiple resolution strategies where developped to this end in order to optimize the numerical computation in the cas of an interface with viscosities.Using this work, the influence of interfacial viscosities on the dynamics of a droplet in an extensional flow is studied : in particular, their influence on the stretching dynamics of a droplet and its break up conditions was characterized. The study of a vesicle, droplet bounded by a lipid bilayer, strongly deflated and immerged in a shear flow detailed the bifurcation between two shape types existing for this system. These shapes have an influence on the vesicle dynamics under flow, which is studied for an unbounded flow and a near-wall flow. Finally, we show first results about the dynamics of a polymersome in a shear flow. We used them to build a phase diagram for the behaviour of this object depending on the membrane viscosity and the shear rate