Une étude numérique de l’écoulement dans la buse et de l’atomisation primaire en injection Diesel est conduite afin de comprendre le lien entre la géométrie interne de l’injecteur et l’atomisation du carburant. En raison de la complexité des phénomènes impliqués, les effets de compressibilité sont étudiés séparément de ceux liés à la turbulence et à la dynamique tourbillonnaire.Dans une première partie, un modèle à 5 équations pour des écoulements diphasiques à deux espèces est développé et implémenté dans le code IFP-C3D pour analyser les effets de compressibilité sur l’écoulement. Il décrit des mélanges gaz-liquide dont la phase gazeuse est composée de deux espèces : vapeur et gaz non condensable. Le modèle est validé à l’aide de trois cas test très répandus et est appliqué à un injecteur monotrou. Les résultats sont comparés à des données expérimentales, confirmant que le modèle est capable de reproduire la formation de vapeur et la détente de l’air. Dans une seconde partie, l’impact de la géométrie de la buse sur la génération de turbulence, sur la dynamique tourbillonnaire et sur l’atomisation primaire est étudié sous l’hypothèse d’un écoulement incompressible. Large-Eddy Simulation est employée pour simuler l’écoulement dans la buse et proche de sa sortie.La méthodologie employée consiste à comparer des géométries de buse se distinguant par des paramètres de conception très tranchés. Les résultats montrent que l’atomisation du carburant dans la zone d’atomisation primaire est le résultat de un phénomène de haute fréquence engendré par des tourbillons détachés, et un phénomène de basse fréquence causé par filaments tourbillonnaires. Les interactions complexes entre ces tourbillons impactent le type d’atomisation, la stabilité du spray et la taille des gouttes. Il est conclu qu’en agissant sur ces deux types de tourbillons, il est envisageable de contrôler dans certaines limites la dynamique du spray. / Numerical study of nozzle flow and primary breakup in Diesel injection is conducted in order to understand the link between injector geometry and fuel atomization. Owing to the complex physical processes involved, flow compressibility effects are studied separately from turbulence and vortex dynamics.In a first part, a 5-Equation model for two-phase, two-species flows is developed and implemented in the IFP-C3D code to analyze the flow behavior under compressibility effects. It is intended for liquid-gas mixtures where the gas phase is composed of two species, vapor and noncondensable gas. The model is validated against three well-known test cases and is applied to a single hole injector. The results are compared with available experimental and numerical data, showing that it is able to successfully predict vapor formation and air expansion. In a second part, the impact of nozzle geometry on turbulence generation, vortex dynamics and primary breakup is studied assuming incompressible flow. Large-Eddy Simulation is used to simulate the flow inside the nozzle and close to its exit.The investigation strategy consists of comparing different geometries with contrasting design parameters. The results show that fuel atomization in the primary breakup region is driven by a high frequency event triggered by shed vortices, and a low frequency event caused by large string vortices. The complex interaction between them determines the breakup pattern, the spray stability and the size of ligaments and droplets. In view of the results, it is concluded that acting on these two structures makes it possible to control the dynamics of the spray to some extent.

Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnexion des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.

Nous etudions l'interaction entre une onde sonore et un<br />ecoulement. Nous avons developpe pour cela<br />deux outils d'analyse complementaires: une methode analytique basee<br />sur le developpement en ondes partielles de l'onde sonore, et une simulation<br />numerique directe avec conditions aux limites ouvertes d'ecoulements<br />compressibles, isothermes et non dissipatifs.<br /><br />Nous sommes ainsi en mesure de quantifier les approximations de champ lointain<br />et de Born, usuellement employees dans la modelisation de l'interaction<br />son-ecoulement. Nous presentons ensuite les ecarts a l'approximation<br />de Born pour un ecoulement a circulation nulle et l'importance de la<br />refraction du son par l'ecoulement dans le processus de diffusion. Nous<br />discuterons egalement dans quelle mesure la vorticite de l'ecoulement est<br />la source de diffusion predominante. Enfin, nous montrons que les outils developpes permettent l'analyse de situations experimentales de diffusion de son par des<br />ecoulements turbulents.

Au sein du génie industriel, cette recherche a pour objectif de proposer des outils et des méthodes qui facilitent l'identification, l'intégration et le transfert des besoins et des attentes des usagers dans une démarche de conception de produits nouveaux. Dans le cadre d'une convention CIFRE passée avec le CTBA, nous avons expérimenté le transfert, au sein des méthodes de conception des cuisines, de deux axes complémentaires d'évolution pour le métier d'ergonome concepteur. Le premier axe concerne l'interdisciplinarité nécessaire à tout projet d'innovation. Il met en avant le fait que l'ergonome se doit d'adopter une démarche d'innovation anthropocentrée et démontre l'apport de disciplines telles que la sociologie ou encore le marketing dans une meilleure indentification, par l'ergonome concepteur, des besoins et des attentes des usagers. La notion d'usage y joue un rôle de référentiel commun pour l'équipe de conception. Le second axe est l'utilisation d'un outil de simulation en 3D des activités gestuelles d'utilisation pour appréhender les situations d'utilisation futures possibles. Nous présentons les retombées qu'il peut avoir au sein du processus de conception de meubles de cuisine et ses apports dans la mise en avant de la valeur ajoutée de l'ergonomie. Nos résultats aboutissent à la proposition d'une démarche anthropocentrée de conception basée sur l'usage et qui utilise un outil de simulation 3D des activités gestuelles pour intégrer plus efficacement els attentes et les besoins des usagers dans la reconception de produits existants ou dans la conception de futurs produits. Cette nouvelle démarche constitue un moyen de faire évoluer le métier d'ergonome concepteur vers de nouvelles pratiques coopératives et anthropocentrées intégrant les modes de vie au coeur de la conception de produits.

L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.

L'irradiation par un laser Nd-YAG pulsé est mise en oeuvre afin d'élaborer des revêtements épais sur acier inoxydable X30Cr13, par fusion superficielle avec apport de bore ou nitrure de bore hexagonal (h-BN): alliages borurés polyphasés ou composites métal-céramique. Les coupes métallographiques permettent de déterminer l'épaisseur de chaque revêtement (zone fondue) et révèlent des microstructures de solidification caractéristiques: front plan, cellulaire et dendritique. Les caractéristiques optiques du faisceau laser sont déterminées: divergence, distance focale, rayon du spot et distribution de la puissance dans le plan focal. La simulation des effets thermiques est fondée sur la modélisation par différences finies de la distribution spatio-temporelle de la température, dans l'acier irradié par balayage du faisceau pulsé. Par ce moyen, la prévision de l'épaisseur atteinte par la zone fondue et la description de l'avancement du front de fusion durant l'irradiation deviennent possibles, d'où une meilleure description des conditions d'incorporation de matière, selon un processus de fusions et solidifications successives. Les propriétés mécaniques, module d'élasticité et dureté, des divers revêtements sont déterminées à partir d'essais de nanoindentation. Dans des conditions d'irradiation optimales, la dureté du composite atteint 10 GPa et celle de l'alliage boruré, 14 GPa, alors que l'acier non traité a une dureté de 4 GPa. L'analyse systématique du comportement tribologique des revêtements est effectuée en configuration bille-sur-disque, à 25 °C sous différentes charges (1 à 10 N), puis à 300 et 500 °C sous 2 N. A température ambiante, le glissement à sec sur bille en rubis de ces deux types de revêtements est caractérisé par un coefficient de frottement réduit et un faible taux d'usure volumique, par rapport à ceux de l'acier non traité, révélant une résistance nettement renforcée envers l'usure adhésive et/ou abrasive. A partir de 300 °C, en revanche, leur tenue au frottement se dégrade, malgré l'abaissement sensible du coefficient de frottement.

Cette thèse propose une méthode hybride pour la prédiction du rayonnement acoustique d'écoulements pariétaux instationnaires, et son application au cas de la plaque plane épaisse. Les données aérodynamiques sont obtenues par simulation numérique directe incompressible. L'originalité est ici de modéliser la condition d'adhérence aux parois par un terme de forçage volumique en utilisant la méthode des frontières virtuelles, spécialement adaptée aux géométries complexes. L'analyse de leur fonctionnement comme système d'asservissement de la vitesse à la valeur nulle a permis de réduire leur contrainte sur le pas de temps. Le comportement de la méthode en présence d'une arête vive a également été étudié. La simulation de l'écoulement en canal plan 3D turbulent a été réalisé pour la validation, et des comparaisons avec la littérature montrent un bon accord. L'accent est également mis sur la procédure d'obtention de la pression hydrodynamique afin de valider les champs de pression fluctuante utilisés comme données d'entrée du calcul acoustique. L'application à la plaque épaisse a fait apparaître qu'il est difficile d'obtenir un écoulement parfaitement établi. Les mouvements tourbillonnaires générés par la couche cisaillée issue du coin, ainsi que les propriétés statistiques de la turbulence, sont analysés. Le rayonnement acoustique est calculé à l'aide de l'analogie de Curle, programmée avec un algorithme en temps avancés. On observe une prépondérance du rayonnement des termes sources volumiques sur celui des termes sources surfaciques. Dans l'hypothèse d'une source compacte, la direction d'intensité maximale est observée autour de 60 degrés vers l'aval, due à l'effet conjugué du terme volumique associé à la tension de cisaillement et du terme volumique longitudinal. Dans le cas d'une source non-compacte, une influence importante de la prise en compte des temps de retards est observée à travers l'accentuation du rayonnement du terme volumique longitudinal vers l'aval.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du Projet National de Recherche français "Microtunnels". Le microtunnelage est une technique de pose de canalisations sans tranchée. Elle consiste à foncer la canalisation à l'arrière d'un microtunnelier ayant les fonctions d'excavation, de marinage et de guidage. Cette méthode récente, permettant de réduire les nuisances liées à la pose des réseaux en tranchée, se développe principalement dans le cadre du génie civil urbain.<br />Cette étude essentiellement expérimentale concerne les problèmes liés au frottement à l'interface sol-canalisation, à la stabilité du front de taille, et enfin aux mouvements induits au sein du massif de sol traversé.<br />Une première phase d'observations de terrain, basée sur le suivi complet de chantiers de microtunnelage dans des conditions de sol diverses, comportait la caractérisation des terrains traversés ainsi que l'enregistrement des principaux paramètres de fonçage et de pilotage. L'interprétation de ces données a permis de mettre en évidence l'incidence de la nature des terrains, de la surcoupe, de la lubrification et des problèmes de guidage sur les frottements mobilisés, sans permettre toutefois de toujours faire la part de chacun de ces paramètres. Les problèmes de stabilité du front et leur incidence sur les mouvements du sol ont pu également être observés et analysés.<br />A partir de ces résultats, une étude complémentaire, dans des conditions bien contrôlées, a été entreprise dans une chambre de calibration adaptée à la modélisation du fonçage de canalisations. Les essais réalisés ont permis de cerner plus précisément l'incidence de la surcoupe et de l'injection de lubrifiant sur les frottements mobilisés et sur les mouvements engendrés dans le massif. L'incidence de la surcoupe a été modélisée à l'aide de simulations numériques bidimensionnelles en vue de l'extension aux conditions in situ.

Cette thèse contribue à la modélisation et à létude de la dynamique de la coupe vibratoire, ayant comme application immédiate et comme objectif, la validation du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les modèles de la coupe vibratoire qui ont été développés ont fait lobjet dune analyse de stabilité et dune étude détaillée par simulations numériques. Les phénomènes non linéaires engendrés par la coupe vibratoire ont été mis en évidence par simulations et par une campagne dexpérimentations. Les modèles et les études issus de cette thèse donnent une vue densemble de la dynamique compliquée de la coupe vibratoire et apportent une compréhension fine des aspects pratiques du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les moyens expérimentaux développés et mis en uvre constituent un outil dinvestigation performant et indispensable à lanalyse systématique du procédé, dans le but de son industrialisation.

Le procédé de refroidissement par flash détente se développe dans divers domaines de l'agroalimentaire. La mise sous vide permet d'abaisser la température de saturation et d'évaporer une partie d'un solvant contenu dans un mélange. L'évaporation va se faire en prenant de l'énergie au mélange et ainsi de refroidir. Les vapeurs sont ensuite recondensées et éventuellement les condensats sont réintroduits dans le fluide. Les systèmes de flash détente qui sont actuellement conçus utilisent des composants souvent surdimensionnés. Le procédé reste complexe à appréhender du fait des phénomènes physiques liés au vide et au couplage entre les composants du système. Une pré-étude technologique a conduit à un nouveau concept de refroidissement en cascade permettant de réduire l'encombrement des différentes entités. Il s'agit de partager la cuve de détente en deux parties à pressions différentes, permettant quand même le refroisissement en continu. Ces deux parties communiquent par un clapet à flotteur et sont reliées à deux condenseurs placés en parallèle (ou en série) sur la pompe à vide. Ce système a conduit à un brevet international. Un prototype expérimental permettant de traiter 3 tonnes/heure de mélange a été développé durant la thèse et a permis d'observer des différentes pressions et températures, des condensats ainsi quele débit de la pompe à vide. La modélisation fine de tels phénomènes a été peu abordée. A cette fin, nous simulons l'évolution de la vapeur dans les deux parties de la cuve, sa condensation dans les condenseurs (tube et calandre) et sa liaison au fonctionnement de la pompe à vide. Successivement sont étudiés théoriquement et expérimentalement, l'éjecteur, le dévesiculeur, les condenseurs et leur couplage avec la cuve de détente. Les modèles sont qualifiés en terme de parcimonie, exactitude, précision et spécialisation. Ces étude ont conduit à l'expression d'une base de connaissances formulées par contraintes numériques cohérente avec son traitement par un solveur de problèmes par satisfaction de contraintes (CSP). La base de connaissances et le solveur constituent un système d'aide à la décision pour la définition d'évaporateurs flash.