La vitesse du son dans les écoulements cavitants varie considérablement en fonction du taux de vide local. Par exemple, elle est proche de 1500 mis dans l'eau pure, 400 mis dans la vapeur d'eau et peut diminuer bien en dessous de ces valeurs dans le mélange liquide-vapeur. Les écoulements cavitants sont donc quasiment incompressibles dans les zones purement liquides, et fortement compressibles dans les zones diphasiques. Il est nécessaire de prendre en compte la compressibilité du fluide dans les simulations numériques afin de reproduire certains mécanismes complexes associés aux instabilités de cavitation. Cela nécessité une estimation correcte de la vitesse du son dans un milieu cavitant. Ce travail de thèse avait donc pour principal objectif la création d' une zone de cavitation homogène afin d'y mesurer la célérité du son en fonction du taux de vide. Un dispositif expérimental a donc été développé pour créer une telle zone. Deux méthodes pour mesurer la vitesse du son sont examinées: J- avec 3 capteurs de pression équidistants le long de la veine d'essais TI- avec 2 hydrophones en vis-à-vis dans une section de la veine. Le taux de vide est mesuré à l 'aide d' une sonde optique. L'étalonnage de la sonde optique et la validation des mesures des capteurs et des hydrophones, sont fait en écoulement eau-air. La méthode J étant plus adaptée pour la mesure de la vitesse du son, est appliquée pour un écoulement cavitant. Pour chaque écoulement (eau-air et cavitant), les résultats sont comparés avec les modèles théoriques existants et une discussion est menée. Un bon accord se révèle entre les expériences et la théorie.

Les écoulements diphasiques avec ou sans changement de phase sont présents dans les applications terrestres et spatiales avec notamment le contrôle thermique des satellites par boucle diphasique, l’alimentation en propergol des moteurs de fusée et le traitement des eaux usées pour les missions d’exploration spatiale. Des expériences d’ébullition convective dans un tube chauffé avec du HFE7000 ont été menées en écoulement vertical ascendant au sol et en microgravité conditions afin de caractériser les régimes d’écoulements et de mesurer les transferts de chaleur, le taux de vide et les pertes de pression. Les mesures de taux de vide ont permis de caractériser la vitesse moyenne de la phase vapeur et l’épaisseur du film liquide en écoulement annulaire. En microgravité, l’épaisseur du film liquide et le frottement interfacial sont inférieurs aux conditions de gravité terrestre. La structure du film liquide a été caractérisée par des visualisation rapides. L’impact de la gravité, des vitesses superficielles du liquide et de la vapeur sur la célérité et la fréquence des ondes perturbatrices a été mis en évidence. Deux techniques de mesure ont été implémentées et comparées pour la mesure du coefficient d’échange de chaleur. En ébullition convective saturée pour des titres massiques supérieurs à 0.2, le transfert de chaleur est peu sensible à la gravité et en bon accord avec des corrélations de la littérature. En ébullition nucléée sous refroidie pour des titres inférieurs à 0.1, le transfert de chaleur est significativement plus faible en microgravité. / Two-phase flows with or without phase change are present in terrestrial and space applications like thermal control of satellites, propellant supply for launchers, and waste water treatment for space exploration missions. Flow boiling experiment with HFE7000 were conducted in a heated tube in vertical upward flow on ground and in microgravity conditions to collect data on flow patterns, pressure drops, heat transfers, void fraction. Void fraction measurements allowed to measure mean gas velocity and the liquid film thickness in annular flow. In microgravity condition, the liquid film thickness and the interfacial shear stress are significantly lower than in normal gravity. A detail analysis of the film structure was performed by image processing. The impact of gravity and liquid and vapour superficial velocities on the disturbance waves velocities and frequencies was investigated. Two different measurement techniques were used and compared to determine the heat transfer coefficient. For quality values greater than 0.2, HTC is not sensitive to gravity and is in good agreement with classical correlations of the literature. For qualities smaller than 0.1, in the subcooled nucleate boiling regime HTC is significantly smaller in microgravityconditions.

Les récentes avancées technologiques des matériels d’acquisition de données ont permis de réduire le temps d’acquisition d’image en tomographie électrique, ce qui offre des opportunités pour l’étude des écoulements diphasiques transitoires. Parmi les nombreux atouts de cette technique d’imagerie d’écoulements diphasiques, on peut citer son caractère non-intrusif, sa haute fréquence d’acquisition et son faible coût. Un ensemble d’électrodes placées sur le pourtour d’une conduite servent à transmettre une excitation électrique au milieu et à le sonder. Ainsi, la distribution des phases perturbe les champs électriques de manière caractéristique. L’objectif de cette thèse est d’évaluer le potentiel de la tomographie d’impédance électrique rapide. La première étape consiste au développement d’un prototype de capteur et à l’évaluation de sa performance par des essais simplifiés. L’architecture du système utilise un contrôle en potentiel du signal d’excitation et ne nécessite donc pas d’implémenter un module de conversion tension-courant. La seconde étape est la reconstruction de l’image à partir des données mesurées. L’approche qui a été considérée est de supposer une image approchée de la distribution des phases grâce à une identification du régime d’écoulement. Ainsi, le défi de résoudre un problème inverse fortement non-linéaire est simplifié. Une méthode d’identification de régimes d’écoulements horizontaux eau-air a été élaborée avec un module de tomographie de capacitance électrique et une boucle d’essais hydrauliques déjà éprouvés. Cette technique est en cours d’adaptation au prototype de tomographie d’impédance électrique rapide et en amélioration grâce à l’inclusion des régimes d’écoulements verticaux. En parallèle, une méthode de reconstruction d’image a été développée, basée sur l’algorithme NOSER et un postulat pseudo-2D. L’analyse des images reconstruites à partir d’un set d’expériences de référence procure un aperçu des avantages et des défauts de la méthode et du prototype. / Recent developments with data acquisition equipment have reduced the time required for image acquisition with electrical tomography, thereby bringing new opportunities for the study of fast-evolving two-phase flows. Amongst the numerous advantages of this imaging technique for multiphase flow related research are non-intrusiveness, high acquisition rates, low-cost and improved safety. A set of electrodes placed on the periphery of the pipe to be imaged is used to impose an electrical excitation and measure the system response. The distribution of phases inside the study volume distorts the electrical field in a characteristic manner. The objective of this thesis is to assess the potential of electrical impedance tomography at high acquisition rate. The first stage consists in developing a prototype sensor and assessing its performance with simplistic experiments. The system architecture employs voltage control of the excitation and therefore does not require the implementation of the conventional voltage-to-current converter module. A novel data collection method, the full scan strategy, is considered and provides correcting factors for the parasitic impedances in the system. The second stage is the image reconstruction from the measurement data. The approach considered in the thesis is to assume that flow regime identification techniques may provide valuable information on the phase distribution that can be injected in the inverse problem for imaging, thereby tackling the challenge of the non-linearity of the inverse problem. A method for horizontal air-water flow regime identification has been elaborated with an electrical capacitance tomography sensor and multiphase flow rig tried and tested. It is being adapted to the fast electrical impedance tomography prototype and upgraded to include vertical flow regimes. In parallel, an image reconstruction method has been developed based on the NOSER algorithm and a pseudo-2D postulate. The analysis of the reconstructed images for a set of benchmark experiments provide insights on the merits and deficiencies of the algorithm and of the prototype.

Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre des travaux de recherche appliquée qui ont lieu au Laboratoire de Mécanique de Lille et à l'Institut de Recherche de l'Ecole Navale dans le domaine respectif des machines tournantes de type turbomachines ou celui des hélices marines et appendices de type surfaces portantes équipant les navires (stabilisateurs, safrans,...). L'objectif principal de la thèse est d'étudier les instabilités de cavitation. Pour cela, des simulations numériques associant des modèles de cavitation déjà existants sont mises en oeuvre et une comparaison de ces modèles est effectuée. On s'intéresse particulièrement aux modèles de cavitation homogènes pour lesquels le mélange liquide/vapeur est considéré comme un fluide unique à densité variable. Le transfert de masses entre les deux phases est contrôlé soit par une loi d'état barotrope qui relie la densité à la pression soit par une équation de transport de taux de vide avec des termes sources appropriées. En parallèle, des mesures expérimentales basées sur la mesure de pression pariétale et d'acquisition vidéo sont menées dans le Tunnel de cavitation de l'Ecole Navale. Cette étude expérimentale est complétée par l'étude menée par O. Coutier-Delgosha à l'Ecole Nationale Supérieure de Techniques Avancées à Paris et qui a permis d'obtenir les profils de taux de vide instantanés par des mesures Rayon X. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés par des techniques de traitement du signal originales.

La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d'instationnarités.Les travaux de la présente thèse s'inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI),qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d'écoulements cavitants. Les simulations s'appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l'aide d'un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l'approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente.Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l'introduction d'équations d'état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d'une équation d'état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l'introduction d'une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l'amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l'équilibre thermodynamique local et d'introduire un état métastable pour la phase vapeur.Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L'objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d'un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l'écoulement principal.Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D'autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d'ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l'influence de l'équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d'un modèle à seulement trois équations de conservation. / The computation of turbulent cavitating flows involves many difficulties both in modeling the physical phenomena and in the development of robust numerical methods. Indeed such flows are characterized by phase transitions and large density gradients, Mach number variation due to speed of sound decrease, two-phase turbulent areas and unsteadiness.This thesis follows experimental and numerical studies led at the Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels which aim to improve the understanding and modeling of cavitating flows. Simulations are based on a compressible code coupled with a pre-conditionning technique which handles low-Mach number areas. The two-phase flows are reproduced using a one-fluid homogeneous model and temporal discretisation is performed using an implicit dual-time stepping method . The resolution is based on the RANS approach that couples conservation equations with firts-order closure models to compute eddy viscosity.In two-phase flows areas, the computation of thermodynamic quantities requires to close the system with equations of state (EOS). Thus, two formulations are investigated to determine the pressure in the mixture. The stiffened gas EOS is written with conservative quantities while a sinusoidal law deduces the pressure from the volume fraction of vapor (the void fraction). The present study improves the homogeneous equilibrium models by including a transport equation for the void ratio. The mass transfer between phases is assumed to be proportional to the divergence of the velocity. In addition to a better modeling of convection, expansion and collapse phenomenon, this added transport equation allows to relax the local thermodynamic equilibrium and to introduce a mestastable state to the vapor phase.2D and 3D simulations are performed on Venturi type geometries characterized by the development of unstable partial cavitation pockets. The goal is to reproduce unsteadiness linked to each profile such as the formation of a re-entrant jet or the quasi-periodic vapor clouds shedding. Numerical results highlight frequency variations of unsteadiness depending on the speed of sound computation. Moreover, the simulation conducted with a relaxed vapor density increase the pressure wave propagation magnitude generated by the collapse of cavitating structures. It contributes to the destabilization of the pocket. Finally, the role of the void ratio equation is analyzed by comparing the simulation results to those obtained subsequently from a model involving only three conservation equations.

Cette thèse se situe dans le cadre du projet ASTRID du CEA. La surveillance de la présence de gaz dans un RNR est importante pour son fonctionnement en toute sécurité. Cette thèse porte sur la détection et la caractérisation de présence de gaz par un débitmètre à distorsion de flux (DDF). Du point de vue technologique, l’objectif est d’évaluer la faisabilité de l’utilisation d’un DDF, et s’il est possible de mesurer le débit et le taux de vide simultanément avec un DDF. Du point de vue de la physique, le DDF mesure la perturbation du flux magnétique due aux courants de Foucault induits par l’hydrodynamique d’un écoulement de liquide conducteur. En présence de vide dans le conducteur, une nouvelle source de perturbation apparaît du fait de la modification, par le taux de vide, de la distribution du champ magnétique. En effet, la présence de vide agit sur les distributions locales de courants électriques dues au couplage des phénomènes d’induction et de forces de Lorentz. Notre objectif est de comprendre la nature de ces couplages et de proposer une méthode qui permette de caractériser la présence de vide à partir du signal de sortie du DDF, de mesurer le taux de vide et d’étudier la sensibilité de cette mesure aux variations des paramètres de l’écoulement et du champ électromagnétique (vitesse et pulsation, en particulier). Dans ce travail, des expériences spécifiques ont été développées pour étudier les effets de la vitesse, du taux de vide et de la pulsation du flux magnétique sur la réponse d’un DDF. Ces expériences modélisent un écoulement diphasique idéal (écoulement piston) consistant en une barre mobile d’aluminium contenant des trous et des cannelures pour simuler le taux de vide. Dans ces expériences la vitesse, le taux de vide et la pulsation sont parfaitement contrôlé et leur domaine de variations sont les suivants : 0<U<1 m/s pour la vitesse, 0< <6.9% pour le taux de vide et 1500<<12000 rad/s pour la pulsation (dans cette gamme de pulsations, on notera que la profondeur de pénétration du champ électromagnétique est de l’ordre de, mais plus petit que, le rayon du barreau d’aluminium). Une méthode d’ellipse-fitting appliqué au signal de sortie du DDF a été utilisée pour caractériser l’effet du taux de vide. Les résultats montrent que le DDF est sensible pour des fractions volumique de vide entre 0.3 % and 6.9% . En outre, la réponse aux variations de taux de vide est insensible à la vitesse du barreau. Cette technique est peu adaptée aux mesures des faibles taux de vide (< 0.1%). Une deuxième approche a été développée, sur la base de l’analyse du signal démodulé du DDF. Cette analyse s’appuie sur un modèle théorique du flux magnétique obtenu par un développement au 1er ordre par rapport à U et a. Ce modèle permet d’interpréter les résultats expérimentaux en termes de contributions de U et a au flux magnétique. Malgré le couplage fort entre l’induction Faraday et les forces de Lorentz, les résultats montrent que les contributions de U et alpha peuvent être séparées correctement pour des petites valeurs du nombre de Reynolds magnétique (Rem < 0.12), et de faible taux de vide ( < 6.9%). Un résultat très important est que la contribution de a sur le flux magnétique est insensible aux variations de vitesse dans cette gamme de Rem . De plus, l’effet de la géométrie du vide a été étudié pour deux configurations : cannelures et trous. Il a été observé que la géométrie du vide n’a pas d’effet sur les variations du flux magnétique avec a. Cette seconde approche est plus sensible aux variations de fraction volumique du vide que la méthode de l’ellipse-fitting. Enfin, des expériences préliminaires avec un liquide métallique (galinstan) contenant des perles de verre, ont été faites et ont montré une bonne sensibilité du signal du DDF avec la vitesse et le taux de vide. En conclusion, ce travail a montré qu’il est possible de mesurer simultanément un taux de vide et un débit pour la gamme de variations des paramètres étudiés. / A Generation IV Sodium cooled Fast Reactor (SFR) is being researched and developed at CEA, Cadarache France under the project named ASTRID. Monitoring gas presence in SFR is important with respect to its safe operation. In accordance with the principles of diversity, techniques based on different measurement principles have been proposed. This thesis concerns the detection and characterization of void using magnetic flux perturbation principle. An Eddy Current Flow Meter (ECFM) device is used for this purpose. From the technological point of view, the objective is to evaluate the feasibility of ECFM as a flow and/or void monitoring/characterizing device; and to determine which parameters are of interest and what are the precision of these measurements; and whether it is possible to measure the flow rate and void fraction simultaneously with the same ECFM device. From the physics point of view, the ECFM system involves the magnetic flux perturbation due to voids in the presence of Faraday induction and Lorentz force effects. Therefore ECFM integrated signal contains informations about the void, Faraday induction and Lorentz force effects based perturbation in magnetic flux and their couplings. Our objective is to understand the nature and extent of these couplings. Specific experiments have been developed to study the effects of flow velocity, void fraction and magnetic flux pulsations on the response of an ECFM. It consists in modeling the two-phase flow by a moving aluminium rod (plug flow) with holes and grooves to simulate voids. Flow velocity range of variation was 0<U<1 m/s, void fraction 0<<6.9% and pulsation 1500<<12000 rad/s (for this range of pulsations the electromagnetic skin depth is of order but smaller than the aluminium rod radius). An ellipse fitting method was proposed to analyze the output signal of the secondary coils. The results show that ECFM is sensitive to void fractions between 0.3 % and 6.9%. Furthermore, the response to void fraction is insensitive to the mean velocity of the twophase medium. A second approach based on demodulation analyses of the secondary coils output signal has been developed. We have proposed a theoretical model based on a first order expansion of magnetic flux in U and a. With this model it was possible to interpret the experimental results in terms of contributions of U and a. Despite the strong coupling between Faraday induction and Lorentz force effects, the results show that the contributions of U and a. can be well separated at low magnetic Reynolds number (Rem < 0.12) and low a values ( < 6.9%). A very important result is that the contribution of _ on magnetic flux is insensitive to variations of velocity in this range of Rem. Moreover, different geometries of void have been studied: grooves and holes. It was observed that the geometry of void do not change the variation of magnetic flux with a. This second approach revealed to be more sensitive to void fraction variations than ellipse fitting method. Finally, preliminary experiments with liquid metal galinstan with glass beads were done, which showed sensitivity of ECFM signal with velocity and void. In conclusion, this work has shown that ECFM can measure simultaneously void and velocity in the range of parameters studied, in particular 0.06%< < 6.9%.

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc. / This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.