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.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel. / The ignition of a cryogenic rocket engine (liquid propellants) is a critical phase. The slightest anomaly in the ignition sequence can lead to the destruction of the entire launcher. The objective of this research work is to set a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) approach, to study the different physical phenomena involved in such ignition transient. The LES method can capture the unsteady processes such as turbulence, two-phase flow physics and chemical kinetics. The numerical tool is first validated in academic and experimental cases, and then applied to a real rocket engine. A gradual approach is employed : the complexity is increased between each validation case, so as to identify the main physical processes. This research work shows that the LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the whole ignition sequence of a real cryogenic rocket engine.

Orientador: Eugênio Spanó Rosa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T15:26:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_LuizEduardoMelo_D.pdf: 3018902 bytes, checksum: ac45ca48369c0c21398892fa2f7de5ac (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Escoamentos gás-líquido são frequentemente encontrados na natureza, bem como em diversas aplicações industriais. Na área de produção de petróleo, por exemplo, em sistemas de elevação natural ou artificial (gas-lift contínuo ou intermitente), gás e óleo escoam simultaneamente em tubulações. A previsão de escoamentos gás-líquido torna-se necessária à viabilidade técnica-econômica de muitos processos industriais, por exemplo, na indústria de petróleo devido ao aumento do consumo mundial de combustíveis e a descoberta de novos campos petrolíferos. Em escoamentos gáslíquido, as fases se distribuem espacialmente e temporalmente ao longo da tubulação dependendo das vazões, propriedades físicas das fases e das características da tubulação, entre outros parâmetros. A combinação destes fatores gera diversos padrões de escoamento gás-líquido que podem ser agrupados em três classes principais: disperso, separado e intermitente. Os principais objetivos deste trabalho são o desenvolvimento e a análise de uma modelagem unidimensional em regime permanente, baseada no modelo de mistura, que permita a simulação de escoamentos isotérmicos gás-líquido em tubulações com seção transversal circular constante, considerando a fenomenologia envolvida nestes escoamentos. Dentre as contribuições obtidas com a realização deste trabalho destacam-se: a identificação das vantagens e limitações do modelo; as análises de suas formulações, dos parâmetros de fechamento e de sensibilidade às variáveis relacionadas aos padrões; a proposição de um método de solução para um modelo fenomenológico de força de atrito na parede, aplicável aos diversos padrões de escoamento gás-líquido. Os resultados do modelo de mistura foram comparados contra dados experimentais do gradiente de pressão de escoamento nos padrões disperso, separado e intermitente, em diversas inclinações de tubo. Além disto, foram realizadas análises envolvendo transição de padrão de escoamento num tubo vertical. Os resultados obtidos demonstraram que o modelo de mistura captura de forma satisfatória o gradiente de pressão para os diversos padrões de escoamento gás-líquido, num único algoritmo de integração / Abstract: Gas-liquid flows are often found in nature as well as in various industrial applications. In the oil production, for example, in natural or artificial lift systems (continuous or intermittent gas-lift), gas and oil flow simultaneously in pipes. The prediction of gas-liquid behavior becomes necessary for technical and economic viability of many industrial processes, for example, the oil industry due to the increase of world oil consumption and the discovery of new oilfields. In gas-liquid flow, the phases are distributed spatially and temporally along the pipe depending on the flow rate, phase's physical properties and pipe characteristics, among other parameters. The combination of these factors creates different gas-liquid flow patterns that can be grouped into three main classes: dispersed, separated and intermittent. The main objectives of this work are the development and analysis of a steady one-dimensional modeling, based on the mixture model, which allows the simulation of isothermal gas-liquid flow in pipes with constant circular cross section, considering the phenomenology involved in these flows. Among the contributions obtained in this work stand out: to identify the advantages and limitations of the model; the analysis of their formulations, closing parameters and sensibility to variables related to the patterns; to propose a solution method for a phenomenological model of the wall friction force, applied to the different gas-liquid flow patterns. The mixture model results were compared against pressure gradient experimental data from flow in the dispersed, separated and intermittent patterns, in different pipe inclinations. In addition, it was performed an analysis of the flow pattern transition in a vertical pipe. The results showed that the mixture model captures satisfactorily the pressure gradient for different gas-liquid flow patterns, in a single integration algorithm / Doutorado / Termica e Fluidos / Doutor em Engenharia Mecânica

Les écoulements diphasiques dans les centrales de type réacteur à eau pressurisée appartiennent à des régimes très variés allant du faible nombre de Mach jusqu'aux ondes de chocs. Calculer des solutions approchées précises de ces écoulements peut s'avérer délicat dans certains régimes. On s'intéresse dans cette thèse à la conception et à l'étude de méthodes numériques robustes et stables à grand pas de temps, capables de calculer des solutions approchées précises quel que soit le régime d'écoulement, y compris sur maillage grossier. Une stratégie pour construire de tels schémas consiste à : utiliser un schéma semi implicite basé sur un splitting d’opérateurs pour séparer la résolution approchée des phénomènes rapides de celles des phénomènes lents ; corriger les flux numériques afin d’améliorer la précision du schéma dans certains régimes. Deux approches sont utilisées pour analyser la capacité du schéma numérique à gérer plusieurs régimes d'écoulement. L’approche des schémas asymptotic preserving est utilisée pour traiter le système de la dynamique des gaz avec termes sources raides. On utilise ensuite la notion de schéma tout-régime pour le système de la dynamique des gaz et les systèmes diphasiques homogénéisés HRM et HEM à bas nombre de Mach. Des propriétés garantissant la stabilité et la robustesse des schémas ont été obtenues, et en particulier des inégalités d'entropie discrètes. L'implémentation de ces méthodes a permis de mener des expériences numériques en 1D et 2D sur maillage non structuré qui confirment le gain en précision et en temps de calcul des schémas asymptotic preserving et tout-régime ainsi construits par rapport à des schémas numériques classiques. / Two-phase flows in Pressurized Water Reactors belong to a wide range of Mach number flows. Computing accurate approximate solutions of those flows may be challenging from a numerical point of view as classical finite volume methods are too diffusive in the low Mach regime. In this thesis, we are interested in designing and studying some robust numerical schemes that are stable for large time steps and accurate even on coarse meshes for a wide range of flow regimes. An important feature is the strategy to construct those schemes. We use a mixed implicit-explicit strategy based on an operator splitting to solve fast and slow phenomena separately. Then, we introduce a modification of a Suliciu type relaxation scheme to improve the accuracy of the numerical scheme in some regime of interest. Two approaches have been used to assess the ability of our numerical schemes to deal with a wide range of flow regimes. The first approach, based on the asymptotic preserving property, has been used for the gas dynamics equations with stiff source terms. The second approach, based on the all-regime property, has been used for the gas dynamics equations and the homogeneous two-phase flows models HRM and HEM in the low Mach regime. We obtained some robustness and stability properties for our numerical schemes. In particular, some discrete entropy inequalities are shown. Numerical evidences, in 1D and in 2D on unstructured meshes, assess the gain in term of accuracy and CPU time of those asymptotic preserving and all-regime numerical schemes in comparison with classical finite volume methods.

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.

Les turbines à gaz aéronautiques doivent satisfaire des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d’air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement turbulent gazeux. La simulation aux grandes échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est d’évaluer l'impact de modèles d'injection simplifiés sur la SGE de l'écoulement diphasique évaporant d’une configuration complexe. La configuration cible choisie est un brûleur aéronautique installé sur le banc expérimental MERCATO. Le banc expérimental est equipé d’un système d’injection d'air vrillé et d’un système d'injection liquide avec un atomiseur pressurisé swirlé représentatif de foyers aéronautiques réels. Dans un premier temps, un modèle d'injection simplifié pour atomiseurs pressurisés swirlés négligeant les effets de l'atomisation sur la dynamique du spray est présenté. L'objectif principal de ce modèle réside dans la reproduction de conditions d’injection similaires pour des traitements Eulériens et Lagrangiens de la phase particulaire. Dans un second temps, la composante Lagrangienne de ce modèle d'injection est combinée à un modèle d'atomisation secondaire de la litérature pour permettre une prise en compte partielle des phénomènes de pulvérisation liquide. Les SGE de l'écoulement diphasique évaporant de la configuration MERCATO présentées comportent deux aspects. Premièrement, différents modèles d’injection sont évalués pour quantifier leur impact sur la dynamique de la phase particulaire. Deuxièmement, une comparaison de simulations Euler-Euler et Euler-Lagrange reposant sur un modèle d'injection unifié est effectuée. / Aeroautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flowfield. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objective of this thesis is to evaluate the impact of simplified injection methods on the LES of the evaporating two-phase flow inside a complex geometry. The chosen target configuration is an aeronautical combustor installed on the MERCATO test-rig. The experimental setup includes an air-swirler injection system and a pressureswirl atomizer typical of realistic aeronautic combustors. In a first step, a simplified injection model for pressure swirl atomizers neglecting the impact of liquid disintegration on spray dynamics is presented. The main objective of this model lies in the reproduction of similar injection conditions for Eulerian and Lagrangian representations of the dispersed phase. In a second step, the Lagrangian injection method is combined to a secondary breakup model of the literature to partly account for the liquid disintegration process. The presented LES’s of the evaporating two-phase flow inside the MERCATO geometry consider two different aspects. First, the impact of injection modeling on spray dynamics is assessed. Second, Euler-Euler and Euler-Lagrange simulations relying on the common simplified injection model are compared.

Le but de cette étude expérimentale est de caractériser la dynamique de particules solides, à flottabilité nulle, incluse dans un écoulement turbulent isotrope en décroissance libre. Les particules utilisées sont de forme sphérique et ont un diamètre de 4 à 5 fois plus grand que l'échelle spatial de Kolmogorov de l'écoulement. De part leur taille, les particules ont également un nombre de Stokes proche de l'unité. On s'attend alors à ce que ces particules aient une dynamique différente de celle du fluide environnant. Dans cette étude, ont se propose de quantifier les différences de vitesses entre les deux phases à l'aide d'une technique de vélocimétrie simultanée / In this experimental study, the focus is made on the characterization of the dynamics of solid neutrally buoyant particles embedded in a freely decaying, nearly isotropic turbulence, with a weak mean flow. The particles are spherical with diameters several times larger than the Kolmogorov scale. The study of this flow configuration is still challenging both theoretically and numerically. Due to large particle sizes, the local flow around particles can not be considered as uniform and due to fluid-particle density ratio of around unity, the history and Basset forces cannot be neglected in comparison with the viscous drag force. Particle equation of motion is then fully non-linear, in contrast to the equation for heavy particles with diameters smaller then the Kolmogorov scale, for which only the Stokes drag is considered. In several experimental and numerical studies, the effect of particle size on velocity and acceleration statistics has been investigated (Homann and Bec 2010 ; Qureshi et al. 2008 ; Ouellette et al. 2008 ; Xu and Bodenschatz 2008). In the case of isotropic turbulence, Homann and Bec (2010) show that while the PDF of the particle velocity normalized by the square root of its variance does not vary with particle size, the variance itself is size dependent. A scaling relation for particle velocity variance has been proposed by using the Faxen correction (Gatignol 1983) which takes into account the non uniformity of the fluid flow at the scale of the particle. The aim of our research is to further study the dependence of particle dynamics on particle size. To that purpose, a turbulence generator has been set-up and the resulting turbulence is characterized. Then the flow was seeded with millimeter sized, neutrally-buoyant particles and the velocity of the two phases have been measured simultaneously. Simultaneous measurements of particle and surrounding fluid velocities show that although the global velocity statistics of the two phases have comparable values, the particles may have different local velocity from the velocity of the neighboring fluid

Le développement actuel des moteurs doit répondre à une volonté de réduction de la consommation et à des normes de plus en plus sévères. Les moteurs Diesel, bien que performants, présentent des émissions trop importantes d'oxydes d'azote (NOx) et de particules de suies. Ces émissions polluantes proviennent essentiellement de l'existence de zones riches en carburant ne permettant pas une combustion optimale. La préparation du mélange air / carburant, fortement conditionné par l'entraînement d'air par le spray est donc essentielle. La Vélocimétrie par Images de Particules sur traceurs Fluorescents, associée à un traitement spécifique des champs de vitesses instantanés de la phase gazeuse externe sont utilisés afin d'obtenir des mesures en proche frontière du spray. Dans la zone quasi statique du spray, un effet important de la densité ambiante sur le taux de mélange est mis en évidence. D'autre part, la diminution du diamètre de trou d'injecteur améliore sensiblement le taux de mélange local. Pour compléter cette analyse, un gain du taux de mélange entre les deux injecteurs est calculé pour chaque densité ambiante. Pour les fortes densités, le gain issu de la réduction du diamètre de trou peut at! teindre une valeur importante (> 60%). La phase gazeuse latérale dans la zone instationnaire du spray est ensuite investiguée et la méthodologie de la F-PIV est transposée à cette zone. Un lien entre la longueur de pénétration du spray et des longueurs d'entraînement est défini. La densité ambiante n'a pas d'effet sur ces longueurs d'entraînement. La diminution du diamètre de trou engendre une augmentation du gaz entraîné à une distance plus courte du nez de l'injecteur. Cependant, cette étude montre que les deux sprays n'engendrent pas un entraînement de gaz similaire. / The actual development of the engine must reply to a will of fuel consumption reduction and to stricter norms concerning the pollutant emissions. Although the Diesel engines are competitive, the NOx and soot particle emissions mainly come from the existence of wealthy fuel zone preventing an optimal combustion. Therefore, the air / fuel mixing preparation, highly controlled by the air entrainment in spray, is essential. Particle Image Velocimetry on fluorescent tracers, associated with a specific processing of the instantaneous velocity fields have been applied to obtain measurements in the near vicinity of the spray edge. In the "quasi- teady" region of the spray, the important effect of the ambient density on the mixing rate has been pointed out. On the other hand, an orifice diameter decrease significantly improves the local air / fuel ratio. To complete this analyse, a gain in mixing rate between two different injectors has! been calculated for each gas density. For high densities, the gain due to a reduction of the hole diameter can reach important value (> 60%). Then, lateral gaseous phase in no stationary zone of spray is studying and F-PIV method is transposed to this zone. A link between the penetration length and entrainment lengths is defined. Ambient density has not effect on entrainment lengths. The hole diameter decrease generates entrained gas increase at shorter distance of injector nozzle. However, this study shows two sprays do not generated the same gas entrainment

Les écoulements turbulents à phases séparées sont présents dans de très nombreuses applications. Cependant, la simulation de tels écoulements avec une interface déformable constitue l'un des problèmes les plus complexes de la mécanique des fluides numérique. La prise en compte du bilan des contraintes normales est au cœur du problème de déformation de l'interface. Dans le travail présenté ici, nous développons un algorithme permettant de simuler des écoulements diphasiques incompressibles et turbulents en suivant le déplacement de l'interface par une approche lagrangienne. Les équations de Navier-Stokes instationnaires écrites en variables vitesse-pression sont résolues dans les deux phases en utilisant des maillages curvilignes orthogonaux. Dans un premier temps, nous introduisons un schéma de raccordement des vitesses tangentielles et des cisaillements. Ce schéma est appliqué afin de simuler l'interaction de deux écoulements turbulents séparés par une interface plane. La turbulence est traitée par une approche de simulation des grandes échelles utilisant un modèle dynamique. Un algorithme original est ensuite développé dans le but de satisfaire de façon non-itérative à la fois la continuité des vitesses normales et des contraintes normales sur l'interface et l'incompressibilité dans les deux phases. Différentes simulations d'écoulements diphasiques avec interface déformable sont réalisées afin de valider ces développements. / Turbulent incompressible two-phase separated flows are present in many applications. However, simulation of such flows with a moving interface is one of the most challenging problems in todays computational fluid dynamics. Taking properly into account the normal stress budget accross the interface is the main difficulty of moving interface problems. This work deals with the development of a boundary-fitted method for computing turbulent incompressible two-phase flows. The interface displacement is achieved through a Lagrangian approach. The unsteady Navier-Stokes equations written in a velocity- ressure formulation are solved within the two phases using an orthogonal curvilinear grid. In a first step, we introduce a scheme allowing tangential velocities and shear stresses to match across the interface. We apply this technique to compute the countercurrent flow generated by two streams separated by a plane interface. This scheme is then applied to compute various situations involving the interaction between two turbulent flows separated by a flat interface. The turbulence is treated by using the Large Eddy Simulation approach with a dynamic model. An original algorithm is then developed to satisfy without any internal iteration the continuity of normal velocities and stresses across the interface and the incompressibility condition within both phases. Several simulations of two-phase flows with a moving interface are carried out to validate these developments.

Ce travail de thèse porte sur le simulation d’écoulements diphasiques compressibles, visqueux et conductifs, à l’aide de schémas numériques aux différences finies centrées d’ordre élevé. Pour cela, les équation utilisées sont les équations de Navier-Stokes complétées de deux équations d’advection décrivant l’interface et d’une équation permettant d’estimer la température au sein d’un liquide et d’un gaz. Elles sont résolues à l’aide de méthodes numériques conservatives précédemment développées pour l’aéroacoustique, adaptées dans la présente étude à la simulation d’écoulements diphasiques. Les choix des équations et des méthodes numériques sont validés à l’aide de divers cas test monodimensionnels proposés dans la littérature. Les résultats obtenus sont en accord avec les solutions analytiques ou de référence. Deux écoulements 2D composés de deux gaz sont ensuite considérés. Le premier cas concerne l’instabilité de Richtmyer-Meshkov qui se développe à l’interface entre de l’air et du SF6. Le second cas porte sur une bulle cylindrique remplie d’hélium ou de R22 impactée par une onde de choc plane se propageant dans l’air. Pour ces deux écoulements, une étude de convergence de maillage est effectuée et les solutions numériques sont comparables aux données expérimentales de la littérature. L’influence du nombre de Reynolds sur la déformation de l’interface de la bulle d’hélium est également montrée. Enfin, l’implosion d’une bulle d’air dans l’eau est étudiée. Dans un premier temps, l’implosion sphérique de la bulle suite à son interaction avec une onde de pression convergente est simulée. Les résultats sont en bon accord avec les solutions prédites par le modèle de Rayleigh-Plesset. L’influence de l’épaisseur initiale de l’interface et de la conductivité thermique est montrée. Dans un second temps, l’implosion non sphérique d’une bulle proche d’un mur et impactée par une onde de choc plane est considérée. La pression imposée sur le mur et la température au sein de l’écoulement sont quantifiées. Enfin, une étude de l’effet de la distance initiale entre le mur et la bulle sur l’implosion est menée. / This PhD work concerns the simulation of compressible, viscous and conductive two-phase flows, using high-order centered finite-difference schemes. The equations governing two-phase flows are the Navier-Stokes equations in conjunction with two advection equations governing the interface and one equation allowing to estimate the temperature within a liquid and a gas. These are solved using conservative numerical methods which are validated from the resolution of various 1D test cases taken from the literature. The results obtained are in good agreement with the analytical or reference solutions. Then, two 2-D flows composed of two gases are considered. The first case concerns the Richtmyer-Meshkov instability developping at the interface between air and SF6. The second case deals with a cylindrical bubble filled with helium or R22 which is hit by a plane shock wave travelling through air. For these two flows, a grid convergence study is conducted and the numerical solutions compare well with the experimental data of the literature. The effect of the Reynolds number on the deformation of the bubble interface is also shown. Finally, the collpase of an air bubble in water is studied. Firstly, the spherical collapse of the bubble due to its interaction with a spherical converging shock wave is simulated. The results are in good agreement with the solutions predicted by the Rayleigh-Plesset model. The effect of the initial interface thickness and the thermal conductivity on the collapse is investigated. Secondly, the non-spherical collapse of a bubble near a wall impacted by a plane shock wave is considered. The pressure imposed on the wall and the temperature within the flow are quantified. Finally, the influence of the initial stand-off distance between the wall and the bubble is examined.