La pyrolyse est la décomposition thermochimique de la biomasse en gaz de synthèse valorisables en biocarburants. Cette technologie, propre et renouvelable, nécessite aujourd’hui des efforts de recherche et de développement afin de prouver sa compétitivité par rapport aux autres sources d’énergie. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle macroscopique de la pyrolyse en utilisant la méthode de prise de moyenne volumique. Le modèle sera ensuite utilisé pour faire des études numériques afin de caractériser le procédé et améliorer les performances des réacteurs. Une approche en deux temps a été établie afin d’atteindre notre objectif. D’abord, des modèles macroscopiques d’écoulements à masse volumique variable en milieu poreux ont été développés. Ce type d’écoulements est similaire à celui mis en jeu en pyrolyse pour deux deux raisons: la masse volumique varie sous l’effet de gradients forts de température et le réacteur de pyrolyse peut être considéré comme un milieu poreux à double porosité (porosité à l’échelle du lit et porosité à l’échelle de la particule). Les résultats théoriques ont montré que les équations de conservation macroscopiques (continuité, quantité de mouvement et énergie) et les propriétés effectives (masse volumique, perméabilité et diffusivité thermique) font apparaitre de nouveaux termes résultants de la variation de densité. La forme explicite de ces termes a été établie et validée par simulations numériques. Les résultats obtenus ont été utilisés dans un deuxième temps afin de développer un modèle macroscopique de la pyrolyse. / Pyrolysis is a thermo-chemical conversion of biomass into bio-fuels. This technology has not been fully developed and its competitiveness against other sources of energy is yet to be proven. The aim of this work is to derive a macroscopic model of pyrolysis by means of volume averaging method. The obtained macroscopic model can then be used to conduct fast and low-cost numerical simulations to characterize the process and improve the reactor efficiency. To achieve our objective, a two-steps methodology has been established. First, the fundamental problem of variable density flow in porous media has been investigated. The physical phenomena in this kind of problem are very similar to those involved in pyrolysis for two reasons: the fluid density varies due to high temperature gradients and the pyrolysis reactor can be considered as a double porosity medium (porosity at the reactor scale and porosity at the biomass particle scale). The obtained macroscopic conservation equations (continuity, momentum and energy) and the effective properties (density, permeability and thermal diffusivity) contain additional terms resulting from the fluid density variation. The explicit form of these terms has been established and their components have been computed. The resulting models of the first step have then been used to develop a macroscopic model of the pyrolysis in the second part of our study.

La croissance de la demande en produits pétroliers (essence et gazole), en particulier dans les pays développés, et la nature limitée des ressources pétrolières conduisent l’industrie pétrolière à s’intéresser de plus en plus à l’exploitation et la transformation des huiles lourdes et extra-lourdes. Leurs propriétés non conventionnelles du fait de leur forte composition en asphaltènes (particules définies comme l'ensemble de constituants insolubles dans le n-heptane et solubles dans le toluène) nécessitent la mise en oeuvre de procédés de plus en plus sophistiqués à toutes les étapes de leur exploitation et de leur production. Ces bruts, situés principalement au Canada et au Venezuela, sont caractérisés par leur forte viscosité de 1 à 55 Pa.s (1 000 cP à 55 000 cP), qui rend leur transport en surface impossible dans leur état naturel. Le développement de solutions technologiques nouvelles repose sur une meilleure connaissance des propriétés thermo- physiques et du comportement colloïdal de ces produits.Les méthodes de caractérisation expérimentale et de modélisation utilisées pour les bruts conventionnels sont inadaptées pour les bruts lourds et extra lourds. La caractérisation PVT des bruts lourds fait l’objet de nombreux travaux à l’heure actuelle. Les propriétés à déterminer sont les équilibres de phase et les propriétés thermo physiques des phases en équilibre. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectifs principaux le développement de méthodes expérimentales et de modèles adaptés aux bruts lourds et aux procédés de récupération envisagés pour ces bruts (production froide, injection de solvant VAPEX, injection de vapeur SAGD, etc...). / Due to increasing demand for fuel, in particular for developed countries, and the limited nature of reserves, petroleum industry is, and will, growing concerned by the heavy and and extra-heavy oil processing. The non-conventional properties of these oils (due to a high asphaltene composition) require specific engineering solutions during the different steps of their processing. These crudes, mainly localized in Canada and Venezuela, are characterized by their strong viscosity, from 1 up to 55 Pa.s, which makes their transport to earth surface impossible. The development of new technological solutions is based on a better knowledge of the thermophysical properties and the colloidal behavior of these products. The methods of experimental characterization and modelling used for the conventional crudes are unsuited for both heavy and extra heavy crudes. To date, characterization PVT of heavy crudes is the subject of numerous studies. The properties to be determined are balances of phase and thermophysical properties of the equilibrium cycles. In this context, the main objectives of this thesis are not only the development of experimental methods and models suitable for heavy crudes, but also the recovery processes envisaged for these crudes (cold production, VAPEX process, SAGD process, etc…).

La simulation numérique des écoulements est une étape essentielle de la conception des turbines à gaz équipant les hélicoptères. La recherche permanente de la performance a conduit à des géométries de turbines très complexes et il devient de plus en plus difficile de modéliser des grilles de simulation qui épousent parfaitement la CAO des moteurs. La technique chimère permet de s’affranchir des contraintes de recollement parfait des différentes grilles en autorisant leur chevauchement. Cependant elle soulève de nouveaux problèmes lors de la phase de post-traitement, lorsqu’il s’agit d’exploiter les résultats de simulation afin de faire de nouveaux calculs ou de les visualiser, parce que les outils usuels ne sont pas adaptés à ces configurations particulières. Dans le cadre des deux premiers projets du programme MOSART du pôle de compétitivité Aerospace Valley, respectivement MACAO et OSMOSES, nous avons travaillé en collaboration avec l’entreprise Turbomeca à la conception d’une méthode de reconstruction volumique afin de traiter les résultats de simulations à base chimère. Nous avons ainsi proposé une méthode innovante permettant de reconstruire une partition de l’espace de simulation exempte de chevauchement entre grilles. La nouvelle partition conserve le maximum de propriétés des grilles d’origine et assure en tout point la conformité aux bords. La complexité théorique est linéaire avec la taille des grilles d’origine et nous permet d’obtenir des temps de traitement de l’ordre de la seconde pour des grilles de plusieurs centaines de milliers de mailles. Le principal intérêt de ce travail est de rendre exploitables les résultats de simulations à base chimère par les outils de post-traitement, qu’il s’agisse d’outils maison ou des nombreux logiciels commerciaux ou OpenSource disponibles, condition indispensable pour l’adoption de la méthode chimère par les bureaux d’études. / Computationnal fluid dynamics is an essential step in gas turbine modelling. Continuous optimization of turbines has led to sophisticated geometries, which raises severe issues for the design of adapted simulation grids. The chimera technique aims at relaxing geometry matching constraints by allowing grids overlap. However, post-processing of simulation results performed over chimera grids raises new issues because usual tools are not tuned for this particular geometricconfigurations. In the framework of the MOSART programme of the world competitiveness cluster Aerospace Valley, we have been working in collaboration with Turbomeca in order to develop a technique for the volumetric reconstruction of chimerasimulation results. We propose an innovative method that allows us to build a collection of non-overlapping grids while preserving the main properties of the former simulation grids and featuring boundary conforming property everywhere.The theorical complexity of our algorithms has proved to be linear in the size of the former grids and leads to computation times of a few seconds for grids of hundreds of thousands of cells. The main impact of this work leads in the possibility of using any post-processing tool, including a large number of OpenSource solutions, for post-processing chimera simulation results, which is a mandatory condition for the wide acceptance of this method by industry actors.

La simulation numérique génère des maillages de plus en plus gros pouvant atteindre plusieurs dizaines de millions de tétraèdres. Ces ensembles doivent être visuellement analysés afin d'acquérir des connaissances relatives aux données physiques simulées pour l'élaboration de conclusions. Les capacités de calcul utilisées pour la visualisation scientifique de telles données sont souvent inférieures à celles mises en oeuvre pour les simulations numériques. L'exploration visuelle de ces ensembles massifs est ainsi difficilement interactive sur les stations de travail usuelles. Au sein de ce mémoire, nous proposons une nouvelle approche interactive pour l'exploration visuelle de maillages tétraédriques massifs pouvant atteindre plus de quarante millions de cellules. Elle s'inscrit pleinement dans le procédé de génération des simulations numériques, reposant sur deux maillages à résolution différente -- un fin et un grossier -- d'une même simulation. Une partition des sommets fins est extraite guidée par le maillage grossier permettant la reconstruction à la volée d'un maillage dit birésolution, mélange des deux résolutions initiales, à l'instar des méthodes multirésolution usuelles. L'implantation de cette extraction est détaillée au sein d'un processeur central, des nouvelles générations de cartes graphiques et en mémoire externe. Elles permettent d'obtenir des taux d'extraction inégalés par les précédentes approches. Afin de visualiser ce maillage, un nouvel algorithme de rendu volumique direct implanté entièrement sur carte graphique est proposé. Un certain nombre d'approximations sont réalisées et évaluées afin de garantir un affichage interactif des maillages birésolution.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur la simulation sur maquette d'un panache d'incendie en tunnel par un panache massique formé par le rejet continu en canal d'un gaz léger (air-hélium). L'objectif de ces travaux est d'améliorer la technique de simulation à partir d'études théorique, expérimentale et numérique sur la dynamique d'un panache massique en champ libre ainsi qu'en milieu confiné ventilé.<br />Dans un premier temps, un modèle théorique de type intégral est développé pour décrire le comportement d'un panache massique se développant en champ libre, dans un fluide ambiant au repos et non stratifié. Ce développement théorique met en évidence que les évolutions avec l'altitude des caractéristiques du panache peuvent être déduites de celle d'un paramètre unique, la "fonction panache". Dans un second temps, des simulations numériques sont réalisées à l'aide du code de calcul Fire Dynamic Simulator (FDS) dans des situations de plus en plus complexes : panache massique d'hélium en champ libre puis en milieu confiné et ventilé (type tunnel). Les résultats de simulations numériques obtenus pour un milieu confiné et ventilé sont encourageants, en bon accord avec des données expérimentales. Les résultats numériques et expérimentaux, obtenus dans le cadre d'un projet de recherche national RGC&U, permettent de mettre en lumière les mécanismes à l'origine du caractère fortement tridimensionnel d'un panache d'incendie dans un tunnel ventilé longitudinalement. Enfin, dans le cadre des essais sur maquette, les règles de similitude pour la simulation d'un panache d'incendie réel par un panache massique sont établies à partir des équations physiques. Le foyer est modélisé par le rejet d'un mélange gazeux léger air-hélium dont les caractéristiques sont ajustées afin de correctement reproduire la masse volumique des fumées d'incendie.

Présentation de concepts issus de la cotation volumique qui répondent aux besoins d'un système CFAO integré allant de la conception à la fabrication. Validation de ces concepts et des méthodes par implantation d'un logiciel de conception automatique de gammes d'usinage appelé Gagmat

L'objectif de cette thèse est le développement d'outils numériques pour la résolution des équations de Navier-Stokes dans l'approximation à faible nombre de Mach. On s'intéresse l'écoulement avec des contrastes de masse volumique d'origine thermique, plus particulièrement, aux anneaux de vorticité anisothermes générés par l'injection de fluide dans un milieu au repos. Ce sujet présente un intérêt important, tant du point de vue fondamental que du point de vue des applications industrielles. Tout processus industriel utilisant les systèmes d'injection est concerné, tels que les moteurs automobiles et aronautiques. Ce travail est guidé par la motivation de construire un schéma pouvant traiter les écoulements à forts contrastes de densité ayant lieu, par exemple, dans la combustion. On considère les équations conservatives formulées en trois dimensions dans un repère de coordonnées cylindriques. Quatre schémas d'intégration en temps, basés sur la méthode de projection incrémentale étendue au régime à faible nombre de Mach, sont implémentés. Des essais numériques sont menés pour analyser leurs stabilité et taux de convergence temporels. Des simulations pour une large gamme de rapports de masse volumique variant de 1/10 10 sont ralisées avec succès. Les effets de contraste de densité sur la dynamique et la structure de l'écoulement sont analysés. Les résultats ont montré que le jet chaud est caractérisé par un vortex de tête dans lequel se concentre le fluide le plus léger (chaud). Par ailleurs, le tourbillon généré par le jet froid constitue une région à temprature et masse volumique intermédiaires. On montre que les caractéristiques de l'écoulement (circulation, longueur de pénétration, coordonnées du tourbillon, etc.) sont fortement dépendantes du rapport de densité.

Cette thèse étudie certaines inégalités isopérimétriques globales sur les graphes métriques et les variétés riemanniennes. Tout d'abord, nous établissons pour un graphe métrique une inégalité isopérimétrique entre l'entropie volumique et la systole, puis étudions la géométrie de la boule unité de la norme stable en fonction de la combinatoire du graphe. Nous poursuivons en montrant que, pour une variété riemannienne fermée (M,g) de dimension au moins trois et de premier nombre de Betti non nul, une large classe de polytopes apparaît comme boule unité de la norme stable d'une métrique dans la classe conforme de g. Nous exhibons ensuite une borne supérieure de la constante systolique de la somme connexe de n exemplaires d'une variété M, montrant ainsi que la croissance de la constante systolique en fonction de n est toujours plus lente que la croissance linéaire. Enfin, nous démontrons une inégalité entre la systole, la longueur du lacet systolique et le diamètre d'une variété riemannienne simplement connexe dont le second groupe homotopique est non trivial.

On peut constater une analogie étroite entre les mécanismes d'atomisation primaire dans une couche cisaillée diphasique et ceux précédant la transition au mélange dans une couche monophasique : l'instabilité primaire et la cinétique d'étirement des ligaments de fluide dense dans le courant rapide sont similaires dans les cas monophasiques et diphasiques si les vitesses d'injection et le rapport initial des masses volumiques sont les mêmes. L'atomisation primaire s'apparente au mélange turbulent de deux fluides pris dans la même phase pour les grands nombres de Reynolds et de Weber, comme dans le cas d'une injection LOx-H2 dans Vulcain. On choisit alors d'étudier l'influence du rapport initial de masse volumique sur la dynamique prétransitionnelle d'une couche monophasique plane au moyen de simulations numériques. A ce stade, la raideur des fonctions manipulées implique le recours aux solveurs hyperboliques de type solveur de Roe associés à des schémas Essentiellement Non Oscillants d'ordre élevé (WENO) et ce, pour la discrétisation des flux convectifs. Une fois établies les limites du compromis précision-robustesse des solveurs développés, deux directions d'étude sont privilégiées : tout d'abord des calculs Navier-Stokes, destinés à la compréhension des mécanismes fondamentaux de mélange, avant la transition à la turbulence 3D. L'étude révèle que, lorsque le rapport des masses volumiques entre les courants lents et rapides est supérieur à 1, la dynamique non-linéaire de la couche est gouvernée par un champ tourbillonaire asymétrique, au bilan duquel contribue fortement la distribution des gradients de masse volumique via le couple barocline. La possibilité de prendre en compte à la fois de forts rapports de masse volumique et des effets diffusifs variables permet d'établir les échelles intégrales de temps de mélange. Ensuite, des calculs conduits dans l'approche MILES, autorisant des nombres de Reynolds plus élevés, produisent des bases de données statistiques desquelles on peut estimer les composants des modèles de mélange pour les écoulements à masse volumiques très variables. Cette dernière étape sert la modélisation eulérienne de l'atomisation primaire.

Depuis une vingtaine d'années, l'utilisation de la technologie des fluides supercritiques suscite un grand intérêt comme alternative aux techniques conventionnelles pour de nombreuses applications telles que l'extraction, le fractionnement, la génération de particules, la chromatographie et la réaction chimique. Cependant, le développement de ce type de procédés nécessite au préalable de caractériser les propriétés du milieu considéré tel que le comportement thermodynamique des phases du point de vue de leurs compositions à l'équilibre et de leur caractéristiques thermophysiques telles que la viscosité, la densité, la diffusivité et l'expansion volumique. De plus, la connaissance de ces propriétés est essentielle à la compréhension des mécanismes des processus mis en jeu mais malencontreusement insuffisante dans la littérature. C'est dans ce contexte que ces travaux de thèse ont été réalisé et ont permis de développer des techniques de caractérisation de propriétés thermophysiques adaptées à la haute pression telles que la viscosimétrie à chute de bille, la mesure de densité utilisant la technologie du tube vibrant et la mesure de solubilité par analyse gravimétrique. Les investigations ont été uniquement menées sur la phase liquide de systèmes binaires très variés du point de vue de la nature physico-chimique des constituants : CO2-DMSO, CO2-PEG400 et CO2-beurre de cacao. Ce travail de thèse a également été consacré à la modélisation de ces propriétés au moyen d'équations d'état et de modèles empiriques ajustés sur les résultats expérimentaux. Développement d'un dispositif de mesure d'équilibre de phase Liquide-Vapeur Cette technique analytique a été développée pour mener des investigations sous haute pression (jusqu'à 35 MPa) de systèmes binaires composés d'une phase liquide (ou fondu) et d'une phase vapeur. Le dispositif a été validé en comparant les résultats obtenus sur le système DMSO-CO2, avec ceux de la littérature. Cet appareillage permet simultanément de déterminer la densité (au moyen d'un densimètre utilisant la technologie du tube vibrant) et la composition d'une phase, en l'occurrence ici la phase liquide, déterminée par analyse gravimétrique. Cette méthode est basée sur le prélèvement dans une cellule de mesure placée sur une balance de précision. L'échantillon de la phase liquide du système étudié, est prélevé dans des conditions de pression et de températures fixées et maintenues constantes lors de l'opération. La séparation des composés est obtenue après dépressurisation de la cellule et la quantité de CO2 initialement dissoute est ainsi déterminée par différence par rapport à la masse de l'échantillon prélevé. Développement d'un viscosimètre à chute de bille Ce dispositif a été spécifiquement conçu pour effectuer de mesures de viscosité sous pression. L'enceinte contenant le viscosimètre est une grande enceinte cylindrique. Les conditions maximales de pression et de température sont respectivement de 44 MPa et 200 °C. La technique est basée sur l'observation de la chute d'une bille d'aluminium (2 mm de diamètre) dans un tube en verre (2.1 mm de diamètre et 20 cm de longueur) au moyen d'une caméra rapide (30 à 500 images/s) au travers des hublots en saphir de l'enceinte. La vitesse terminale de chute permettant de déduire la viscosité du fluide considéré, est déterminée par analyse d'image des films capturés au moyen d'un outil spécialement conçu sous Matlab®. En première approximation, l'écoulement du fluide dans le tube peut-être considéré de type Poiseuille et laminaire. Un bilan de quantité de mouvement sur le fluide permet d'en déduire une définition simplifiée de la viscosité. Cette estimation de la viscosité permet d'initialiser des calculs CFD réalisés par la méthode des éléments finis sous Comsol® Multiphysics. En outre ces calculs ont permis d'estimer le terme correctif tenant compte de la forme spécifique du champ de vitesse à proximité de la bille.