Rozprawy doktorskie na temat „Transitions d'écoulement”

Pour comprendre les mécanismes de déstabilisation, d'arrêt et de coexistence des phases statiques (solide) et coulantes (liquide), nous réalisons expériences et simulations numériques d'empilements granulaires modèles. Trois sujets ont été abordés au cours de cette thèse.
L'étude expérimentale de la transition d arrêt d'un empilement après un écoulement de surface met en évidence l'existence de relaxations de durée bien supérieure au temps de relaxation d'un grain sous l'action de son poids. Celle-ci est constituée de phases de relaxation et de réactivations liées à des déplacements corrélés des grains, prises en compte dans un modèle statistique.
L'étude numérique d'un empilement incliné en deçà de l'angle d'avalanche met en évidence l'influence du domaine métastable –au-delà de l'angle de repos– sur ses propriétés hystérétiques au cours de cycles quasi-statiques. Le réseau des contacts faibles est très affecté par le passage dans le domaine métastable. Les corrélations entre micro-structure, contrainte et déformation sont discutées.
Enfin, l'expérience d'un écoulement non confiné sur plan incliné permet d'étudier la loi d'écoulement dans le cas de la coexistence solide-liquide. Les caractéristiques s´electionnées par l'écoulement (épaisseur, largeur, vitesse) évoluent lentement avec le temps. La prise en compte de l'existence d'une couche basale statique permet de retrouver la corrélation entre épaisseur coulante et vitesse, comme pour un écoulement confiné, et de prédire la morphologie des dépôts (présence ou non de levées).

L'extraction sous-marine du pétrole inclut le transport d'émulsions eau-dans-huile (E/H) concentrées, stabilisées par des tensioactifs naturellement solubles dans le pétrole, et transporté dans des pipelines horizontaux sur de longues distances, jusqu'à 50 km. En raison de ces longs séjours, les configurations d'écoulement sont susceptibles de passer d'un état entièrement stratifié à un état entièrement dispersé ou vice-versa. Ces transitions sont induites par des processus tels que la sédimentation, la migration induite par le cisaillement et la coalescence. Ces processus sont influencés par les propriétés du liquide et de l'interface, la concentration de la phase dispersée, les régimes d'écoulement et la taille des gouttes. Cette thèse porte sur les écoulements horizontaux d'émulsions E/H concentrées.Des méthodes et des appareils expérimentaux uniques sont conçus pour visualiser localement l'écoulement de ces émulsions. En introduisant divers composants dans l'eau et dans une huile alcane, l’indice de réfraction entre les deux phases est ajusté, tout en contrôlant la différence de densité. Ce contrôle permet d'étudier l'interaction entre les forces de flottabilité et hydrodynamiques, ce qui est primordial pour étudier la migration des particules dans ces écoulements. Les profils de vitesse sont obtenus par Particle Image Velocimetry (PIV) en introduisant des particules fluorescentes dans la phase huile, tandis que la topologie des phases est obtenue en ajoutant un fluorophore à l'intérieur de la phase huile également. Des expériences en lit statique sont faites, fournissant des résultats concernant la métastabilité des émulsions E/H sur de longues périodes, où seule la gravité contrôle le processus de coalescence. Les expériences en écoulement cisaillés sont réalisées dans un Couette Plan Annulaire représentant un écoulement Couette plan courbé sur lui-même. Cette géométrie est choisie pour sa périodicité et sa capacité à présenter un plan de cisaillement vertical dans la même direction que la gravité.L'étude de la transition entre les écoulements stratifiés-dispersés et les écoulements pleinement dispersés a permis de mettre en évidence différents régimes. Ces régimes sont : le régime d’expansion, à vagues, d’éjections et pleinement dispersé. A partir d'un lit d'émulsion au repos, la vitesse de rotation du rotor est augmentée jusqu’à atteindre l’écoulement pleinement dispersé. A faible cisaillement, le lit s’expand jusqu'à atteindre une hauteur d'équilibre. Aux cisaillements moyens, le lit est déstabilisé et des vagues d'émulsion se forment dans la direction azimutale. À cisaillement élevés, les vagues sont fortement déformées, isolant les gouttelettes d'eau de leur amas d'émulsion à viscosité élevée. Cela conduit à leur éjection dans les vagues déferlantes, vidant progressivement le lit d'émulsion. Enfin, le régime de dispersion totale est atteint lorsque le lit d'émulsion a entièrement disparu. Dans ce régime, la migration des gouttelettes est contrôlée par la diffusion induite par cisaillement. Il est démontré que les transitions entre chaque régime dépendent d'un seul nombre de Froude critique.La métastabilité de ces émulsions E/H concentrées est également étudiée en comparant les résultats des expériences en statique aux écoulement cisaillés. Ces résultats ont montré que dans des conditions statiques, l'émulsion E/H est hautement métastable, alors que dans des écoulements cisaillés, la même couche E/H a coalescé jusqu'à la formation d'une couche entièrement continue de phase aqueuse. Cela peut s'expliquer par les caractéristiques uniques de ces émulsions, qui sont stabilisées par des multicouches de micelles de tensioactifs, et ces multicouches sont percées par le taux de cisaillement.Ces connaissances permettront de construire de nouveaux modèles de transport pour le dimensionnement précis d’appareils industriels traitant des écoulements multiphasiques (pompes, mélangeurs, séparateurs de phase...)
The subsea extraction of petroleum encompasses the transport of concentrated water-in-oil (W/O) emulsions, stabilized by natural oil-soluble surfactants, like asphaltenes, acids and alcohols, in horizontal pipelines over long distances, up to 50 km. Due to these long residence times, flow configurations are liable to change from fully-stratified to fully-dispersed or vice-versa, including an intermediate stratified-dispersed state. These transitions are driven by processes such as sedimentation, shear-induced migration and coalescence. These processes are influenced by liquid and interface properties, dispersed-phase concentration, flow regimes, and drop size. This Phd focuses on horizontal flows of concentrated W/O emulsions.Unique experimental methods and apparatuses are designed in order to locally visualize the flow of such emulsions. By introducing various components in water and in an alkane oil, refractive index matching is achieved between both phases, while controlling the density difference. The control of density difference allows for the study of the interplay between buoyancy and hydrodynamic forces, which is primordial to study particle migration in dispersed-phase flows. Velocity profiles are obtained with Particle Image Velocimetry by introducing fluorescent particles in the oil phase while phase topologies are obtained with adding a fluorophore inside the oil phase as well.Static-bed experiments are carried out in a static-bed apparatus, providing results regarding the metastability of W/O emulsions over long-time periods, where only gravity controls the coalescence process. Shear-flow experiments are performed in an Annular Plane Couette device, representing a plane Couette curved around itself. This geometry is selected for its periodicity and its ability to present a vertical plane of shear in the same direction as gravity.By studying the transition from stratified-dispersed to fully-dispersed flows, different regimes have been highlighted. These regimes are : the bed-expansion, the wavy, the drop-ejection and the fully-dispersed regime. Starting from an emulsion bed left at rest at the bottom of the APC channel, the rotation speed of the top annular lid is increase, up until the fully-dispersed regime. At low shear rates, the emulsion bed expands until it reaches an equilibrium height. At medium shear rates, the emulsion bed is destabilized and emulsion waves are formed along the azimuthal direction, which statistics have been computed with a wave detection algorithm. At high shear rates, the waves are highly deformed, isolating water droplets, surfing atop of waves, from their emulsion cluster and its high viscosity. This leads to their ejection in breaking waves, which gradually depletes the emulsion bed. Finally, the fully-dispersed regime is reached when the emulsion bed has dissapeared and the entire channel is filled with water droplets. In this regime, the migration of droplets is controlled by shear-induced diffusion. The transitions between each regime are shown to be dependent on a single critical Froude number, from low values to high values of this dimensionless parameter.The metastability of these concentrated W/O emulsions are also studied by comparing the results between static-flow and shear-flow experiments. These results showed that in static conditions, the W/O emulsion is highly metastable (no coalescence over few months of observations), while in shear flows, the same W/O layer coalesced up until a fully-continuous layer of water phase is formed. This may be explained by the unique characteristics of such emulsions, which are stabilized by multilayer of surfactant micelles, and these multilayers are pierced by the shear rate.This knowledge will help to build new transport models for accurate sizing of industrial devices dealing with two-phase flow of emulsions (pumps, mixers, phase separators …)

La rhéologie et les lois de comportement des écoulements granulaires font l'objet de nombreuses recherches, aussi bien expérimentales que théoriques. Des études d'écoulements continus de billes en tambour tournant ont mis en évidence que le gradient de vitesse dans la zone à écoulement libre est constant. Nous avons testé expérimentalement la validité de cette expression du gradient de vitesse pour des gammes de paramètres de fonctionnement beaucoup plus larges que celles utilisées jusqu'à présent. Pour de faibles vitesses de rotation du tambour, nous avons montré que les angles d'avalanche et de repos peuvent être homothétiques dans la mesure où les particules sont comparables en terme distribution granulométrique et de morphologie. A plus forte vitesse de rotation, des mesures systématiques d'épaisseur de zone d'écoulement et d'angle d'écoulement ont permis de mettre en évidence différentes transitions de régime. Quand la taille des particules d est grande par rapport à la taille du tambour D (rapport D/d faible), on constate que l'épaisseur de la zone d'écoulement sature à environ 1/3 du rayon du tambour. Dans ce cas, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation du gradient de vitesse. Dans des systèmes à rapport D/d élevé, on constate que c'est la vitesse maximale des particules à la surface libre qui sature avant l'épaisseur en écoulement. Dans ces conditions, une augmentation de la vitesse de rotation du tambour est accommodée par une augmentation de l'épaisseur, ce qui entraîne une réduction du gradient de vitesse. Ainsi les limites du domaine de validité d'un gradient de vitesse constant ont été définies : la relation est valable tant que ni l'épaisseur en écoulement ni la vitesse maximale des particules ne saturent. Enfin, dans une dernière partie, des expériences de ségrégation ont été réalisées dans le but de mettre en rapport les épaisseurs en écoulement et les vitesses de ségrégation de grosses billes de verre placées dans un milieu de petites billes de même densité.

Les instabilités hydrodynamiques en cavité chauffée latéralement jouent un rôle important dans certains processus de fabrication de matériaux tels que le procédé de Bridgman horizontal. En effet, le fluide (métal liquide qui va se solidifier) est le siège d’une circulation thermoconvective due à l’existence d’un gradient de température horizontal qui est susceptible de devenir instationnaire via des instabilités oscillatoires. La connaissance et la maîtrise de ces instabilités sont donc primordiales afin de pouvoir améliorer la qualité des cristaux obtenus par cette technique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés en premier aux instabilités affectant la circulation convective dans une cavité tridimensionnelle de dimensions 4×2×1. (longueur × largeur × hauteur). Grâce aux techniques numériques de continuation, nous avons pu obtenir les solutions stationnaires et oscillatoires, ainsi que leur stabilité, jusqu’à l’apparition de la quasi-périodicité en fonction du nombre de Grashof Gr et pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 0,025. Ensuite, pour un éventuel contrôle des instabilités, nous nous sommes intéressés aux effets induits par la rotation de la cavité. Nous avons tout d’abord considéré un modèle monodimensionnel que nous avons développé durant cette thèse. Ce modèle analytique, bien que simplifié, est en très bon accord avec les observations en dynamique des écoulements atmosphériques (déviation des masses fluides vers la droite de la composante de vitesse dominante et vents thermiques). La stabilité linéaire de cet écoulement est ensuite effectuée en fonction du taux de rotation donné par le nombre de Taylor et du nombre de Grashof pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 10. Nous avons pu montrer à travers ce modèle que la rotation possède un caractère stabilisant vis-à-vis de ce type d’écoulement. Enfin, nous nous sommes focalisés sur les effets de la rotation sur l’écoulement pleinement tridimensionnel dans la cavité de dimensions 4×2×1. Nous avons mis en évidence deux régimes d’écoulements : un régime dominé par la convection, où la circulation du fluide est déviée par la rotation dans la diagonale de la cavité, et un deuxième régime dominé par la rotation où la circulation du fluide est concentrée dans les couches limites dites d’Ekman et de Stewartson. Un très bon accord est observé entre le modèle analytique simplifié et la simulation numérique tridimensionnelle
Hydrodynamic instabilities in laterally heated cavities play an important role in some material processing techniques such as the horizontal Bridgman process. Indeed, the fluid (liquid metal to be solidified) is the seat of a thermoconvective circulation due to the existence of a horizontal temperature gradient which is likely to become unsteady via oscillatory instabilities. The knowledge and the control of these instabilities are thus essential in order to be able to improve the quality of the crystals obtained by this technique. In this thesis, we are first interested in the instabilities of the convective circulation in a three-dimensional cavity of dimensions 4×2×1 (length × width × height). Thanks to the numerical continuation techniques, we were able to obtain the stationary and oscillatory solutions, as well as their stability, until the appearance of the quasi-periodicity according to the Grashof number Gr and for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 0.025.Then, the effects induced by a rotation of the cavity around the vertical axis parallel to gravity (for a possible control of the instabilities) are studied and a one-dimensional model developed during this thesis was first considered. This analytical model, although simplified, is in very good agreement with the observations of the atmospheric flows (deviation of the fluid masses towards the right of the component of the dominant velocity and thermal winds). The linear stability of this flow as well as an energy analysis at the thresholds are then performed as a function of the rotation rate given by the Taylor number Ta and the Grashof number Gr for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 10. Through this model, we have been able to show that the rotation has a stabilizing effect on this type of flow.We finally focused on the effects of this type of rotation on the steady fully threedimensional flow observed in the cavity 4×2×1 at low Grashof numbers.We have highlighted two flow regimes: a regime dominated by convection where the fluid circulation, deviated by the rotation, occurs in the diagonal of the cavity, and a second regime dominated by rotation where the fluid circulation is concentrated in the so-called Ekman and Stewartson boundary layers. A very good agreement is observed between the simplified analytical model and the three-dimensional numerical simulation

Les instabilités hydrodynamiques en cavité chauffée latéralement jouent un rôle important dans certains processus de fabrication de matériaux tels que le procédé de Bridgman horizontal. En effet, le fluide (métal liquide qui va se solidifier) est le siège d’une circulation thermoconvective due à l’existence d’un gradient de température horizontal qui est susceptible de devenir instationnaire via des instabilités oscillatoires. La connaissance et la maîtrise de ces instabilités sont donc primordiales afin de pouvoir améliorer la qualité des cristaux obtenus par cette technique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés en premier aux instabilités affectant la circulation convective dans une cavité tridimensionnelle de dimensions 4×2×1. (longueur × largeur × hauteur). Grâce aux techniques numériques de continuation, nous avons pu obtenir les solutions stationnaires et oscillatoires, ainsi que leur stabilité, jusqu’à l’apparition de la quasi-périodicité en fonction du nombre de Grashof Gr et pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 0,025. Ensuite, pour un éventuel contrôle des instabilités, nous nous sommes intéressés aux effets induits par la rotation de la cavité. Nous avons tout d’abord considéré un modèle monodimensionnel que nous avons développé durant cette thèse. Ce modèle analytique, bien que simplifié, est en très bon accord avec les observations en dynamique des écoulements atmosphériques (déviation des masses fluides vers la droite de la composante de vitesse dominante et vents thermiques). La stabilité linéaire de cet écoulement est ensuite effectuée en fonction du taux de rotation donné par le nombre de Taylor et du nombre de Grashof pour un nombre de Prandtl allant de 0 à 10. Nous avons pu montrer à travers ce modèle que la rotation possède un caractère stabilisant vis-à-vis de ce type d’écoulement. Enfin, nous nous sommes focalisés sur les effets de la rotation sur l’écoulement pleinement tridimensionnel dans la cavité de dimensions 4×2×1. Nous avons mis en évidence deux régimes d’écoulements : un régime dominé par la convection, où la circulation du fluide est déviée par la rotation dans la diagonale de la cavité, et un deuxième régime dominé par la rotation où la circulation du fluide est concentrée dans les couches limites dites d’Ekman et de Stewartson. Un très bon accord est observé entre le modèle analytique simplifié et la simulation numérique tridimensionnelle
Hydrodynamic instabilities in laterally heated cavities play an important role in some material processing techniques such as the horizontal Bridgman process. Indeed, the fluid (liquid metal to be solidified) is the seat of a thermoconvective circulation due to the existence of a horizontal temperature gradient which is likely to become unsteady via oscillatory instabilities. The knowledge and the control of these instabilities are thus essential in order to be able to improve the quality of the crystals obtained by this technique. In this thesis, we are first interested in the instabilities of the convective circulation in a three-dimensional cavity of dimensions 4×2×1 (length × width × height). Thanks to the numerical continuation techniques, we were able to obtain the stationary and oscillatory solutions, as well as their stability, until the appearance of the quasi-periodicity according to the Grashof number Gr and for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 0.025.Then, the effects induced by a rotation of the cavity around the vertical axis parallel to gravity (for a possible control of the instabilities) are studied and a one-dimensional model developed during this thesis was first considered. This analytical model, although simplified, is in very good agreement with the observations of the atmospheric flows (deviation of the fluid masses towards the right of the component of the dominant velocity and thermal winds). The linear stability of this flow as well as an energy analysis at the thresholds are then performed as a function of the rotation rate given by the Taylor number Ta and the Grashof number Gr for a Prandtl number Pr ranging from 0 to 10. Through this model, we have been able to show that the rotation has a stabilizing effect on this type of flow.We finally focused on the effects of this type of rotation on the steady fully threedimensional flow observed in the cavity 4×2×1 at low Grashof numbers.We have highlighted two flow regimes: a regime dominated by convection where the fluid circulation, deviated by the rotation, occurs in the diagonal of the cavity, and a second regime dominated by rotation where the fluid circulation is concentrated in the so-called Ekman and Stewartson boundary layers. A very good agreement is observed between the simplified analytical model and the three-dimensional numerical simulation

Les systèmes amorphes "mous", loin de leur transition vitreuse, comprennent les verres colloïdaux de hautefraction volumique, les émulsions concentrées, les mousses, etc...L’échelle de temps pour leur relaxationmicroscopique est divergente, et ils ne se mettent en écoulement que lorsque la contraint appliquée estsuffisamment grande. Cette transition dynamique d’un état apparemment solide à un état apparemmentliquide, suivant la contrainte imposée, est appelé transition d’écoulement. Cette transition est étudiéedans cette thèse par l’intermédiaire d’une modélisation mésoscopique, basé sur un modèle d’élémentsélasto-plastiques en interaction.Après une brève introduction à la transition vitreuse et aux systèmes réels supposés être décrit parle modèle élast-plastique, une formulation du modèle différente de celle qui est habituellement présentéedans la littérature est introduite, pour à la fois incorporer les protocole à taux de cisaillement fixé et leprotocole à contraint fixée. A travers des approximations, un modèle mésoscopique de type champ-moyen(à l’origine décrit par Hébraud et Lequeux) est déduit à partir du modèle elasto-plastique qui contient lesinformations spatiales.En appliquant le protocole à taux de cisaillement fixé, le transition d’écoulement est dans un premiertemps étudiée à travers la dépendance de la statistique des avalanches (chutes de contrainte) en taux decisaillement. Une transition d’un comportement de champ moyen à un comportement corrélé est observéen variant le taux de cisaillement. Les lois d’échelle observées dans la limite des petits taux de cisaillementsupportent l’idée que la transition d’écoulement appartient à une certaine classe d’universalité de transitiondynamique. L’étude de la symétrie de la forme moyenne des chutes de contrainte en fonction de leur durée,de la taille de système et du taux de cisaillement appliqué, conduit à l’interprétation que les chutes decontrainte résultent d’une superposition d’avalanches individuelles possédant une longueur coopérative etun temps coopératif.En étudiant les fluctuations de contrainte macroscopique, la longueur coopérative l_c est identifiéepar un crossover en taille de système en-dessous de laquelle le loi d’échelle avec la taille de système1/L^d impliquée par la théorème de limite centrale, ne fonctionne plus. En complément, une échelle detemps de saturation T_c est trouvé dans le séries temporaire de taux de cisaillement plastique, tempsen-dessous duquel la dynamique de la contrainte peut être décrite par un mouvement Brownien. Le tempsde saturation, pour les systèmes de taille plus petit que l_c obéit à une loi d’échelle avec la taille de systèmeT_c~(l_c)^z. Cette dernière peut être interprétée comme la loi d’échelle entre la longueur coopérative et letemps coopératif des avalanches individuelles.En appliquant le protocole de contrainte imposée, la transition d’écoulement est étudiée en simulantdes expériences de fluage sur les systèmes amorphes. Les modèles mésoscopiques (le modèle elasto-plastiqueet le modèle champ moyen de Hébraud-Lequeux) sont capables de reproduire la réponse du taux decisaillement macroscopique pour une contrainte imposée légèrement au-dessus de la contrainte, et ceciqualitativement en accord avec les expériences. A travers cette étude, il apparaît que le condition initialeinfluence significativement le comportement de fluage des systèmes amorphes
Amorphous systems deep blow the glass transition, as well as colloidal glasses at high packing fractions,concentrated emulsions, foam systems, etc. exhibit divergent microscopic relaxation time scales and flowonly upon a large enough external loading. This dynamical phase transition of amorphous systems fromthe apparent solid state to the apparent liquid state mediated by the external loading, is called theyielding transition. This transition is studied throughout this thesis by a mesoscopic modeling approach,specifically versions of the so-called elasto-plastic model.After introducing a general background of the glass transition and experimental systems, that are thetarget of the elasto-plastic model description, a formulation of the elasto-plastic model, slightly differentfrom the conventional ones used in the literature, is introduced for incorporating both the shear ratecontrol and the stress control protocols. It is also shown that the mean-field Hebraud-Lequeux model canbe derived from the spatially resolved elasto-plastic model by assuming some approximations.Using the shear rate control protocol, the yielding transition is firstly probed by studying the shearrate dependence of the avalanche statistics close to criticality. A crossover from a non mean-field behaviorto an apparent mean-field behavior with respect to an increasing shear rate is evidenced. Scaling laws in thezero shear rate limit, support the idea that the yielding transition belongs to a non mean-field universalityclass of a dynamical phase transition. The dependence of the symmetry of the average shape of the stressdrops on the stress drop duration, the system size and the shear rate, leads to the interpretation that stressdrops at finite shear rates result from the superposition of individual avalanches possessing a cooperativelength and time scale.By studying the macroscopic stress fluctuation, the cooperative length scale l_c is identified as thecrossover size below which the scaling relation with the system size 1/L^d implied by the central limittheorem breaks down. Further a saturation time scale T_c can be defined in the analysis of the timeseries of macroscopic plastic strain rate. Below this time scale one observes the manifestation of Browniandynamics. The saturation time for systems of sizes smaller than the cooperative length l_c scales withthe system size as a power law T_c~(l_c)^z, which can be interpreted as the scaling relation between thecooperative time and the cooperative length of individual avalanches.Further using the stress controlled protocol, the yielding transition is studied by simulating typical creep experiments of the amorphous systems. The mesoscopic models (the elasto-plastic model aswell as the mean-field Hébraud-Lequeux model) are shown to be capable to reproduce the response ofthe macroscopic shear rate to an imposed stress slightly above the yielding point in qualitatively goodagreement with several experiments. Within the mesoscopic modeling approach, the results reveal thatthe creep behavior depends strongly on the initial condition of the amorphous system submitted to creepexperiments

Le décrochage est un phénomène aérodynamique instationnaire susceptible d'apparaître sur de nombreux profils aérodynamiques. Il résulte d'un décollement important de l'écoulement vis-à-vis de la paroi de l'aile et dégrade considérablement les performances de vol. Sur certains profils de pales d'hélicoptères, d'éoliennes ou de rotors, ce phénomène se produit dans des conditions d'utilisation normales et justifie la recherche de méthodes de modélisation accessibles industriellement. Le décrochage est initié au bord d'attaque par l'apparition d'une petite région de recirculation de fluide appelée bulbe de décollement laminaire où l'écoulement transitionne de l'état laminaire vers l'état turbulent. Ce phénomène encore mal connu met en jeu transition et écoulements hors équilibre auxquels les outils de modélisation RANS habituellement employés ne sont pas adaptés. Dans cette étude, un bulbe transitionnel typique d'un écoulement de bord d'attaque de pale d'hélicoptère (profil OA209 à un nombre de Reynolds Rec∞=1.8x106 et 15° d'incidence) est isolé sur une plaque plane. Une simulation DNS de cet écoulement est réalisée à l'aide du logiciel FUNk de l'ONERA afin de servir de base de données pour l'amélioration des modèles RANS. L'évolution des bilans de l'équation de transport de l'énergie cinétique turbulente ainsi que les principales hypothèses RANS (isotropie de la turbulence, Boussinesq, équilibre production/dissipation) sont analysées. Une étude des principaux modèles RANS développés dans le logiciel elsA de l'ONERA est ensuite réalisée en pondérant les grandeurs turbulentes par une fonction de transition reproduisant l'intermittence de la turbulence. Le modèle k-ω de Wilcox couplé à une fonction de transition optimisée a donné les résultats les plus proches de la DNS et a donc été l'objet d'une analyse plus approfondie, notamment une évaluation des principales équations bilans et une application de ce modèle et de sa méthode de transition à un cas de transition naturelle de plaque plane.

Dans les ecoulements internes de gaz et de liquide, les interactions entre les vagues, le courant moyen et la turbulence sont a l'origine d'ecoulements secondaires comme l'ont montre des travaux precedents, dont les principaux resultats sont rappeles dans une revue bibliographique. Les resultats d'experiences en canal rectangulaire et circulaire sont presentes: ils concernent la determination des champs moyens de vitesse et des composantes du tenseur de reynolds dans chaque phase et la caracterisation du champ de vagues. Ils permettent de preciser les conditions d'apparition des ecoulements secondaires. Une base de donnees complete pour le canal rectangulaire est ainsi obtenue sur laquelle s'appuient les essais de modelisation numerique. Dans le gaz, la generation des ecoulements secondaires est controlee par l'anisotropie de la turbulence due aux variations transversales de la rugosite interfaciale provoquee par la refraction du champ de vague: une fermeture algebrique au second ordre du tenseur de reynolds permet de rendre compte de maniere satisfaisante de l'organisation tridimensionnelle de l'ecoulement du gaz si la distribution de rugosite est donnee. Dans le liquide, une procedure de moyenne de phase permet de separer fluctuations orbitales et turbulentes: les termes d'interaction responsables de la generation de la vorticite moyenne longitudinale sont mis explicitement en evidence. Avec une fermeture au premier ordre des contraintes turbulentes et un couplage a l'ecoulement de gaz par le frottement interfacial, le modele de la phase liquide est valide de facon satisfaisante. On dispose ainsi d'un modele couple de gaz et de liquide qui predetermine l'ecoulement a phases separees, si les caracteristiques des vagues sont connues

L’objectif de ce travail est de modéliser le changement de phase liquide-vapeur et de comprendre l’apparition d’états métastables contenus dans la loi de van der Waals. Un état métastable correspond à un état gazeux (resp. liquide) qui, après une légère perturbation, passe à l’état liquide (resp. gazeux) brutalement. Dans la partie I, on présente les propriétés de la loi d’état de van der waals dans ses représentations isotherme et non-isotherme. Puis on aborde l’étude d’un problème d’optimisation sous contraintes, ce qui nous permet de caractériser les états d’équilibre thermodynamique et le nombre de phases maximale qui peuvent coexister à l’équilibre thermodynamique. On construit trois systèmes dynamiques dans le cas isotherme, qui minimisent l’énergie libre de Helmoltz et dont les équilibres coïncident avec l’équilibre thermodynamique. Ce sont les états liquide et vapeur stables, métastables et l’état de coexistence. Finalement on étend cette technique au cas non isotherme pour lequel on construit deux systèmes dynamiques vérifiant ces mêmes propriétés. Dans la partie II, on s’intéresse au couplage de la thermodynamique à la dynamique du fluide. On étudie d’abord le problème de Riemann pour le psystème isotherme avec une loi d’état de van derWaals avec correction de Maxwell. Ensuite, on étudie les ondes progressives d’un p-système relaxé dans le but de comprendre les discontinuités de son système à l’équilibre. Enfin, on couple les systèmes dynamiques construits en partie I à des systèmes hyperboliques diphasiques isotherme et nonisotherme. Des résultats numériques sont présents dans tout ce manuscrit pour illustrer les résultats théoriques obtenus
The main objective of this work is the modelling of liquidvapor phase change and the understanding of the apparition of metastable states which appear in the van derWaals equation of state (EOS). A metastable state corresponds to a gaseous (or liquid) state which, after a slight perturbation, changes into the liquid (or gaseous) state quickly. In the first part, we first study all the properties of the van der waals EOS in its isothermal and non-isothermal representations. Then, we study the optimization problem under constraints, which allows us to characterize the thermodynamic equilibrium and the maximum number of phases that may be present at the thermodynamic equilibrium. We construct three dynamical systems in the isothermal case, which minimize the Helmoltz free energy and whose equilibria coincide with the thermodynamical equilibrium . They are the stable and metastable liquid and vapor states and the coexistence state. Finally, this technique is extended to the non-isothermal case where we construct two dynamical systems satisfying the same properties. In the second part, we are interested in the coupling of thermodynamics with the fluid dynamics. We first study the Riemann problem for the isothermal p-system with a van der Waals EOS coupled to the Maxwell correction. Then, we stuy the travelling waves of a relaxed p-system in order to understand the discontinuities of its equilibrium system. Finally, dynamical systems constructed in the first part are coupled to isothermal and non-isothermal two-phase hyperbolic systems. Numerical results are presented throughout this manuscript to illustrate the theoretical results we obtained

L'anisotropie optique qu'acquièrent de nombreuses solutions ainsi que certains liquides purs lorsqu'ils sont soumis à l'action d'un champ orientant, est susceptible d'apporter de précieuses informations sur la structure de ce champ ainsi que sur les caractéristiques physiques des particules en solution. L'étude des propriétés optiques découlant de cette anisotropie ne requiert l'utilisation que d'un rayon de lumière polarisée linéairement que le milieu traversé va marquer de ses propres caractéristiques en modifiant la polarisation de la lumière incidente. L'écoulement est réalisé dans une cellule classique de type Couette. Dans ce type de géométrie, nous savons que le champ hydrodynamique subit, lorsque la vitesse angulaire du cylindre intérieur croit au-delà d'une certaine limite, plusieurs transitions conduisant en premier lieu à des écoulement périodiques de complexité croissante, puis en dernier lieu, à la turbulence prononcée. L'objectif de trvail a été d'étudier le comportement des propriétés induites par l'écoulement à la première transition, d'établir les lois théoriques gouvernant ces propriétés et enfin, d'examiner dans quelle mesure les caractéristiques intrinsèques des particules en solution pouvaient être déduites de ces études. L'évolution de l'angle d'extinction et de l'intensité de la biréfringence est examinée au centre de l'espace annulaire en fonction du gradient de cisaillement, puis pour différentes valeurs du gradient en fonction de la position dans l'entrefer. La théorie de la biréfringence est développée dans le domaine de l'écoulement de Taylor après déterminé la structure du champ hydrodynamique ainsi que les composantes de la vitesse angulaire d'une particule. La comparaison des courbes expérimentales et théoriques conduira à un accord très satisfaisant dans le cas des particules aplaties
The optical anisotropy gained by numerous solutions as well as by pure liquids when submitted to the action of an orientating field, is capable of bringing valuable pieces of information on the structure of this field as well as on the physical properties of the particles in solutions. The study of the optical properties arising from this anisotropy only requires the use of a lenearly polarized beam of light on which the medium is going to leave this own characteristics by changing the state of polarization of the light. The flow is created in a conventional Couette cell. It is well known that, in this type of geometry, the hydrodynamical flow undergoes several transistions leading at first to more and more complicated periodical flows, and then, to the turbulence as the angular velocity of the inner rotating cylinder is increased. The aim of this work is to study the behaviour of the properties induced by the flow at the first transition, to work out the theoretical laws controlling this properties and to see in which extend, we can deduce the intrinsec characteristics of the particles. The variation of the extinction angle and of the birefringence intensity is studied at the middle point of the annular gap as a function of the shearing gradient and, for different values of the gradient, as function of the position in the gap. The comparison between the experimental and theoretical curves shows a good agreement in the case of flattened particles (bentonite) but less convincing results for rodlike particles (V. M. T. )

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.

L'objectif de cette thèse est une contribution à l'étude des phénomènes de transition de blocage, à travers le comportement dynamique d'un milieu granulaire vibré. Pour un ensemble d'objets macroscopiques, cette transition se caractérise par un ralentissement dynamique critique, ou un blocage quand la compacité croît. Dans une géométrie verticale, nous proposons une méthode d'agitation originale, à travers une vibration avec 24 pistons située au bas de la cellule. Nous avons d’abord cherché à caractériser le comportement macroscopique du milieu et des relations entre les champs locaux d'agitation, de densité et de pression. La relation établi possède: une branche en accord avec la théorie cinétique des gaz, et une autre branche qui semble être sensible aux propriétés de transfert d'énergie du bas vers le haut à travers l'empilement désordonné. Puis, nous avons réalisé une etude de la mobilité des grains sur des temps longs et nous avons tenté de la relier aux propriétés de vibration locales. Cela nous a permis d'identifier des comportements collectifs et hétérogènes associés aux mouvements granulaires, qui sont les signatures des modes de transports singuliers présents dans la phase de blocage. Enfin, nous avons effectué une étude sur la mobilité d'un intrus dense au sein de la phase vibrée, dans des conditions identiques à l'étude précédente. L'objectif étant de relier la dynamique de chute de l'intrus aux propriétés rhéologiques effectives de l'empilement vibré. Enfin, nous avons réalisé une étude cinématique des champs de déplacement afin d'identifier les comportements collectifs du milieu granulaire et les réorganisations impliquées lors du mouvement de l'intrus.

Ce travail porte sur la simulation numérique des écoulements multiphasiques compressibles en déséquilibre de vitesses. Un solveur de Riemann diphasique de type HLLC, à la fois robuste, simple et précis est développé et validé à partir de solutions exactes et de données expérimentales. Cette méthode numérique est étendue au cas 3D non-structuré. Par ailleurs, la construction d’une technique numérique pour la répartition de l’énergie d’une onde de choc dans les différentes phases constituant le milieu est établie et permet le respect des conditions de choc multiphasiques. L’extension multiphasique du solveur de Riemann de type HLLC est réalisée, permettant ainsi la simulation d’une plus large gamme d’applications. Enfin, un modèle de transfert de chaleur et de masse dans un brouillard de gouttes ou nuage de bulles, en présence d’effets couplés de diffusion thermique et massiques, est proposé et dévoile des résultats intéressants
This work deals with the numerical simulation of compressible multiphase flows in velocity disequilibrium. A HLLC-type two-phase Riemann solver is developed and validated against exact solutions and experimental data. This solver is robust, simple, accurate and entropy preserving. The numerical method is then implemented in 3D unstructured meshes. Furthermore, a numerical technique consisting in enforcing the correct energy partition at a discrete level in agreement with the multiphase shock relations is built. The multiphase extension of the HLLC-type Riemann solver is realized and allows the simulation of a wide range of applications. Finally, a droplet heat and mass transfer model with large range of validity is derived. It is valid in any situation: evaporation, flashing and condensation. It accounts for coupled heat and mass diffusion in the gas phase, thermodynamics of the multi-component gas mixture and heat diffusion inside the liquid droplet, enabling in this way consideration of both droplets heating and cooling phenomena

Les méthodes de Boltzmann sur réseaux (LBM) ont été appliquées avec beaucoup de succès aux écoulements hydrodynamiques en milieux poreux. Cependant, la limitation de ces méthodes aux écoulements hydrodynamiques et isothermes, les rendent insuffisantes pour simuler des écoulements de gaz dans des milieux micro-poreux. Dans ce cas, il est en effet fréquent que le libre parcours moyen des molécules du gaz, soit du même ordre de grandeur que la taille des pores dans lesquels il s’écoule. De tels écoulements ne seront alors plus en régime hydrodynamique, mais dans des régimes qualifiés de glissement et de transitionnel ; régimes pour lesquels les LBM standards ne sont plus valides. D’autre part, le caractère isotherme des LBM les rendent inutilisables, par exemple dans le cas où le gaz subit une détente à travers le milieu. Il est nécessaire, pour décrire de tels écoulements et phénomènes, de se placer au niveau cinétique. La démarche proposée repose sur la décomposition de la fonction de distribution sur la base des polynômes d’Hermite et l’emploi de la quadrature de Gauss-Hermite associée à cette projection. L’aspect systématique de ce développement amène naturellement à considérer divers ordres d’approximation de l’équation de Boltzmann-BGK sous diverses quadratures. Il résulte alors de ces différentes approximations toute une famille de discrétisations de l’équation de Boltzmann-BGK, dont les LBM classiques ne sont qu’un membre. La détermination de l’approximation la plus adaptée est réalisée par analyse systématique des résultats obtenus aux différents ordres d’approximation. Ces méthodes sont testées avec succès dans des cas modèles
The lattice Boltzmann method (LBM) have been applied very successfully to hydrodynamic flows in porous media. However, the limitation of these methods to isothermal and hydrodynamic flows, make them inadequate to simulate gas flows in micro-porous media. Indeed, in these conditions, the mean free path of the molecules could be of the same magnitude order as the pore size in which gas flows. Such flows will not be in hydrodynamic regime, but in regimes qualified of, slip or transitional ; for which the LBM are no longer valid. On the other hand, the isothermal character of LBM make them unusable, for example, in the case where the gas undergoes expansion through the media. It is then necessary, to take the kinetic point of view to describe such flows and phenomena. The proposed approach is based on the decomposition of the distribution function on the Hermite polynomials basis and the use of Gauss-Hermite quadrature associated with this projection. The systematic nature of this development naturally leads to consider different order of approximation of the Boltzmann-BGK equation in various quadratures. It then follows from these various approximations, a family of discretizations of the Boltzmann-BGK equation, whose classical LBM are a member. Determining the most suitable approximation is achieved by systematic analysis of the results obtained with different approximation orders. These methods are successfully tested in model cases

L'étude théorique de la transition vers la turbulence d'écoulements en tuyau de fluides non newtoniens rhéofluidifiants (fluides de Carreau) est menée, avec l'approche consistant à calculer des «~structures très cohérentes~» sous la forme d'«~ondes non linéaires~». Pour cela un code pseudo-spectral de type Petrov-Galerkin, permettant de suivre des solutions ondes non linéaires tridimensionnelles dans l'espace des paramètres par continuation, est développé. Ce code est validé par comparaison à des résultats existants en fluide newtonien, et grâce à un test de consistance en fluide non newtonien. Une convergence spectrale exponentielle est obtenue dans tous les cas. Ce code est utilisé pour chercher (guidé par des résultats expérimentaux récents) de nouvelles solutions de nombre d'onde azimutal fondamental égal à 1, sans succès pour l'instant. Par contre des solutions de nombre d'onde azimutal fondamental égal à 2 ou 3 sont obtenues par continuation à partir du cas newtonien. La rhéofluidification induit, en termes de nombres de Reynolds critiques, un retard à l'apparition de ces ondes par rapport au cas newtonien. Ce retard est caractérisé, et le parallèle est fait avec divers résultats expérimentaux qui montrent un retard à l'apparition de bouffées turbulentes en fluides non newtoniens
The transition to turbulence in pipe flows of shear-thinning fluids is studied theoretically. The method used is the computation of `exact coherent structures' that are tridimensional nonlinear waves. For this purpose a pseudo-spectral Petrov-Galerkin code is developped, which also allows to follow solution branches in the parameter space with continuation methods. This code is validated by recovering already published results in the Newtonian case, and by a consistency test in the non-Newtonian case. A spectral exponential convergence is obtained in all cases. This code is used to seek (guided by recent experimental results) new solutions of fundamental azimuthal wavenumber equal to 1,without success at the time being. On the contrary solutions with a fundamental azimuthal wavenumber equal to 2 and 3 are obtained by continuation from the Newtonian case. The shear-thinning effects induce, in terms of critical Reynolds numbers, a delay for the onset of these waves, as compared with the Newtonian case. This delay is characterized. An analogy is made with various experimental results that show a delay in the transition to turbulence, more precisely, in the onset of `puffs', in non-Newtonian fluids

Cette thèse traite de la modélisation et de la simulation des écoulements diphasiques transitoires eau-vapeur. Dans de nombreuses installations industrielles, des écoulements monophasiques d'eau liquide sont susceptibles de devenir diphasiques lors de certaines situations transitoires. La modélisation de ces écoulements peut s'avérer délicate car deux phénomènes physiques interagissant fortement entre eux, le changement de phase et la propagation d'ondes de pression, sont alors à prendre en compte. Une approche bifluide statistique, ne supposant aucun équilibre entre les phases, est utilisée afin de modéliser de tels écoulements. Les modèles obtenus sont de type convection-source et s'apparentent au modèle de Baer-Nunziato. Différentes lois de fermeture pour ces modèles sont comparées sur des cas expérimentaux de transitoires eau-vapeur tels que les coups de bélier et la dépressurisation d'une tuyauterie d'eau liquide suite à une rupture.La simulation numérique des différents modèles est effectuée grâce à une méthode à pas fractionnaires. Un nouveau schéma de convection, robuste et efficace, capable de gérer toute equation d'état est utilisé dans la première étape de cette méthode. La seconde étape est dédiée au traitement des termes sources et requiert différents schémas implicites. Une grande attention est accordée à la vérification de tous les schémas numériques utilisés grâce à des études de convergence. Une nouvelle modélisation du transfert de masse est également proposée, sur la base de travaux dédiés à la brusque dépressurisation d'eau liquide en approche homogène. La validation du modèle est effectuée grâce de nombreuses comparaisons calcul-expérience
This thesis deals with the modelling and the computation of steam-water two-phase flows. Liquid water flows are involved in many industrial facilities and a second phase may appear in some transients situations. Thus, pressure wave propagation and mass transfer are physical phenomena that need to be properly included in the modelling of such two-phase flows. A statistical two-fluid approach is used, leading to models similar to the Baer-Nunziato one. They include both convective and source terms without any assumption on the equilibrium between phases. Different closure laws for such models are compared on steam-water transient experiments including water-hammers and fast depressurization of liquid water. The computation of the different models is based on a fractional step method. A new convective scheme, able to deal with any Equation Of State, is used in the first step of the method. When compared with other schemes, it appears to be accurate, efficient and very robust. The second step of the method is dedicated to the treatment of source terms and requires several implicit schemes. Particular attention is paid to the verification of every scheme involved in the method. Convergence studies are carried out on test-cases with analytical solutions to that purpose. Based on existing work on fast depressurization of liquid water in an homogeneous approach, a new formulation of the mass transfer is proposed. Many comparisons between computational and experimental results are detailled in order to validate the models

Les écoulements multiphasiques interviennent dans certains procédés sidérurgiques comme le brassage du métal liquide par injection de bulles de gaz. Pour étudier les déformations et les changements de topologie des interfaces métal liquide/laitier/bulles nous réalisons des simulations directes en utilisant une méthode de suivi d'interfaces que nous étendons au cas triphasique. Nous simulons le comportement d'une bulle dans une poche de brassage depuis sa formation en sortie de bouchon poreux jusqu'à son éclatement à la surface du bain, puis étudions l'influence de la pression sur sa dynamique. Nous étudions aussi le percement de la surface par une bulle et l'influence du diamètre de la bulle sur la forme et le volume des projections. Nous déterminons analytiquement puis numériquement les conditions d'équilibre d'une goutte de liquide posée à la surface d'un autre liquide : au-delà d'un certain diamètre critique l'équilibre est impossible ; en dessous de ce diamètre, la goutte flotte sous la forme d'une lentille. En traversant une interface liquide/liquide, une bulle peut entraîner du liquide de la phase inférieure dans la phase supérieure. Nous montrons le rôle des propriétés physiques des deux liquides, notamment leur rapport de densité, sur la nature et l'importance de l'entraînement. Quand ce rapport de densité est grand (cas métal/laitier), le métal est entraîné quasiment exclusivement sous la forme d'un film très fin entourant la bulle. Quand ce rapport est plus faible (cas eau/huile), la bulle entraîne une colonne de liquide dans son sillage. Nous retrouvons dans nos simulations ces deux comportements distincts sans pouvoir simuler le film pour des raisons numériques. Nous réalisons une validation expérimentale de nos simulations triphasiques sur un modèle eau/huile de silicone. Globalement la simulation permet de reproduire correctement le mécanisme d'entraînement mais des différences avec l'expérience subsistent au niveau de la position de la ligne triple.

Cette thèse regroupe une série de travaux ayant tous trait à des systèmes hamiltoniens non linéaires spatialement étendus présentant une bifurcation nœud-col. Elle est constituée de deux parties. Nous étudions dans une première partie la transition à la dissipation de systèmes unidimensionnels soumis à un forçage local et régis par des équations de type sine-Gordon ou Schrödinger non linéaire (ESNL). Nous en calculons analytiquement les solutions stationnaires et caractérisons le comportement dynamique au voisinage de celles-ci près de la bifurcation. Lorsque la relation de dispersion des systèmes possède une fréquence de coupure, le comportement dynamique est caractéristique de systèmes hamiltoniens. A contrario, lorsque la relation de dispersion ne possède pas de fréquence de coupure, la dynamique du système se couple avec l'émission d'ondes sonores qui joue le rôle d'un amortissement effectif. Elle devient alors typique de systèmes dissipatifs. En outre, les modes propres temporels du système subissent une délocalisation spatiale. La seconde partie de la thèse concerne l'étude de deux types d'écoulements bidimensionnels de fluides parfaits barotropes autour d'un obstacle : un écoulement décrit par l'ESNL et un écoulement à surface libre dans l'approximation eau peu profonde, où sont pris en compte les effets dispersifs dus aux effets de tension de surface. Lorsque la longueur caractérisant la dispersion des ondes sonores tend vers zéro, ces deux écoulements se réduisent à l'écoulement autour d'un disque d'un fluide eulérien compressible, auquel se superpose une couche limite que nous calculons analytiquement. Par des méthodes de suivi de branches fondés sur des développements pseudo-spectraux, nous calculons le diagramme de bifurcation complet des deux écoulements. En étudiant la dynamique des deux systèmes au-delà de la bifurcation, nous mettons en évidence une émission d'excitations (dans le cas de l'ESNL) dont la nature dépend du rapport de la longueur de cohérence sur la taille de l'obstacle. Dans le cadre de l'écoulement en eau peu profonde, cette émission est remplacée par une singularité à temps fini de démouillage.

Le contrôle du changement de régime dans une tuyère à double galbe est étudié par le biais d'une injection fluidique annulaire radiale positionnée en aval du point d'inflexion, dans le profil d'extension de la tuyère. L'objectif de cette étude est d'améliorer les performances de la tuyère et montrer qu'elle peut être une alternative aux tuyères conventionnelles peu efficientes. L'étude s'appuie sur une approche expérimentale et numérique. Elle comprend une étude paramétrique portant sur l'impact de la présence d'une fente d'injection, la position de cette injection dans l'extension de la tuyère, et l'utilisation d'un gaz secondaire aux propriétés différentes de l'air. L'analyse des résultats révèle la sensibilité de la tuyère à l'état de surface du divergent, où la présence d'une discontinuité modifie le taux de détente (NPR) de changement de régime et diminue les charges latérales. L'injection secondaire démontre la capacité à augmenter significativement les NPR de changement de régime tout en réduisant les charges latérales. L'étude de la position de l'injection confirme le potentiel d'optimisation de la tuyère à double galbe pour améliorer ses performances. Les essais avec un gaz secondaire différent montrent des améliorations plus significatives qu'avec de l'air, levant ainsi les verrous scientifiques associés à cette technologie
The control of the operating mode switch in a dual-bell nozzle is studied through radial annular secondary fluidic injection positioned downstream of the inflexion point in the nozzle's extension profile. The objective of this study is to enhance the performance of the nozzle and demonstrate its potential as an alternative to conventional nozzles with sub-optimal efficiency. The study employs experimental and numerical approaches, including a parametric investigation into the impact of the presence of an injection slot, the position of the injection in the nozzle's extension, and the use of a secondary gas with properties different from air. Analysis of the results reveals the nozzle's sensitivity to the surface condition of the divergent, where the presence of a discontinuity alters the nozzle pressure ratio (NPR) at which the switch in operating mode occurs and reduces lateral loads. Secondary injection demonstrates the ability to significantly increase the NPR at which these changes in operating modes occur while reducing lateral loads.The study of the injection position confirms the optimisation potential of the dual-bell nozzle to enhance its performance. Experiments with a different secondary gas show more significant improvements than with air, thereby overcoming scientific challenges associated with this technology

Ce travail porte sur la modélisation et la simulation d’écoulements compressibles. Par une démarche d’homogénéisation, on commence par dériver un modèle d’écoulements diphasiques à sept équations. Les termes de fluctuation restants sont modélisés par des termes de relaxation. Dans le cas où ces coefficients de relaxation tendent vers l’infini, ce qui correspond à des écoulements très bien mélangés, on obtient par un développement asymptotique un modèle à cinq équations qui est strictement hyperbolique, mais non-conservatif. La discrétisation de ce modèle est obtenue par un développement asymptotique d’un schéma numérique pour le système à sept équations. Le schéma obtenu est implémenté, validé sur des cas analytiques, et comparé dans le cas de chocs multiphasiques à des résultats expérimentaux. On s’intéresse ensuite à la modélisation du changement de phase avec deux équations d’état. Un principe d’optimisation de l’entropie de mélange mène à distinguer trois zones : une zone où le liquide pur est le plus stable, une autre zone où le gaz pur est le plus stable, et, enfin, une zone où un mélange à l’équilibre des pressions, températures et potentiels thermodynamiques est stable. On donne alors des conditions sur le couplage des deux équations d’état pour que l’équation d’état de mélange soit convexe, et pour que le système soit hyperbolique. Afin de prendre en compte le changement de phase, on introduit dans la solution du problème de Riemann une onde de vaporisation modélisée comme une onde de déflagration. On montre ensuite que la fermeture habituelle, la fermeture de Chapman-Jouguet, est inadéquate en général, et on donne une fermeture correcte dans le cas où les deux phases sont des gaz parfaits. Enfin, la solution du problème de Riemann est implémentée dans un code multiphasique, et validée sur des cas analytiques. Dans ce même code, on met en place un modèle de dépôt laser et de conduction thermique non linéaire afin de modéliser les phénomènes physiques intervenant dans l’ablation laser. Les résultats obtenus sont comparables à ceux obtenus avec des lois d’échelle. Le dernier chapitre, complètement indépendant, porte sur la recherche de correcteurs en homogénéisation stochastique dans le cas de processus à queue lourde
This work deals with the modelling and simulation of compressible flows. A seven equations model is obtained by homogenizing the Euler system. Fluctuation terms are modeled as relaxation terms. When the relaxation terms tend to infinity, which means that the phases are well mixed, a five equations model is obtained via an asymptotic expansion. This five equations model is strictly hyperbolic, but nonconser- vative. The discretization of this model is obtained by an asymptotic expansion of a scheme for the seven equations model. The numerical method is implemented, validated on analytic cases, and compared with experiments in the case of multiphase shocks. We are then interested in the modelling of phase transition with two equations of state. Optimization of the mixture entropy leads to the fact that three zones can be separated: one in which the pure liquid is the most stable, one in which the pure gas is the most stable, and one in which a mixture with equality of temperature, pressure and chemical potentials is the most stable. Conditions are given on the coupling of the two equations of state for ensuring that the mixture equation of state is convex, and that the system is strictly hyperbolic. In order to take into account phase transition, a vaporization wave is introduced in the solution of the Riemann problem, that is modeled as a deflagration wave. It is then proved that the usual closure, the Chapman-Jouguet closure, is wrong in general, and a correct closure in the case when both fluids have a perfect gas equation of state. Last, the solution of the Riemann problem is implemented in a multiphase code, and validated on analytic cases. In the same code, models of laser release and thermal conduction are implemented to simulate laser ablation. The results are comparable to the ones obtained with scale laws. The last chapter, fully independent, is concerned with correctors in stochastic homogenization in the case of heavy tails process

Durant la dernière décennie, le secteur aéronautique n’a cessé de croître et le nombre de passagers transportés a considérablement augmenté. En parallèle, des politiques de plus en plus restrictives ont été mises en place afin de diminuer notre impact environnemental notamment en réduisant les émissions de CO2. Dans cette optique, les motoristes cherchent à concevoir des moteurs plus efficaces, conduisant à l’utilisation de points de fonctionnement plus proches des limites d’opération et a un chargement des étages de compression plus important. Cependant, ces zones étant sensibles au déclenchement du décrochage tournant, les constructeurs cherchent à les éviter en fixant des marges de sécurités importantes. Deux problèmes majeurs doivent donc être traités : étendre la plage de fonctionnement du compresseur en éloignant sa limite de stabilité et être en mesure de connaître avec précision la position du point de fonctionnement de ce dernier afin de diminuer la marge de sécurité.Par ailleurs, même si le phénomène de décrochage tournant est aujourd’hui globalement bien compris, des études récentes ont mis en évidence de nouveaux processus de formation. Ainsi, afin de traiter au mieux les deux principaux enjeux liés au décrochage tournant, il est nécessaire d’approfondir les connaissances relatives à la physique de la formation du phénomène. Cette thèse s’inscrit dans cette démarche, en proposant une étude de la formation du décrochage tournant d’une part, ainsi que le développement et l’étude d’un système de détection et de contrôle actif de l’écoulement par jets continus ou pulsés, dont le rôle est de prévenir l’approche des zones à risque et d’étendre la plage de fonctionnement du compresseur
Over the past decades, the aviation sector has continuously grown, and the number of passengers carried has increased considerably. At the same time, increasingly restrictive policies have been put in place to reduce our environmental impact, especially by reducing CO2 emissions. In this context, engine manufacturers try to design more efficient engines, leading to the use of operating points closer to the stability limits and to higher loading of the compressor stages. However, these regions are more sensitive to the onset of rotating stall, and manufacturers seek to avoid them by using large security margins. Two major problems must therefore be addressed, extending the operating range of the compressor by moving its stability limit and being able to know precisely the position of its operating point to reduce the security margin.Moreover, even if the phenomenon of rotating stall is now globally well understood, recent studies have highlighted new onset mechanisms. Thus, in order to correctly handle the two main challenges cited before, it is necessary to improve our knowledge of the underlying mechanisms of the phenomenon inception. This PhD thesis follows this approach by proposing a study of the rotating stall onset, and then the development and analysis of a surveillance and active flow control system, using continuous or pulsed jets, which aims at warning of the approach of sensitive areas and expanding the operating range of the compressor by preventing the onset of stall

Lors de l’écoulement de fluides dans des conduites, les pertes par frottement liées à la turbulence sont responsables de la majeure partie de l’énergie consommée, représentant près de 10% de la consommation mondiale d’électricité. Afin de réduire notre empreinte énergétique, il est essentiel de développer des méthodes novatrices pour pomper les fluides de manière plus efficiente.Il est désormais bien établi que la turbulence s’organise autour d’un ensemble de solutions invariantes instables. En mettant en œuvre des stratégies de contrôle adaptées, il est possible de forcer l’écoulement à évoluer vers des régions de l’espace des phases plus favorables énergétiquement.Cette thèse porte sur la transition sous-critique vers la turbulence dans différentes configurations de conduites divergentes à l’aide de simulations numériques détaillées. Il a été observé que des angles de divergence plus importants réduisent généralement les nombres de Reynolds critiques nécessaires pour le déclenchement de la turbulence, bien que cet effet varie selon les configurations spécifiques, telles que les conduites à expansion brusque. L’influence de l’angle de divergence et du nombre de Reynolds sur la position des puffs turbulents stationnaires et des points de réattachement des zones de recirculation a également été analysée. De manière notable, des angles plus grands et des nombres de Reynolds plus élevés conduisent à une stabilisation des puffs turbulents et des points de réattachement plus proches du point d’expansion, en contraste avec la croissance linéaire des zones de recirculation observée en régime laminaire.En adoptant une approche de système dynamique, cette thèse explore également la stabilisation de l’état de moindre dissipation, connu sous le nom d’edge state, via des stratégies de contrôle par rétroaction. Bien qu’une stabilisation complète n’ait pas été atteinte, des réductions significatives de la traînée visqueuse et une amélioration de l'efficacité énergétique ont été obtenues. Dans une configuration de conduite divergente présentant une symétrie miroir, ces stratégies ont conduit à des économies d’énergie notables sur une large plage de nombres de Reynolds. À l’inverse, dans des configurations de conduites divergentes sans symétrie, l’efficacité de ces stratégies était plus restreinte et limitée à une gamme étroite de nombres de Reynolds autour du seuil de transition vers la turbulence. En outre, la robustesse et l’efficacité de ces stratégies de contrôle par rétroaction ont été évaluées dans des conditions simulant des scénarios opérationnels réels, démontrant ainsi leur potentiel d’application en milieu expérimental.Cette thèse analyse également la dynamique des edge states dans les écoulements divergents, en utilisant la méthode classique de bisection dans le cadre de la simulation numérique directe (DNS) via l'outil Nek5000. Ces techniques ont d’abord été appliquées aux conduites droites, validant ainsi les résultats de recherches précédentes et établissant une référence pour des analyses comparatives dans des géométries plus complexes. Par la suite, la méthode a été appliquée à une configuration de conduite à expansion brusque, où le suivi des edge states a révélé des défis majeurs en raison de la tendance de l’écoulement à transitionner vers un régime turbulent en raison d’une potentielle instabilité linéaire. Enfin, l’algorithme a été appliqué à une configuration à expansion graduelle, où des événements de bouffées quasi-périodiques ont été observés, déclenchant un cycle auto-entretenu de turbulence, alimenté par des mécanismes convectifs et une instabilité de la couche de cisaillement
When driving fluids through pipes, the increased friction losses associated with turbulence are responsible for the majority of the energy used, corresponding to nearly 10 % of the global electric energy consumption. If one wants to succeed in reducing our energy footprint, discovering innovative ways to efficiently pump fluids is crucial.It is now understood that turbulence is organized around a set of unstable invariant solutions. By implementing bespoke control schemes, it is possible to force the flow into a more energetically favorable region of the phase space.This thesis focuses on the subcritical transition to turbulence in various divergent pipe configurations through detailed numerical simulations. It was found that larger divergence angles generally reduce the critical Reynolds numbers required for the onset of turbulence, though this effect varies with specific pipe configurations such as sudden expansion pipe. The influence of divergence angle and Reynolds number on the positioning of stationary turbulent puffs and the reattachment points of recirculation zones was also investigated. Notably, larger angles and higher Reynolds numbers cause both puffs and reattachment points to stabilize closer to the expansion point in contrast to the linear growth of the recirculation zones observed in laminar flow conditions.Adopting a dynamical system perspective, the thesis also examines the stabilization of the least dissipative state, known as the edge state, through feedback controls schemes. While complete stabilization was not achieved, significant reductions in viscous drag and enhanced energy efficiency were observed. In a divergent pipe configuration with mirror symmetry, these strategies resulted in substantial energy savings across a broad range of Reynolds numbers. Conversely, in full divergent pipe configurations without symmetry, the effectiveness of these strategies was more limited and restricted to a narrow range around of Reynolds number around the onset of turbulence. Moreover, the robustness and efficiency of these feedback strategies were evaluated under conditions simulating practical operational scenarios, demonstrating their potential applicability in experimental settings.This thesis also analyses the dynamics of edge states in divergent pipe flows, using classical bisection method within the DNS framework Nek5000. We applied these techniques in straight pipes, validating previous research findings and establishing a baseline for further comparative analysis in more complex geometries. Subsequently, the method was applied to a sudden expansion pipe configuration where edge tracking revealed significant challenges due to the flow’s tendency to quickly revert to turbulence due to a potential linear instability. Finally, the algorithm was applied to a gradual expansion pipe, where quasi-periodic bursting events were observed, initiating a self-sustaining cycle of turbulence driven by convective mechanisms and shear layer instability

Le but de cette thèse est de décrire en détail la dynamique linéaire et non linéaire d'une couche limite attachée sur une plaque plane à bas nombre de Reynolds. La dynamique linéaire, pilotée par les interactions entre les vecteurs propres non-orthogonaux, est étudiée à travers deux méthodes différentes d'instabilité globale : une analyse globale aux vecteurs propres et une optimisation directe-adjointe. Dans ces analyses globales, aucune structure spatiale n'est imposée à priori pour la perturbation, les effets convectifs dus au fort non parallélisme de l'écoulement sont pris en compte. Pour le cas de la couche limite décollée, le déclenchement des instationnarités a été clarifié : i) pour une forte amplification des perturbations de nature convective et bidimensionnelle ; ii) pour des effets de non normalité longitudinale engendrant le phénomène du flapping ; iii) pour une forte sensibilité vis-à-vis d'un forçage harmonique ; iv) pour un monde tridimensionnel globalement instable. Pour une couche limite attachée, le but a été d'identifier les perturbations localisées caractérisées par des fréquences multiples dans les directions longitudinales et transversales de l'écoulement, induisant une amplification de l'énergie des perturbations. Pour évaluer les effets les effets de la non linéarité dans les mécanismes d'instabilité identifiés par les analyses de stabilité globale, des simulations numériques directes ont été réalisées pour les écoulements de couche limite attachées ou décollées, bidimensionnelles et tridimensionnelles. La dynamique des perturbations permettant une plus rapide vers la turbulence a été étudiée. Différents scénarios de transition ont été observés, les différents mécanismes de transition ont été analysés.