NOTRE ETUDE PORTE SUR LA CARACTERISATION D'UN JET D'AIR TURBULENT CHARGE DE PARTICULES OU DE GOUTTELETTES. ELLE SE PLACE DANS LE CADRE D'UNE COOPERATION ENTRE LE CEMAGREF ET DES PARTENAIRES INDUSTRIELS. LE BUT ULTIME DE L'ETUDE EST LE TRANSFERT VERS CES PARTENAIRE INDUSTRIELS DU MAXIMUM DE CONNAISSANCES UTILISABLES POUR LE DEVELOPPEMENT ET L'AMELIORATION DE SES PRODUITS. EN CE SENS, L'ETUDE SE VEUT LA PLUS COMPLETE POSSIBLE. NOUS AVONS EGALEMENT LE SOUCIS DE PRODUIRE DES RESULTATS APPLICABLES ET D'UTILISER ET DE DEVELOPPER DES TECHNIQUES D'ETUDE SUSCEPTIBLES D'ETRE ADOPTEES PAR LES PARTENAIRES A L'ISSUE DE NOTRE COLLABORATION. NOTRE ETUDE PORTE SUR LA DYNAMIQUE PURE DE L'ECOULEMENT. DE PLUS, NOUS NOUS INTERESSONS A UN MODELE REDUIT ET SIMPLIFIE DES PRODUITS DE NOS PARTENAIRES QUI OFFRE DES DEBITS, ET DONC UNE PORTEE, PLUS FAIBLES, CE QUI PERMET LE MONTAGE D'UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE EN LABORATOIRE OU ON CONTROLE PARFAITEMENT L'ENVIRONNEMENT DANS LEQUEL LE JET FONCTIONNE. CE MEMOIRE CONSISTE EN TROIS PARTIES. LA PREMIERE PRESENTE LES BASES FONDAMENTALES DES PHENOMENES QUI ENTRENT EN JEU DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS DIPHASIQUES A PHASE DISPERSEE, PUIS DRESSE UN ETAT DE L'ART SUCCINT DES CONNAISSANCES ET MOYENS D'ETUDE POUR CE TYPE D'ECOULEMENTS. LA SECONDE PARTIE DETAILLE NOTRE ETUDE EXPERIMENTALE, LES TECHNIQUES EMPLOYEES ET LES RESULTATS OBTENUS. UNE TROISIEME PARTIE PRESENTE LE TRAVAIL EFFECTUE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL NUMERIQUE DE PREDICTION DE L'ECOULEMENT, NOTRE BASE DE DEPART, LES MODELES PASSES EN REVUE POUR LES DIFFERENTS PHENOMENES ET LES PREMIERS RESULTATS OBTENUS.

UN MODELE DE SIMULATION POUR LA TRAJECTOIRE DES PARTICULES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT A ETE ETABLI EN CONSIDERANT LES CORRELATIONS TEMPORELLES ET SPATIALES DU POINT DE VUE LAGRANGIEN. UNE METHODE DE MONTE CARLO A ETE UTILISEE POUR DETERMINER LES VALEURS ALEATOIRES DES PROPRIETES TURBULENTES. AU COURS DE LA CONSTRUCTION DES TRAJECTOIRES, LA VITESSE ET LA POSITION DE PARTICULES INDIVIDUELLES SONT OBTENUES A CHAQUE INSTANT. A PARTIR DE CELLES-CI, NOUS AVONS ETUDIE LES CARACTERISTIQUES DE LA DISPERSION D'UN ENSEMBLE DE PARTICULES DANS UN ECOULEMENT DE TURBULENCE DE GRILLE, PUIS CELLE DE PARTICULES PASSIVES ET REACTIVES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT CISAILLE. LES RESULTATS DU CALCUL ONT ETE COMPARES A CEUX MESURES PAR EXPERIENCES CORRESPONDANTES. LA COMPLEXITE DU MECANISME DE LA TURBULENCE ET LE MANQUE DE CONNAISSANCES THEORIQUES ET DE DONNEES EXPERIMENTALES, A CONDUIT A FORMULER UN CERTAIN NOMBRE D'HYPOTHESES POUR PERMETTRE LE CALCUL. NOUS AVONS OBSERVE DE BONNES CONCORDANCES DE RESULTATS SIMULES PAR RAPPORT A CEUX MESURES. EN PARTICULIER, L'APPLICATION DE LA METHODE DE CALCUL MISE AU POINT AUX CAS DE LA CORRELATION LAGRANGIENNE ET DE L'EVAPORATION D'AEROSOL, FOURNIT UNE ALTERNATIVE INTERESSANTE AUX TECHNIQUES DU CALCUL GLOBAL GENERALEMENT UTILISES

Le comportement de particules solides dans un écoulement turbulent de gaz en canal est étudié par le biais de simulations numériques directes. La description mixte eulerienne et lagrangienne permet d'aborder la dispersion de petites particules solides à travers le calcul des temps intégraux de la turbulence v́ue ́le long de leurs trajectoires. Ces temps intégraux sont comparés aux estimations basées sur une corrélation semi-empirique issue de calculs directs dans le cas d'une turbulence homogène et isotrope. La comparaison révèle l'impossibilité d'utiliser la corrélation pour prédire la dispersion dans le sens de l'écoulement. Après ces considérations sur la dispersion, l'effet d'atténuation de ces mêmes particules solides sur la turbulence est aussi caractérisé. Les forces prises en compte sur les particules sont au moins la traînée non linéaire et la force de portance de Saffman toutes deux corrigées en proche paroi et utilisant une interpolation tridimensionnelle hermitienne.

LES TRAVAUX CONCERNENT LA DISPERSION DE PARTICULES RIGIDES DANS DES ECOULEMENTS LAMINAIRES ET TURBULENTS, EN TENANT COMPTE DES EFFETS DE ROTATION PARTICULAIRE. ON A QUANTIFIE DANS UN PREMIER TEMPS LE COMPORTEMENT DE SPHERES DE DIFFERENTS DIAMETRES LIBEREES DANS LE CHAMP DE VITESSE D'UN JET PLAN LAMINAIRE, EN CONSIDERANT A LA FOIS LE MOUVEMENT DE TRANSLATION ET DE ROTATION DE CES PARTICULES. ON PROPOSE ENSUITE UN MODELE STOCHASTIQUE DE SIMULATION DES FLUCTUATIONS DE GRADIENTS DE VITESSE ET DU ROTATIONNEL POUR LES ECOULEMENTS TURBULENTS. CE MODELE EST INTEGRE DANS UN CODE DE CALCUL DE TRAJECTOGRAPHIE EULERIENNE-LAGRANGIENNE ET UTILISE, DANS LE PRESENT TRAVAIL, POUR SIMULER LA DISPERSION TURBULENTE DE PARTICULES DE TAILLE DIVERSE DANS DES ECOULEMENTS STANDARD DE TURBULENCE DE GRILLE. CETTE DISPERSION AYANT ETE CARACTERISEE EXPERIMENTALEMENT PAR AILLEURS (SNYDER & LUMLEY, WELLS & STOCK). LES TRAJECTOIRES DES PARTICULES SONT CALCULEES PAR RESOLUTION NUMERIQUE D'UNE EQUATION DE ODAR ET HAMILTON MODIFIEE, INCLUANT LES FORCES DE PORTANCE DE SAFFMAN ET DE RUBINOW & KELLER. CES ETUDES NUMERIQUES ONT PERMIS D'EVALUER L'INFLUENCE DE LA ROTATION SUR LES TRAJECTOIRES PARTICULAIRES ET SUR LES DIFFUSIVITES TURBULENTES, ET DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE LA DISPERSION SOUS L'EFFET DE CES FORCES DE PORTANCE

CE TRAVAIL PORTE ESSENTIELLEMENT SUR LA DISPERSION DE PARTICULES DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS. NOUS PROPOSONS UN ECOULEMENT QUI RESULTE DE LA COMPOSITION D'UNE TURBULENCE A CISAILLEMENT CONSTANT ENGENDRE PAR UNE GRILLE APPROPRIEE ET D'UN JET AXISYMETRIQUE ISSU D'UN INJECTEUR PNEUMATIQUE A DOUBLE FLUX QUI SERT A PRODUIRE L'AEROSOL. L'ENSEMBLE DES RESULTATS SEMBLE MONTRE QUE, DANS LE CAS DE CES EXPERIENCES LA DISPERSION EST ESSENTIELLEMENT CONTROLEE PAR L'INERTIE DES GOUTTES ET LA DISTRIBUTION SPATIALE DES VITESSES DE L'ECOULEMENT PORTEUR. LA NATURE TURBULENT DE CE DERNIER N'INTERVIENT QUE DANS LA MESURE OU IL MODIFIE LA DISTRIBUTION DES GRANDEURS MOYENNES

ETUDE DE LA DIFFUSION D'UN AEROSOL DANS UN ECOULEMENT TURBULENT. REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DE DIFFERENTES DESCRIPTIONS DE LA DIFFUSION TURBULENTE: MODELES DE FERMETURE A GRADIENT, FORMALISME DEVELOPPE A PARTIR DE METHODES PERTURBATIVES PAR KRAICHNAN ET PROCESSUS DE MARKOV. AVANTAGES ET RESTRICTIONS DES DIFFERENTES APPROCHES. MISE EN OEUVRE D'UN MODELE STOCHASTIQUE AYANT EN OUTRE L'AVANTAGE DE PERMETTRE UNE REPRESENTATION PHYSIQUE AISEE DES PHENOMENES ETUDIES. ETUDE DES RELATIONS EXISTANT ENTRE LE COMPORTEMENT STATISTIQUE INDIVIDUEL D'UNE PARTICULE ET CELUI D'UN NUAGE DE GOUTTELETTES. APPLICATION A LA TURBULENCE DE GRILLE

Ce travail numérique est une contribution à l'étude de la qualité de l'air liée à la présence de polluants particulaires dans les locaux. Après l'analyse physique des interactions subies par les particules injectées dans un écoulement fluide, nous avons développé un outil numérique permettant de simuler le comportement des particules dans les écoulements faiblement turbulents typiques du bâtiment, en faisant l'hypothèse que les particules n'influencent pas l'écoulement et que les interactions particule - particule peuvent être négligées. La dispersion des particules dans le fluide en écoulement est résolue par une approche lagrangienne qui consiste à simuler un certain nombre de trajectoires à partir desquelles les grandeurs moyennes caractérisant le comportement des particules sont ensuite obtenues statistiquement. Pour cela, les vitesses instantanées du fluide sont obtenues par tirages aléatoires, à partir des champs moyens de l'écoulement et des corrélations spatiales et temporelles. A ce stade du travail, nous avons testé plusieurs modèles de prédiction des caractéristiques instantanées du fluide, et nous avons retenu celui qui semblait le plus approprié à la modélisation des configurations qui nous intéressent. Pour la construction de la trajectoire d'une particule discrète on résout la relation dynamique établie à partir du bilan des forces agissant sur la particule. Les résultats obtenus dans le cas d'une turbulence de grille sont comparés à des résultats expérimentaux. Nous avons également étudié l'influence de la précision de la prédiction des caractéristiques turbulentes de l'écoulement sur la dispersion des particules, ainsi que la capacité des modèles de turbulence basés sur une décomposition en moyennes temporelles à résoudre correctement les écoulements turbulents. Finalement, le modèle de dispersion des particules a été utilisé pour caractériser la déposition de particules sur les parois dans un écoulement turbulent confiné correspondant à la configuration d'une cavité agitée.