Ce travail de thèse fait partie intégrante de l'ANR PLAYER (début janvier 2012), projet visant à étendre les simulations d'écoulements gaz-particules à des particules non-sphériques ayant une inertie couvrant une large gamme. Les avancées de cette ANR portent notamment sur la détermination des forces et couples élémentaires sur de tels objets avec la question du nombre de degrés de liberté supplémentaires à prendre en compte, l'impact de la forme et de l'effet d'inertie ainsi que l'influence d'une force extérieure telle que la gravité sur les interactions particule-turbulence. Dans ce cadre, l'objectif de ce travail de thèse est d'étudier finement la dispersion de particules non-sphériques rigides dans un écoulement turbulent à l'échelle mésocospique (il est supposé que les particules sont des points matériels). Pour ce faire, un suivi lagrangien de particules ellipsoïdales couplé à un code de simulation numérique directe d'un écoulement turbulent de canal a été utilisé. Cette méthode nécessite alors une bonne estimation des forces et couples hydrodynamiques agissant sur ce type de particules, ainsi qu'un couplage des équations du mouvement de translation et de rotation. En se basant sur les résultats obtenus par une simulation numérique directe résolue à l'échelle de la particule (Ansys Fluent, body-fitted method), nous avons établi, dans un premier temps, des corrélations pour les coefficients hydrodynamiques (traînée, portance, couple de tangage) dépendant du nombre de Reynolds particulaire, de la forme, et de l'orientation des particules. L'originalité de ce travail réside en la validité de ces corrélations pour des gammes étendues de facteurs de forme (rapport entre la longueur et la largeur de la particule w ∈ [0,2-32] et de Reynolds particulaires Rep ∈ [1-240]. Ces corrélations ainsi que les équations du mouvement de rotation ont été ensuite intégrées dans le code « maison » de simulation numérique directe d'un écoulement turbulent gaz-solide à l'échelle mésocospique. Après avoir validé ce code à travers différents cas tests, nous avons étudié la dispersion de différentes particules ellipsoïdales dans un écoulement de canal turbulent pour un nombre de Reynolds modéré. Trois principaux effets sont à l'étude : l'effet de forme, l'effet d'inertie et l'effet du croisement de trajectoires.

La caractérisation de l’écoulement, du transfert de chaleur et de masse lors du déplacement de gouttelettes de diamètre inferieur au millimètre dans un milieu extérieur font l’objet de notre étude. La première partie présente l’état de l’art des connaissances théoriques et expérimentales des comportements aérodynamiques ainsi que les mécanismes de transfert thermiques et massiques intervenant entre une phase dispersée et une phase continue. La deuxième partie est consacrée à l’étude du phénomène d’évaporation d’une gouttelette mono-dispersée en chute libre dans l’air. Pour cela, nous avons réalisé un dispositif expérimental. Les mesures, nous permettent de prédire l’évaporation de la gouttelette en fonction des caractéristiques physico-chimiques et de l’hygrométrie du milieu extérieur. Pour la modélisation du transfert de chaleur et de masse nous avons utilisé un modèle simple qui tient en compte du couplage entre le mouvement et les phénomènes de transferts, validé dans une précédente étude au sein du laboratoire. Un bon accord est observé. La troisième partie traite de la simulation numérique de l’interaction entre les particules sphériques dans un régime laminaire. Tout d’abord, nous avons proposé et validé un modèle simple qui ne tient pas en compte des phénomènes d’interaction. Les résultats obtenus sont en concordance avec la littérature. Par la suite, nous avons étudié l’interaction entre trois particules identiques et co-alignées. Ce modèle tient compte de la nature de la particule, du nombre du Reynolds et de la distance de séparation. Nous avons validé ce travail par une comparaison avec une étude précédente que nous avons généralisé. La dernière partie est cernée sur l’étude de la dispersion des gouttelettes dans un écoulement turbulent homogène et isotrope. Pour cela, nous avons proposé un modèle Lagrangien de suivi des trajectoires. La production de la turbulence est assurée par une condition de turbulence de grille. Nous avons considéré que les caractéristiques moyennes de l’écoulement fluide sont connues. La sélection des fluctuations de vitesse turbulente est assurée par une méthode probabiliste gaussienne que nous avons développée. La fluctuation est conservée durant un certain temps lié à turbulence, elle est renouvelée au cours du calcul. Ce renouvellement est donné par le temps caractéristique de turbulence.

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.

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

SIMULATION NUMERIQUE DANS LE CADRE DE LA THEORIE LAGRANGIENNE. LA TRAJECTOIRE DE CHAQUE PARTICULE EST CONSTRUITE PAS A PAS PAR INTEGRATION DES EQUATIONS DE LA DYNAMIQUE ET DE LA CINEMATIQUE. SIMULATION DE LA DISPERSION DE PARTICULES FLUIDES DANS UN ECOULEMENT A TURBULENCE HOMOGENE ET ISOTROPE, PUIS DE LA DISPERSION DANS UNE TURBULENCE DE GRILLE, DE PARTICULES ETRANGERES AU FLUIDE DONT LA TAILLE EST INFERIEURE A LA PLUS PETITE ECHELLE DE TURBULENCE. CAS DE PARTICULES CHARGEES. ON ABORDE ENFIN LE CAS DE PARTICULES DE TAILLE SUPERIEURE A LA PLUS PETITE ECHELLE DE LA TURBULENCE, L'ECHELLE DE KOLMOGOROFF

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.

Motivé par l'étude numérique de la dispersion de particules dans un écoulement turbulent, ce travail présente l'application et le développement de méthodes de réduction de modèles couplées à un système dynamique d'ordre bas pour les équations de Navier-Stokes. Ainsi, la première méthode appliquée est la décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Couplée à un système dynamique d'ordre faible obtenu par projection de Galerkin des équations de Navier-Stokes sur la base POD, cette méthode montre son efficacité en terme de temps de simulation pour le calcul de la dispersion de particules. Cependant, la POD nécessite au préalable un échantillonage temporel de l'écoulement, ce qui est handicapant. Afin de palier ce problème, l'alternative envisagée dans ce travail est l'utilisation d'une méthode de réduction a priori, l'APR, basée sur la construction itérative d'une base de l'écoulement. La méthode APR est d'abord testée dans des cas modèles simples : l'équation de convection-diffusion 2D et les équations de Burgers 1D et 2D. Comparée aux méthodes de résolution classique, l'APR permet de diminuer fortement les temps de calcul tout en conservant une précision du même ordre de grandeur. Les équations de Navier-Stokes sont ensuite résolues à l'aide d'un code volumes finis 2D, utilisant un découplage vitesse-pression de type Van Kahn. Un algorithme de réduction a priori adapté à l'algorithme de projection est alors présenté et appliqué pour le cas de la cavité entraînée 2D à Re=10000. Les résultats obtenus sur un court intervalle de temps sont assez encourageants. Enfin, une démarche d'avancement temporel basée sur le couplage d'APR et de systèmes dynamiques est présentée.