L'INTERACTION RECIPROQUE ENTRE UNE TURBULENCE FLUIDE ET DES INCLUSIONS DISPERSEES A ETE ETUDIEE A L'AIDE DE SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES (DNS) EN TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE STATIONNAIRES FORCEE. LE TEMPS DE RELAXATION DES PARTICULES VA L'ECHELLE TURBULENTE DE KOLMOGOROV A CELLE EULERIENNE ET LA CHARGE DE 0 A 1 L'ANALYSE A ETE EFFECTUEE DANS LE CADRE DU MODELE EULERIEN COMPLETE DE L'APPROCHE LAGRANGIENNE DEVELOPPES AU LABORATOIRE NATIONAL D'HYDRAULIQUE ET ETENDUE AU COUPLAGE INVERSE ET AUX EFFETS DE REYNOLDS. ON TROUVE QUE LES PARTICULES DISSIPENT EN MOYENNE DE L'ENERGIE TURBULENTE. LES SPECTRES DE TAUX D'ECHANGE D'ENERGIE ENTRE PHASES MONTRENT QUE LES PARTICULES ENTRAINENT LE FLUIDE SUR LES GRANDS NOMBRES D'ONDE EXPLIQUANT LA CROISSANCE RELATIVE CONSTATEE DES PEITES ECHELLES TURBULENTES UNE ANALYSE SPECTRALE REVELE QUE LE MECANISME PHYSIQUE RESPONSABLE EST CELUI DU TRANSFERT DE COVARIANCE FLUIDE-PARTICULES PAR LA TURBULENCE. CONCERNANT LA MODELISATION, LA DEPENDANCE EN REYNOLDS ET LA CONTRIBUTION DIRECTE DE LA CHARGE S'AVERENT ESSENTIELLES POUR BIEN PREDIRE LES MOMENTS DE LA PHASE DISPERSEE. UNE ETUDE PROSPECTIVE POUR DES APPLICATIONS PRATIQUES PAR SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES (LES) A DONNE LES RESULTATS SUIVANTS : LA LES PEUT S'UTILISER POUR LES ECOULEMENTS DIPHASIQUES TOTALEMENT COUPLES A CONDITION D'EMPLOYER LE MODELE DYNAMIQUE MIXTE DE SOUS-MAILLE ET DE PRENDRE DES PARTICULES DE TEMPS DE RELAXATION SUPERIEUR A CELUI DE COUPURE : LE COUPLAGE INVERSE DEPENDRAIT DAVANTAGE DE LA POSITION DE CE TEMPS DE RELAXATION PAR RAPPORT AU TEMPS EULERIEN QUE PAR RAPPORT A CELUI DE KOLMOGOROV.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des écoulements turbulents diphasiques gaz-solides. Cette étude s'appuie sur des résultats issus d'un traitement statistique Lagrangien et Eulérien de la dynamique d'écoulements diphasiques, obtenus par simulation numérique directe (DNS), ou simulation numérique directe des grandes échelles (LES), de la turbulence du gaz, couplée avec suivi Lagrangien des particules. Les particules considérées sont sphériques et de taille inférieure ou du même ordre que les plus petites échelles de la turbulence du fluide, et la densité des particules est bien plus grande que celle du fluide. L'écoulement de référence est une turbulence homogène isotrope (THI) maintenue en régime statistiquement stationnaire, en imposant une accélération stochastique sur les premiers nombres d'onde du champ turbulent. Le mouvement des particules est gouverné par la force de traînée de Stokes et par la force de gravité, et les interactions inter-particules, telles que les collisions et les interactions hydrodynamiques, ne sont pas prises en compte. De plus, l'effet de la présence des particules sur la turbulence du fluide n'est pas traité. Ces simulations sont représentatives d'écoulements gaz-solides dilués où le principal mécanisme est le transport des particules par la turbulence. Ce travail est consacré dans un premier temps aux effets de dispersion turbulente et de ségrégation spatiale des particules en apesanteur et en présence de gravité, mettant en évidence un mécanisme contrôlé par les grandes échelles de la turbulence. Par la suite, un formalisme Eulérien microscopique du mouvement des particules est développé. Le calcul des statistiques Eulériennes en un point et en deux points, sur les variables position-vitesse des particules, montre que la vitesse des particules est composée d'une partie "corrélée", qui prend complètement en compte les corrélations fluide-particule et particule-particule, et d'une partie "décorrélée" dont la contribution augmente avec l'inertie des particules. Les phénomènes de dispersion relative de particules solides, et de collisions inter-particules sont enfin étudiés dans le cadre de ce formalisme.

Afin d'étudier le comportement et les caractéristiques du mouvement fluctuant de particules entrainées par la turbulence, la dispersion de nuages de particules (25000-100000) a été simulée dans un champ de turbulence homogène isotrope stationnaire calculé à l'aide d'une simulation numérique directe des grandes échelles de la turbulence (large eddy simulation). L'équation du mouvement de chaque particule prend en compte la contribution des forces de trainée, de pression et de masse ajoutée. Des calculs de dispersion de particules en l'absence de forces extérieures ont été réalisés pour trois rapports de densité particules/fluide (=2000, 2. Et 0.001). La dispersion des particules les plus denses a également été simulée en appliquant une force de gravite pour étudier l'influence du glissement moyen entre les phases. Enfin, en appliquant une force extérieure variant linéairement dans une direction, la viscosité turbulente d'un nuage de particules denses a été calculée. Les résultats sont comparés avec des expressions analytiques obtenues à partir d'une extension de la théorie de Tchen qui consiste à calculer les caractéristiques du mouvement fluctuant des particules en fonction de la turbulence du fluide vue par les particules. Cette extension, à condition de prédire correctement les caractéristiques de la turbulence le long des trajectoires des particules, permet de prendre en compte divers phénomènes, l'effet de la ségrégation des bulles vers des zones à vitesse du fluide plus faible, l'effet de croisement de trajectoires. D'autre part ces simulations ont permis d'affiner et de valider l'expression des coefficients de transport turbulent de la phase dispersée utilisés pour la prédiction numérique des écoulements diphasiques a l'aide d'équations eulériennes dans les deux phases.

L'INFLUENCE D'UNE TURBULENCE HOMOGENE D'AIR ET DE COLLISIONS BINAIRES SUR LE COMPORTEMENT MACROSCOPIQUE D'UN NUAGE DE PARTICULES SOLIDES MONODISPERSEES, EST ETUDIEE A PARTIR DE SIMULATIONS NUMERIQUES DES GRANDES ECHELLES (LES), DU SUIVI LAGRANGIEN DES PARTICULES ET DU TRAITEMENT DIRECT DES CHOCS. LE DOMAINE DE CALCUL EST 3D PERIODIQUE DANS LEQUEL SEULE UNE FORCE DE TRAINEE VISQUEUSE S'EXERCE DU FLUIDE SUR LES PARTICULES. LE DIAMETRE, LA DENSITE ET LA FRACTION VOLUMIQUE DE LA PHASE DISPERSEE VARIENT, D'UNE SIMULATION A L'AUTRE, POUR REPRODUIRE DIFFERENTS TEMPS DE RELAXATION PARTICULAIRE ET TEMPS DE COLLISION. LES EQUATIONS EULERIENNES DES GRANDEURS MACROSCOPIQUES LIEES A LA PHASE DISPERSEE, SONT OBTENUES A PARTIR D'UNE DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE TRANSPORT, DE TYPE BOLTZMANN, SUR LA DISTRIBUTION JOINTE FLUIDE-PARTICULES. CE FORMALISME PERMET DE RELIER LES CORRELATIONS FLUIDE-PARTICULES, DANS LES TERMES DE TRANSFERTS INTERFACIAUX, A LA MODELISATION, DANS L'EQUATION DE BOLTZMANN, DE LA DERIVEE LAGRANGIENNE DU FLUIDE DE LONG DES TRAJECTOIRES PARTICULAIRES, ICI DECRITE PAR UN PROCESSUS DE TYPE LANGEVIN. SE PRESENTANT COMME UNE EXTENSION DU FORMALISME DE LA THEORIE CINETIQUE DES MILIEUX GRANULAIRES, IL PERMET EN OUTRE L'ECRITURE DES TERMES COLLISIONNELS. POUR CELA, L'HYPOTHESE CLASSIQUE DU CHAOS MOLECULAIRE EST ETENDUE A LA PRISE EN COMPTE DE LA CORRELATION, PAR LE FLUIDE, DES VITESSES DES PARTICULES AU MOMENT DES CHOCS. UNE FORME PRESUMEE DE LA FONCTION DE DISTRIBUTION FLUIDE-PARTICULES, EN REGIME ISOTROPE PUIS QUELCONQUE, PERMET DE CALCULER LES TERMES COLLISIONNELS. LA VALIDATION DU MODELE EST EFFECTUEE A PARTIR DE SIMULATIONS EN TURBULENCE ISOTROPE STATIONNAIRE OU SIMPLEMENT CISAILLEE. DANS LE PREMIER CAS, L'ANALYSE PORTE SUR LA PREDICTION DES FONCTIONS DE DISTRIBUTIONS, DU TEMPS DE COLLISION, DES ENERGIES ET DU COEFFICIENT DE DISPERSION. EN CISAILLEMENT SIMPLE, L'ACCENT EST MIS SUR L'EVOLUTION DES CORRELATIONS FLUIDE-PARTICULES ET DES CONTRAINTES CINETIQUES.