DE NOMBREUX PROCESSUS INDUSTRIELS OU LIES A L'ENVIRONNEMENT IMPLIQUENT LE TRANSPORT ET LA DISPERSION DE BULLES, DE PARTICULES OU DE GOUTTELETTES, DANS UN ECOULEMENT TURBULENT. LA DIFFICULTE MAJEURE DE L'ETUDE DE CES ECOULEMENTS RESIDE DANS LA COMPLEXITE DES INTERACTIONS ENTRE LA PHASE DISPERSEE ET LA PHASE CONTINUE. LE PRINCIPAL OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST L'ETUDE DES ECHANGES DE QUANTITE DE MOUVEMENT ENTRE UNE PHASE DISPERSEE ET LA STRUCTURE TURBULENTE INSTATIONNAIRE D'UN ECOULEMENT CISAILLE COMME LA STRUCTURE SPATIALE D'UNE COUCHE DE MELANGE. AFIN DE GENERER UN CHAMP DE VITESSE APPROPRIE QUI REPRODUIT LES INTERACTIONS DYNAMIQUES ENTRE LES STRUCTURES DE GRANDE ECHELLE, NOUS UTILISONS UN OUTIL NUMERIQUE BASE SUR LES METHODES DE VORTEX POUR LA SIMULATION DES ECOULEMENTS CISAILLES PLANS. LA PHASE DISPERSEE EST, QUANT A ELLE, TRAITEE EN INTEGRANT L'EQUATION DU MOUVEMENT DE CHAQUE PARTICULE. NOUS MONTRONS AINSI, PAR COMPARAISON AVEC DES ETUDES RECENTES, QUE L'EXISTENCE DES STRUCTURES COHERENTES PROPRE A CES ECOULEMENTS (ET EN PARTICULIER A LA COUCHE DE MELANGE PLANE), INFLUENCE FORTEMENT LE MOUVEMENT D'UNE PHASE DISPERSEE. EN EFFET, SOUS CERTAINES CONDITIONS, LES PARTICULES SOLIDES S'AGGLOMERENT AUTOUR DE CES STRUCTURES TANDIS QUE LES BULLES SONT ATTIREES VERS UN POINT D'EQUILIBRE STABLE ASSOCIE A CHACUNE DE CES STRUCTURES COHERENTES. NOUS CHERCHONS ENSUITE A DECRIRE L'ACTION DE LA PHASE DISPERSEE SUR LA PHASE CONTINUE EN INCORPORANT UN TERME SOURCE DANS L'EQUATION DE TRANSPORT ET DE DIFFUSION DE LA VORTICITE. LE TERME DE COUPLAGE INTRODUIT REPRESENTE LES ECHANGES DE QUANTITE DE MOUVEMENT PROVOQUES PAR LE PHENOMENE D'ACTION-REACTION ENTRE LES DEUX PHASES. DANS NOS SIMULATIONS, CELA SE TRADUIT PAR LA CREATION, OU LA DESTRUCTION, DE VORTICITE DANS L'ECOULEMENT. L'ANALYSE DES RESULTATS DE SIMULATIONS D'ECOULEMENTS SIMPLIFIES PUIS PLUS COMPLEXES, APPORTE QUELQUES ELEMENTS DE REPONSE CONCERNANT LES MODIFICATIONS GLOBALES DES CARACTERISTIQUES DE LA COUCHE DE MELANGE ET DE LA DISPERSION DE BULLES ET DES PARTICULES SOLIDES. ENFIN, NOUS PRESENTONS UNE ETUDE DE FAISABILITE DE LA SIMULATION D'UN JET PLAN PAR UNE METHODE DE VORTEX. CE TRAVAIL NOUS CONDUIT A L'ETUDE THEORIQUE DU PROCESSUS D'ENTRAINEMENT DANS CET ECOULEMENT. LA MODELISATION NUMERIQUE DE CE PHENOMENE EST DIRECTEMENT RELIE A LA CONSTRUCTION DES CONDITIONS AUX LIMITES.

LES ECOULEMENTS TURBULENTS SONT FREQUEMMENT SOUMIS AUX EFFETS DE LA ROTATION. DES OBSERVATIONS GEOPHYSIQUES, AINSI QUE DES EXPERIENCES DANS LE LABORATOIRE, MONTRENT QUE POUR DES TAUX DE ROTATION MODERES LES TOURBILLONS DONT LA VORTICITE EST PARALLELE ET DE MEME SIGNE QUE LA ROTATION (TOURBILLONS CYCLONIQUES) SONT TOUJOURS RENFORCES, TANDIS QUE CEUX DE SIGNE CONTRAIRE (TOURBILLONS ANTICYCLONIQUES) SONT DETRUITS. CEPENDANT, POUR DE GRANDS TAUX DE ROTATION, LES TOURBILLONS CYCLONIQUES ET ANTICYCLONIQUES SONT BIDIMENSIONNALISES (THEOREME DE TAYLOR-PROUDMAN). CE TRAVAIL ETUDIE L'INFLUENCE D'UNE ROTATION SOLIDE SUR LE DEVELOPPEMENT DES INSTABILITES ET DES TOURBILLONS COHERENTS DANS LES ECOULEMENTS CISAILLES LIBRES (COUCHE DE MELANGE ET SILLAGE PLAN). DEUX APPROCHES ONT ETE UTILISEES: SIMULATION NUMERIQUE, ET THEORIE LINEAIRE DE L'INSTABILITE HYDRODYNAMIQUE. LES RESULTATS DES SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES INCOMPRESSIBLES ONT CONFIRME LES OBSERVATIONS: STABILISATION DES TOURBILLONS CYCLONIQUES, DESTABILISATION DES ANTICYCLONES POUR DES TAUX DE ROTATION MODERES, ET BIDIMENSIONNALISATION DES TOURBILLONS CYCLONIQUES ET ANTICYCLONIQUES POUR DE GRANDS TAUX DE ROTATION. EN OUTRE, ELLES ONT AUSSI MONTRE QUE LA DESTABILISATION DES TOURBILLONS ANTICYCLONIQUES ENTRAINE LA FORMATION DE TOURBILLONS LONGITUDINAUX CONTRAROTATIFS INTENSES. CES TOURBILLONS ONT ETE OBSERVES DANS LES ECOULEMENTS CISAILLES CONFINES TOURNANTS ET PRESENTENT DES ANALOGIES AVEC LES TOURBILLONS DE GORTLER DANS UNE COUCHE LIMITE CONCAVE. LA RESOLUTION DE L'EQUATION D'ORR-SOMMERFELD CONFIRME QUE LES MODES LES PLUS INSTABLES, POUR UNE ROTATION ANTICYCLONIQUE MODEREE, SONT DES MODES LONGITUDINAUX: LA LONGUEUR D'ONDE SUIVANT L'ENVERGURE DES TOURBILLONS LONGITUDINAUX OBSERVES DANS LES SIMULATIONS NUMERIQUES TRIDIMENSIONNELLES EST EN BON ACCORD AVEC LES PREDICTIONS DE LA THEORIE DE LA STABILITE LINEAIRE. L'ANALYSE DES RESULTATS A LA LUMIERE D'UNE THEORIE BASEE SUR LE THEOREME DE KELVIN EN MILIEU TOURNANT MONTRE QUE CES TOURBILLONS LONGITUDINAUX RESULTENT DE L'ETIREMENT DE FILAMENTS VORTEX DE FAIBLE VORTICITE ABSOLUE

UNE ETUDE DES INTERACTIONS PARTICULE/PARTICULE EST PRESENTEE SUIVANT UNE SIMULATION LAGRANGIENNE DE PLUSIEURS TRAJECTOIRES SIMULTANEES ET LA SIMULATION REELLE DES COLLISIONS ENTRE LES PARTICULES DANS UN ECOULEMENT TURBULENT DONNE. UN CAS TEST EN TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE, SANS GRAVITE, A ENSUITE ETE ETUDIE ET COMPARE A UNE SIMULATION DIRECTE LES. ON MONTRE L'IMPORTANCE DE CONSERVER LA CORRELATION V#PU#F GLOBALEMENT CONSTANTE PAR UNE MODIFICATION DE LA VITESSE DES PARTICULES FLUIDES LORS D'UNE COLLISION. CETTE MODIFICATION A PERMIS D'OBSERVER QUE POUR UN NUAGE DISTRIBUE ALEATOIREMENT DANS UNE TURBULENCE ISOTROPE OU AUCUNE DIRECTION N'EST PRIVILEGIEE, LES RESULTATS NE MONTRENT PAS DE VARIATIONS SENSIBLES DES FLUCTUATIONS DE VITESSES SOUS L'EFFET DES COLLISIONS, MAIS LA DISPERSION DES PARTICULES EST REDUITE. UN SECOND CAS TEST A ETE ETUDIE SUIVANT LA MEME DEMARCHE, A SAVOIR UNE TURBULENCE DE CISAILLEMENT DONNEE PAR DES RESULTATS LES, AFIN DE DETERMINER L'INFLUENCE DES COLLISIONS SUR L'ANISOTROPIE DU MOUVEMENT FLUCTUANT DES PARTICULES. LES RESULTATS ENTRE LES DIFFERENTES APPROCHES SONT TOUT A FAIT SIMILAIRES ET MONTRENT UN RETOUR VERS L'ISOTROPIE DES FLUCTUATIONS DE VITESSES DES PARTICULES. ENFIN LE COUPLAGE ENTRE LA PHASE DISPERSEE ET LA TURBULENCE EST ETUDIEE DANS LE CAS D'UN ECOULEMENT DE TUYAU. LES RESULTATS SONT EN ACCORD AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET MONTRENT LA DIMINUTION DE L'ANISOTROPIE DES DEUX PHASES SOUS L'EFFET DES COLLISIONS.

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.

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 de thèse est consacré à l'étude des écoulements diphasiques dispersés turbulents gaz/gouttes et plus particulièrement à la modélisation du phénomène de dépôt de gouttes en canal horizontal, dont la compréhension et la prédiction sont essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Les gouttes sont supposées de taille plus petite que les échelles de longueur caractéristiques de l'écoulement de gaz turbulent, avec une masse volumique grande devant celle de la phase continue, les forces qui agissent sur les gouttes se limitent ainsi à la traînée, à la poussée d'Archimède et à la gravité. Le taux de présence de la phase dispersée est suffisamment important pour tenir compte de l'influence des gouttes sur la turbulence du gaz (couplage à deux sens), mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions entre les gouttes. En écoulement horizontal, le dépôt des gouttes en paroi est piloté par deux mécanismes principaux qui agissent en parallèle : la gravité et la diffusion turbulente/vol libre. Cette physique du dépôt est déclinée en deux volets, avec une première étude à l'échelle 3D locale et une seconde étude à l'échelle système 1D. Dans chacune de ces approches, un modèle pour la vitesse de dépôt de gouttes en paroi est développé, puis validé par comparaison à des données expérimentales. Le modèle de dépôt local, établi sous l'hypothèse d'un film liquide infiniment mince et absorbant, est implanté dans le code de simulation numérique NEPTUNE_CFD, puis validé par comparaison aux données expérimentales de Namie & Ueda, qui étudient le dépôt des gouttes en canal horizontal. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement, ainsi que des transferts d'énergies entre phases, est menée afin de mettre en évidence les phénomènes de couplage et leurs influences sur la turbulence de la phase continue. Le modèle unidimensionnel, développé dans le cadre d'un besoin industriel, est implanté dans le code CATHARE-3 et est confronté aux données de l'expérience REGARD du CEA Grenoble.

IL S'AGIT D'UNE CONTRIBUTION A LA MODELISATION DES PROCESSUS DE TRANSFERT DANS LA COUCHE MARINE DE SURFACE: ON VEUT RENDRE COMPTE EN PARTICULIER DE L'ORGANISATION EN CELLULES DE LANGMUIR DU CHAMP CINEMATIQUE MOYEN ET DES FORTES INTENSITES TURBULENTES OBSERVEES EN PRESENCE DE VAGUES CISAILLEES PAR LE VENT. L'INTERET DE L'ETUDE EST DE VERIFIER L'INFLUENCE DE LA TURBULENCE SUR L'ORGANISATION CELLULAIRE, ET RECIPROQUEMENT L'INFLUENCE DES ECOULEMENTS SECONDAIRES SUR LE CHAMP TURBULENT. UN PREMIER ENSEMBLE DE CAS TRAITES EST RAPPORTE A DES SITUATIONS ENVIRONNEMENTALES TYPIQUES, POUR LEQUEL LA TURBULENCE DU MILIEU EST REPRESENTEE PAR UNE VISCOSITE EQUIVALENTE CONSTANTE. ON CHERCHE L'EFFET D'UN GRADIENT DE PRESSION LONGITUDINAL SUR LA STRUCTURE DES ECOULEMENTS. LES REPONSES TRANSITOIRES DU MODELE SONT COMPAREES A DES OBSERVATIONS DE TERRAIN ET A D'AUTRES TRAVAUX TROUVES DANS LA LITTERATURE. LE SECOND ENSEMBLE DE SIMULATIONS EST RAPPORTE ESSENTIELLEMENT A DES EXPERIENCES DE LABORATOIRE, OBTENUES DANS DES SOUFFLERIES AIR-EAU A FETCH LIMITE. DANS CE CAS, ON UTILISE UNE FERMETURE AU POINT DE LA TURBULENCE A L'AIDE D'UN MODELE A DEUX EQUATIONS DU TYPE (K, ). LES EXPERIENCES SONT UTILISEES POUR VERIFIER L'INFLUENCE SIMULTANEE DE LA CONVECTION SECONDAIRE ET DES CONDITIONS A LA LIMITE DE SURFACE POUR LES GRANDEURS TURBULENTES. CES CONDITIONS A LA LIMITE SONT DONNEES SOIT PAR UN EQUILIBRE PRODUCTION-DISSIPATION, SOIT PAR UN EQUILIBRE DIFFUSION-DISSIPATION DE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE. LES RESULTATS CONFIRMENT L'IMPORTANCE DES MOUVEMENTS SECONDAIRES SUR LES STRUCTURES CINEMATIQUES ET TURBULENTES DES ECOULEMENTS, ET PERMETTENT AUSSI DE VERIFIER DES HYPOTHESES DE MODELISATION DES CONTRIBUTIONS ORBITALES SUR LE SURPLUS D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE FREQUEMMENT OBSERVES SOUS DES VAGUES ENERGETIQUES