Ce travail s''intéresse à la modélisation des écoulements diphasiques en Mécanique des Fluides. Une hiérarchie de modèle est d''abord établie, selon des hypothèses sur les équilibres entre les variables physiques de chaque fluide. L''utilisation des développements de Chapman-Enskog permet de relier entre eux les différents modèles déjà existants. De petits déséquilibres peuvent aussi ètre pris en compte par cette méthode. On s''intéresse ensuite aux écoulements caractérisés par un équilibre des pressions et un déséquilibre des vitesses, pour lesquels des alternatives seront proposés au modèle bi-fluide classique. Un modèle à deux vitesses et deux pressions sera d''abord utilisé, auquel on appliquera une méthode de relaxation pour le retour à l''équilibre des pressions. Un nouveau modèle dissipatif à une vitesse et une pression est aussi proposé, où des termes du second ordre prennent en compte les différences de vitesse entre les phases.

ON S'INTERESSE A L'ETUDE NUMERIQUE DE MODELES BI-FLUIDE D'ECOULEMENTS DIPHASIQUES EN DESEQUILIBRE DECRITS PAR UN SYSTEME A SIX EQUATIONS. ON INTRODUIT UNE TECHNIQUE ORIGINALE DE DECOMPOSITION DU SYSTEME. CETTE TECHNIQUE PERMET L'UTILISATION DE SOLVEURS DE RIEMANN DEVELOPPES POUR LES ECOULEMENTS MONOPHASIQUES ; DE PLUS ELLE PERMET UNE EXTENSION DIRECTE A D'AUTRES MODELES PLUS EVOLUES CONTENANT DES TERMES D'ECHANGES ENTRE PHASES PLUS PRECIS. LES PROPRIETES DES FLUIDES SONT APPROCHEES PAR DES LOIS D'ETAT DE TYPE GAZ PARFAIT POLYTROPIQUE PUIS ETENDUES AU CAS DES FLUIDES REELS. POUR LA CONSTRUCTION DES SCHEMAS NUMERIQUES, L'HYPERBOLICITE DU SYSTEME GLOBAL N'EST PAS NECESSAIRE. EN UTILISANT DES SCHEMAS CINETIQUES DECENTRES APPROPRIES DE TYPE VOLUMES FINIS, ON MONTRE QUE LA METHODE EST CAPABLE DE TRAITER DIFFERENTS REGIMES D'ECOULEMENTS POUVANT EVOLUER D'UN ECOULEMENT DIPHASIQUE A UN ECOULEMENT MONOPHASIQUE ET VICE VERSA, TOUT EN PRESERVANT LES CARACTERISTIQUES DES GRANDEURS PHYSIQUES QUI RESTENT DANS L'ENSEMBLE DES ETATS ADMISSIBLES. PLUSIEURS TESTS NUMERIQUES MODELISANT DES PROBLEMES PHYSIQUES SONT PRESENTES POUR ILLUSTRER L'EFFICACITE DE LA METHODE PROPOSEE.

Cette thèse porte sur l'utilisation de modèles hyperboliques pour la simulation des écoulements diphasiques compressibles, pour trouver des alternatives au modèle bifluide classique. Nous établissons tout d'abord une hiérarchie des modèles diphasiques, obtenue selon des hypothèses d'équilibres des variables physiques entre chaque phase. L'utilisation de développements de Chapman-Enskog permet de relier entre eux les différents modèles existants. De plus, des modèles prenant en compte de petits déséquilibres physiques sont obtenus par des développements à l'ordre un. La deuxième partie de cette thèse porte sur la simulation des écoulements caractérisés par des déséquilibres de vitesses et des équilibres de pression, que nous modélisons de deux manières différentes. Tout d'abord, un modèle à deux vitesses et deux pressions est utilisé, avec l'application de relaxations des vitesses et pressions à temps finis afin d'obtenir un retour à l'équilibre de ces grandeurs. On propose ensuite un nouveau modèle dissipatif à une vitesse et une pression, où l'apparition de termes du second ordre permet de prendre en compte les déséquilibres de vitesse entre les phases. Une méthode numérique basée sur une approche par pas fractionnaires est développée pour ce modèle.

Cette thèse est consacrée à la construction et à l’étude mathématique et numérique d’un modèle d’écoulement diphasique à une phase incompressible. La première partie présente l’établissement du modèle. Le point de départ en est le modèle à deux fluides bien connu dans la littérature spécialisée que l’on considère ici sous sa forme isotherme et isobare et qui se traduit (en une dimension d’espace) par un système de quatre équations couplées. En utilisant la technique du développement de Chapman-Enskog dans la limite d’un temps de relaxation des vitesses tendant vers 0, on montre que ce système peut se réduire à un système à trois équations de conservation et on obtient une loi de comportement de type Darcy pour le déséquilibre des vitesses. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l’analyse mathématique de ce modèle. On montre qu’il est hyperbolique, et on donne la solution exacte du problème de Riemann. Enfin, dans la dernière partie, on s’intéresse à l’approximation numérique de ce système. On développe des méthodes numériques basées sur des solveurs de Riemann exact et approchés pour l’approximation des termes hyperboliques et sur des méthodes d’éléments finis pour l’approximation des termes de déséquilibre des vitesses. On construit ensuite des méthodes implicites en temps pour ce type de discrétisation et on poursuit par la mise au point de schémas implicites à deux pas. On conclut par quelques applications numériques.

Dans ce mémoire de thèse, on s'intéresse à la simulation des écoulements liquidevapeur en transition de phase. Pour décrire ces écoulements, une approche bifluide moyennée à deux pressions indépendantes est retenue. Cette description du mélange liquide-vapeur s'appuie sur le modèle à sept équations de Baer et Nunziato. On étudie les aptitudes de cette modélisation à simuler les transitions de phase apparaissant en ingénierie nucléaire. Dans un premier temps, on élabore un cadre thermodynamique théorique pour décrire les écoulements liquide-vapeur. Dans ce cadre, on réalise la fermeture du modèle de Baer et Nunziato. De nouvelles modélisations sont proposées pour les termes d'interaction entre les phases. Ces nouvelles modélisations dotent le modèle bifluide à deux pressions d'une inégalité d'entropie. On étudie ensuite les propriétés mathématiques de ce modèle. Sa partie convective hyperbolique se présente sous une forme non-conservative. On étudie tout d'abord la définition de ses solutions faibles. Divers régimes d'écoulement sont alors mis à jour pour le mélange diphasique. Ces différents régimes d'écoulement présentent des analogies avec le comportement fluvial et torrentiel des écoulements en rivière. Les stabilités linéaire et non-linéaire de l'équilibre liquidevapeur sont ensuite établies. Pour affiner notre description des interactions diphasiques, on étudie pour finir l'implémentation d'un modèle de turbulence, ainsi que l'implémentation d'une procédure de reconstruction pour la densité d'aire interfaciale. On s'intéresse ensuite à la simulation de ce modèle. Suivant une approche à pas fractionnaires, une méthode numérique est élaborée dans un formalisme Volumes Finis. Pour réaliser l'approximation de la partie convective, diverses adaptations non-conservatives de solveurs de Riemann standard sont tout d'abord proposées. A l'inverse du cadre non-conservatif classique, l'ensemble de ces schémas converge vers une unique solution. Un nouveau schéma de relaxation est ensuite proposé pour approcher la dynamique des transferts interfaciaux. L'ensemble de la méthode numérique se caractérise alors par la préservation des équilibres liquide-vapeur. Dans un premier temps, cette méthode numérique est employée à la comparaison des différentes modélisations bifluides à une et deux pressions. On l'applique ensuite à la simulation des écoulements liquide-vapeur dans les circuits hydrauliques des réacteurs à eau sous pression en configuration accidentelle.

UNE METHODE NUMERIQUE DE VOLUMES FINIS A ELEMENTS QUADRILATERES QUELCONQUES A ETE MISE AU POINT POUR RESOUDRE LE SYSTEME DES EQUATIONS MOYENNEES (MODELE A DEUX FLUIDES) DECRIVANT UN ECOULEMENT A BULLES EAU-AIR. ELLE PERMET DE TRAITER DES CONFIGURATIONS BIDIMENSIONNELLES OU AXISYMETRIQUES, EN REGIME INSTATIONNAIRE. EN OUTRE, UNE METHODE PERMETTANT DE CALCULER NUMERIQUEMENT LA DISTRIBUTION DU TEMPS DE SEJOUR D'UN REACTEUR CHIMIQUE SERA PRESENTEE. LES PHENOMENES TURBULENTS SONT MODELISES PAR UN MODELE CAPABLE DE DECRIRE SIMULTANEMENT DES TURBULENCES INTRINSEQUES ET DES PSEUDO-TURBULENCES. LES EFFETS DE COALESCENCE ET DE FRAGMENTATION DES BULLES SONT PREDITS A PARTIR D'UNE EQUATION DE RELAXATION PROPOSEE PAR COOK ET HARLOW. DIFFERENTES LOIS DE FERMETURE CONCERNANT LES TERMES DE TRAINEE, DE MASSE AJOUTEE, DE PORTANCE ET DE DESEQUILIBRE EN PRESSION SERONT PRESENTEES. LE SCHEMA NUMERIQUE UTILISE EST SEMI-IMPLICITE SEMBLABLE AU SCHEMA DE ICED-ALE. LE CALCUL SUR UN PAS DE TEMPS SE DEROULE EN DEUX ETAPES ESSENTIELLES. LA PREMIERE CONSISTE A RESOUDRE LES EQUATIONS DU MOUVEMENT PAR UNE PROCEDURE LAGRANGIENNE, LA SECONDE A REPLACER LES NUDS A LEUR EMPLACEMENT INITIAL A PARTIR DES BILANS PAR MAILLE DE TOUTES LES QUANTITES CALCULEES. ON PRESENTERA DES RESULTATS NUMERIQUES ET DES COMPARAISONS D'UNE PART SUR DES ECOULEMENTS MODELES MONOPHASIQUES ET DIPHASIQUES (CAVITE REGULARISEE, ECOULEMENT A MARCHE, CANAL OBSTRUE, ETC.), D'AUTRE PART SUR UN REACTEUR CHIMIQUE INDUSTRIEL A GEOMETRIE COMPLEXE