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.

This book develops the theoretical foundations of disperse two-phase flows, which are characterized by the existence of bubbles, droplets or solid particles finely dispersed in a carrier fluid, which can be a liquid or a gas. Chapters clarify many difficult subjects, including modeling of the interfacial area concentration. Basic knowledge of the subjects treated in this book is essential to practitioners of Computational Fluid Dynamics for two-phase flows in a variety of industrial and environmental settings. The author provides a complete derivation of the basic equations, followed by more advanced subjects like turbulence equations for the two phases (continuous and disperse) and multi-size particulate flow modeling. As well as theoretical material, readers will discover chapters concerned with closure relations and numerical issues. Many physical models are presented, covering key subjects including heat and mass transfers between phases, interfacial forces and fluid particles coalescence and breakup, amongst others. This book is highly suitable for students in the subject area, but may also be a useful reference text for more advanced scientists and engineers.

Cette étude porte sur les mécanismes physiques responsables de la dispersion et de la déposition de gouttes d’eau dans un écoulement turbulent. Les applications industrielles sont nombreuses, par exemple, l’interaction des gouttes d’eau avec l’aérodynamique externe et sous capot d’une automobile. L’étude s’articule autour d’une double approche numérique et expérimentale. La principale difficulté pour la modélisation réside dans l’interaction des gouttes avec la turbulence. En proche paroi, cette interaction conditionne fortement la déposition des gouttes. Les lois de paroi utilisées dans des configurations complexes induisent une erreur sur la simulation du flux de gouttes déposé. Un modèle est proposé en ce sens. Il est dérivé sous forme de conditions aux limites dans les deux codes retenus pour cette étude : Fluent (approche Euler/Lagrange) et Neptune_CFD ( approche Euler/Euler). Un nouveau modèle de compréhension est également développé. Ces modèles sont tout d’abord évalués dans une configuration de canal plan 2D. Une base de données expérimentale sur l’écoulement d’extension brusque axisymétrique est constituée. La dispersion des gouttes est mesurée avec des méthodes optiques PIV et PTV. Une nouvelle méthode pour la mesure de la déposition, basée sur la fluorescence d’un colorant sous lumière UV, a été développée. L’analyse physique des résultats expérimentaux et numériques permet de dégager les mécanismes responsables de la dispersion et de la déposition des gouttes dans un écoulement complexe typique de l’aérodynamique automobile. Elle permet également d’évaluer les modèles numériques développés et existants.

This book contains a collection of the main contributions from the first five workshops held by Ercoftac Special Interest Group on Synthetic Turbulence Models (SIG42. It is intended as an illustration of the sig’s activities and of the latest developments in the field. This volume investigates the use of Kinematic Simulation (KS) and other synthetic turbulence models for the particular application to environmental flows. This volume offers the best syntheses on the research status in KS, which is widely used in various domains, including Lagrangian aspects in turbulence mixing/stirring, particle dispersion/clustering, and last but not least, aeroacoustics. Flow realizations with complete spatial, and sometime spatio-temporal, dependency, are generated via superposition of random modes (mostly spatial, and sometime spatial and temporal, Fourier modes), with prescribed constraints such as: strict incompressibility (divergence-free velocity field at each point), high Reynolds energy spectrum. Recent improvements consisted in incorporating linear dynamics, for instance in rotating and/or stably-stratified flows, with possible easy generalization to MHD flows, and perhaps to plasmas. KS for channel flows have also been validated. However, the absence of "sweeping effects" in present conventional KS versions is identified as a major drawback in very different applications: inertial particle clustering as well as in aeroacoustics. Nevertheless, this issue was addressed in some reference papers, and merits to be revisited in the light of new studies in progress.

LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES

Large Eddy Simulation (LES) is a high-fidelity approach to the numerical simulation of turbulent flows. Recent developments have shown LES to be able to predict aerodynamic noise generation and propagation as well as the turbulent flow, by means of either a hybrid or a direct approach. This book is based on the results of two French/German research groups working on LES simulations in complex geometries and noise generation in turbulent flows. The results provide insights into modern prediction approaches for turbulent flows and noise generation mechanisms as well as their use for novel noise reduction concepts.