[Résumé en français] La simulation numérique de réacteurs industriels promet de devenir un outil précieux aidant à prospecter de nouvelles technologies de mélange, à dimensionner et à optimiser les conditions de fonctionnement du réacteur. Ces calculs deviennent difficiles dans le cas de réactions rapides (polymérisations anioniques, précipitations) où existe un fort couplage entre la réaction chimique et le mélange. Ce travail de thèse a pour but d'évaluer et de valider la simulation d'écoulements réactifs pour des applications de génie chimique avec une méthode que nous avons choisie pour sa capacité à tenir compte des interactions entre processus de mélange turbulent et réactions chimiques rapides. La méthode sélectionnée est une méthode basée sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes en milieu turbulent et l'équation de transport de la fonction de densité de probabilité jointe de la composition (PDF) à l'aide d'un algorithme de Monte-Carlo. L'évaluation s'est faite sur un réacteur de précipitation semi-batch de type Taylor-Couette. Chaque étape du calcul a été validée expérimentalement. Au terme de ce travail, il a été montré que l'emploi de ce type d'approche pour le calcul d'un réacteur industriel est hasardeux et délicat. Il demande une validation de l'écoulement, le calage de 2 constantes de modélisation et la connaissance précise des cinétiques de réaction. Enfin, l'utilisation d'un algorithme de type Monte-Carlo engendre un bruit numérique qui selon le type d'écoulement peut nuire à la fiabilité des résultats. Le cas traité n'a pas donné des résultats totalement conformes à l'expérience. La méthode numérique utilisée n'est pas pour autant remise en question car le cas traité était par nature délicat

Ce travail contribue au développement d'une méthode de calcul des écoulements turbulents compressibles à faible nombre de Mach avec la prise en compte d'effets de proche paroi. La région de proche paroi est le lieu où les taux de production et les maxima d'intensité de la turbulence sont les plus élevés. La distinction des différents mécanismes de production de la turbulence nécessite alors un surcroît de moyen pour l'analyse. Ceci est particulièrement vrai pour les études numériques, où le fort gradient de la dissipation de l'énergie cinétique turbulente requiert une haute résolution, typiquement de l'ordre de 60 à 100 nœuds à travers la couche limite. La résolution numérique de la sous-couche visqueuse est testée longtemps inaccessible à cause de la limitation des ressources informatiques, au moins pour les écoulements complexes. Afin d'obtenir un compromis raisonnable entre le temps de calcul, et la qualité des résultats nous développons une approche bicouche qui introduit des effets bas Reynolds dans les modèles de turbulence k - ε et ui''uj" - ε. Nous avons de plus analysé l'impact de la viscosité numérique sur la qualité des résultats pour des écoulements à faible nombre de Mach. Nos simulations confirment le comportement pathologique du solveur hyperbolique, résultant de l'approximation erronée du schéma de Roe. Une correction du schéma utilisant le préconditionnement de Turkel permet de supprimer l'excès de viscosité numérique et améliore la précision de la solution. Des résultats de simulations d'écoulements bidimensionnels non réactifs sont présentes. L'étude d'écoulements cisaillés avec ou sans recirculations dans des configurations académique et industrielle donnent lieu à une évaluation précise des modèles développés.

CE TRAVAIL A POUR OBJECTIF SIMULER ET ETUDIER LES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES TURBULENTS AXISYMETRIQUES D'ARRIERE-CORPS. POUR PRENDRE EN COMPTE L'EFFET DE LA TURBULENCE, LE MODELE K-E DE CHIEN ET LE MODELE DES EQUATIONS DU TENSEUR DE REYNOLDS DE HANJALIC ET LAUNDER ONT ETE INCORPORES DANS UN CODE NAVIER-STOKES EXISTANT. CE CODE EST BASE SUR UNE GENERALISATION DU SOLVEUR DE RIEMANN APPROCHE DE ROE, A ADAPTER POUR LES MODELES AUX EQUATIONS DE TRANSPORT TURBULENT. UNE VALIDATION DE LA PARTIE PARABOLIQUE SUR DES COUCHES LIMITES COMPRESSIBLES ET DE LA PARTIE HYPERBOLIQUE SUR DES ECOULEMENTS DERRIERE UNE MARCHE DESCENDANTE PLANE ET D'ARRIERE-CORPS AXISYMETRIQUE A ETE EFFECTUEE. LE SCHEMA DE ROE NE PERMETTANT PAS DE CONSERVER LA POSITIVITE DU TENSEUR DE REYNOLDS, LE SCHEMA HLLE A ETE DONC INTRODUIT. AINSI, NOUS AVONS DISCUTE, A TRAVERS UNE SIMULATION D'UN ECOULEMENT AXISYMETRIQUE D'ARRIERE-CORPS EN COMPARANT AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES DE HERRIN ET DUTTON, LA PERFORMANCE DES MODELES DE TURBULENCE ET LEUR COMPORTEMENT, AINSI QUE LA PERFORMANCE DES SCHEMAS AVEC LE MEME MODELE AU SECOND ORDRE

Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l'implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d'atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d'atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d'abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l'atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d'ultérieurs travaux.

CE TRAVAIL PORTE SUR LA MODELISATION ET LA SIMULATION D'ECOULEMENTS REACTIFS TURBULENTS A CHIMIE NON INFINIMENT RAPIDE PAR UNE FONCTION DENSITE DE PROBABILITE CONJOINTE. LA RESOLUTION DE L'EQUATION D'EVOLUTION TEMPORELLE DE LA PDF CONJOINTE ANALYTIQUEMENT OU NUMERIQUEMENT EST TRES COMPLEXE. EN FAIT, LE PROBLEME EST SIMPLIFIE EN INTEGRANT CETTE EQUATION DANS L'ESPACE DES VITESSES. ON OBTIENT AINSI UNE APPROCHE HYBRIDE PROBABILISTE EULERIENNE LAGRANGIENNE. UNE METHODE DE MONTE-CARLO EST UTILISEE ENSUITE, POUR SIMULER CETTE EQUATION. DANS CETTE EQUATION, LE PHENOMENE DE MELANGE A PETITE ECHELLE DOIT ETRE REPRESENTE PAR UN MODELE. LA COMPARAISON D'UN NOUVEAU MODELE DE MELANGE AVEC DES MODELES CLASSIQUES D'ECHANGE AVEC LA MOYENNE A ETE FAITE DANS LE CAS D'UNE COUCHE DE MELANGE THERMIQUE ET DANS LE CAS D'UNE COUCHE DE MELANGE REACTIVE. LES RESULTATS DES CALCULS SONT ENCOURAGEANTS. LA POSSIBILITE DE L'APPLIQUER A DES CONFIGURATIONS INDUSTRIELLES COMPLEXES 2D AXISYMETRIQUE (LE BLUFF-BODY) ET 3D (CHAMBRE DE COMBUSTION DEXTRE) EST DEMONTREE

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