L'objet de cette thèse est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d'écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais qui consistent à calculer directement les plus grandes structures de l'écoulement et à modéliser les plus petites. Ces méthodes adaptées aux écoulements turbulents monophasiques sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type ' Volume Of Fluid' (VOF) spécifique au caractère diphasique de l'écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée sur la configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l'impact d'un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA-CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations.

L'objet de ce travail est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d'écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais. Elles consistent à calculer directement les plus grandes structures de l'écoulement et à modéliser les plus petites. Dans ce travail, les méthodes SGE, largement appliquées aux écoulements turbulents monophasiques, sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type "Volume Of Fluid" (VOF) spécifique au caractère diphasique de l'écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée à l'aide d'une configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l'impact d'un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA- CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations.

LA SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE D'ECOULEMENTS DIPHASIQUES INCOMPRESSIBLES INSTATIONNAIRES EST ABORDEE POUR DES PROBLEMES DANS LESQUELS DE GRANDS CONTRASTES DE MASSE VOLUMIQUE ET DE VISCOSITE INTERVIENNENT, AINSI QUE LA TENSION SUPERFICIELLE. UN MODELE PHYSIQUE UNIQUE, OU MODELE 1-FLUIDE, EST MIS EN PLACE GLOBALEMENT POUR TOUTES LES PHASES EN PRESENCE. UNE APPROXIMATION NUMERIQUE ORIGINALE DES EQUATIONS DU MOUVEMENT EST REALISEE SUR UN MAILLAGE FIXE PAR UNE METHODE DE LAGRANGIEN AUGMENTE EN FORMULATION VOLUMES FINIS IMPLICITES D'UNE PART, ET PAR DES SCHEMAS D'ORDRE ELEVE, COUPLES A DES LIMITEURS DE FLUX (SCHEMAS TVD) D'AUTRE PART. LA TENSION SUPERFICIELLE EST MODELISEE PAR UNE TECHNIQUE DE FORCES DE SURFACE CONTINUES (CSF). UN COUPLAGE DE L'OUTIL DE SIMULATION DIRECTE AVEC UNE METHODE DE RAFFINEMENT LOCAL DE MAILLAGE AUTOUR DE L'INTERFACE, ADAPTATIVE EN TEMPS ET EN ESPACE, EST DE PLUS PROPOSE POUR ACCEDER A UNE SOLUTION MULTIECHELLES SPATIALES ET POUR OPTIMISER LE TEMPS DE CALCUL ET LA MEMOIRE. LES INTERETS DE LA SIMULATION NUMERIQUE SONT MIS EN AVANT PAR L'ETUDE DE DIFFERENTS PROBLEMES DIPHASIQUES COMPLEXES TELS QUE L'INSTABILITE D'UN JET VISQUEUX A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS, LE DEFERLEMENT D'UNE ONDE DE RUPTURE DE BARRAGE OU L'IMPACT DE GOUTTES SUR DES SUBSTRATS LIQUIDES OU SOLIDES.

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.

La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d'instationnarités.Les travaux de la présente thèse s'inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI),qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d'écoulements cavitants. Les simulations s'appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l'aide d'un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l'approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente.Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l'introduction d'équations d'état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d'une équation d'état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l'introduction d'une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l'amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l'équilibre thermodynamique local et d'introduire un état métastable pour la phase vapeur.Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L'objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d'un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l'écoulement principal.Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D'autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d'ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l'influence de l'équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d'un modèle à seulement trois équations de conservation.

Dans l'industrie du pétrole et des moteurs, les écoulements de fluides non-miscibles sont fréquemment rencontrés : écoulements d'hydrocarbures dans les conduites, séparation en production, injection de carburant dans les moteurs, procédés de raffinage, etc.Pour modéliser ce type d'écoulement, deux approches sont possibles. Soit l'écoulement est décrit de façon macroscopique et les phénomènes locaux (rupture et coalescence des gouttes, glissement des phases, compaction locale, etc.) sont modélisés à l'aide de lois de fermeture analytiques ou empiriques. Soit l'écoulement est modélisé de manière directe à l'échelle de la goutte et on s'attache à décrire précisément l'interface et les interactions entre les phases. C'est cette dernière approche que nous avons proposé d'adopter pour étudier des écoulements à phase dispersée liquide-liquide, et plus particulièrement les phénomènes de rupture et coalescence, collision ou déformation de gouttes. Ainsi, le but principal de ce travail de thèse a été le développement d'un code de simulation numérique directe capable de modéliser un écoulement diphasique liquide-liquide, afin d'étudier en détail les effets de coalescence et de rupture entre les gouttes. Ce travail a nécessité l'utilisation d'une technique de suivi d'interface appropriée et le développement d'un solveur des équations de Navier-Stokes incompressible pour calculer le champ de vitesse, ainsi qu'une méthode de couplage entre ces deux solveurs pour la simulation des écoulements diphasiques. Notre outil numérique a été validé sur de nombreux cas tests académiques et appliqué à l'étude du processus de séparation liquide-liquide.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements instationnaires de deux fluides visqueux non miscibles, séparés par une interface mobile. Plus particulièrement des écoulements sans choc constitués d'une phase gazeuse et d'une phase liquide sont considérés. Pour modéliser de tels écoulements, une approche dans laquelle le gaz est décrit par les équations de Navier-Stokes compressible et le liquide par les équations de Navier-Stokes incompressible est proposée. C'est le couplage de ces deux modèles qui constitue l'originalité et l'enjeu principal de de cette thèse. Pour traiter cette difficulté majeure, une méthode globale (i.e. la même dans chaque phase) et simple à mettre en oeuvre est élaborée. L'utilisation des équations de Navier-Stokes formulées de façon unifiée pour les inconnues primitives (pression, vitesse et température) constitue le point de départ pour la construction de notre méthode qui repose sur les composants suivants: une méthode d'éléments finis stabilisés pour la discrétisation spatiale des équations de Navier-Stokes; une approche Level Set pour représenter précisément l'interface dont l'équation de transport a été résolue par une méthode de type Galerkin Discontinu; et des grandeurs moyennes pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels.