Ce travail a pour thème la simulation numérique d'écoulements diphasiques dans un contexte industriel. En effet, la simulation d'écoulements diphasiques est un domaine qui présente de nombreux défis, en raison de phénomènes complexes qui surviennent, comme la cavitation et autres transferts entre les phases. En outre, ces écoulements se déroulent généralement dans des géométries complexes rendant difficile une résolution efficiente. Les modèles que nous considérons font partie de la catégorie des modèles à interfaces diffuses et permettent de prendre en compte aisément les différents transferts entre les phases. Cette classe de modèles inclut une hiérarchie de sous-modèles pouvant simuler plus ou moins d'interactions entre les phases. Pour mener à bien cette étude nous avons en premier lieu comparé les modèles diphasiques dits à quatre équations et six équations, en incluant les effets de transfert de masse. Nous avons ensuite choisi de nous concentrer sur le modèle à quatre équations. L'objectif majeur de notre travail a alors été d'étendre les méthodes aux résidus distribués à ce modèle. Dans le contexte des méthodes de résolution numérique, il est courant d'utiliser la forme conservative des équations de bilan. En effet, la résolution sous forme non-conservative conduit à une mauvaise résolution du problème. Cependant, résoudre les équations sous forme non-conservative peut s'avérer plus intéressant d'un point de vue industriel. Dans ce but, nous utilisons une approche développée récemment permettant d'assurer la conservation en résolvant un système sous forme non-conservative, à condition que la forme conservative soit connue. Nous validons ensuite notre méthode et l'appliquons à des problèmes en géométries complexes. Finalement, la dernière partie de notre travail est dédiée à étudier la validité des modèles à interfaces diffuses pour des applications à des problèmes industriels réels. On cherche alors, en utilisant des méthodes de quantification d'incertitude, à obtenir les paramètres rendant nos simulations les plus vraisemblables et cibler les éventuels développements pouvant rendre nos simulations plus réalistes.

Les travaux de thèse sont axés sur les méthodes numériques pour les écoulements diphasiques, compressibles, à faible vitesse, avec apparition soudaine de forts gradients de pression. La vitesse matérielle de chacune des phases étant très petite devant la célérité des ondes acoustiques, le régime d'écoulement est dit à faible nombre de Mach. Dans ce travail, la loi d'état de la phase considérée contient toujours une information mesurant sa plus ou moins grande compressibilité. Ainsi, la faible compressibilité de l'eau peut produire un régime d'écoulement où des sauts de pression importants apparaissent même si le nombre de Mach est très faible. La première partie de la thèse s'est focalisée sur un modèle diphasique dit homogène-équilibré. Les deux phases de l'écoulement ont alors la même vitesse, pression, température et même potentiel chimique. Un premier travail a été la construction de solveurs de Riemann approchés dits tout-nombre-de-Mach. En l'absence de transitoire rapide, ces solveurs basent leur contrainte de pas de temps sur la vitesse des ondes matérielles lentes et sont donc précis pour suivre ces dernières. En revanche, lorsqu'une onde de choc rapide traverse l'écoulement, ces solveurs s'adaptent automatiquement afin de la capturer. La seconde partie de la thèse s'est focalisée sur la prise en compte du couplage convection-source dans le cadre des modèles en approche bi-fluides avec effets de relaxation pression-vitesse. Dans ces modèles, les deux phases de l'écoulement possèdent leur propre jeu de variables. Dans ce travail, un schéma implicite à mailles décalées, basé sur l'influence des termes sources dans des problèmes de Riemann linéaires, a été proposé

CE TRAVAIL EST CONSACRE A LA SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE DES ECOULEMENTS DIPHASIQUES COMPRESSIBLES. L'APPROCHE RETENUE EST L'UTILISATION DES METHODES DE CAPTURE D'INTERFACE. CES TECHNIQUES FONT APPEL A UN MAILLAGE EULERIEN FIXE TANT POUR DECRIRE LES VARIABLES DE L'ECOULEMENT QUE POUR L'INTERFACE ENTRE LES FLUIDES. DANS UNE PREMIERE PARTIE NOUS RAPPELONS LES METHODES CLASSIQUES DE CAPTURE D'INTERFACE EN DISTINGUANT CELLES BASEES SUR DES FONCTIONS COULEURS DISCONTINUES DE CELLES BASEES SUR LES FONCTIONS LEVEL SET. CETTE ETUDE MET EN EVIDENCE CERTAINES DIFFICULTES : PAR EXEMPLE CONCILIER LES SCHEMAS NUMERIQUES CONSERVATIFS AVEC UNE DESCRIPTION CONVENABLE DE LA PRESSION. EN PARTICULIER, NOUS DETAILLONS UN MODELE QUASI-CONSERVATIF POUR DEUX STIFFENED GAS ET LE SOLVEUR NUMERIQUE BASE SUR LE SCHEMA DE ROE QUI LUI EST ASSOCIE. NOUS PROPOSONS DANS UNE DEUXIEME PARTIE UNE EXTENSION DE L'APPROCHE PRECEDENTE : LE MODELE A CINQ EQUATIONS, AFIN DE PERMETTRE LE PLUS LARGE CHOIX POSSIBLE D'EQUATIONS D'ETAT POUR LES FLUIDES EN PRESENCE. NOUS PRESENTONS TROIS VARIANTES DE CE SYSTEME ET CONSTRUISONS POUR L'UNE D'ELLES UN SOLVEUR INSPIRE DU SCHEMA DE ROE. LA TROISIEME PARTIE DE NOTRE TRAVAIL EST CONSACREE A UN RAFFINEMENT DES METHODES DE CAPTURE D'INTERFACE ET PLUS SPECIFIQUEMENT AUX PROBLEMES DE DIFFUSION NUMERIQUE DE L'INTERFACE. UNE TECHNIQUE BASEE SUR LE RAIDISSEMENT DE LA FONCTION COULEUR ET UNE AUTRE QUI ALLIE LEVEL SET ET METHODE QUASI-CONSERVATIVE SONT PROPOSEES. ENFIN, UNE DERNIERE PARTIE PORTE SUR L'ETUDE DU CHANGEMENT DE PHASE DYNAMIQUE. NOUS ETUDIONS GRACE AUX OUTILS DE LA THERMODYNAMIQUE NON-CLASSIQUE LES STRUCTURES D'UNE INTERFACE QUI REALISE LA TRANSITION DE PHASE. IL EN RESSORT QU'UNE RELATION DE SAUT A L'INTERFACE ENTRE LES FLUIDES OU RELATION CINETIQUE FOURNIT LE FLUX DE MASSE A TRAVERS L'INTERFACE DU AU CHANGEMENT DE PHASE. NOUS PRESENTONS DE MEME UNE IMPLEMENTATION NUMERIQUE SIMPLE DANS LE CADRE DU MODELE A CINQ EQUATIONS.

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.

Un schéma compact de haute précision basé sur le résidu (RBC) a été développé au laboratoire SINUMEF pour la simulation numérique d'écoulements compressibles en maillages structurés. Certaines proriétés intéressantes font de ce schéma un bon choix pour les calculs d'écoulements compressibles. L'objectif de cette thèse est donc de développer un schéma basé sur le résidu (RB) en maillages non-structurés avec une précision d'ordre élevé. A cette fin, deux approches ont été explorées. La première est basé sur la méthode des volumes finies en non-structuré et conduit à un schéma basé sur le résidu appelé FV-RB. Le seconde approche s'appuie sur une nouvelle formulation spatiale dite volumes spectraux (SV) et mène au schéma SV-RB. Le schéma FV-RB a été développé à l'ordre 2 et 3. Avec cette version du schéma, de nombreux cas tests sont calculés: écoulement d'un fluide parfait et visqueux, subsonique, transonique et hypersonique, stationnaire et instationnaire, en 2D et en 3D. Une analyse de la précision et du coût de calcul est effectuée pour le schéma FV-RB. Dans la seconde approche, un schéma SV-RB est développé à l'ordre 2 et 3 pour résoudre le problème d'advection pure et les équations d'Euler. A travers quelques cas tests, une comparaison de la précision et l'efficacité est effectuée entre le schéma RB et un solveur de Riemman classique, et entre deux formulations du schéma RB développés ici.

Cette thèse porte sur l'étude de modèles et de méthodes numériques pour les écoulements diphasiques compressibles à faible nombre de Mach. Toutes les méthodes numériques développées dans cette étude sont basées sur une formulation de type volumes finis en maillages non structurés. La première partie de cette thèse propose une analyse du comportement des schémas décentrés de type Godunov dans la limite des faibles nombres de Mach. Nous expliquons de manière rigoureuse les raisons pour lesquelles ces schémas aboutissent à des approximations imprécises lorsque les écoulements sont très proches de l'incompressible. Nous développons alors des méthodes de préconditionnement adaptées qui permettent de retrouver de bonnes approximations. Ce premier travail complète un certain nombre de travaux récents sur l'analyse des schémas décentrés dans la limite des faibles nombres de Mach. Le deuxième point abordé dans cette thèse est un travail de modélisation où nous développons à partir d'un modèle bi-fluides à sept équations de type Baer-Nunziato, un modèle réduit à cinq équations pour les écoulements diphasiques. Ce travail présente une méthode originale de réduction de systèmes hyperboliques avec termes sources raides. Nous développons pour ce modèle un schéma numérique implicite et suivant la stratégie utilisée dans la première partie de cette thèse, une technique de préconditionnement adaptée aux écoulements à faible vitesse. Les expériences numériques réalisées montrent que ce modèle est bien adapté au calcul d'ondes de détonations ainsi qu'à la simulation d'interfaces entre fluides compressibles. Enfin la dernière partie de cette thèse porte sur l'étude d'un modèle à sept équations pour le calcul d'écoulements diphasiques à faible nombre de Mach. On développe des méthodes numériques implicites basées sur des solveurs de Riemann approchés, permettant de réduire les coûts de calcul pour ce type de régime.