CE MEMOIRE PORTE SUR L'EVAPORATION DE GOUTTELETTES EN ECOULEMENT TURBULENT. UN MODELE DE VAPORISATION DE GOUTTES EST COUPLE AVEC LE CODE LAGRANGIEN DE DISPERSION PARTICULAIRE PALAS. IL S'AGIT D'UN MODELE QUASI-STATIONNAIRE, A SYMETRIE SPHERIQUE, PERMETTANT DE CALCULER LE CHAUFFAGE DES GOUTTES. LES PHENOMENES DE CONVECTION SONT PRIS EN COMPTE PAR L'INTERMEDIAIRE DE CORRELATIONS. L'INFLUENCE DES FLUCTUATIONS DE VITESSE, DE TEMPERATURE, ET DE FRACTION MASSIQUE DE VAPEUR DU MILIEU AMBIANT SUR L'EVAPORATION DE GOUTTELETTES EST SIMULEE DANS UNE CONFIGURATION DE TURBULENCE DE GRILLE. LE COUPLAGE ENTRE LA PHASE DISPERSEE ET LA TURBULENCE, PRENANT EN COMPTE LE CHANGEMENT DE PHASE, EST ENSUITE ETUDIE. DES RESULTATS SONT PRESENTES DANS LE CAS D'UN JET ROND TURBULENT

Le travail présenté dans cette thèse est consacré à l'étude des écoulements diphasiques dilués où la phase dispersée est constituée de gouttelettes susceptibles de s'évaporer. Une approche dite lagrangienne a été adoptée pour le traitement de la phase dispersée. Elle consiste à simuler la dispersion d'un nombre relativement important d'inclusions afin de réaliser des statistiques par simple moyenne sur leurs caractéristiques. L'idée est de résoudre la loi fondamentale de la dynamique pour chaque inclusion. On simule le mouvement des inclusions dans l'écoulement, on déduit alors des termes d' échange de quantité de mouvement, d'énergie, de chaleur, ... entre les phases que l'on réintroduit dans les équations de la phase continue: c'est un couplage à deux sens (« two way coupling »). Lorsque l'écoulement est suffisamment dilué, le couplage retour (des inclusions vers le fluide) peut être négligé et les équations de la phase continue se ramènent aux équations de Navier-Stockes classiques (« one way coupling »). La fluctuation de vitesse du fluide le long de la trajectoire de chaque particule est simulée à l'aide d'un modèle stochastique. Le phénomène de vaporisation est pris en compte par un modèle à conduction infinie disponible dans la littérature. Cette approche se traduit sur le plan numérique par un couplage à un code existant, destiné à l'origine au calcul d'écoulements dans des géométries complexes, d'un module de calcul lagrangien capable de fournir des termes sources qui modélisent l'action d'inclusions sur le fluide. La validation du code a été effectuée tout d'abord en l'absence d'évaporation sur l'expérience classique de Hishida et Maeda, qui a servi de cas test à pratiquement toutes les simulations lagrangiennes de ce type. Les résultats concernant l'évaporation de gouttes montrent globalement une bonne cohérence avec les prédictions d'un code développé au CORIA.

L'évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomènecrucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûléepour fournir de l'énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait desdifficultés de mesurer expérimentalement les taux d'évaporation des gouttes appartenant à unbrouillard. D'autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentativesdes conditions rencontrées dans les foyers de combustion.La thèse s'inscrit dans une démarche visant à étudier l'évaporation d'un groupe de gouttesdans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lorsde l'évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d'évaporationde chaque goutte ou sur le taux d'évaporation global du nuage de gouttes. L'approche SNDpermet de quantifier précisément ces effets afin d'améliorer les modèles actuels d'évaporation.Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration1D sphérique pour décrire l'évaporation d'une goutte statique isolée et sans gravité. Puisdans un second temps, l'évaporation d'une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire.Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force detraînée exercée par l'écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a étémis en évidence que l'évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée.Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la gouttepeut devenir négative. Cela implique que l'évaporation peut être à l'origine d'un phénomène depropulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier ce comportement à une asymétriedu débit d'évaporation. Dans un troisième temps, l'influence de la turbulence sur l'évaporationd'une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémentéet des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire le temps des calculs. Celaa permis d'analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d'une goutte eninteraction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendanceà être amplifiées par la turbulence. Enfin, dans un dernier temps, l'évaporation de groupes degouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ontété analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaireou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d'évaporation, il a été mis enévidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changementde phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur leséchanges thermiques.

Le travail présenté dans cette thèse concerne l'étude de l'influence de fortes instationnarités d'écoulement sur la dispersion de gouttes. Le sujet est abordé selon les trois aspects suivants: simulation numérique, modélisation, expérimentation qui sont appliqués à deux géométries de base: marche descendante, zone de mélange. Des moyens originaux de visualisation, traitement d'image, et mesure sont utilisés pour caractériser l'écoulement: trajectographie de gouttes par vidéo rapide, anemogranulométrie par technique phase doppler. La simulation numérique: approche déterministe instationnaire lagrangienne pour la phase liquide, couplés a un calcul instantané de la phase gazeuse, est validée par l'expérience. Cinq approches stochastiques sont ensuite mises en œuvre pour la phase liquide (couplées à un calcul k-) et comparées aux approches précédentes. Une première analyse relative aux performances de ces différents modèles est présentée.