L’objectif de la thèse est de modéliser l’écoulement d’un gaz (azote) dans des micro-filtres. La région du filtrage est une membrane qui contient des orifices, en fait des micro-canaux, dont le diamètre est de quelques micromètres. Au voisinage de chaque orifice, l’écoulement du gaz supposé normal à la membrane, est en régime de raréfaction dit de ‘transition’, intermédiaire entre le régime continu relevant des équations de Navier-Stokes et le régime moléculaire libre où les molécules du gaz évoluent sans interactions entre elles. Deux approches sont utilisées pour analyser l’écoulement dans un micro-canal. La première, théorique, est basée sur une analyse adimensionnelle des équations de Navier-Stokes avec des conditions de glissement à la paroi. La seconde, numérique, est statistique et est basée sur une simulation de Monte Carlo (DSMC). Une étude paramétrique sur différentes géométries de micro-canaux est faite dans le cas d’un écoulement isotherme. Le comportement d’écoulement gazeux à travers un micro-canal est ensuite étudié en appliquant un gradient de température entre son entrée et sa sortie. Cette analyse permet de mettre en évidence le phénomène de transpiration thermique. En s’appuyant sur les résultats numériques, un modèle analytique est proposé. L’effet du coefficient d’accommodation à la paroi sur l’écoulement est aussi étudié. En fin, les effets de compressibilité sont étudiés dans un micro-canal, puis les relations liant le débit et les gradients de pression. Une simulation numérique d’écoulement au travers d’une série de micro-canaux est aussi présentée

Ce travail porte sur des simulations numériques par la méthode DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) de l'écoulement raréfié d'un mélange de deux gaz entrant, soit séparément, soit déjà mélangés, dans un micro canal. Dans le cas de deux gaz déjà mélangés, les paramètres permettant de retrouver les valeurs d'initialisation sont étudiés. En tenant compte de ces résultats pour l'étude de l'écoulement de deux gaz séparés et leur mélange, des facteurs influant sur la longueur de mélange sont analysés. On a tenté de diminuer cette longueur en étudiant les effets de quelques paramètres géométriques, comme ajouter deux bosses de manière symétrique dans le canal, ou des conditions aux limites d'initialisation, comme diminuer la vitesse d'entrée. Les résultats des simulations DSMC pour le gaz mélangé sont comparés avec des résultats théoriques connus dans deux cas : avec des bosses et sans bosses. On obtient un bon accord entre les résultats théoriques et ceux des simulations. Enfin, une étude analytique à partir des équations de Navier-Stokes avec les conditions aux limites du glissement à la paroi et les termes du couplage du modèle BGK pour le mélange, est faite pour modéliser un mélange binaire gazeux isotherme dans un micro canal. Le système asymptotique obtenu pour les pressions et les vitesses de chaque espèce dans le mélange, est analysé numériquement avec MATLAB. Pour finir, pour un problème identique, les résultats asymptotiques sont comparés avec ceux de la simulation DSMC pour les pressions

LE CALCUL DONNE DES INFORMATIONS RELATIVES AU CHAMP D'ECOULEMENT (DENSITE, TEMPERATURE, VITESSE...) ET A L'INTERACTION DE L'ECOULEMENT AVEC DES OBSTACLES (COEFFICIENTS AERODYNAMIQUES, TRANSFERTS DE CHALEUR...). LA METHODE EST GENERALE ET PARTICULIEREMENT ADAPTEE A L'ETUDE DES ECOULEMENTS RARIFIES. APPLICATION A L'ECOULEMENT DE COUETTE ET AU TRANSFERT DE CHALEUR ENTRE DEUX MURS. ETUDE DES NOTIONS DE VISCOSITE ET DE CONDUCTIVITE THERMIQUE DANS LES REGIONS LOIN DU CONTINU

Ce travail porte sur l'étude analytique, numérique et expérimentale d'écoulements gazeux au sein de microcanaux dans des régimes de raréfaction modérée pour lesquels l'hypothèse d'équilibre thermodynamique local est mise en défaut. Un banc d'essai spécifique a été développé pour la mesure des microdébits gazeux, dans des conditions de température et de pression contrôlées. Les mesures de débit de gaz simples (Ar et He) et de leurs mélanges à travers des microcanaux de section rectangulaire sont confrontées à des modèles continus associés à des conditions aux limites de glissement d'ordre 2 pour le régime d'écoulement glissant et à des modèles cinétiques basés sur l'équation de Boltzmann linéarisée pour le régime de transition, avec un terme de collision modélisé par un modèle BGK pour les gaz purs et un modèle de McCormack pour les mélanges. Les limites de l'approche continue sont mises en évidence pour des nombres de Knudsen moyens supérieurs à 0,1. En revanche, les modèles cinétiques sont en très bon accord avec l'expérience sur les gaz simples pour toute la plage considérée, en supposant une accommodation parfaite à la paroi. Pour les mélanges de gaz dans les régimes les plus raréfiés, des écarts commencent à apparaître, pour lesquels des conclusions définitives nécessiteront des études complémentaires.

This book is devoted to analysis of Monte Carlo methods developed in rarefied gas dynamics. Presented is the short history of the development of such methods, described are their main properties, their advantages and deficiencies. It is shown that the contemporary stage in the progress of computational methods cannot be regarded without a complex approach to the preparation of algorithms taking into account all the peculiarities of the problem under consideration, that is, of the physical nature of a process, the mathematical model and the theoretical aspects of computational mathematics and stochastic processes. Thoroughly investigated is the possibility of application of Monte Carlo methods in some kindred areas of science which are non-traditional for the use of statistical modeling (continuous media, turbulence). Considered are the possible directions of development of statistical modeling.

In this book, the thermodynamic observables of the classical one- and two-dimensional ferromagnetic and antiferromagnetic Ising models on a square lattice are simulated, especially at the phase transitions (if applicable) using the classical Monte Carlo algorithm of Metropolis. Finite size effects and the influence of an external magnetic field are described. The critical temperature of the 2d ferromagnetic Ising model is obtained using finite size scaling. Before presenting the Ising model, the basic concepts of statistical mechanics are recapped. Furthermore, the general principles of Monte Carlo methods are explained.

Cette thèse présente une étude des écoulements de gaz dans un milieu poreux anisotherme constitué de pores de taille micrométrique en s'appuyant sur des simulations, à l'échelle des pores, des écoulements et des transferts de chaleur dans des Volumes Élémentaires Représentatifs. Lorsque la dimension des pores est très petite, contrairement à l'échelle macroscopique, il apparait un glissement hydrodynamique, un saut de température et saut de flux diffusif entre le fluide et la matrice poreuse. De plus, l'écoulement d'un gaz dans des systèmes de très faible taille engendre des effets de compressibilité et de dissipation visqueuse qui ne peuvent plus être négligés. Bien que de nombreux travaux de la littérature portent sur la modélisation et la simulation numérique des écoulements gazeux en milieux poreux, l'originalité du modèle numérique macroscopique qui a été élaboré au cours de cette thèse est de prendre en compte tous ces phénomènes physiques. Cela a permis de mener une étude paramétrique sur une large gamme des paramètres de ces écoulements (les nombres de Reynolds, Rek, Knudsen, Kn, Mach, Ma) et pour cinq géométries différentes de milieux poreux caractérisés par leur porosité, et perméabilité de Darcy, Kd. L'étude est, en premier lieu, menée pour des écoulements faiblement compressibles en utilisant les modèles de Darcy-Klinkenberg et Darcy-Forchheimer, avec et sans glissement. Le code de calcul développé au laboratoire est validé par des comparaisons avec des résultats de la littérature en utilisant ces deux modèles. Le terme correctif de Forchheimer ainsi que différents types de régimes inertiels ont été identifiés et comparés à d'autres travaux de la littérature. La suite du travail est consacrée aux écoulements compressibles, en particulier aux effets thermiques d'origine dynamique associés à ces écoulements (dissipation visqueuse et travail des forces de pression). Les résultats dynamiques et thermiques sont d'abord présentés en étudiant un milieu poreux constitué d'obstacles rectangulaires. Puis nous avons reproduit cette étude pour d'autres géométries rectangulaires et circulaires. Des études paramétriques sont effectuées en faisant varier les paramètres moteurs de l'écoulement (pression moyenne et différence de pression entrée/sortie), dans le but de couvrir des régimes où l'inertie, la compressibilité et la raréfaction entrent en jeux. Cela nous a permis d'élaborer des cartes, en fonction de ces paramètres, des diverses quantités physiques (températures, vitesses, termes de sources, perméabilité apparente...) et des nombres adimensionnels (Rek, Ma, Kn ...). Pour des grandes variations de pression, les puissances des forces visqueuses et de pression (effets d'origines purement dynamique) jouent un rôle non négligeable : on montre par exemple qu'elles peuvent engendrer des gradients de température moyenne de plus de 10000 K/m (écarts de température moyenne d'environ 3,2 K sur 240 μm de longueur du milieu poreux lorsque la différence de pression entrée/sortie est de 1,6 bar, pour une pression moyenne de 1,1 bar). Globalement, on montre que la température de la matrice solide du milieu poreux est souvent supérieure à celle du fluide, ce qui rend difficile l'utilisation de l'hypothèse de l'équilibre thermique local lors de la construction d'un modèle moyen macroscopique. On montre également que la perméabilité apparente estimée sur chaque VER peut rester constante, augmenter ou diminuer de l'entrée à la sortie d'un milieu poreux donné, en fonction du degré d'inertie et de raréfaction du milieu. On construit des corrélations de la perméabilité apparente pour chacune des géométrie étudiées puis des corrélations globales pour l'ensemble des milieux poreux étudiés. Ces corrélations sont basées sur une modélisation de type Darcy-Klinkenberg-Forchheimer de la perméabilité apparente en fonction des nombres adimensionnels de Rek, Ma, Kn, porosité et Kd.