Academic literature on the topic 'CFD - Dynamique des fluides computationnelle'

Ce travail présente les résultats d’une étude numérique d’un écoulement bidimensionnel en jets coaxiaux à densité variable, obtenus par simulation numérique et réalisés par le logiciel de la dynamique des fluides Fluent (CFD). Ces résultats sont comparés avec d’autres résultats numériques et expérimentaux, où il a été montré que pour une distance axiale de X/Di < 6.88 apparait une transition de comportement du jet coaxial à un jet rond dans la zone initial, et pour X/Di > 6.88 le jet coaxial épouse un comportement similaire à celui d’un jet simple. On montre aussi qu’une zone de recirculation apparait quand le rapport de quantité de mouvement M est supérieur à la valeur de 64 à la position X/Di = 0.5 marquée par des vitesses négatives indiquant le retour du fluide vers l’arrière. Dans le cas hétérogène, le jet est plus large et plus rapide puisque l’hélium est plus léger que l’air, donc il possède un entraînement plus important.

Cette thèse porte sur la compréhension et le contrôle des interactions dynamiques entre les mécanismes physiques et biologiques en considérant un procédé alternatif de séparation membranaire pour les bioprocédés industriels. L’objectif premier est un apport de connaissances scientifiques liées à la maîtrise de la bioréaction en considérant l'hydrodynamique complexe et les verrous rétention-perméation. Une technologie de filtration dynamique, appelée Rotating and Vibrating Filtration (RVF), a été spécifiquement étudiée. Elle se compose de cellules de filtration en série comprenant deux membranes circulaires planes fixées sur des supports poreux au voisinage d'un agitateur à trois pales planes attachées à un arbre central. Ce dispositif mécanique simple fonctionne en continu et génère une contrainte de cisaillement élevée ainsi qu'une perturbation hydrodynamique dans un entrefer étroit (pale-membrane). Les verrous scientifiques et techniques qui motivent ce travail, sont la caractérisation et la quantification (i) des champs de vitesse locaux et instantanés, (2) des contraintes pariétales de cisaillement à la surface de la membrane et (3) l'impact mécanique sur les cellules microbiennes.Dans ce but, des expériences et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier l'hydrodynamique à des échelles globales et locales, en régimes laminaire et turbulent avec des fluides newtoniens dans des environnements biotique et abiotique. Pour l'approche globale, la distribution des temps de séjour (RTD) et le bilan thermique ont été réalisés et comparés aux précédentes études globales (courbes de consommation de puissance et de frottement). Une étude analytique des fonctions de distribution a été effectuée et les moments statistiques ont été calculés et discutés. Une analyse systémique a été utilisée pour décrire les comportements hydrodynamiques du module RVF. En combinant la simulation des écoulements (CFD) et les observations (RTD), les conditions et les zones de dysfonctionnement des cellules de filtration sont éclairées. Pour l'approche locale, la vélocimétrie laser (PIV) a été réalisée dans les plans horizontaux et verticaux et comparée à la simulation numérique (CFD). Une étude préliminaire basée sur une synchronisation entre la prise d’image et la position de l’agitateur (résolution angulaire) a permis d’accéder aux champs de vitesse moyens. Une campagne de mesure PIV a été réalisée sans synchronisation afin d’appliquer une décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD) pour 'identifier les composantes moyennes, organisées et turbulentes des champs de vitesse (énergie cinétique). Pour l'application aux bioprocédés, un travail exploratoire a caractérisé l'effet de la filtration dynamique sur des cellules procaryotes (E. coli) en quantifiant l'intégrité cellulaire ou leur dégradation en fonction du temps et de la vitesse de rotation
This thesis focuses on the understanding and the control of dynamic interactions between physical and biological mechanisms considering an alternative membrane separation into industrial bioprocess. It aims to carry scientific knowledge related to the control of bioreaction considering complex hydrodynamics and retention-permeation locks specific to membrane separation. A dynamic filtration technology, called Rotating and Vibrating Filtration (RVF), was investigated. It consists of filtration cells in series including two flat disc membranes fixed onto porous substrates in the vicinity of a three-blade impeller attached to a central shaft. This simple mechanical device runs continuously and generates a high shear stress as well as a hydrodynamic perturbation in the narrow membrane-blade gap. Several scientific and technical locks motivating this work are to characterize and to quantify (i) the velocity fields locally and instantaneously, (2) the shear stresses at membrane surface and (3) the mechanical impact on microbial cells.To this end, experiments and numerical simulations have been performed to investigate the hydrodynamics at global and local scales under laminar and turbulent regimes with Newtonian fluids under biotic and abiotic environment. For global approach, investigation of Residence Time Distribution (RTD) and thermal balance was carried out and compared to the previous global study (power consumption and friction curves). Analytical study of distribution functions was conducted and statistical moments were calculated and discussed. A systemic analysis was used to describe the hydrodynamic behaviors of the RVF module. Combining Computational Fluid Dynamics (CFD) and RTD observations, it leads to demonstrate dysfunctioning conditions and area. For the local approach, Particle Image Velocimetry (PIV) was be carried out in both horizontal and vertical planes and compared to CFD simulation. PIV preliminary study was conducted with a trigger strategy to access through angle-resolved measurements to an averaged velocity field. PIV further study were performed with a non-trigger strategy and applied to Proper Orthogonal Decomposition (POD) analysis in order to identify the coherent structure of the flow by decomposing the organized and turbulent fluctuations. For the bioprocess application, an exploratory work characterized the effect of Dynamic Filtration on prokaryote cell population (Escherichia coli) by quantifying cell integrity or damage as a function of time and rotation speed during filtration process in turbulent regime

Ce travail, dans sa progression méthodologique, vise la validation et la mise en oeuvre de la contribution que peut apporter la dynamique des fluides, théorique et surtout numérique, aux procédés de fermentation en cuve agitée. Son apport dans d’autres domaines où coexistent écoulements et transformations de matières ne cessent de susciter de plus en plus d’intérêt. La description fine de l’évolution du contenu d’un réacteur propose en fin de compte le scénario à venir lors de l’exploitation industrielle de l’opération étudiée. Ce mémoire présente donc une approche de ce type pour l’activité dans un réacteur lors d’une fermentation. Le mélange multiphasique en écoulement avec ses échanges interphasiques et particulièrement ici l’aspect réactif de celui-ci font l’objet d’une intégration progressive conduisant à un modèle de «fermentation numérique». Une analyse statistique du volume de données recueillies lors du déroulement d’une telle opération, permet d’en évaluer plus d’une caractéristique, et d’en tirer des informations utiles tant pour son élaboration lors de l’étude du procédé lui même que pour l’accompagnement de l’exploitation productive de celui-ci. L’étude et la compréhension des interactions et des cinétiques de transfert en milieu hétérogène permettront de maîtriser aussi le comportement des molécules aux interfaces et d’en tirer profit pour la mise au point de bio-séparations des produits obtenus. La souplesse de l’outil informatique initie la compétition de cette méthode d’évaluation par simulation d’un procédé, avec la réalité elle-même du procédé pratiqué jusqu’à présent à travers le modèle de laboratoire ou le modèle-pilote largement plus coûteux sur plus d’un plan. Les méthodes numériques adaptées à ce type de problèmes se sont bien développées ces dernières décennies et le matériel supportant le calcul lui-même ne cesse de se mettre à la portée des modestes moyens d’acquisition. La réaction biologique, à l’instar de la réaction chimique aura donc la possibilité de tirer quelques profits de ce moyen d’étude non intrusif et sans dommages économiques ou même écologiques
This work, in its methodological progression, aims at validating and implementing the fluid dynamics contribution, both theoretical and numerical, to the fermentation processes in agitated vessels. Indeed, its contribution in other engineering fields, where material flows and transformations coexist, could arouse additional deep interest. The detailed description of the evolution of the reactor contents in the final analysis proposes the pattern that is realized during the industrial exploitation of the studied operation. The thesis thus presents an approach to a reactor performance during fermentation. Combining multiphase flow with its, inter-phase mass transfer kinetics and particularly with the reactive aspect of the latter is the subject of progressive integration leading to a model of "numerical fermentation". A statistical analysis over the bulk data collected in the course of such an operation allow to evaluate more than one characteristic, and to draw much useful information not only for the study in the stage of development of the process but also for the support of its productive exploitation. The flexibility of the data-processing tool thus developed initiates competition between this evaluation method for process simulation and the reality itself as far as such processes practised so far through laboratory models or pilot models are largely more expensive at more than one plane. The numerical methods adapted to such type of problems developed well in the last decade and the material that supports the calculation itself do not exclude employment of some modest means of acquisition. Not unlike chemical reaction engineering, biological reaction engineering would thus have the possibility to benefit of this nonintrusive technique of study excluding any economic or even ecological damage. -----------------------

Ce travail, dans sa progression méthodologique, vise la validation et la mise en oeuvre de la contribution que peut apporter la dynamique des fluides, théorique et surtout numérique, aux procédés de fermentation en cuve agitée. Son apport dans d’autres domaines où coexistent écoulements et transformations de matières ne cessent de susciter de plus en plus d’intérêt. La description fine de l’évolution du contenu d’un réacteur propose en fin de compte le scénario à venir lors de l’exploitation industrielle de l’opération étudiée. Ce mémoire présente donc une approche de ce type pour l’activité dans un réacteur lors d’une fermentation. Le mélange multiphasique en écoulement avec ses échanges interphasiques et particulièrement ici l’aspect réactif de celui-ci font l’objet d’une intégration progressive conduisant à un modèle de «fermentation numérique». Une analyse statistique du volume de données recueillies lors du déroulement d’une telle opération, permet d’en évaluer plus d’une caractéristique, et d’en tirer des informations utiles tant pour son élaboration lors de l’étude du procédé lui même que pour l’accompagnement de l’exploitation productive de celui-ci. L’étude et la compréhension des interactions et des cinétiques de transfert en milieu hétérogène permettront de maîtriser aussi le comportement des molécules aux interfaces et d’en tirer profit pour la mise au point de bio-séparations des produits obtenus. La souplesse de l’outil informatique initie la compétition de cette méthode d’évaluation par simulation d’un procédé, avec la réalité elle-même du procédé pratiqué jusqu’à présent à travers le modèle de laboratoire ou le modèle-pilote largement plus coûteux sur plus d’un plan. Les méthodes numériques adaptées à ce type de problèmes se sont bien développées ces dernières décennies et le matériel supportant le calcul lui-même ne cesse de se mettre à la portée des modestes moyens d’acquisition. La réaction biologique, à l’instar de la réaction chimique aura donc la possibilité de tirer quelques profits de ce moyen d’étude non intrusif et sans dommages économiques ou même écologiques
This work, in its methodological progression, aims at validating and implementing the fluid dynamics contribution, both theoretical and numerical, to the fermentation processes in agitated vessels. Indeed, its contribution in other engineering fields, where material flows and transformations coexist, could arouse additional deep interest. The detailed description of the evolution of the reactor contents in the final analysis proposes the pattern that is realized during the industrial exploitation of the studied operation. The thesis thus presents an approach to a reactor performance during fermentation. Combining multiphase flow with its, inter-phase mass transfer kinetics and particularly with the reactive aspect of the latter is the subject of progressive integration leading to a model of "numerical fermentation". A statistical analysis over the bulk data collected in the course of such an operation allow to evaluate more than one characteristic, and to draw much useful information not only for the study in the stage of development of the process but also for the support of its productive exploitation. The flexibility of the data-processing tool thus developed initiates competition between this evaluation method for process simulation and the reality itself as far as such processes practised so far through laboratory models or pilot models are largely more expensive at more than one plane. The numerical methods adapted to such type of problems developed well in the last decade and the material that supports the calculation itself do not exclude employment of some modest means of acquisition. Not unlike chemical reaction engineering, biological reaction engineering would thus have the possibility to benefit of this nonintrusive technique of study excluding any economic or even ecological damage. -----------------------

L'intégration de dispositifs semi-conducteurs de puissance dans un circuit imprimé (PCB) est une solution prometteuse pour réduire les éléments parasites des circuits, simplifier le packaging des dispositifs et réduire les coûts. Cependant, la réduction continue de la taille des puces semi-conductrices, combinée à la faible conductivité thermique des couches diélectriques des PCB nécessitent des solutions de gestion thermique plus efficaces. Les solutions de gestion thermique et de refroidissement doivent offrir une faible résistance thermique entre la jonction de la puce et son environnement, et être capables de gérer une densité de puissance élevée au niveau de la puce sans dépasser la limite supérieure de la température de jonction de la puce. La plupart des dispositifs en silicium sont limités à 175°C. L'objectif de cette thèse est d'atteindre une densité de puissance de 1000 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Cet objectif est contraint par d'autres considérations telles que la faible consommation d'énergie, la taille et le poids, la haute fiabilité, le faible coût et un entretien minimal. Enfin, les solutions de refroidissement étudiées ici doivent être compatibles avec les processus de fabrication des PCB et la technologie d'intégration, car nous visons à les appliquer aux puces intégrées dans les PCB. Dans ce projet de recherche, deux solutions de gestion thermique sont étudiées. Tout d'abord, un dissipateur de chaleur en graphite avec une haute conductivité thermique (1300 W/(m.K) dans le plan, et 15 W/(m.K) hors plan) est intégré dans le PCB. Deuxièmement, une solution d'extraction de chaleur basée sur la technique de refroidissement par jet d'eau impactant est mise en œuvre pour collecter la chaleur à la surface du PCB. Pour la solution de dissipation de chaleur, les valeurs des résistances thermiques jonction-environnement et jonction-boîtier (RthJA et RthJC, respectivement), des variantes de PCB avec des diodes et des puces MOSFET intégrées, sont réduites jusqu'à 38 % pour RthJA et 30 % pour RthJC, d'après les mesures. Pour la solution d'extraction de chaleur, le refroidisseur à jet d'eau (JIC) présenté réduit expérimentalement RthJA de 33 % par rapport à une plaque froide conventionnelle. Le coefficient de transfert de chaleur effectif (HTC) du JIC est calculé par simulations et s'élève à environ 43 kW/(m².K) avec une chute de pression de 9,7 kPa. Cette performance permet d'atteindre une densité de puissance de 865 W/cm² sans dépasser la limite de température de jonction de 175°C. Augmenter la conductivité thermique de la couche isolante par un facteur de 10 permettra d'atteindre 993 W/cm² (très proche de l'objectif de 1000 W/cm²)
The integration of power semiconductor devices within a printed circuit board (PCB) stack is a promising solution to reduce circuit parasitics, simplifying device packaging, and lowering costs. However, the continuous reduction in the chip size of the semiconductors, combined with the low thermal conductivity of the dielectric layers of PCBs, present more thermal challenges, and require more efficient thermal management solutions. The thermal management and cooling solutions must offer low thermal resistance between the chip junction and its environment and be capable of handling a high-power loss density at the chip level without exceeding the upper limit of the chip junction temperature. Most silicon devices are limited to 175°C to account for the temperature limits of packaging materials. The ultimate goal of this thesis is to achieve a power-loss density of 1000 W/cm² without exceeding the junction temperature limit of 175°C. This goal is constrained by other considerations such as low power consumption, compact size and weight, high reliability, low cost, and minimal maintenance. Finally, the cooling solutions studied here must be compatible with PCB manufacturing processes and embedding technology, as we aim to apply them to chips integrated into PCBs. In this research project, two thermal management solutions are studied. First, a graphite heat spreader with high thermal conductivity (1300 W/(m.K) in-plane, and 15 W/(m.K) cross-plane) is integrated into the PCB stack. Second, a heat extraction solution based on water jet impingement cooling technique is implemented to collect heat at the PCB surface. For the heat spreading solution, the junction-to-ambient and junction-to-case thermal resistances values (RthJA and RthJC, respectively) of the PCB variants with embedded diodes and MOSFET chips, are reduced by up to 38 % in RthJA and 30 % in RthJC. For the heat extraction solution, the presented water jet cooler (JIC) experimentally reduces RthJA by 33% compared to a conventional cold plate. The effective heat transfer coefficient (HTC) of the JIC is calculated through simulations and found to be about 43 kW/(m².K) with a pressure drop of 9.7 kPa. This performance allows achieving a power loss density of 865 W/cm² without exceeding the junction temperature limit of 175°C. Increasing the thermal conductivity of the isolation layer by 10 times will allow to reach 993 W/cm² (very close to the target of 1000 W/cm²)

Le développement des hydroliennes se base souvent sur des conditions d'écoulement idéalisées qui ne reflètent pas entièrement le courant présent sur un site réel. Dans cette optique, ce mémoire investigue l'effet d'un écoulement non aligné ou cisaillé sur les performances et le chargement de deux types d'hydrolienne : les hydroliennes à rotor axial (HRA) et à aile oscillante (HAO). Cette étude est réalisée à l'aide de simulations numériques et les résultats démontrent que pour les deux types d'hydrolienne, le désalignement produit une réduction de la puissance et de la traînée, tandis que le cisaillement n'a qu'un effet de second ordre sur ces derniers. Le chargement additionnel sur la structure de support causé par des conditions d'écoulement non idéal est aussi similaire pour les deux technologies. Le désalignement et le cisaillement affectent cependant plus significativement le chargement en fatigue des pales de l'HRA que celui de l'aile de l'HAO.
Le développement des hydroliennes se base souvent sur des conditions d'écoulement idéalisées qui ne reflètent pas entièrement le courant présent sur un site réel. Dans cette optique, ce mémoire investigue l'effet d'un écoulement non aligné ou cisaillé sur les performances et le chargement de deux types d'hydrolienne : les hydroliennes à rotor axial (HRA) et à aile oscillante (HAO). Cette étude est réalisée à l'aide de simulations numériques et les résultats démontrent que pour les deux types d'hydrolienne, le désalignement produit une réduction de la puissance et de la traînée, tandis que le cisaillement n'a qu'un effet de second ordre sur ces derniers. Le chargement additionnel sur la structure de support causé par des conditions d'écoulement non idéal est aussi similaire pour les deux technologies. Le désalignement et le cisaillement affectent cependant plus significativement le chargement en fatigue des pales de l'HRA que celui de l'aile de l'HAO.
The development of hydrokinetic turbines is often based on idealized flow conditions which do not fully refect river or tidal currents. In this regard, this thesis investigates the effect of non-aligned or sheared flows on the performances and loading of two turbine types: the axial rotor (ART) and oscillating foil (OFT) turbines. This study was conducted with unsteady numerical simulations and the obtained results show that for both turbine types, misalignment produces a reduction in power and thrust, while the shear has a limited effect on those quantities. The additional loading on the support structure caused by the non-idealized flow is also similar for both devices. However, misalignment and shear affect more severely the fatigue loading on ART blades than they do for OFT.
The development of hydrokinetic turbines is often based on idealized flow conditions which do not fully refect river or tidal currents. In this regard, this thesis investigates the effect of non-aligned or sheared flows on the performances and loading of two turbine types: the axial rotor (ART) and oscillating foil (OFT) turbines. This study was conducted with unsteady numerical simulations and the obtained results show that for both turbine types, misalignment produces a reduction in power and thrust, while the shear has a limited effect on those quantities. The additional loading on the support structure caused by the non-idealized flow is also similar for both devices. However, misalignment and shear affect more severely the fatigue loading on ART blades than they do for OFT.

L'accrétion de planètes telluriques comme la Terre se déroule par collisions successives entre proto-planètes déjà différenciées en un manteau de silicate et un noyau de fer. Le résultat de ces impacts est un écoulement diphasique qui est la dernière occasion pour les deux composants principaux des planètes de partiellement se mélanger. Afin d'étudier les conditions des échanges diffusifs de chaleur et d'éléments chimiques dans cet écoulement, nous avons fait des expériences sur un système de fluide analogue. Le fer liquide est représenté par un alliage de gallium et l'océan de magma est représenté par un liquide visqueux. Les vidéos de la chute d'un sphéroïde de métal liquide dans le fluide visqueux sont analysées par ordinateur pour en extraire la dynamique de l'écoulement post-impact .La température du métal liquide avant et après sa chute est mesurée dans le but d'analyser les conditions des échanges diffusifs entre les deux phases intégrées sur toute la chute. Nous montrons que la dilution du diapir produit par l'entrainement de fluide ambiant au cours de sa chute suit l'hypothèse d'entrainement turbulent. La fragmentation du métal liquide est caractérisée par la mesure de la distance de fragmentation, par la mesure du rayon moyen des gouttes produites en fonction du rayon initial du diapir et par la mesure de la distribution des tailles de goutte. La distribution est donnée par une fonction de Bessel. Les données sur la dynamique, sur la fragmentation et sur la température sont ensuite utilisées pour tester les différents modèles d'équilibration entre les deux phases
The accretion of terrestrial planets like Earth proceeds partly by impacts of proto-planets already differentiated in a silicate mantle and an iron core. Those impacts result in a two phase flow where the two main components of the planets partially mix for the last time. In order to study the conditions of diffusive transfer of heat and elements during this flow, we have performed experiments using an analog system of fluids. A gallium alloy is used to represent the molten iron core and a viscous fluid is used to represent the molten silicatemantle. Video recordings of the fall of liquid metal spheroids through the viscous fluid areanalyzed as a way to study the dynamics of the post impact flow. Measurements of the temperature of the liquid metal before and after its fall are performed in order to probe the conditions of the diffusive transfer between the two phases integrated along the fall.The diapir is found to dilute by entraining ambient fluid during its fall in a manner thatis well described by the entrainment hypothesis. The fragmentation of the liquid metal is quantified in terms of the break up distance, the mean radius of the droplets as a function of the spheroid’s initial radius andthe distribution of sizes of the droplets. The mean radius of the droplets is marked by the large scale falling speed which we interpret as a sign of a continuous break up process. The distribution of sizes is given by a Bessel function. The data on the dynamics, on the fragmentation and on the temperature are then used to test the existing thermal equilibration models between the two phases

Les phénomènes physiques rencontrés en turbomachines sont généralement tridimensionnels et instationnaires. Une étude récente montre qu'une simulation stationnaire tridimensionnelle est capable de reproduire les phénomènes instationnaires moyennés en temps, si les équations du champ stationnaire intègrent des tensions déterministes. L'objectif de cette thèse est donc de développer un modèle pour les tensions déterministes instationnaires. L'analogie avec la turbulence permet d'écrire des équations de transport pour ces tensions. Les équations sont emplantées dans un code de calcul stationnaire et un modèle pour les flux d'énergie déterministes est également développé et implanté. Ce travail montre que la résolution d'équations de transport de tensions déterministes dans une simulation stationnaire permet de prendre en compte les effets instationnaires moyennés et n'augmente le temps de calcul que d'environ 30 %, ce qui reste très performant par rapport à une simulation instationnaire
The pysical phenomena observed in turbomachines are generally three-dimensional and unsteady. A recent stuyd revealed that a three-dimensional steady simulation can reproduce the time-averaged unsteady phenomena, since the steady flow field equations integrate deterministic stresses. The objective of this work is thus to develop an unsteady deterministic stresses model. The analogy with turbulence makes it possible to write transport equations for these stresses. The equations are implemented in steady flow solver and e model for the energy determinsitic fluxes is also developed and implemented. Finally, this work shows that a three-dimensional steady simulation, by taking into account unsteady effects with transport equations of deterministic stresses, increases the computing time by only approximately 30 %, which remains very interesting compared to an unsteady simulation

La pollution de l'air, en particulier celle due aux particules fines et ultrafines, a des effets délétères considérables sur la santé humaine. Plusieurs études ont établi un lien direct entre l'exposition à la pollution particulaire et diverses maladies respiratoires et cardiovasculaires. À l'intérieur des véhicules, la menace est d'autant plus préoccupante en raison de concentrations importantes de polluants particulaires recensées. Par conséquent, l'amélioration de la qualité de l'air dans l'habitacle des véhicules est désormais une priorité majeure pour les constructeurs automobiles. Dans ce contexte, cette thèse vise à comprendre l'environnement intérieur des véhicules en caractérisant la distribution spatiale des polluants, en particulier des particules fines et ultrafines, en fonction de leur taille ainsi que de paramètres tels que la topologie de l'écoulement et le niveau de turbulence. Ces connaissances permettront notamment de cibler des solutions localisées de purification de l'air, d'optimiser l'emplacement des micro-capteurs qui équiperont de plus en plus les futurs véhicules, et de proposer des solutions pour une gestion efficace des systèmes de filtration en fonction de la répartition de ces particules et de leurs concentrations dans l'habitacle. Tout d'abord, une attention particulière a été accordée à la modélisation de l'écoulement monophasique. Deux approches de modélisation numérique ont été adoptées : l'approche RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), basée sur la résolution des champs moyens des équations de Navier-Stokes, et l'approche de simulation à grande échelle LES (Large Eddy Simulation), qui consiste à résoudre les grandes structures contenant la majeure partie de l'énergie cinétique et à modéliser la contribution des plus petites échelles. Dans le cas de l'approche RANS, divers modèles de fermeture du premier et du second ordre ont été testés et comparés. En outre, une analyse de la structure de turbulence de l'écoulement dans l'habitacle a été réalisée à l'aide de la méthode du diagramme d'anisotropie de Lumely (Anisotropy Invariant Mapping). Enfin, pour valider les résultats des modèles numériques, une campagne de mesures du champ de vitesse, basée sur la technique de l'anémométrie à fil chaud, a été menée dans l'habitacle d'une voiture de type SUV. Ensuite, la dynamique des polluants particulaires dans l'habitacle de la voiture a été étudiée à l'aide du modèle DIM (Diffusion-Inertia Model). Ce modèle eulérien de diffusion inertielle des particules permet de prendre en compte différents mécanismes de transport, notamment le transport par le champ moyen, l'effet des forces volumiques (i.e. la gravité), la déviation des particules par rapport aux lignes de courant du fluide (effets centrifuges), la diffusion brownienne et turbulente, et la turbophorèse ou le transport par les gradients d'énergie cinétique turbulente. Le modèle a d'abord été validé sur des configurations standard telles que la dispersion dans des enceintes ventilées de petite échelle, le dépôt dans des coudes circulaires à 90°, ainsi que dans le cas du transport de particules dans un jet rond. Le modèle a ensuite été appliqué à la simulation du transport de particules à l'intérieur d'un véhicule à grande échelle. L'influence de la taille des particules sur les champs de concentration internes a d'abord été analysée. Ensuite, l'influence de la présence de passagers a été étudiée. Enfin, une campagne de mesures de la concentration de particules dans l'habitacle a été réalisée afin d'évaluer la pertinence du modèle diphasique. Cette étude a permis le développement d'un modèle complet de simulation de la dispersion des polluants particulaires dans un habitacle en fonction de conditions de ventilation et de caractéristiques des particules
Air pollution, especially that caused by fine and ultrafine particles, has significant deleterious effects on human health. Several studies have established a direct link between exposure to particulate pollution and various respiratory and cardiovascular diseases. Within vehicles, the threat is even more concerning due to the significant concentrations of particulate pollutants recorded. Therefore, improving air quality inside vehicle cabins is now a major priority for automotive manufacturers. In this context, this study aims to understand the interior environment of vehicles by characterizing the spatial distribution of pollutants, particularly fine and ultrafine particles, as a function of their size and parameters such as flow topology and turbulence level. This knowledge will be crucial for targeting localized air purification solutions, optimizing the placement of the micro-sensors that will equip future vehicles, and providing solutions for the more effective management of filtration systems as a function of the distribution and concentrations of these particles in the car cabin. First, special attention was devoted to modeling the single-phase flow. Two numerical modeling approaches have been adopted: the RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) approach, based on solving the mean flow fields of the Navier-Stokes equations, and the LES (Large Eddy Simulation) approach, which involves solving the large structures containing the major part of the kinetic energy and modeling the contributions of the smaller scales. In the case of the RANS approach, various closure models, of first- and second-order, have been tested and compared. Furthermore, the turbulence structure of the flow inside the car cabin has been analyzed using Lumley's Anisotropy Invariant Mapping method (AIM). Finally, to validate the results of the numerical models, a velocity field measurement campaign, based on hot-wire anemometry technique, was conducted inside the cabin of an SUV-type car. Next, the dynamics of particulate pollutants in the car cabin was studied using the Diffusion-Inertia Model (DIM). This Eulerian model of inertial particle diffusion takes into account various transport mechanisms, including transport by the mean field, the effect of volume forces (i.e., gravity), particle deviation from fluid streamline (centrifugal effects), Brownian and turbulent diffusion, and turbophoresis or transport by turbulent kinetic energy gradients. The model was first validated on standard configurations such as dispersion in small-scale ventilated enclosures, deposition in 90° circular bends, and particle transport in a round jet flow. The model was then applied to simulate particle transport inside a large-scale vehicle. The influence of particle size on internal concentration fields was first analyzed. Then, the influence of passenger presence was studied. Finally, a particle concentration measurement campaign was conducted in the cabin to assess the relevance of the two-phase model. This study has led to the development of a complete model for simulating the dispersion of particulate pollutants inside a car cabin based on ventilation conditions and particle characteristics

La capacité à percevoir des courants dans un fluide s'est développée chez de nombreuses espèces animales, dans des contextes écologiques très variés qui couvrent aussi bien les interactions proies-prédateurs, la sélection sexuelle ou l'orientation dans un environnement. Parmi ces espèces animales, les grillons détectent les courants d'air générés notamment lors de l'attaque de leurs prédateurs à l'aide de deux organes appelés "cerques", situés à l'arrière de leur abdomen et recouverts de poils mécano-sensoriels. Ces senseurs sont considérés comme les détecteurs les plus sensibles du monde animal. Il leur suffit de capter l'énergie d'un dixième d'un photon pour déclencher un potentiel d'action au niveau du neurone sensoriel. Ce manuscrit présente à la fois le développement des outils de mesures sans contact adaptés à ces questions d'écologie sensorielle ainsi que les méthodes numériques simulant les processus physiques à l'oeuvre. L'étude du fonctionnement des senseurs a nécessité l'adaptation des méthodes de mesures non intrusives de très grande précision tel que la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). La couche limite oscillante dans laquelle évoluent les poils a été visualisée et a servi à déterminer la réponse de poils modélisés par des systèmes oscillatoires du second ordre. Le couplage visqueux entre poils a été lui aussi caractérisé en adaptant la PIV à des mesures à très petites échelles sur des poils biomimétiques micro-electro-mécanique (MEMS). Les mesures des perturbations générées lors des attaques d'araignées, principales prédatrices des grillons, nous ont aidé à valider des modélisations numériques, réalisées à l'aide des techniques de dynamique des fluides computationnelles (CFD) par résolution des équations de Navier Stokes via la méthode des éléments finis (FEM). La mise au point et l'utilisation de techniques de métrologie optique en dynamique des fluides semi-visqueux et l'analyse des données nous permettent de revisiter la sensibilité extrême du système sensoriel du grillon et de placer ces mesures dans un contexte plus large, d'écologie sensorielle. En particulier, nous montrons que ces soies sont placées en groupe compact et exercent entre elles un fort couplage aérodynamique visqueux, qui réduit fortement leur sensibilité "de groupe". Ce fort couplage interroge l'intérêt d'avoir des récepteurs aussi performants individuellement, s'ils perdent leur sensibilité lorsqu'ils fonctionnent en réseau. Finalement, les réactions des poils à des mouvements de fluides générés par un piston mimant les attaques réelles d'araignées ont pu être déterminées à l'aide d'une caméra rapide, puis simulées et validées après avoir développé un modèle mécanique du poil répondant à des stimuli transitoires
Flow sensing is used by a vast number of animals in various ecological contexts, from preypredator interactions to mate selection, and orientation to flow itself. Among these animals, crickets use hundreds of filiform hairs on two cerci as an early warning system to detect remote potential predators. Over the years, the cricket hairs have been described as the most sensitive sensor in the animal kingdom. The energy necessary for the emission of an action potential by its sensory neuron was estimated to be a tenth of the energy of a photon. This PhD thesis aims to describe recent technological advances in the measurement and model of flows around biological and artificial flow sensors in the context of organismal sensory ecology. The study and understanding of the performance of sensory systems requires a high spatial precision of non-intrusive measurement methods. Thus, non-contacting measurement methods such as and Particle Image Velocimetry (PIV), originally developed by aerodynamics and fluid mechanics engineers, have been used to measure flows of biological relevance. The viscous oscillatory boundary layer surrounding filiform hairs has been visualized and used as input to model the mechanical response of these hairs, described as second order mechanical systems. The viscous hydrodynamic coupling occurring within hair canopy was also characterized using PIV measurements on biomimetic micro-electro-mechanical systems (MEMS) hairs, mimicking biological ones. Using PIV, we have also measured the air flow upstream of hunting spiders. We prove that this flow is highly conspicuous aerodynamically, due to substantial air displacement detectable up to several centimeters in front of the running predator. This disturbance of upstream air flows were also assessed by computational fluid dynamics (CFD) with the finite elements method (FEM). The development of non-intrusive measurement and CFD methods and their application to the analysis of the biological flow involved in cricket sensory ecology allowed us to revisit the extreme sensitivity of cricket filiform hairs. We predicted strong hydrodynamic coupling within natural hair canopies and we addressed why hairs are packed together at such high densities, particularly given the exquisite sensitivity of a single hair. We also proposed a new model of hair deflection during the arrival of a predator, by taking into account both the initial and long-term aspects of the flow pattern produced by a lunging predator. We conclude that the length heterogeneity of the hair canopy mirrors the flow complexity of an entire attack, from launch to grasp