Academic literature on the topic 'Dynamique des fluides – Simulation par ordinateur'

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.

L’anaplasmose, qui continue à être une énigme dans la région des Caraïbes, est responsable de pertes économiques élevées dans la production animale. L’épidémiologie de cette maladie est complexe et la voie efficace et rationnelle à suivre pour son contrôle demeure encore incertaine. On a donc pensé que l’élaboration d’un modèle épidémiologique utilisant des modèles de simulation sur ordinateur serait utile pour une meilleure compréhension de cette maladie. Un modèle de simulation sur ordinateur qui donne les tendances réalistes de la dynamique de la maladie a donc été développé. De plus, ce cadre fournit aux décideurs un outil d’évaluation de différentes alternatives de lutte, pour un planning rationnel et pour l’allocation de fonds. L’élaboration du modèle a été basé sur la mise en œuvre d’une base de connaissances épidémiologiques pour l’anaplasmose ; d’un modèle conceptuel pour les sous-populations de bovins et de tiques ; d’un modèle d’analyse de systèmes pour les sous-populations de bovins et de tiques ; d’un modèle mathématique ; d’un modèle de simulation informatique ; sur l’évaluation du modèle de simulation et l’utilisation de ce dernier pour l’évaluation des alternatives de lutte contre Anaplasma. La base de connaissances a été développée en utilisant la “Epidemiologic Problem Oriented Approach” (EPOA) pour la collecte et la compilation de l’information dans une base condensée de connaissances épidémiologiques sur l’anaplasmose. L’information sur l’anaplasmose a été extraite de manuels sélectionnés de médecine vétérinaire, de revues contemporaines, de documents divers, et de questionnaires remplis par des vétérinaires antillais. L’information épidémiologique a été présentée en diagrammes afin de conceptualiser l’épidémiologie détaillée de la maladie. En même temps, elle montre les parties fondamentales du système anaplasmose pour mieux décrire et analyser la maladie. Des diagrammes d’analyse de systèmes ont également été utilisés pour établir une corrélation entre le niveau pathologique et un niveau particulier qui était décrit et défini par des équations différentielles classiques. Toutes les équations étaient approchées en utilisant la méthode d’intégration de Euler. Ainsi, la dynamique de la maladie a été révélée. Ces diagrammes ont fourni le cadre sur lequel le modèle a été construit. L’évaluation du modèle a montré qu’il est stable. Des tendances biologiquement solides et raisonnables ont été affichées. Ce cadre a ensuite été utilisé pour évaluer les présentations diverses de la maladie et les alternatives différentes pour la lutte. Les manifestations de la maladie observées comprenaient la présentation de populations de bovins et de tiques avec et sans maladie, la dynamique de la maladie quant elle fut introduite par des bovins et des tiques infectés. Les alternatives de lutte testées sont : les effets de niveaux différents de lutte acaricide sur la population de tiques et l’évolution de la maladie ; l’influence de la génétique sur l’incidence de la maladie ; les effets de niveaux différents d’application d’antibiotiques sur la dynamique de la maladie, quant elle fut introduite par des bovins et des tiques infectieux. Le modèle de simulation informatique doit être testé et validé systématiquement pour être sensible aux conditions du terrain.

Dans ce travail proposé, on s’intéresse à la conception, la modélisation dynamique et la simulation numérique du fonctionnement d’un système de réfrigération à adsorption par l’énergie solaire utilisant un couple le gel de silice et l’eau. Cette technique fonctionne avec l’énergie solaire et utilise des fluides frigorigènes naturels qui non aucun effet sur l’environnement. Le système est étudié numériquement et résolu en utilisant la méthode de volume finie. Nous avons étudié l’effet de grosseur de grain de gel de silice et la température de régénération sur la teneur en eau pendent la phase de désorption.

Ce travail est consacré à la détermination du rôle du sillage sur les instabilités de trajectoires des bulles isolées en ascension dans un liquide au repos. Pour la première fois, une étude du sillage d'une bulle fixe et de forme imposée dans un écoulement uniforme est réalisée par résolution directe tridimensionnelle et instationnaire des équations de Navier-Stokes. La forme de la bulle est ellipsoi͏̈dale avec un rapport de forme compris entre 2 et 2,5, et le nombre de Reynolds considéré s'élève jusqu'à 3000. Les différentes étapes de l'évolution du sillage sont décrites et comparées avec le cas plus classique du sillage d'une sphère solide. Les deux cas d'écoulement présentent des instabilités et des topologies de sillage similaires, bien que le mode de génération de la vorticité à la surface du corps soit différent. Afin d'établir le lien entre ces instabilités de sillage et les instabilités de trajectoire des bulles millimétriques, un outil numérique couplant les équations du mouvement d'un corps rigide libre de se déplacer est développé. Cette modélisation, appliquée à une bulle de forme ellipsoi͏̈dale imposée afin de séparer les effets de sillage des effets de la déformation de la bulle, permet de retrouver les trajectoires en zigzag et en hélice observées expérimentalement. Une description fine des structures tourbillonaires qui se développent dans le sillage et une étude de l'évolution des efforts hydrodynamique subis par la bulle montrent finalement comment le système couplé aboutit à ces trajectoires.

Cette thèse présente des études numériques et théoriques de la dynamique et de la stabilité du bourrelet formé au bord libre d'une nappe liquide sous l'effet de la capillarité. Des simulations 2D d’une nappe liquide se rétractant dans un milieu gazeux (plus précisément pour un système air/eau) ont été menées. Deux régimes différents en fonction du nombre d’Ohnesorge ont été observés. Un écoulement laminaire à l’intérieur du bourrelet pour des valeurs élevées du nombre d’Ohnesorge et un état d'équlibre, atteint après une rapide transition, tandis que pour les faibles valeurs, un écoulement turbulent est généré à l’intérieur du bourrelet et est responsable de grandes oscillations de la taille de ce dernier et de l'épaisseur de la zone de pincement de la nappe. Un nouveau modèle de stabilité linéaire prenant en compte la variation temporelle du rayon du bourrelet est ensuite proposé et comparé à des simulations numériques 3D d'une nappe liquide se rétractant dans un milieu gazeux. La formation d'un doigt liquide et le détachement d'une goutte ont été obtenus numériquement. Des simulations de l'impact d'une goutte d'huile de silicone sur un film mince du même liquide montrent que la structure des doigts liquides formés au bord de la corolle lors du splash est la même que dans le cas de la digitation au bord de la nappe liquide plane.

L'objectif de cette étude est la compréhension de l'interaction entre l'organisation de la structure interne d'un fluide thixotrope et le développement de l'écoulement. Trois situations ont été considérées : écoulement en conduite droite, dans des singularités ou démarrage. Des profils de vitesse ont été mesurés grâce à la technique de vélocimétrie par images de particules (PIV). Un aplatissement des profils de vitesse, une large zone de recirculation ou un écoulement bouchon ont été observés successivement. Une caractérisation rhéologique a ensuite été menée. Le comportement du fluide est décrit par un modèle de Quemada à cinétique structurelle fractionnaire. Enfin, un travail de simulation a été réalisé par l'adaptation du code Fluent 4. 5 au traitement de la thixotropie par l'adjonction de sous programmes. Une bonne concordance entre les résultats numériques et expérimentaux a été observée. Ainsi, les phénomènes observés ont pu être expliqués grâce à une analyse du champ de structure
The aim of this study is to put the focus on the interaction between the reorganization of the internal structure of a thixotropic fluid and the velocity field. Three cases were considered : a flow in a straight pipe, an entry flow and a start up flow. Velocity profiles were measured by particle image velocimetry (PIV). A flatness of velocity profiles, large vortex zones and a plug flow were observed. Then, a rheological study was conducted. It shows that a modified Quemada model with a fractional kinetic for the structural parameter l could be used. Moreover, to have a better understanding of the observed phenomenon in the pipe and to generalize the results, numerical simulations were performed. The finite volume code Fluent 4. 5 was adapted to deal with thixotropy by adding user defined subroutines. A good agreement between numerical and experimental results was observed. Moreover, the flow development was investigated by the analysis of the structural field

Une des caractéristiques les plus remarquables des fluides géophysiques est la présence de stratification, c'est-à dire d'un gradient vertical de densité, qui induit une structure en couches horizontales. Lindborg (1999) et Billant & Chomaz (2001) ont proposé que la dynamique au sein de ces couches est tridimensionnelle et non bidimensionnelle comme cela était supposé auparavant. Les derniers ont aussi proposé un mécanisme de sélection de l' épaisseur de ces couches : l'instabilité zigzag qu'ils ont observée dans le cas particulier d'une paire de tourbillons contra-rotatifs. Cependant, les paires de tourbillons contra-rotatifs sont rarement observées dans l'océan et l'atmosphère contrairement aux couples de tourbillons co-rotatifs. De plus, l'appariement de tourbillons co-rotatifs est le processus dominant en turbulence bidimensionnelle responsable du transfert d'énergie des petites vers les grandes échelles. Au cours de ma thèse, je me suis donc intéressée à la dynamique de tourbillons co-rotatifs verticaux dans un fluide stratifié. Une instabilité associée au même effet physique que l'instabilité zigzag a été découverte. Elle décorrèle verticalement l'appariement de ces tourbillons, suggérant que l' instabilité zigzag est générique et affecte tout écoulement stratifié constitué de plus d'un tourbillon. L'analyse numérique de stabilité linéaire a montré que cette instabilité consiste en un mode déplacement et sélectionne une échelle verticale proportionnelle à l' échelle de flottabilité définie comme Fb, où F est le nombre de Froude horizontal et b la distance entre les deux tourbillons. Son taux de croissance est proportionnel au champ d'étirement créé par un tourbillon sur son compagnon. L'origine physique de cette instabilité a été identifiée grâce à une étude asymptotique : elle provient du couplage entre le mode de déplacement d'un tourbillon et le champ d'étirement généré par l'autre tourbillon. Observations expérimentales et Simulations Numériques Directes montrent que les non-linéarités n'inhibent pas le développement de l'instabilité zigzag qui entraîne bien une décorrelation verticale de l'écoulement selon une échelle proportionnelle à l'échelle de flottabilité. Enfin, l'effet de la rotation de la Terre a été étudié et nous avons montré que l'instabilité Zigzag reste active en présence de la force de Coriolis. Son taux de croissance est indépendant du taux de rotation. En régime fortement tournant, on retrouve l'approximation quasi-géostrophique : l'instabilité zigzag est similaire à l'instabilité ``tall-column'' découverte par Dritschel & de la Torre Juàrez (1996) et la longueur d'onde la plus instable est proportionnelle à Fb/Ro, où Ro est le nombre de Rossby. Cette instabilité affecte donc les écoulements géophysiques sur une large gamme d' échelles aussi bien dans l'océan que dans l'atmosphère
One of the main characteristics of geophysical flows is the presence of stable stratification, i. E the presence of a vertical density gradient. Such flows are generally organized into thin horizontal layers. This PhD thesis investigates numerically, theoretically and experimentally the dynamics of a pair of co-rotating vertical vortices in a stratified fluid in order to understand the mechanism of formation of such layered structure. Such flow is of high interest because co-rotating vortex pairs play an important role in two-dimensional turbulence through the merging process which leads to the energy transfer from small to large scales. A three-dimensional instability has been discovered. It is similar to the zigzag instability observed on a pair of counter-rotating vortices in a stratified fluid and it decorrelates the vortex merging along the vertical. A numerical three-dimensional stability analysis has shown that the zigzag instability dominates for strong stratification whereas the elliptic instability dominates for weak stratification. The zigzag instability bends symmetrically the two vortices without significant internal deformation. It selects a wavelength proportional to Fh b, where Fh is the horizontal Froude number and b the separation distance between the vortices. Its growth rate is proportional to the strain rate. An asymptotic analysis has recovered these scaling laws and has shown that the zigzag instability comes from the coupling between vortex bending modes and the strain field that each vortex generates on the other. Experimental observations and Direct Numerical simulations have also shown that the vertical lengthscale selected by the instability agrees with the predictions. Of the stability analyses. The non-linear effects do not slow down the instability development but tends to recorrelate the fluid within each layers and to expel vertical gradients in between these layers. In the final part, the effect of planetary rotation has been investigated. It is shown that the zigzag instability remains active with a growth rate independent of the Coriolis parameter. In the rapidly rotating regime (quasi-geostrophic), the zigzag instability is similar to the "tall-column" instability with the most unstable wavelength proportional to Fh b / Ro, where Ro is the Rossby number. This instability may therefore affect geophysical flows for a large range of parameters both in the oceans and the atmosphere

L'objet de cette thèse est d'une part de réaliser des matériels de mesures spécifiques et de mettre en évidence l'influence des principaux paramètres du procédé d'injection sur renforts industriels sur les valeurs de perméabilité de matériaux fibreux et d'autre part de chercher des relations simples permettant d'évaluer ces perméabilités en connaissant le taux de renfort. Une partie expérimentale préliminaire montre l'existence de phénomènes tels que les cheminements de bord, les plissements du renfort, son tassement, ou l'écartement de ses mèches. L'apparition de ces phénomènes étant liée au comportement mécanique du renfort et à l'action de la résine, des plages de taux de fibres et de débits sont déterminées pour chaque matériau. Des dispositifs expérimentaux et des modes opératoires ont été mis au point afin de déterminer les perméabilités longitudinales et transversales des différents renforts. Deux procédés de détermination des perméabilités longitudinales sont en outre comparés (détermination par écoulement uniaxial et détermination par écoulement biaxial). Est analysé ensuite l'influence sur la perméabilité des principaux paramètres liés au procédé : état de surface des fibres (ensimage), nature de la résine utilisée, préformage, taux et type de renfort. L'ensemble des essais permet de mettre en évidence les paramètres les plus influents sur les valeurs de perméabilité. Sachant que les modèles théoriques permettant de calculer les perméabilités sont en général limités à un domaine restreint de taux de fibres, des formules semi-empiriques sont utilisées pour calculer les perméabilités des renforts sur une grande étendue de taux de fibres a partir d'un nombre réduit de mesures. Enfin, des relations sont proposées permettant d'estimer les perméabilités globales d'empilements de plis de renforts différents. Elles sont établies à partir des lois de comportement de perméabilité et de compressibilité de chaque type de renfort en fonction des taux de fibres. Les calculs sont confrontés aux résultats expérimentaux.

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. -----------------------

Nous proposons une étude numérique des écoulements de Poiseuille-Rayleigh-Bénard (convection mixte en canal rectangulaire horizontal chauffé par le bas). Nous étudions en particulier les régimes de rouleaux longitudinaux et sinueux. Nous montrons que les rouleaux sinueux sont très peu observés expérimentalement car ils sont convectivement instables vis-à-vis des rouleaux longitudinaux. Nous analysons finement l’influence d’excitations mécaniques sinusoïdales et aléatoires sur le développement et la dynamique des rouleaux sinueux. L’effet de ces régimes thermoconvectifs sur la forme des dépôts dans les réacteurs rectangulaires de CVD thermiques est étudié. Nous montrons que la présence de régimes de rouleaux sinueux ou chaotiques dans ces réacteurs permet d’améliorer l’uniformité des dépôts obtenus. Cette étude est réalisée à l’aide d’un code numérique 3D résolvant les équations de Navier-Stokes, pour un mélange binaire, avec une condition de paroi réactive pour simuler les dépôts
We propose a numerical study of Poiseuille-Rayleigh-Bénard flows (mixed convection in horizontal rectangular channel heated from below). We study in particular the longitudinal and wavy thermoconvective roll patterns. We show that wavy rolls are rarely observed in experiments because they are a convective instability of longitudinal rolls. We finely analyse the influence of sinusoidal and random mechanical excitations on the development and on the dynamic of the wavy rolls. The influence of these thermoconvective flows on the shape of the deposited films in the rectangular thermal CVD reactors is studied. We show that the presence of the wavy or chaotic roll patterns in these reactors improve the uniformity of the deposited film. This study is carried out using a numerical code that solves the 3D Navier-Stokes equations, for a binary mixture, with a reactive wall condition to simulate the depositions

La simulation numérique directe des écoulements turbulents est un outil fondamental en mécanique des fluides car elle permet de connaître précisément les propriétés cinématiques de l'écoulement en tout point et à chaque instant. Cependant, en raison de la discrétisation spatiale d'ordre élevé nécessaire à la résolution de la cascade énergétique, cette approche est souvent limitée à des géométries simples. Ce travail propose une méthode de décomposition de domaine pour la simulation numérique d'écoulements turbulents. Elle repose sur une résolution directe multidomaine en formulation vitesse/pression des équations de Navier-Stokes. La méthode proposée résout efficacement (calcul parallèle) les équations de Navier-Stokes incompressibles sur des géométries complexes, telles que des quadrangles inter-connectés, tout en conservant les propriétés de haute précision. De nombreux tests de validation sont proposés: précisions spatiale et temporelle, cavité entraînée, marche descendante et écoulement autour d'un barreau de section carrée. Une simulation numérique directe d'un écoulement turbulent dans une conduite de section carrée est également réalisée. Enfin, une part importante de ce travail concerne l'étude d'un jet plan impactant sur une surface plane et sur un obstacle parallélépipédique pour le nombre de Reynolds Re=3000. Une analyse détaillée des propriétés statistique, spectrale et structurelle est menée, afin d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques complexes de ces écoulements. Enfin, une étude du front de propagation de la température lors d'un refroidissement rapide d'une lamelle solide par un jet plan laminaire est présentée
Direct Numerical Simulation is a powerful tool in Fluid Mechanics since it allows to describe accurately both in space and time the kinematic and dynamic features of a flow. However, due to the desirable high order discretization, this approach is often restricted to simple geometries. This work proposes a domain decomposition method dedicated to the numerical simulations of turbulent flows which is based on a direct multi-domain solution of the Navier-Stokes equations formulated in primitive variables. The method solves efficiently (parallelization) the incompressible Navier-Stokes equations on " complex " geometries, like inter-connected quadrilaterals, while preserving high order accuracy. Numerous validation test cases are proposed including space/time accuracy, the lid driven cavity, the backward facing step and the flow around a square cylinder. A Direct Numerical Simulation of a square pipe flow is also performed. For fast cooling applications, a preliminary study of the propagation front of the temperature within a thin plate by using plane laminary impinging jet is presented. Finally, an important part of this work is devoted to the study of plane jet impinging on a plane surface and a cubical obstacle for a Reynolds number equal to 3000. A detailed analysis of the statistical, spectral and structural properties of the flow is achieved to obtain a better understanding of the complex phenomena occuring in such a configuration

Ces travaux portent sur l'étude numérique de l'interaction choc/couche limite, dans le domaine des écoulements de fluides compressibles et à grande enthalpie. Le code utilisé pour les simulations est CARBUR, développé au sein de l'équipe. Nous présentons dans une première partie l'implémentation de diverses conditions limites et modèles de turbulence (Baldwin-Lomax et Spalart-Allmaras) ainsi qu'un solveur de flux (AUSM). Chacune de ces implémentations est validée dans une deuxième partie. Enfin, nous présentons des simulations concernant la LEO, une tuyère d'éjection surdétendue du bloc moteur Vulcain d'Ariane. La LEO est fortement dégradée thermiquement en vol mais ce phénomène restait incompris. Par l'étude de l'influence de la température pariétale sur la position du point de décollement, de la réactivité des gaz éjectés et de la vitesse de la tuyère dans l'air ambiant (prise en compte du décollage), nos simulations apportent une explication de la dégradation de la LEO.

Ce chapitre expose les techniques de co-simulation, visant à tirer parti des fonctionnalités de solveurs en dynamique des structures et des fluides afin de représenter les interactions fluide/structure pour des géométries réelles, comme des profils portants déformables. Les principaux algorithmes de couplage, mis en œuvre avec des outils généralistes, sont discutés et des exemples de validation et d’applications sont également proposés.