Academic literature on the topic 'Schéma d'écoulement'

La modélisation hydrométéorologique initiée par Joël Noilhan permet aujourd'hui d'anticiper les risques de crues sur plusieurs jours, l'évolution de la ressource en eau en France sur plusieurs mois et de projeter les tendances sur le XXIe siècle. Pour cela, il a fallu intégrer des processus sous mailles dans le schéma de surface Isba, car ils sont à l'origine de la genèse d'écoulements préférentiels, et affiner la description de la physiographie. Un des co-bénéfices les plus marquants a été la production d'une réanalyse des variables météorologiques de surface sur la France, aujourd'hui disponible sur plus de 60 ans. Les collaborations initiées avec les hydrologues et acteurs de l'eau se sont encore renforcées, afin de co-construire les modèles de prévisions hydrométéorologiques de demain. The hydrometeorological modeling initiated by Joël Noilhan leads today to short- and medium-range forecast of flood risks, seasonal forecasts of the evolution of the water resource in France and projection of its evolution during the 21st century. To do so, it was necessary to integrate subgrid processes in the land surface scheme ISBA, as they generate preferential flow, and to refine physiographic datasets. One of the most significant co-benef its is the production of a reanalysis of near-surface meteorological variables over France now available over more than 60 years. The initial collaboration with hydrologists and stakeholders has now been strengthened in order to co-design future hydrometeorological forecast models.

Alors que la quête d'hydrocarbures s'approche des nouvelles frontières dans un environnement sous-marin difficile et hostile. Le coût énorme de la gestion des problèmes d'assurance de l'écoulement dans les puits sous-marins, les conduites d'écoulement et les colonnes montantes, en particulier dans les applications en eaux profondes, a nécessité une approche proactive pour prévenir le risque d'apparition de ces problèmes. Pour s'assurer que le transport des hydrocarbures est économique et efficace depuis la tête de puits sous-marine jusqu'aux unités de traitement, un système de gestion de la chaleur pour l'assurance de l'écoulement est pertinent dans la conception et la planification d'un système de transport des fluides. Par conséquent, l'avancement des nouvelles technologies pour répondre aux besoins croissants en explorant l'environnement sous-marin hostile et technologiquement difficile est d'une grande importance. Les chiffres de l'étude ont montré la nécessité d'une recherche scientifique dans le domaine du chauffage actif.Ce travail se poursuit à ce stade. Il étudie et étend un modèle biphasé tridimensionnel concernant différents aspects. Pour ce faire, le solveur biphasique interFoam du code source OpenFoam est utilisé. Pour commencer, les propriétés hydrodynamiques de différents modèles dans les lignes d'écoulement sont étudiées en analysant un écoulement diphasique tridimensionnel de gaz et de liquide dans une ligne d'écoulement horizontale. InterFoam, un solveur diphasique transitoire, a d'abord été modifié pour mettre en œuvre le modèle k-ε à faible nombre de Reynolds (LRN) dans le code OpenFOAM. Ce modèle de turbulence LRN k-ε est utilisé pour résoudre les phénomènes de turbulence dans les mélanges de gaz et de liquide. L'écoulement diphasique est calculé en utilisant le solveur développé basé sur l'approche Volume de fluide (VOF). Les résultats des modèles d'écoulement à différentes vitesses superficielles du gaz et du liquide sont validés par les données expérimentales de la littérature. Ensuite, trois modèles Navier-Stokes moyennés par Reynolds (RANS) ont été utilisés pour les calculs : LRN k-ε, standard k-ε, et le modèle Shear Stress Transport k-omega (SST k-ω). Les résultats numériques générés sont comparés aux données expérimentales obtenues et aux modèles mécanistes.En outre, la structure de l'écoulement huile-eau rapportée dans la littérature est complètement différente de celle de l'écoulement gaz-pétrole et cette distinction est attribuée au faible effet de flottabilité et à la grande capacité de transfert de quantité de mouvement dans les écoulements huile-eau. Pour découvrir les caractéristiques de l'écoulement huile-eau, un modèle mathématique 3D de l'écoulement newtonien huile-eau dans des conditions non isothermes est établi pour explorer les mécanismes complexes du transport diphasique huile-eau et du transfert de chaleur dans la ligne d'écoulement horizontale et inclinée. Dans ce travail, un modèle d'écoulement diphasique non isotherme est d'abord modifié, puis implémenté dans le solveur InterFoam en introduisant l'équation d'énergie à l'aide d'OpenFOAM®. Les modèles d'écoulement et les coefficients de transfert de chaleur locaux (HTC) pour l'écoulement diphasique huile-eau à différentes inclinaisons des lignes d'écoulement (0°, +4°, +7°) sont validés par les résultats de la littérature expérimentale et les erreurs relatives sont également comparées. Le modèle a également été utilisé pour vérifier l'effet de la coupe d'eau d'entrée et de l'inclinaison des lignes d'écoulement sur les régimes d'écoulement, et les résultats ont été validés dans la littérature avec un niveau de précision élevé. Une analyse de sensibilité globale est ensuite menée pour déterminer l'effet des différents paramètres sur les performances des systèmes d'hydrocarbures diphasiques produits pour un transport efficace des fluides sous-marins
As the quest for hydrocarbon approaches the next frontiers in a challenging and hostile subsea environment. The enormous cost of handling the challenges of flow assurance in subsea wells, flowlines, and risers, especially in deepwater applications, has necessitated a proactive approach to prevent their risk of occurrence. To ensure that the transportation of the hydrocarbon is economical and efficient from the subsea wellhead to the processing units, a flow assurance heat management system is relevant in the design and planning of a fluid transport system. Therefore, the advancement of new technologies to serve the increasing need by exploring the technologically challenging and hostile subsea environment is of great significance. The figures from the study showed the need for scientific research in the field of active heating.This work continues at this point. It investigates and extends a three-dimensional two-phase model regarding different aspects. For this purpose, the two-phase solver interFoam in the OpenFoam source code is employed. To begin with, the hydrodynamic properties of different models in flowlines are investigated by analyzing a 3-D two-phase gas and liquid flow in a horizontal flowline. InterFoam a transient two-phase solver was first modified to implement the Low Reynolds Number (LRN) k-ε model in the OpenFOAM code. This LRN k-ε turbulence model is utilized to resolve the turbulence phenomena within the gas and liquid mixtures. The two-phase flow is calculated by using the developed solver based on the Volume of Fluid (VOF) approach. Results of the flow patterns at different superficial gas and liquid velocities are validated by the experimental data in the literature. Afterward, Three Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models were used for computations: LRN k-ε, standard k-ε, and the Shear Stress Transport k-omega (SST k-ω) models. Generated numerical results are compared with obtainable experimental data and mechanistic models.Furthermore, the oil-water flow structure reported in the literature is completely different from that of gas-oil flow and this distinction is attributed to the small buoyancy effect and large momentum transfer capacity in the oil-water flows. To find the features of the oil-water flow, a 3D mathematical model of oil-water Newtonian flow under non-isothermal conditions is established to explore the complex mechanisms of the two-phase oil-water transportation and heat transfer in the horizontal and inclined flowline. In this work, a non-isothermal two-phase flow model is first modified and then implemented in the InterFoam solver by introducing the energy equation using OpenFOAM®. The LRN k-ε turbulence model is utilized to resolve the turbulence phenomena within the oil and water mixtures. The flow patterns and the local heat transfer coefficients (HTC) for two-phase oil-water flow at different flowlines inclinations (0°, +4°, +7°) are validated by the experimental literature results and the relative errors are also compared. The model was also employed to ascertain the effect of input water cut and flowline inclinations on the flow regimes, and the results were validated in the literature with a high accuracy level. Global sensitivity analysis is then conducted to determine the effect of the different parameters on the performance of the produced two-phase hydrocarbon systems for effective subsea fluid transportation.Thereafter, HTC and flow patterns for oil-water flows at a flowline inclination ranging from -10° to +10° can be predicted by the model

Des instabilités numériques dues à l'inertie du fluide apparaissent lorsque l'on résout les équations du mouvement pour un solide immergé dans un fluide dense tel que l'eau. Dans cette thèse, un schéma numérique stable dans ce cas est proposé. Les simulations tridimensionnelles de mouvements libres d'un objet couplé avec les équations résolvant l'écoulement utilisent trop de ressources informatiques pour étudier un grand nombre de cas. Il fut donc décidé de concevoir et de construire une veine hydrodynamique 2D pour valider le code numérique. Un dispositif en fluide statique est premièrement mis en place pour vérifier la faisabilité de trajectoires 2D correctes. L'aspect chaotique de certaines trajectoires est mis en évidence. Ce comportement est dû aux fortes instabilités du sillage. On observe dans la veine hydrodynamique que l'écoulement stabilise les translations, qui sont correctement prédites. La rotation est, quant à elle, toujours soumises aux instabilités du sillage. D'autant plus que l'objet utilisé est un rectangle qui, de par ses arêtes vives, présente des décollements de sa couche limite au cours de sa trajectoire. Ceci implique de fortes instabilités empêchant une prédiction correcte de l'angle au cours des essais. Cette méthode est également utilisée pour simuler la propulsion biomimétique grâce à un aileron oscillant. Le code hydrodynamique est alors un code potentiel utilisant la méthode des éléments frontières. Afin de comprendre l'influence des différents paramètres sur les performances du mouvement, tous les degrés de liberté sont fixés. Nos résultats pour le coefficient de poussée sont en accord avec la théorie de Theodorsen. L'étude paramétrique confirme que le nombre de Strouhal joue le même rôle pour l'aileron oscillant que le paramètre d'avance joue pour l'hélice. Les rendements propulsifs obtenus pour ces deux moyens de propulsion sont comparables. Une procédure de comparaison générale entre les moyens de propulsion est développée. Cependant, lorsqu'un changement de rythme est nécessaire, une hélice à pas variable donne une meilleure efficacité qu'un aileron changeant d'amplitude de tangage, même si l'amplitude de tangage a le même effet que le pas. Les résultats en mouvements libres mettent en évidence la rapidité du couplage et sa robustesse.

Cette thèse porte sur la résolution numérique du modèle multi-dimensionnel d'écoulement cisaillé en eau peu profonde. Dans le cas d'un mouvement unidimensionnel, ces équations coïncident avec les équations de la dynamique de gaz pour un choix particulier de l'équation d'état. Dans le cas multi-dimensionnel, le système est complètement différent du modèle de la dynamique de gaz. Il s'agit d'un système EDP hyperbolique 2D non-conservatif qui rappelle un modèle de turbulence barotrope. Le modèle comporte trois types d'ondes correspondant à la propagation des ondes de surface, des ondes de cisaillement et à celle de la discontinuité de contact. Nous présentons dans le cas 2D un schéma numérique basé sur une nouvelle approche de ``splitting" pour les systèmes d'équations non-conservatives. Chaque sous-système ne contient qu'une seule famille d'ondes: ondes de surface ou ondes de cisaillement, et discontinuité de contact. La précision d'une telle approche est testée sur des solutions exactes 2D décrivant l'écoulement lorsque la vitesse est linéaire par rapport aux variables spatiales, ainsi que sur des solutions décrivant des trains de rouleaux 1D. Finalement, nous modélisons un ressaut hydraulique circulaire formé dans un écoulement convergent radial d'eau. Les résultats numériques obtenus sont clairement similaires à ceux obtenus expérimentalement: oscillations du ressaut et son rotation avec formation du point singulier. L'ensemble des validations proposées dans ce manuscrit démontre les aptitudes du modèle et de la méthode numérique pour la résolution des problèmes complexes d'écoulements cisaillés en eau peu profonde multidimensionnels
This thesis is devoted to the numerical modelling of multi-dimensional shear shallow water flows. In 1D case, the corresponding equations coincide with the equations describing non--isentropic gas flows with a special equation of state. However, in the multi-D case, the system differs significantly from the gas dynamics model. This is a 2D hyperbolic non-conservative system of equations which is reminiscent of a generic Reynolds averaged model of barotropic turbulent flows. The model has three families of characteristics corresponding to the propagation of surface waves, shear waves and average flow (contact characteristics). First, we show the ability of the one-dimensional conservative shear shallow water model to predict the formation of roll-waves from unstable initial data. The stability of roll waves is also studied.Second, we present in 2D case a new numerical scheme based on a splitting approach for non-conservative systems of equations. Each split subsystem contains only one family of waves (either surface or shear waves) and contact characteristics. The accuracy of such an approach is tested on exact 2D solutions describing the flow where the velocity is linear with respect to the space variables, and on the solutions describing 1D roll waves. Finally, we model a circular hydraulic jump formed in a convergent radial flow of water. Obtained numerical results are qualitatively similar to those observed experimentally: oscillation of the hydraulic jump and its rotation with formation of a singular point. These validations demonstrate the capability of the model and numerical method to solve challenging multi--dimensional problems of shear shallow water flows

Dans certaines simulations numériques exigeantes de mécanique des fluides, ilest nécessaire de simuler des écoulements multiphasiques impliquant de nombreuses contraintes simultanées : nombre de fluides important, évolutions compressibles à la fois isentropes et fortement choquées, équations d’états variables et contrastées, déformations importantes et transport surdes longues distances. Afin de remplir ces objectifs de manière robuste, il est nécessaire que la cohérence thermodynamique du schéma numérique soit vérifiée.Dans le premier chapitre, un schéma de type Lagrange plus projection est proposé pour la simulation d’écoulements diphasiques avec un modèle squelette à six équations et sans termes de dissipation. L’importance de la propriété de préservation des écoulements isentropiques est mise en évidence à l’aide d’une comparaison avec des résultats issus de la littérature pour le test deRansom. Ce chapitre souligne aussi certaines limitations de l’approche Lagrange plus projection pour simuler des modèles multiphasiques.Afin de pallier à ces limitations, une nouvelle procédure de dérivation est proposée afin de construire un schéma mimétique pour la simulation d’écoulements instationnaires compressibles dans un formalisme ALE direct (Arbitrary Lagrangian–Eulerian). La possibilité de choisir a prioriles degrés de liberté permet de s’inscrire dans une continuité avec les schémas historiques décalés, tout en imposant les conservations au niveau discret. L’équation de quantité de mouvement discrèteest obtenue par application d’un principe variationnel, assurant par construction la cohérence thermodynamique des efforts de pression. Cette approche est appliquée au cas d’écoulements monofluides comme preuve de concept au Chapitre 3, puis elle est étendue au cas d’écoulements à Nphasescompressibles au Chapitre 4. Des tests mono et multiphasiques montrent un comportement satisfaisant en terme de conservativité, versatilité aux mouvements de grilles et robustesse
In some highly demanding fluid dynamics simulations, it appears necessary tosimulate multiphase flows involving numerous constraints at the same time : large numbers of fluids, both isentropic and strongly shocked compressible evolution, highly variable and contrasted equations of state, large deformations, and transport over large distances. Fulfilling such a challengein a robust and tractable way demands that thermodynamic consistency of the numerical scheme be carefully ensured.In the first chapter, a Lagrange plus remap scheme is proposed for the simulation of two-phase flows with a dissipation-free six-equation bakcbone model. The importance of the property of isentropic flow preservation is highlighted with a comparison with Ransom test results fromthe literature. This chapter also also point out certain limitations of the Lagrange plus remap approach for multiphase simulations.In order to overcome these limitations, a novel derivation procedure is proposed to construct a mimetic scheme for the simulation of unsteady and compressible flows in a direct ALE (ArbitraryLagrangian-Eulerian) formalism. The possibility to choose a priori the degrees of freedom allows to obtain a continuity with historical staggered scheme, while imposing conservativity at discretelevel. The discrete momentum evolution equation is obtained by application of a variational principle, thus natively ensuring the thermodynamic consistency of pressure efforts. This approach is applied to single-fluid flows as a proof of concept in Chapter 3, then it is extended to N-phasecompressible flows in Chapter 4. Single- and multi-phase tests show satisfactory behavior in terms on conservation, versatility to grid motions, and robustness

L'objet de cette thèse est la construction de méthodes de résolution efficaces pour le calcul d'écoulements hypersoniques réactifs non visqueux. On rappelle (chap. 1) les équations qui régissent un mélange gazeux hors équilibre chimique. On adopte, pour la résolution de ces équations, une approche découplée. L'approximation spatiale repose sur une formulation volumes finis-éléments finis. On construit (chap. 2) un schéma en temps implicite et on montre des calculs autour de géomètries modélisant l'avant de la navette Hermes. En résolvant les équations stationnaires de la chimie par une méthode de newton (chap. 3), on capture des écoulements proche-équilibre. Le couplage Euler-chimie est amélioré (chap. 4) par un algorithme plus robuste de calcul de la température et par la réévaluation de celle-ci entre la résolution des équations d'Euler et celle des équations de la chimie. On adapte (chap. 5) le schéma implicite au calcul d'écoulements en déséquilibre thermique, afin de voir si l'approche découplée reste efficace malgré un nombre croissant d'équations. Le calcul de la température se faisant est partir de l'équation de bilan de l'énergie, on étudie une approche homenthalpique (chap. 6) qui permet le calcul algébrique de l'énergie. Toujours dans un souci d'efficacité, on s'intéresse (chap. 7) aux techniques de décomposition de domaine, en vue de calculs sur des machines parallèles. On applique plusieurs algorithmes de décomposition au calcul d'écoulements hypersoniques réactifs (y compris avec plusieurs modèles physiques). On étudie aussi des algorithmes plus sophistiques sur un problème modèle d'advection-diffusion

Ce travail concerne une étude numérique d’écoulements incompressiblesanisothermes dans une cavité. Dans un premier temps, nous procédons à une modélisation destransferts de chaleur dans une paroi dont l’une de ses faces est recouverte d’une couche dematériau à changement de phase (MCP) de faible épaisseur. Cette modélisation est basée surune condition aux limites de type Signorini. Les équations de transfert sont résolues par uneprocédure itérative spécifique. Cette procédure est ensuite appliquée aux transferts dans unecavité différentiellement chauffée dont l’une des parois est recouverte d’une couche de MCPde faible épaisseur. Les équations qui régissent les transferts d’air sont résolues par uneméthode semi-implicite aux différences finies de second ordre et l’algorithme de projection.Nous validons la procédure en l’appliquant à la cavité entrainée, la marche descendante,l’écoulement autour d’un barreau de section carrée et la convection naturelle dans une cavitédifférentiellement chauffée. Dans un deuxième temps, une étude d’écoulements turbulentsincompressibles dans une cavité ventilée a été effectuée en utilisant un solveur de hauteprécision parallèle développée au LAMPS. Les équations de transfert sont résolues par unschéma compact aux différences finies et l’algorithme de projection. Il est montré notammentque le flux de chaleur appliqué à la paroi inférieure de la cavité influence considérablement lastructure de l’écoulement et les transferts de chaleur ainsi que les champs moyens etfluctuants de la vitesse et de la température
The aim of this work is about a numerical study of anisothermal incompressible flowsconfined in a cavity. We perform a modeling of heat transfer in a wall where one of its faces iscovered with a thin layer of phase change material (PCM). This modeling is based on aSignorini boundary condition. The transfer equations are solved by a specific iterativeprocedure. This procedure is then applied to a differentially heated cavity, one of the walls ofwhich is covered with a thin layer of PCM. The transfer equations are solved by a semi-implicit method with finite second order differences and the projection algorithm. We validatethe procedure by applying it to the lid-driven cavity, downward motion, flow around a squaresection bar and natural convection in a differentially heated cavity. In a second step, the studyof incompressible turbulent flows in a ventilated cavity was carried out using a parallel highprecision solver developed at LAMPS. The transfer equations are solved by a finite differencecompact scheme and the projection algorithm. It is shown in particular that the heat flowapplied to the lower wall of the cavity greatly influences the structure of the flow and the heattransfers, as well as the mean and fluctuating fields of velocity and temperature

Ce travail de thèse porte sur le développement et la comparaison d'outils numériques pour la simulation d'écoulements compressibles réactifs turbulents. Les objectifs de cette étude sont doubles : il s'agit d'une part de tester l'approche de la Simulation des Grandes Échelles Implicite (MILES) et d'autre part de doter le laboratoire d'une plate-forme de simulation numérique performante, évolutive, robuste et précise. Pour cela, deux programmes d'approches et de portées différentes ont été élaborés.
Le premier code, basé sur des schémas aux différences finies compactes centrées d'ordre 6, très précis et non dissipatifs, permet la simulation numérique directe (DNS) d'écoulements 3D turbulents sans chocs, en géométrie cartésienne. Ce code n'introduit pas de dissipation numérique et sert de référence pour tester l'approche MILES.
Le second code s'appuie sur l'utilisation de méthodes récentes à capture de chocs : les schémas WENO. La formulation aux différences finies des schémas WENO d'ordre 3 à 11 est implémentée dans un code bidimensionnel. Le pouvoir de résolution des schémas WENO des différents ordres est évalué par analyse linéaire. Les problèmes spécifiques au cas multi-espèces sont mis en évidence et la positivité des fractions massiques est respectée grâce à la méthode de Larrouturou. Les différentes reconstructions ainsi que l'ordre du schéma sont évalués sur une série de cas test.
Les deux codes font l'objet d'une comparaison sur la simulation d'une flamme 1D laminaire de prémélange et d'un jet 2D turbulent réactif H2/air. Enfin, les potentialités du schéma WENO sont démontrées sur une onde de détonation puis sur une interaction réactive onde de choc/bulle d'hydrogène.

Au cours de ce travail, nous nous sommes attaché à la résolution numérique des équations de la Magnétohydrodynamique (MHD) auxquelles s'ajoute une loi hyperbolique de transport des erreurs de divergence.La première étape consista à symétriser le nouveau système de la MHD idéale afin d'en étudier le système propre, ce qui fut l'occasion de rappeler le rôle de l'entropie au niveau de ce calcul comme à celui de l'inégalité de Clausius-Duhem. La suite de cette thèse eut pour objectif la résolution de ces équations idéales à l'aide de schémas distribuant le résidu (notés RD). Les quatre principaux schémas connus furent testés, et nous avons montré entre autres que le schéma N, qui a fait ses preuves sur les équations d'Euler en mécanique des fluides, n'était pas adapté aux équations de la MHD. Les stratégies classiques de limitation et de stabilisation purent être revisitées à ce moment. Les équations étant instationnaires, il fallut intégrer une discrétisation en temps et une distribution spatiale des termes d'évolution (et d'éventuelles sources). Nous avons d'emblée opté pour une approche implicite permettant d'être performant sur les simulations longues des expériences de tokamaks, et de traiter la correction de la divergence d'une manière originale et efficace. Les problèmes de convergence de la méthode de Newton-Raphson n'ayant pas été pleinement résolus, nous nous sommes tournés vers une alternative explicite de type Runge-Kutta. Enfin, nous avons réétabli les principes de la montée en ordre (en théorie, jusqu'à des ordres arbitraires, en prenant en compte le phénomène de Gibbs) à l'aide de tout type d'élément fini (bien construit) 2D ou 3D, sans avoir pu valider tous ces aspects. Nous avons également pris en compte les équations complètes de la MHD réelle classique (i.e. sans effet Hall) à l'aide d'un couplage RD/Galerkin
During this thesis, we worked on the numerical resolution of the Magnetohydrodynamic (MHD) equations, to which we added a hyperbolic transport equation for the divergence errors of the magnetic field.The first step consisted in symmetrizing the new ideal MHD system in order to study its eigensystem, which was the opportunity to remind the role of the entropy in this calculation as well as in the Clausius-Duhem inequality. Next, we aimed at solving these ideal equations by the mean of Residual Distribution (RD) schemes.The four main schemes were tested, and we showed among other things that the N scheme (although it has been proven very efficient with Euler equations in Fluid Mechanics) could not give satisfying results with the MHD equations. Classical strategies for the limitation and the stabilization were revisited then. Moreover,since we dealt with unsteady equations, we had to formulate atime discretization and a spatial distribution of the unsteady terms (as well as possible sources). We first choosed an implicit approach allowing us to be powerful on the long simulations needed for tokamak experiments, and to treat the divergence cleaning part in an original and efficient way. The convergence problems of our Newton-Raphson algorithm having not been fully resolved, we turned to an explicit alternative (Runge-Kutta type).Finally, we discussed about the principles of higher order schemes (theoretically, up to arbitrary orders, taking into account the Gibbs phenomenon) thanks to any type of 2D or 3D finite element (properly defined), without having been able to to validate all these aspects. We also implemented the dissipative part of the full MHD equations (in the classical sense, i.e. omitting the Hall effect) by the use of a RD/Galerkin coupling

Ce travail est consacré à la modélisation mathématique et numérique des écoulements eau-air en conduite qui interviennent notamment dans les centrales de production d’électricité ou les réseaux d’eaux usées. On s’intéresse particulièrement aux écoulements mixtes caractérisés par la présence de régimes stratifiés pilotés par des ondes gravitaires lentes, de régimes en charge ou secs (conduite remplie d’eau ou d’air) pilotés par des ondes acoustiques rapides, et de poches d’air piégées. Une modélisation précise de ces écoulements est nécessaire afin de garantir le bon fonctionnement du circuit hydraulique sous-jacent. Alors que la plupart des modèles disponibles dans la littérature se concentrent sur la phase eau en négligeant la présence de l’air, un modèle bicouche compressible prenant en compte les interactions eau-air est proposé dans cette thèse. Sa construction réside dans l’intégration des équations d’Euler barotropes sur la hauteur de chaque phase et dans l’application de la contrainte hydrostatique sur le gradient de pression de l’eau. Le modèle obtenu est hyperbolique et satisfait une inégalité d’entropie en plus d’autres propriétés mathématiques notables, telles que l’unicité des relations de saut ou la positivité des hauteurs et densités de chaque phase. Au niveau discret, la simulation d’écoulements mixtes avec le modèle bicouche compressible soulève plusieurs défis en raison de la disparité des vitesses d’ondes caractérisant chaque régime, des processus de relaxation rapide sous-jacents, et de la disparition de l’une des phases dans les régimes en charge ou sec. Une méthode à pas fractionnaires implicite-explicite est alors développée en s’appuyant sur la relaxation rapide en pression et sur le mimétisme avec les équations de Saint-Venant pour la dynamique lente de la phase eau. En particulier, une approche par relaxation permet d’obtenir une stabilisation du schéma en fonction du régime d’écoulement. Plusieurs cas tests sont traités et démontrent la capacité du modèle proposé à gérer des écoulements mixtes incluant la présence de poches d’air piégées
The present work is dedicated to the mathematical and numerical modelling of transient air-water flows in pipes which occur in piping systems of several industrial areas such as nuclear or hydroelectric power plants or sewage pipelines. It deals more specifically with the so-called mixed flows which involve stratified regimes driven by slow gravity waves, pressurized or dry regimes (pipe full of water or air) driven by fast acoustic waves and entrapped air pockets. An accurate modelling of these flows is necessary to guarantee the operability of the related hydraulic system. While most of available models in the literature focus on the water phase neglecting the air phase, a compressible two-layer model which accounts for air-water interactions is proposed herein. The derivation process relies on a depth averaging of the isentropic Euler set of equations for both phases where the hydrostatic constraint is applied on the water pressure gradient. The resulting system is hyperbolic and satisfies an entropy inequality in addition to other significant mathematical properties, including the uniqueness of jump conditions and the positivity of heights and densities for each layer. Regarding the discrete level, the simulation of mixed flows with the compressible two-layer model raises key challenges due to the discrepancy of wave speeds characterizing each regime combined with the fast underlying relaxation processes and with phase vanishing when the flow becomes pressurized or dry. Thus, an implicit-explicit fractional step method is derived. It relies on the fast pressure relaxation in addition to a mimetic approach with the shallow water equations for the slow dynamics of the water phase. In particular, a relaxation method provides stabilization terms activated according to the flow regime. Several test cases are performed and attest the ability of the compressible two-layer model to deal with mixed flows in pipes involving air pocket entrapment