Dissertations / Theses on the topic 'Simulation d'accélérateur de particules'

Les accélérateurs de particules reposent sur des simulations de haute précision pour optimiser la dynamique du faisceau. Ces simulations sont coûteuses en ressources de calcul, rendant leur analyse en temps réel difficilement réalisable. Cette thèse propose de surmonter cette limitation en explorant le potentiel de l'apprentissage automatique pour développer des modèles de substitution des simulations d'accélérateurs de particules. Ce travail se concentre sur ThomX, une source Compton compacte, et introduit deux modèles de substitution : LinacNet et Implicit Neural ODE (INODE). Ces modèles sont entraînés sur une base de données développée dans le cadre de cette thèse, couvrant une grande variété de conditions opérationnelles afin d'assurer leur robustesse et leur capacité de généralisation. LinacNet offre une représentation complète du nuage de particules en prédisant les coordonnées de toutes les macro-particules du faisceau plutôt que de se limiter à ses observables. Cette modélisation détaillée, couplée à une approche séquentielle prenant en compte la dynamique cumulative des particules tout au long de l'accélérateur, garantit la cohérence des prédictions et améliore l'interprétabilité du modèle. INODE, basé sur le cadre des Neural Ordinary Differential Equations (NODE), vise à apprendre les dynamiques implicites régissant les systèmes de particules sans avoir à résoudre explicitement les équations différentielles pendant l'entraînement. Contrairement aux méthodes basées sur NODE, qui peinent à gérer les discontinuités, INODE est conçu théoriquement pour les traiter plus efficacement. Ensemble, LinacNet et INODE servent de modèles de substitution pour ThomX, démontrant leur capacité à approximer la dynamique des particules. Ce travail pose les bases pour développer et améliorer la fiabilité des modèles basés sur l'apprentissage automatique en physique des accélérateurs
Particle accelerators rely on high-precision simulations to optimize beam dynamics. These simulations are computationally expensive, making real-time analysis impractical. This thesis seeks to address this limitation by exploring the potential of machine learning to develop surrogate models for particle accelerator simulations. The focus is on ThomX, a compact Compton source, where two surrogate models are introduced: LinacNet and Implicit Neural ODE (INODE). These models are trained on a comprehensive database developed in this thesis that captures a wide range of operating conditions to ensure robustness and generalizability. LinacNet provides a comprehensive representation of the particle cloud by predicting all coordinates of the macro-particles, rather than focusing solely on beam observables. This detailed modeling, coupled with a sequential approach that accounts for cumulative particle dynamics throughout the accelerator, ensures consistency and enhances model interpretability. INODE, based on the Neural Ordinary Differential Equation (NODE) framework, seeks to learn the implicit governing dynamics of particle systems without the need for explicit ODE solving during training. Unlike traditional NODEs, which struggle with discontinuities, INODE is theoretically designed to handle them more effectively. Together, LinacNet and INODE serve as surrogate models for ThomX, demonstrating their ability to approximate particle dynamics. This work lays the groundwork for developing and improving the reliability of machine learning-based models in accelerator physics

Les radiations sont omniprésentes. Elles ont de nombreuses applications dans des domaines variés: en médecine, elles permettent de réaliser des diagnostiques et de guérir des patients; en communication, tous les systèmes modernes utilisent des formes de rayonnements électromagnétiques; et en science, les chercheurs les utilisent pour découvrir la composition et la structure des matériaux, pour n'en nommer que quelques-unes. Concrètement, la radiation est un processus au cours duquel des particules ou des ondes voyagent à travers différents types de matériaux. La radiation peut être très énergétique, et aller jusqu'à casser les atomes de la matière ordinaire. Dans ce cas, on parlera de radiation ionisante. Il est communément admis que la radiation ionisante peut être bien plus nocif pour les êtres vivants que la radiation non ionisante. Dans cette dissertation, nous traiterons de la radiation ionisante. La radioactivité est le processus d'émission des radiations ionisantes. Elle existe sous forme naturelle, et est présente dans les sols, dans l'air et notre planète entière est bombardée en permanence de rayonnements cosmiques énergétiques. Depuis le début du XXe siècle, les chercheurs sont capables de créer artificiellement de la matière radioactive. Cette découverte a offert de multiples avancées technologiques, mais a eu également de lourdes conséquences pour l'humanité comme l'ont démontrés les évènements de Tchernobyl et de Fukushima ou d'autres accidents dans le monde médical. Cette dangerosité a conduit à l'élaboration d'un système de radioprotection. Dans la pratique, la radioprotection est principalement mise en œuvre en utilisant la méthode ALARA. Cette méthodologie consiste à justifier, optimiser et limiter les doses reçues. Elle est utilisée conjointement avec les limites légales. Le facteur d'optimisation est contraint par le fait que l'exposition volontaire d'un travailleur aux radiations lors d'une opération doit être plus bénéfique que si aucune intervention humaine n'était conduite dans une situation donnée. Dans le monde industriel et scientifique, il existe des infrastructures qui émettent des rayonnements ionisants. La plupart d'entre elles nécessitent des opérations de maintenance. Dans l'esprit du principe ALARA, ces interventions doivent être optimisées pour réduire l'exposition des travailleurs aux rayonnements ionisants. Cette optimisation ne peut pas être réalisée de manière automatique car la faisabilité des interventions nécessite dans tous les cas une évaluation humaine. La planification des interventions peut cependant être facilitée par des moyens techniques et scientifiques comme par exemple un outil informatique. Dans le contexte décrit ci-dessus, cette thèse regroupe des considérations techniques et scientifiques, et présente la méthodologie utilisée pour développer des outils logiciels pour la mise en œuvre de la radioprotection.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la simulation de particules colloïdales. Plus précisément, nous nous intéressons aux particules dans un écoulement turbulent et modélisons leur dynamique par un processus lagrangien, leurs interactions comme des collisions parfaitement élastiques où l'influence de l'écoulement est modélisée par un terme de force sur la composante vitesse du système. En couplant les particules deux par deux et considérant leurs position et vitesse relatives, la collision parfaitement élastique devient une condition de réflexion spéculaire. Nous proposons un schéma de discrétisation en temps pour le système Lagrangien résultant avec des conditions aux bords spéculaires et prouvons que l'erreur faible diminue au plus linéairement dans le pas de discrétisation temporelle. La démonstration s’appuie sur des résultats de régularité de l'EDP Feynman-Kac et requiert une certaine régularité sur le terme de force. Nous expérimentons numériquement certaines conjectures, dont l’erreur faible diminuant linéairement pour des termes de force qui ne respectent pas les conditions du théorème. Nous testons le taux de convergence de l’erreur faible pour l’extrapolation de Romberg. Enfin, nous nous intéressons aux approximations Lagrangiennes/Browniennes en considérant un système Lagrangien où la composante vitesse se comporte comme un processus rapide. Nous contrôlons l'erreur faible entre la composante position du modèle Lagrangien et un processus de diffusion uniformément elliptique. Nous démontrons ensuite un contrôle similaire en introduisant une limite réfléchissante spéculaire sur le système Lagrangien et une réflexion appropriée sur la diffusion elliptique
This thesis broadly concerns colloidal particle simulation which plays an important role in understanding two-phase flows. More specifically, we track the particles inside a turbulent flow and model their dynamics as a stochastic process, their interactions as perfectly elastic collisions where the influence of the flow is modelled by a drift on the velocity term. By coupling each particle and considering their relative position and velocity, the perfectly elastic collision becomes a specular reflection condition. We put forward a time discretisation scheme for the resulting Lagrange system with specular boundary conditions and prove that the convergence rate of the weak error decreases at most linearly in the time discretisation step. The evidence is based on regularity results of the Feynman-Kac PDE and requires some regularity on the drift. We numerically experiment a series of conjectures, amongst which the weak error linearly decreasing for drifts that do not comply with the theorem conditions. We test the weak error convergence rate for a Richardson Romberg extrapolation. We finally deal with Lagrangian/Brownian approximations by considering a Lagrangian system where the velocity component behaves as a fast process. We control the weak error between the position of the Lagrangian system and an appropriately chosen uniformly elliptic diffusion process and subsequently prove a similar control by introducing a specular reflecting boundary on the Lagrangian and an appropriate reflection on the elliptic diffusion

La simulation de fluides extrêmement visqueux à l’aide d’une approche basée sur les SPH (Smoothed-particle Hydrodynamics) est une tâche fastidieuse. Le paramètre contrôlant la viscosité varie entre 0 (liquide) et +∞, il est donc difficile de trouver une valeur produisant le comportement visqueux désiré. De plus, puisque les équations sont posées sous la forme d’un problème raide, la simulation de fluides extrêmement visqueux implique l’application de très grandes forces sur les particules du fluide. Ces très grandes forces nécessitent un très petit pas de temps afin de conserver la stabilité de la simulation et produire de bons résultats. L’approche présentée dans ce mémoire utilise un intégrateur itératif de type prédiction-correction afin d’optimiser des forces de rigidité appliquées au sein du fluide, produisant ainsi un comportement variant de liquide à solide. À chaque itération de l’optimisation des forces, la position des particule est prédite. La déformation des particules est ensuite mesurée et comparée à une déformation cible et puis les forces de rigidité sont ajustées afin de contrer la différence entre celles-ci. Comparativement au paramètre de viscosité des approches typiques, le paramètre de rigidité proposé est plus facile à contrôler puisqu’il fournit une variation continue de la déformation dans l’intervalle de 0 (liquide) à 1 (solide). Puisque la simulation de fluides extrêmement visqueux est sujette à de grands temps de calculs et des instabilités, le modèle proposé est complémenté avec certaines améliorations importantes. Premièrement, une amélioration du calcul du pas de temps adaptatif est proposée résultant à la fois en une diminution des temps de calcul et une amélioration de la stabilité de la simulation. Deuxièmement, une approche implicite à la diffusion de température offre une stabilité accrue lors de la fonte et de la solidification peu importe la taille du pas de temps. Troisièmement, une propagation de contraintes permet une convergence plus rapide des forces de rigidité vers un comportement réaliste. Ensemble, ces améliorations et le modèle proposé permettent la simulation de comportements extrêmement visqueux qui étaient très difficiles, voire impossibles, à simuler à l’aide des approches actuelles basées sur les SPH.

On s'interesse a la simulation d'ecoulements diphasiques compressibles instationnaires sur maillage non structure par des methodes volumes finis decentrees. On retient un modele a deux fluides a quatre equations pour la simulation d'ecoulements gaz-particules. Le systeme de convection associe est non conservatif et conditionnellement hyperbolique. On ne sait pas resoudre le probleme de riemann unidimensionnel associe et l'on ne peut pas demontrer le respect du principe du maximum pour la variable fraction volumique. On propose alors une methode a pas fractionnaires pour la resolution de ce systeme de sorte que le principe du maximum soit preserve dans chacun des sous-pas. Chaque sous-systeme est resolu par un solveur de type godunov ou roe avec une discretisation appropriee des termes non conservatifs. Des tests bidimensionnels comprenant des ondes de detente et de choc sont presentes et montrent que l'algorithme traite correctement les chocs forts. On presente ensuite les resultats de la simulation d'un ecoulement stationnaire dans une tuyere et des simulations fortement instationnaires de lits fluidises denses. Ces simulations ont montre la capacite de l'algorithme a gerer les ecoulements ou le taux de compactage des particules peut avoisiner le maximum. On etudie ensuite un modele homogene a trois equations qui suppose la vitesse de glissement entre phases nulle. Le systeme de convection associe est alors inconditionnellement hyperbolique et conservatif. Ceci nous permet de resoudre le probleme de riemann monodimensionnel associe et l'on montre que le respect du principe du maximum est assure si la modelisation de la pression intergranulaire est adequate. On choisit de mettre en uvre un schema recemment propose pour la resolution des systemes hyperboliques complexes. Des simulations bidimensionnelles sont presentees et comparees avec les resultats obtenus par le modele a deux fluides a quatre equations

Nous etudions la filtration de particules entrainees par un ecoulement a faible nombre de reynolds dans un empilement desordonne de spheres de verre de meme taille. Nous pouvons visualiser la trajectoire des particules car l'indice de refraction du fluide est ajuste avec celui du verre. L'influence de la structure geometrique du filtre et les effets hydrodynamiques sont etudies plus particulierement. Les mesures portent sur les distributions statistiques des profondeurs de penetration des particules dans le milieu. Des experiences systematiques en fonction de la taille des particules nous ont permis de mettre en evidence deux types de sites de capture: sites de constriction de taille inferieure a celle des particules et sites ou la capture est due a des effets hydrodynamiques. D'autre part, nous avons observe que des particules injectees par paquets penetrent plus loin dans le filtre que si elles sont injectees une a une. Par comparaison avec des experiences sans ecoulement, nous avons pu montrer que cet effet de concentration inattendu est du aux interactions hydrodynamiques entre les particules qui en se propageant modifient le champ local de vitesse dans le milieu. L'etude numerique consiste en une simulation monte carlo ou l'espace des pores est modelise par un reseau carre a deux dimensions de tubes de rayon aleatoire. Les vitesses locales sont calculees par application de la loi de poiseuille et la loi de propagation des particules est probabiliste: la probabilite pour une particule de choisir un pore est proportionnelle au debit dans ce pore. La modelisation de l'effet de concentration des particules qui augmente leur profondeur de penetration consiste a definir un rayon d'interaction hydrodynamique entre particules de l'ordre d'une ou deux longueurs de pore. Une particule capturee peut etre liberee par le passage alentour d'une autre particule situee a une distance inferieure a ce rayon d'interaction

L'objectif des travaux presentes dans cette these est de d'etudier le transport des particules lourdes dans la gaine d'une decharge luminescente basse pression. Pour cela, nous avons developpe des modeles particulaires bases sur la methode de monte carlo pour simuler le transport des ions et des neutres dans les gaz rares. Tout d'abord, le calcul de la vitesse de derive d'ions dans les gaz rares nous a permis, par comparaison avec des mesures experimentales, d'identifier les jeux de sections efficaces de collision a utiliser. Nous avons aussi teste la validite de l'hypothese d'equilibre local en champ non uniforme et avons mis en evidence des retards a l'equilibre pour des ions d'argon dans du neon pur. La deuxieme etude menee concerne le calcul du taux de pulverisation cathodique due aux bombardement des ions et des neutres rapides, a l'aide d'un modele monte carlo pour les lourds couple a un modele hybride de decharge. Nous avons trouve que plus de 70% de la pulverisation est due au bombardement de neutres rapides. Avec ce modele auto-coherent, nous avons aussi calcule la puissance deposee dans le gaz et a la cathode et en avons deduit la temperature du gaz. Malgre que la majorite de la puissance electrique gagnee par les ions soit deposee a la cathode, nous avons trouve que la temperature du gaz peut depasser 450 k pour nos conditions. Finalement, nous avons applique nos modeles et notre connaissance des mecanismes de pulverisation et de depot de puissance a l'etude de la cellule de decharge d'un spectrometre de masse a decharge luminescente (gdms). Ce dispositif, qui permet l'analyse de purete de materiaux utilises comme cathode, necessite une bonne connaissance de la decharge pour determiner les conditions optimales pour la pulverisation. Nous avons ainsi calcule les taux de pulverisation pour differentes geometries et determine les profils d'erosion cathodique.

Nous étudions dans ce travail une méthode de type éléments finis dans le but de simuler le mouvement de particules rigides immergées. La méthode développée ici est une méthode de type domaine fictif. L'idée est de chercher un prolongement régulier de la solution exacte à tout le domaine fictif afin d'obtenir une solution régulière sur tout le domaine et retrouver l'ordre optimal de l'erreur avec des éléments d'ordre 1. Le prolongement régulier est cherché en minimisant une fonctionnelle dont le gradient est donné par la solution d'un nouveau problème fluide faisant intervenir une distribution simple couche dans le second membre. Nous faisons une analyse numérique, dans le cas scalaire, de l'approximation de cette distribution par une combinaison de masse de Dirac. Un des avantages de cette méthode est de pouvoir utiliser des solveurs rapides sur maillages cartésiens tout en conservant l'ordre optimal de l'erreur. Un autre avantage de la méthode vient du fait que les opérateurs ne sont pas modifiés, seul les seconds membres dépendent de la géométrie du domaine initial. Nous avons de plus écrit un code C++ parallèle en deux et trois dimensions, permettant de simuler des écoulements fluide/particules rigides avec cette méthode. Nous présentons ainsi une description des principales composantes de ce code.

Il est présenté dans ce mémoire une approche globale d’étude et de modélisation des interactions entre particules dans les fluides magnétorhéologiques. D’abord, une campagne expérimentale étudiant l’augmentation de la capacité de transmission d’une contrainte de cisaillement du fluide par une compression est présentée. Les essais ont démontré que l’augmentation pouvait atteindre plusieurs dizaines de fois la capacité initiale sans compression. Une base macroscopique d’observation des interactions entre particules est obtenue. Ensuite, l’élaboration d’une simulation par éléments discrets appliquée aux fluides magnétorhéologiques est présentée. Elle permet, entre autres, l’observation qualitative de l’arrangement des particules et de leur état de force. Finalement, les bases d’un modèle mathématique fondé sur l’hypothèse d’un milieu continu micro-polaire appliqué aux fluides magnétorhéologiques sont proposées. Une méthode d’homogénéisation est proposée afin de mettre à profit l’information tirée de la campagne expérimentale et de la simulation de particules pour obtenir les lois de comportements rhéologiques.
Because of their great potential in mechanical design, magnetorheological fluids have been the subject of a lot of research during the last decade. Although they are already used in some semi-active dampers, their use in other promising technologies such as magnetorheological clutches remains not usual. The main reason for this lack of representation in clutch technologies is the relatively low shear stress transmission capability of these fluids. As a solution, some researchers proposed the application of a compressive stress on the fluid layer while maintaining a magnetic field. As a result, the shear stress transmission capability increases significantly. This effect has been called the Squeeze-Strengthen effect. This effect focuses on the significant interactions between the ferromagnetic particles present in the fluid. This master thesis proposes a global approach to study and model the interactions between particles in magnetorheological fluids. First, experiments are performed to study the Squeeze-Strengthen effect in the context of clutch technologies. The tests have shown that shear stress transmission capacity can be easily increased more than ten times the initial capacity without compression. Then, a numerical model based on the discrete elements method applied to the magnetorheological fluids is proposed. This simulation allows the determination of the state of forces on each particle considered in the model. Some qualitative observations of the particle structure can be made from this simulation. Finally, the bases of a mathematical model of continuum mechanics applied to the magnetorheological fluids are posed. In order to take the particle interactions into account, the assumption of a micro polar medium is made. An homogenization technique is proposed as a way to use the information obtained from the numerical simulations and the experimental investigations in order to obtain the rheologic behaviour laws.

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières
Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling
O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (< 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas

Le transport de particules solides en suspension dans un écoulement turbulent a été étudié dans des modèles réduits de décanteurs constitués d'une marche inclinée en entrée et d'un déversoir en sortie. Le champ des vitesses moyennes et fluctuantes a été obtenu par anémométrie laser à effet Doppler notamment dans la zone de recirculation due à la marche. Des injections de particules ont permis de déterminer des pourcentages de sortie en matière solide ainsi que la répartition surfacique des particules déposées. Ces résultats expérimentaux ont permis de connaître l'influence de la géométrie sur le fonctionnement des décanteurs. Les résultats relatifs au champ des vitesses ont été comparés à ceux d'un modèle de turbulence bidimensionnel vertical (code VEST). Ceux relatifs au transport de particules ont été confrontés aux résultats d'un modèle tridimensionnel eulérolagrangien de simulations de trajectoires de particules solides (code TRAPS) utilisant le champ moyen calculé par VEST. Des résultats satisfaisants ont été obtenus aussi bien pour les pourcentages de sortie que pour la répartition surfacique des particules sédimentées
Transport of solid particles in suspension within a turbulent flow has been studied in physical models of settling tanks consisting of a sloping backward facing step and an outlet weir. Mean and fluctuating velocities have been measured by laser Doppler anemometry particularly in the recirculation region generated by the step. Particles injection allowed to determine percentages of outgoing particles as well as the repartition of sedimented particles. Thèse experimental results were used to assess the influence of the geometry on the settling tank efficiency. Experimental results on velocity fields were compared with a vertical two-dimensional turbulence model (VEST code). Results relative to the transport of particles were confronted to the output of an eulero-lagrangian three-dimensional model for the simulation of solid particles trajectories (TRAPS code). This code uses as input the mean field calculated by VEST. A good agreement has been obtained on outgoing percentages as well as on the repartition of sedimented particles

La variété des structures colloïdales auto assemblées est principalement due à la présence d'interactions anisotropes. Nous présentons ici une méthode numérique pour étudier l'agrégation irréversible par patches de particules sphériques. Il s'agit d'une amélioration de la dynamique d'amas browniens prenant en compte les interactions par patches et les mouvements de rotation. Nous limitons notre étude aux particules à deux patches opposés de taille variable. Une interaction isotrope, faible, est également ajoutée pour modéliser une polymérisation par étape dans diverses conditions de solvant. Cet algorithme a été testé sur des chaînes isolées et nous avons retrouvé les propriétés statiques et dynamiques attendues. En jouant sur la balance entre la qualité du solvant et la taille des patches diverses morphologies hors-équilibres sont obtenues. Même dans la limite diluée, les collisions corrélées jouent un rôle important et une description de type Smoluchowski échoue.

L'objectif de ce travail est l'etude du transport des particules (photons, electrons et positrons) dans la matiere ainsi que le traitement de diverses applications ayant un interet dans les domaines de la dosimetrie, de la radioprotection ou de la radiologie. Cette etude est abordee par le biais de la simulation monte carlo des phenomenes stochastiques. L'outil de travail qui a ete mis au point est un logiciel (ou systeme) qui simule le transport de ces trois types de particules dans des materiaux quelconques et pour des geometries complexes. La gamme d'energie de ces particules va de quelques dizaines de kev a 100 mev. Le nom donne a ce systeme est gepts (gamma, electron and positron transport system). La description des differents types d'interactions est detaillee avec un maximum de precision. Plusieurs approximations usuelles sont alors contournees. De nouvelles distributions de diffusions multiples et de pertes d'energie ainsi que d'autres developpements personnels sont proposes. Une partie importante de la these est reservee aux applications qui illustrent les capacites du systeme. Les resultats obtenus sont compares a ceux des principaux systemes existant (etran, egs4) et autres mesures experimentales. Dans la majorite des cas gepts donne des resultats d'une grande precision

Cette these aborde d'un point de vue numerique l'etude de la dynamique quantique de l'accelerateur de fermi qui presente classiquement du chaos: il s'agit d'une particule dans une boite a une dimension dont l'une des parois oscille. Nous etudions d'abord la mecanique classique: nous montrons que le temps du choc d'une particule sur une paroi mobile et l'energie de la particule dans le referentiel de la paroi sont des variables conjuguees et que les sections de poincare dans ces variables sont plus lisibles que les sections stroboscopiques usuelles. Ensuite, la dynamique quantique de ce systeme est etudiee au moyen de deux methodes numeriques: la premiere est une generalisation de la methode kkr dans l'espace-temps ; il suffit de resoudre une equation integrable sur le bord d'un billard espace-temps. La seconde methode est plus rapide et consiste en une succession de propagations libres et de pulses de potentiel. Ceci nous permet de calculer les etats de floquet que nous pouvons d'une part comparer a la dynamique classique grace aux distributions de husimi et d'autre part etudier en fonctions des parametres du systeme. Cette etude nous permet d'illustrer tres clairement certains phenomenes comme la localisation spatiale d'un paquet d'ondes dans un puits vibrant ou l'effet tunnel. Dans le regime adiabatique, nous donnons une formule pour les quasi-energies qui fait apparaitre notamment un terme de phase independant de l'etat (phase adiabatique). Dans ce regime, il existe des situations particuliere ou le spectre de quasi-energies presente une quasi-degenerescence totale. Alors l'energie d'un paquet d'ondes peut croitre de facon significative. Ce phenomene de resonance est tout a fait inattendu pour des oscillations lisses du mur vibrant. La troisieme partie traite de l'evolution d'une onde classique dans l'accelerateur de fermi. Grace a la methode kkr generalisee, nous mettons en evidence un phenomene quelque peu surprenant: dans la plupart des cas (pourvu que le mouvement du mur soit periodique) une onde se localise exponentiellement dans le puits et son energie augmente de facon exponentielle

Le rôle des mécanismes mésoscopiques dans le traitement et la conception des aliments est encore mal compris, notamment pour la transformation orale et la perception de la texture. Malgré le développement de la physique de la matière molle, les scientifiques peinent encore à relier les comportements micro-, méso- et macroscopiques par des simulations. Cette thèse se concentre sur les simulations mécaniques, excluant les effets thermiques, chimiques et physico-chimiques, pour explorer le comportement des aliments à l'échelle mésoscopique. Nous avons développé une approche de simulation dans LAMMPS combinant des implémentations de "smoothed-particle hydrodynamics" (SPH) pour les liquides et les solides élastiques. Cette approche a été validée pour des scénarios comme l'écoulement de Couette et la déformation des granules. Les résultats démontrent l'efficacité de l'approche pour capter la dynamique des structures alimentaires et leurs interactions avec des papilles et des cils ; offrant de nouvelles perspectives sur la perception de la texture. L'étude met aussi en évidence l'impact de l'élasticité des granules et de leur fraction volumique sur les propriétés d'écoulement. Ce travail, centré sur la mécanique, reste ouvert à l'intégration future de processus thermiques, chimiques et biologiques dans les modèles alimentaires. Les recherches futures viseront à intégrer plus de physiques et à rendre les outils de simulation plus accessibles aux ingénieurs, pour favoriser les applications pratiques en science des aliments
The role of mesoscopic mechanics in food processing and design is not well understood, particularly for oral processing and texture perception. Despite the recognized importance of soft matter, the food science community has struggled to bridge the gap between micro-, meso-, and macro-scale behaviours using simulations. This thesis addresses this challenge by focusing on mechanical simulations, excluding thermal, chemical and physicochemical effects, to explore food behaviour at the mesoscopic scale. We have developed a simulation framework within the LAMMPS environment, combining smoothed-particle hydrodynamics (SPH) implementations for liquids and elastic solids. We validated the framework across scenarios such as Couette flow and deformation of granules in a flow. The results show the framework's effectiveness in capturing food structure dynamics and interactions with cilia and papillae and offer new insights into texture perception and hydrodynamics. The study also highlights how granule elasticity and volume fraction impact flow properties and their eventual role in texture perception. This work focuses on mechanics while deliberately remaining flexible enough to integrate mechanical, thermal, chemical, and biological processes in future food science models. Proposed future research includes strategies to integrate more physics and scales and efforts to improve the accessibility of simulation tools for engineers, advancing practical applications in food science

La 3D s'impose comme un nouveau média dont l'adoption généralisée passe par la conception d'outils, accessibles au grand public, de création et de manipulation de formes tridimensionnelles quelconques. Les outils actuels reposent fortement sur la modélisation sous-jacente des formes, généralement surfacique, et sont alors peu intuitifs ou limitatifs dans l'expressivité offerte à l'utilisateur.Nous souhaitons, dans ces travaux, définir une approche ne présentant pas ces défauts et permettant à l'utilisateur de se concentrer sur le processus créatif. En nous inspirant de l'utilisation séculaire de l'argile, nous proposons une approche modélisant la matière sous forme lagrangienne.Une forme est ainsi décrite par un système de particules, où chaque particule représente un petit volume du volume global.Dans ce cadre lagrangien, la méthode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) permet l'approximation de grandeurs physiques en tout point de l'espace. Nous proposons alors une modélisation de matériaux à deux couches, l'une décrivant la topologie et l'autre décrivant la géométrie du système global.La méthode SPH permet, entre autres, d'évaluer la densité de matière. Ceci nous permet de définir une surface implicite basée sur les propriétés physiques du système de particules pour redonner un aspect continu à la matière.Ces matériaux peuvent alors être manipulés au moyen d'interactions locales reproduisant le maniement de la pâte à modeler, et de déformations globales. L'intérêt de notre approche est démontrée par plusieurs prototypes fonctionnant sur des stations de travail standard ou dans des environnements immersifs
3D is emerging as a new media. Its widespread adoption requires the implementation of userfriendly tools to create and manipulate three-dimensional shapes. Current softwares heavily rely on underlying shape modeling, usually a surfacic one, and are then often counter-intuitive orlimiting. Our objective is the design of an approach alleviating those limitations and allowing the user to only focus on the process of creating forms. Drawing inspiration from the ancient use of clay,we propose to model a material in a lagrangian description. A shape is described by a particles system, where each particle represents a small fraction of the total volume of the shape. In this framework, the Smoothed Particle Hydrodynamics method enables to approximate physical values anywhere in space. Relying on this method, we propose a modeling of material with two levels, one level representing the topology and the other one describing local geometry of the shape.The SPH method especially enables to evaluate a density of matter. We use this property todefine an implicit surface based on the physical properties of the particles system to reproduce the continuous aspect of matter. Those virtual materials can then be manipulated locally through interactions reproducing the handling of dough in the real world or through global shape deformation. Our approach is demonstrated by several prototypes running either on typical desktop workstation or in immersive environment system

Cette thèse comporte trois parties.
Dans la première, nous présentons une méthode de simulation d'écoulements fluide/particules. Nous montrons que la pénalisation du tenseur des contraintes, associée à une discrétisation en temps par la méthode des caractéristiques, conduit à une formulation variationnelle de type Stokes généralisée. Des tests numériques sont effectués sous FreeFem++ afin d'étudier la convergence. Nous en présentons également trois exemples d'utilisation.
Dans la seconde partie nous proposons un modèle permettant de prendre en compte les forces de lubrification dans les simulations directes d'écoulements fluide/particules. Nous présentons d'abord un modèle de contact visqueux dans le cas particule/plan, obtenu comme limite, à viscosité nulle, du modèle de lubrification. Nous décrivons ensuite un algorithme reposant sur une étape de projection des vitesses, à chaque instant, sur un espace dit de vitesses admissibles. On montre alors la convergence du schéma et on généralise l'algorithme au cas multi-particules. Nous en présentons également un exemple de programmation orientée objet.
Dans la dernière partie, nous considérons un système discret de sphères (boulier en 1D) qui interagissent à travers la force de lubrification. Le modèle microscopique repose sur le développement de cette force à courte distance. Nous proposons une équation constitutive marcoscopique, de type Newtonien, reposant sur une viscosité linéique proportionnelle à l'inverse de la fraction locale de fluide. Nous établissons la convergence du modèle microscopique vers le modèle macroscopique proposé.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale et numérique de l'écoulement de particules dans un empilement de sphères plus grosses. Un dispositif expérimental a été mis au point pour étudier la dispersion latérale et le temps moyen de séjour d'un paquet de particules dans un milieu poreux. Nous avons en particulier déterminé la dépendance du temps moyen de transit en fonction du nombre de particules en écoulement, de la taille des particules et de la hauteur du milieu poreux. Nous avons également caractérisé la dépendance du coefficient de dispersion latéral avec le nombre de particules transitant dans la structure poreuse. Dans un deuxième temps, nous avons développé des modèles de simulations numériques basés sur les méthodes « Event-Driven » et « dynamique moléculaire de sphères molles ». Ceux-ci nous ont permis de compléter l'étude expérimentale en analysant l'influence de divers paramètres supplémentaires. L'accès à l'intérieur du milieu poreux a permis une analyse plus fine de la dispersion des particules. Enfin, nous avons abordé la possibilité d'utiliser le phénomène de percolation spontanée pour réaliser un mélangeur. Grâce à l'outil numérique, nous avons réalisé et caractérisé des mélanges de particules de tailles différentes. Nous avons alors montré que ce procédé s'avère être un moyen simple et efficace pour obtenir des mélanges homogènes de particules
This work deals with experimental and numerical investigations on particles flow through a packing of larger spheres. We built an experimental device to study lateral dispersion and the mean transit time of a blob of particles through a porous medium. Particularly, we determined the dependence of the mean transit time on the number of particles, on particle size and on the height of the porous medium. We also characterized the dependence of the lateral dispersion coefficient on the number of particles moving in the porous structure. Then, we developed numerical simulation models based on « Event-Driven » and « molecular dynamic of soft spheres » methods. Those allowed us to supplement the experimental study by analyzing the influence of various additional parameters. The access inside the porous medium allowed a finer analysis of particles dispersion. Finally, we approached the possibility of using the spontaneous percolation phenomenon to produce a mixer. Thanks to the numerical tool, we carried out and characterized mixtures of particles of different sizes. We showed that this process proves to be a simple and effective method to obtain homogeneous mixtures of particles

L'objectif de ce travail est d'apporter une contribution tant expérimentale que numérique à l'étude des phénomènes de collisions entre particules en écoulement gaz-solide. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'une technique lagrangienne de suivi des particules complétée par une méthode probabiliste pour tenir compte des collisions entre celles-ci. Le premier chapitre est consacré à une revue bibliographique sur les problèmes de collisions entre particules et sur les interactions particules-parois dont le rôle est également important en écoulement en conduite. Le deuxième chapitre présente l'élaboration d'un dispositif expérimental original, permettant l'étude d'un écoulement gaz-solide en conduite où les effets des collisions entre particules sont prépondérants. Le troisième chapitre expose ensuite la technique photographique de visualisation employée et la méthode d'analyse d'images qui lui est associée. Les résultats expérimentaux (chapitre IV) obtenus pour deux débits massiques en particules de verre, sphériques, de 3mm de diamètre, montrent l'influence des collisions entre particules sur l'évolution des caractéristiques de l'écoulement (profils de vitesses et de concentration). Cette partie expérimentale est complétée par la mesure des caractéristiques des contacts particules-parois (coefficients de restitution et de frottement, paramètre de rugosité) pour les particules et le type de paroi utilisés. L'étude de l'influence respective de chacun des paramètres intervenant dans les modélisations des interactions particules-parois et des collisions entre particules est réalisée au chapitre V. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques (chapitre VI), où l'on fait évoluer les paramètres les plus influents, permet de confirmer la pertinence de l'utilisation du modèle probabiliste introduit dans la simulation lagrangienne. Cependant, bien qu'une amélioration ait été apportée au modèle probabiliste, il reste nécessaire de perfectionner l'expression de la fréquence de collisions utilisée. En outre, la modélisation de la legère non-sphéricité des particules devrait également permettre de meilleures prédictions
The aim of the present work is to bring experimental and numerical contributions to the knowledge of the effects of collisions between particles in gas-solid flows. A Lagrangian simulation, using a probabiIistic model to take particIe-to-particle collisions into account is used. The first chapter consists in a review of previous works on these collisions and on particle-wall interactions in gas-solid suspension flows. The second chapter explains the development of an original experimental facility allowing the investigation of a gas-solid flow, in a vertical convergent channel, where effects of collisions between particIes are preponderant. Then, the third chapter describes the photographic technique of visualization and the image analysis method. Experimental results (Chapter IV) obtained for two mass flow rates of spherical glass beads (3mm in diameter) show the influence of collisions between particles on the evolution of the characteristics of the flow (velocity and concentration profiles). This experimental work is completed with measurements of particle-wall interactions characteristics (restitution and friction coefficients, roughness parameter) in our experiments. Next, the study of the influence of each parameter used to model particle-wall interactions and particle-to-particle collisions in the Lagrangian simulation is realized in chapter V. Finally, experimental resuIts are compared with predictions of this simulation (Chapter VI). The relevancy of using a probabilistic model to take collisions between particles into account is shown. An improvement of this model has been proposed. Nevertheless, it still needs to be improved. Departure from sphericity of the particles should also be modelled to get better predictions

Ce travail présente quelques résultats sur les systèmes de particules en interaction pour l'interprétation probabiliste des équations aux dérivées partielles, avec des applications à des questions de dynamique moléculaire et de chimie quantique. On présente notamment une méthode particulaire permettant d'analyser le processus de la force biaisante adaptative, utilisé en dynamique moléculaire pour le calcul de différences d'énergies libres. On étudie également la sensibilité de dynamiques stochastiques par rapport à un paramètre, en vue du calcul des forces dans l'approximation de Born-Oppenheimer pour rechercher l'état quantique fondamental de molécules. Enfin, on présente un schéma numérique basé sur un système de particules pour résoudre des lois de conservation scalaires, avec un terme de diffusion anormale se traduisant par une dynamique de sauts sur les particules

Ce travail presente une etude de suspensions bidisperses de particules soumises a divers types d'ecoulements de cisaillement. On utilise une methode de dynamique stokesienne pour rendre compte des interactions hydrodynamiques de lubrification. Une premiere partie, consacree a la diffusion dans un ecoulement de cisaillement plan simple, montre l'importance des forces de lubrification qui, lors d'une interaction a deux particules, interdisent le contact entre les surfaces. On determine les coefficients de diffusion self et collectif de petites particules dans la limite de suspensions diluees. Il apparait que ces coefficients diminuent avec la difference de taille des spheres. Un comportement similaire a ete observe sur une suspension concentree. On a aussi remarque que la self diffusion augmente avec la concentration a cause du nombre plus eleve de collisions par unite de temps. En revanche, on a note une nette diminution du coefficient de diffusion collectif avec la concentration : les interactions hydrodynamiques forment des agregats de particules qui affaiblissent alors les flux diffusifs. Dans une deuxieme partie, nous avons simule une suspension s'ecoulant dans une geometrie de type couette cylindrique. Il apparait alors une segregation en taille des particules : les plus grosses migrent vers l'exterieur de l'ecoulement tandis que les plus petites se trouvent pres du cylindre interne. Dans la derniere partie, nous etudions a nouveau un ecoulement de type cisaillement plan simple tout en maintenant notre interet sur la segregation en taille. On a pu notamment apprecier le role des interactions hydrodynamiques qui empechent completement la formation de bandes alternatives constituees de grosses et de petites particules. Ces bandes n'apparaissent qu'en presence de forces directes entre particules et sans interaction hydrodynamique.

Un grand nombre d'écoulements naturels et industriels mettent en jeu des particules (sédimentation,lit fluidisé, sprays...). Les écoulements chargés en particules sont bien décrits numériquement sous l'hypothèse des particules plus petites que toutes les échelles de l'écoulement. Cette thèse consiste à simuler numériquement une turbulence homogène et isotrope soutenue chargée en particules dont la taille est supérieure à l'échelle de Kolmogorov. Pour se faire une méthode de simulation a été développée au sein du code Thétis puis validée. L'originalité de cette méthode consiste en l'utilisation d'une approche de pénalisation associée à la viscosité dans la zone solide. Les particules sont transportées de façon lagrangienne. Les principaux résultats concernent trois simulations faisant varier le rapport de densité entre le fluide et le solide. Chaque simulation simule le mouvement de 512particules avec un diamètre 22 fois plus grand que l'échelle spatiale de Kolmogorov remplissant ainsi3% du volume total. La dispersion des particules est étudiée et montre des comportements comparables à ceux observés pour des particules ponctuelles. Un intérêt particulier est porté sur le régime collisionnel. On observe que la corrélation des vitesses avec le fluide environnant réduit le nombre de chocs frontaux par rapport au cas théorique de particules d'un gaz dense. L'effet de la prise en compte du fluide visqueux entre les particules (couche de lubrification) lors de la collision a été étudiée. L'écoulement moyen à l'échelle des particules est aussi analysé, mettant en évidence l'existence d'une couche de dissipation autour des particules
Many applications and natural environment flows make use of particles (sedimentation, fluidized bed,sprays...). Particle laden flows are described correctly by numerical methods when the particles are smaller than all other spatial scales of the flow. This thesis involves the numerical simulation of a particle laden sustained homogeneous isotropic turbulence whose particle's size is larger than the Kolmogovov spatial scale. A numerical method has been developed and validated in the numerical code Thetis. The novelty of this method is the viscosity penalization approach. The particles are tracked by a Lagrangian way. The main results obtained are related to three simulations where the density ratio between the solid and the fluid varies. Each simulation reproduces the movement of 512particles whose diameter is 22 times the Kolmogorov spatial scale (3% volumetric solid fraction).The dispersion of particles is studied and has similar behavior than those observed with point particles simulations. The collision regime is also investigated. It is shown that he number of frontal collision is lower than its estimate for kinetic theory of gazes because there is a correlation between the particles velocity and the surrounding fluid. The modification of the collision regime when the lubrication film between particles at collision is taken into account is studied. Finally, the averaged flow around particles is analyzed and shows that there is a dissipation layer around particles

L'objectif de ce travail est d'améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements diphasiques gaz-solide en canal vertical, à partir de simulations numériques. Deux méthodes de calcul sont utilisées : une approche lagrangienne (suivi indépendant de la trajectoire de chaque particule) et une approche eulérienne d'ordre 2 (résolution directe d'équations sur la concentration, la vitesse moyenne et les contraintes cinétiques). La mise en équations eulériennes du mouvement des particules (équations d'évolution et conditions limites) est obtenue par une méthode de type cinétique des gaz (avec prise en compte de la rotation). Les caractéristiques de la phase dispersée sont choisies de telle sorte que l'influence de la turbulence du fluide sur les particules soit négligeable, de même que celle des particules sur le fluide. Les simulations lagrangiennes sont utilisées pour analyser finement les différents mécanismes de l'écoulement : interaction fluide/particule, collisions particule/particule, rebonds contre la paroi. Les effets de la rotation, du frottement entre particules et de la portance sont aussi étudiés. Parallèlement, ces résultats de simulation servent à valider indépendamment chacune des hypothèses nécessaires à l'établissement du modèle eulérien et à évaluer exactement l'erreur qu'elles apportent. Les lois de fermeture classiques sont testées (conditions limites, traînée, collisions, dispersion des contraintes), et des modifications sont éventuellement proposées et validées. Enfin, la comparaison directe des profils obtenus par les méthodes eulérienne et lagrangienne permet de tester le modèle eulérien complet et de discuter de son domaine de validité.

Le comportement de particules solides dans un écoulement turbulent de gaz en canal est étudié par le biais de simulations numériques directes. La description mixte eulerienne et lagrangienne permet d'aborder la dispersion de petites particules solides à travers le calcul des temps intégraux de la turbulence v́ue ́le long de leurs trajectoires. Ces temps intégraux sont comparés aux estimations basées sur une corrélation semi-empirique issue de calculs directs dans le cas d'une turbulence homogène et isotrope. La comparaison révèle l'impossibilité d'utiliser la corrélation pour prédire la dispersion dans le sens de l'écoulement. Après ces considérations sur la dispersion, l'effet d'atténuation de ces mêmes particules solides sur la turbulence est aussi caractérisé. Les forces prises en compte sur les particules sont au moins la traînée non linéaire et la force de portance de Saffman toutes deux corrigées en proche paroi et utilisant une interpolation tridimensionnelle hermitienne
The behavior of solid particles in a turbulent gas channel flow is studied by direct numerical simulation. A mixed Eulerian and Lagrangian formulation allowed us to deal with the dispersion of small solid particles through the computation of the integral time scales of the turbulence seen by the solid particles on their trajectories. Those integral times are compared with the ones estimated thank to a semi-empirical correlation established with direct numerical simulation in isotropic and homogeneous turbulence. The comparison shows the impossibility to use this correlation to predict the streamwise dispersion. Beside this dispersion study, the turbulence modulation due to solid particles is shown. The forces taken into account on the particles in all the simulation are at least the non-linear drag and the Saffman's lift both corrected for near wall effect and using a fully three-dimensional Hermitian interpolation

La maîtrise de la compacité de l'empilement granulaire est essentielle pour la plupart des matériaux du génie civil car elle contrôle dans une large mesure leur résistance aux déformations permanentes. La compacité dépend à la fois des modalités de compactage et des caractéristiques des particules de granulats constituant l'empilement granulaire. Généralement, la compacité souhaitée est atteinte en ajustant les caractéristiques géométriques des granulats, par une approche le plus souvent empirique. Afin de rationaliser cette approche, l'influence des principales caractéristiques géométriques de granulats de taille macroscopique sur la structure d'empilements granulaires secs désordonnés, sans liant et sans frottement a été étudiée en simulant numériquement le compactage en 3D de ces empilements à l'aide du code de dynamique des contacts LMGC90(R). Une première série de simulations numériques réalisées avec des empilements monodisperses de sphères et de pinacoïdes a permis de définir le volume élémentaire représentatif pour atteindre la compacité maximale caractéristique de chaque empilement désordonné. Une secoonde série de simulations a mis en évidence l'influence de la polydispersité des particules, de leur angularité, de la présence des particules plates, des la présence de particules longues ou longues et plates sur la structure de l'empilement. Enfin, il est apparu que la présence de parois pouvait localement engendrer une cristallisation, ou au contraire, un desserrement de l'empilement, tout en perturbant la compacité moyenne. La prise en compte du frottement inter particules constitue une perspective clé, tout comme l'étude de formes de particules plus complexes
The control of the density of granular packings is essential for the most part of materials of the civil engineering because it controls their resistance in the permanent deformations. The density depends on modalities of compaction and on characteristics of the particles of aggregates constituting the pile of particles. Generally, the whished dansity is reached by adjusting the geometrical characteristics of aggregates by a mostly empirical approach. To rationalized this approach, the influence of the main geometrical characteristics aggregates of macroscopic size on the structure of dry and muddled packings, without binder and without friction was studied by numerical simulation of the compaction of these piles by means of the code of dynamics of the contacts LMGC90(R). First simulations was realized with monodisperses piles of spheres and pinacoïdes allowed to define the representative elementary volume to reach the characteristic maximal density of every muddled poile. A second series of simulations brought to light the inflence of the different size of particles, their edges, the fatness of the particles, presence of long or long and flat particles on the structure of the pile. Finally, it seemed that the presence of walls could locally engender crystallization or the contrary, a relaxion of the pile, while perturbing he average density. The consideration of the friction inter particles constitutes a key perspective, quite as the study of forms of more complex particles

Afin de permettre d'étudier le mécanisme du transport solide dans la région proche du fond, un modèle de calcul des trajectoires individuelles de particules solides en suspension en couche limite turbulente (trapsecl) a été construit. La fluctuation de vitesse de fluide est calculée à chaque pas de temps en respectant la corrélation lagrangienne et la probabilité des bouffées turbulentes. La vitesse des particules solides est obtenue par la résolution de l'équation dynamique régissant leur mouvement. Les effets dus à la rugosité du fond et à la force de portance, elle-même due au gradient de vitesse, sont pris en compte pour le calcul de vitesse de la particule solide. La méthode appliquée permet de traiter une large gamme de taille et de densité de particules. La validation du modèle se fait par comparaison entre les données expérimentales disponibles et les résultats de simulations. Un critère de mise en suspension de particules solides à partir de parois lisses et rugueuses a été établi à l'aide de ce modèle.

L'adsorption de particules colloidales en suspension dans un liquide a une surface solide joue un role important en chimie (polymeres, colorants) et en biologie (reactions anitigenes-anticorps, formation de la plaque dentaire, coagulation du sang). Ce phenomene, toujours complexe en raison de la diversite des interactions particules-particules et particules-surface mises en jeu, a ete tres etudie sur le plan experimental et, parallelement, a fait l'objet de travaux theoriques et plus recemment de simulations numeriques, visant a en elucider les lois generales. Ce memoire presente une contribution a l'elaboration de modeles d'adsorption irreversible de particules colloidales aux interfaces liquide/solide a partir du modele random sequential adsorption (rsa) tres utilise dans ce domaine. Les diverses extensions, destinees a elaborer une approche plus realiste du phenomene, portent essentiellement sur la description de la trajectoire des particules dans le fluide, avant leur adsorption, en presence de divers champs de forces. Le recouvrement de surfaces ou de lignes (caracterisees par le taux de recouvrement a saturation, la fonction de distribution radiale, la fonction de surface accessible, la variance du nombre de particules deposees dans des sous-ensembles du collecteur) par des particules diffusant dans un champ gravitationnel quantifie par le nombre de peclet (modele drsag) met en lumiere l'influence primordiale du temps de diffusion sur les caracteristiques de la couche de particules formee, que ne montrent pas les modeles geometriques de la litterature. Cette these aborde egalement le probleme du recouvrement de surfaces planes par des particules qui interagissent par un potentiel de double-couche et de van der waals. En particulier, la dependance du taux de recouvrement a saturation par rapport au potentiel de surface des particules et de la concentration saline de la solution est clairement mise en evidence

Comprendre le processus complexe du dépôt de poussière, appelé encrassement ou salissure, et prédire avec précision son taux sur les modules photovoltaïques (PV) est la clé de l'optimisation des opérations sur le terrain. Cette thèse présente une étude exhaustive sur le transport et le dépôt de particules dans les écoulements turbulents, avec un accent particulier sur les phénomènes de salissure affectant les panneaux solaires. La recherche couvre plusieurs domaines, de l'analyse de la dynamique des particules dans les écoulements turbulents à l'exploration du transport des poussières par la couche limite atmosphérique et de leur dépôt ultérieur sur les panneaux solaires. En outre, l'étude a impliqué la collecte et l'analyse d'échantillons de poussière, ainsi que des mesures de la vitesse du vent et de la concentration de particules sur un site donné.Tout d'abord, les expériences ont révélé que les particules d'un diamètre de U+002410~mu mU+0024 dominent de manière significative le processus de salissure. En outre, notre analyse a identifié la calcite comme le principal constituant de ces particules. D'après ces données de mesure, le dépôt de particules est principalement régi par les effets de la turbulence et de la gravité.L'approche de modélisation a impliqué l'adoption du formalisme d'Euler-Lagrange et du modèle de turbulence U+0024k-epsilonU+0024 RANS dans OpenFOAMU+0024^circledRU+0024. Les interactions turbulentes entre le fluide et les particules sont prises en compte par le biais d'un modèle de dispersion. Dans cette étude, nous adoptons une approche basée sur un modèle de paroi (hauteur adimensionnelle de la cellule de paroi U+0024y_h^+gg 1U+0024), ce qui permet de relever le défi d'une dispersion et d'un dépôt précis des particules, car celles-ci ne voient qu'une description grossière de la couche limite. L'étude explore ensuite la dispersion et le dépôt des particules dans les écoulements turbulents des canaux, en examinant les configurations verticales et horizontales, et les limites des modèles actuels pour prédire avec précision les taux de dépôt. Cela conduit à la mise en œuvre d'un modèle stochastique lagrangien de dépôt sur les parois, qui s'aligne mieux sur les observations expérimentales.Un cas de validation en extérieur sur un panneau photovoltaïque horizontal est utilisé et les résultats de dépôt correspondants sont comparés aux expériences. Le modèle montre un bon accord global avec les expériences. Une étude paramétrique est réalisée pour étudier l'effet de la vitesse et de la direction du vent et de la taille des particules de poussière
Understanding the intricate process of dust deposition and accurately predicting its rate on photovoltaic (PV) modules, often referred to as soiling, holds the key to optimizing field operations. This thesis presents a comprehensive study on particle transport and deposition in turbulent flows, with a specific focus on soiling phenomena affecting solar panels. The research spans across multiple domains, from the analysis of particle dynamics in turbulent channel flow to the exploration of dust transport by the atmospheric boundary layer (ABL) and its subsequent deposition on solar panels. In addition, the study involved the collection and analysis of dust samples, alongside measurements of wind speed and particle concentration in a given site.Firstly, outdoor experiments revealed that particles with a diameter of U+002410~mu mU+0024 significantly dominate the soiling process. Furthermore, our analysis identified calcite as the primary constituent of these particles. From these measurements data, particle deposition is mainly governed by turbulence and gravity effects.The modeling approach involved the adoption of the Euler-Lagrange formalism and the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) U+0024k-epsilonU+0024 turbulence model in OpenFOAMU+0024^circledRU+0024. Turbulent fluid-particle interactions accounted via a dispersion model. In this study we adopt a wall-modelled approach (wall-cell dimensionless height U+0024y_h^+gg 1U+0024), as a results, accurate particle dispersion and deposition becomes challenging as particles see a coarse description of the boundary layer. The study then explores particle dispersion and deposition in turbulent channel flows, examining vertical and horizontal configurations, and the limitations of current models in accurately predicting deposition rates. This leads to the implementation of a Lagrangian stochastic wall deposition model, showing improved alignment with experimental observations.An outdoor validation case on a horizontal PV panel is used and the corresponding deposition results are compared with experiments. The model shows an overall good agreement with the experiments. A parametric study is performed to study the effect of the ABL wind speed, wind direction and dust particle size

Le but de cette thèse est de poser de nouvelles contraintes sur les différents mécanismes d'accélération de particules opérant au sein de la géométrie complexe de l'environnement d'une étoile à neutrons, c'est à dire dans la magnétosphère du pulsar, dans le jet, dans le plan équatorial ainsi qu'au choc terminal. Proche de la surface l'accélération est produite par l'entraînement du très fort champ magnétique par la rotation de l'étoile. Au delà du cylindre de lumière, les particules sont également accélérées dans le plan équatorial par reconnexions magnétiques. Ces processus ont pour principale signature observationnelle une émission puisée pouvant être observée dans tous les domaines de longueurs d'onde. Un des outils les plus puissants afin de contraindre ces mécanismes est l'étude de la polarisation suivant la phase de rotation. C'est dans cet esprit que nous avons utilisé le mode Compton d'IBIS à bord du satellite S\gammaS INTEGRAL. En effet ce dernier permet par la mesure de la distribution selon l'angle azimuthal de diffusion, des événements diffusés entre les deux plans détecteurs d'IBIS, de remonter à la direction et à la fraction de polarisation d'une source au delà de 200 keV. Une méthode d'analyse et de traitement de données a donc été développée dans ce but. La sensibilité atteinte permet de mesurer la polarisation de sources persistantes fortes ainsi que celle de sursauts S\gammaS. Cette méthode a été appliquée au pulsar du Crabe ainsi qu'a sa nébuleuse. Pour la première fois la polarisation d'une source a été mesurée dans le domaine S\gammaS entre 0. 2 et 0. 8 MeV. L'évolution de cette dernière avec la phase de rotation est en accord avec celle trouvée en optique dans les régions centrales, c'est à dire pour des régions S<0. 01S pc du pulsar. Dans le domaine non puisé l'angle de polarisation semble aligné le long de l'axe de rotation, ce qui suggère un rayonnement venant principalement du jet ou bien du point brillant proche du pulsar. Le fait qu'aucune polarisation ne soit observée juste après les pics en émission pourrait être la signature d'effets caustiques sur de grandes distances le long de la dernière ligne de champ ouverte dans la magnétosphère du pulsar. Dans ce cas le modèle du \textit{slot gap} pourrait être responsable de l'émission puisée et donc de la réaccélération de particules proche du pulsar. Afin de mieux contraindre les processus d'accélération par la polarisation il est alors nécessaire d'utiliser une configuration de champ magnétique la plus réaliste possible. Ce paramètre est en effet à la base de tous les modèles d'accélération et d'émission hautes énergies. Jusqu'à maintenant cette géométrie fut supposée dipolaire. C'est donc dans l'optique d'établir une configuration du champ E et B plus réaliste que les équations d'Einstein et de Maxwell furent résolues proche de la surface et dans le vide en utilisant la librairie LORENE. Cette librairie est basée sur les décompositions spectrales, méthode bien adaptée à la résolution des équations de type Poisson. La géométrie obtenue diffère légèrement de celle d'un dipôle classique pour de faibles rotations et les zones d'accélération sont elles localisées proche des calottes polaires. Il est maintenant nécessaire de poursuivre cette étude dans le cas d'une magnétosphère chargée. Dans la magnétosphère lointaine et plus particulièrement proche du choc terminal, les particules peuvent être réaccélérées par absorption d'ondes cyclotrons émises par les ions ainsi que par processus de Fermi relativiste. Des contraintes spectrales comme l'énergie maximum ou l'indice spectral de la distribution de particules permettent de contraindre de façon très efficace ces processus. Pour remonter à de telles informations et notamment à l'énergie maximum qui est en général de l'ordre de S10*{l4-15}S TeV, il est en général nécessaire d'utiliser les émissions synchrotron dans le domaine des X durs (>20 keV). Le champ magnétique doit dans ce cas être connu de manière très précise. C'est dans cet esprit que nous avons étudié les émissions au delà de 20 keV de PSR B1509-58. Ce pulsar produit une longue traine observée en X et au TeV, traine qui a été interprète comme étant du à un jet. Dans le domaine non puisée, de son émission, où la contribution du pulsar par rapport au vent qu il crée est minimum, 1'imageur IBIS détecta lui aussi entre 20 et 200 keV une source s'étendant dans la direction de ce jet et ayant un spectre coupé vers 160 keV. Le champ magnétique a été contraint à des valeurs comprises entre 2 et 3 nT en utilisant la variation de la longueur apparente du jet avec l'énergie entre 0. 1 et 100 keV. Dans ce champ les particules y rayonnant à 160 keV possèdent une énergie comprise entre 400 et 730 TeV. Pour des pulsars plus vieux, le vent relativiste est confiné par la pression du au déplacement de l'étoile dans le milieu interstellaire. La morphologie de ce dernier est alors modifiée et la simple hypothèse de vent sphérique utilisée dans le modèle standard de Kennel et Corroniti ou bien de jet cylindrique, s'évanouit alors au profit de 1'apparation d'un choc en étrave. C'est pourquoi un simple modèle MHD analytique des émissions synchrotrons d'un vent relativiste choqué de pulsar fut développé dans une telle géométrie. Ce modèle fut appliqué au cas de Geminga récemment observé avec XMM et Chandra. Dans cette géométrie l'amplification du champ magnétique le long de la discontinuité de contact permet d'expliquer les flux observés alors que l'énergie maximum nécessaire pour reproduire les observations est incompatible avec celle donnée par un processus de Fermi relativiste. L'énergie maximum de l'ordre de 400 TeV nécessite d'utiliser l'intégralité du potentiel dipolaire aux calottes polaires. Ce simple modèle montre également combien l'évaluation du champ magnétique est primordiale pour interpréter les données
The context of this thesis is to gain new constraints on the different particle accelerators that occur in the complex environment of neutron stars: in the pulsar magnetosphere, in the striped wind or wave zone outside the light cylinder, in the jets and equatorial wind, and at the wind terminal shock. Near the star, the accelerator is powered by the rotation of the intense magnetic field and can be probed by the pulsed radiation at all wavelengths. An additional powerful tool to investigate the magnetic geometry in the radiative zones, therefore the accelerator location, is polarimetry, especially at high photon energy. The shocked wind of the Crab nebula and a handful of other wind nebulae are known to host 1014-15 eV particles, but thé energy estimates are always subject to the uncertain evaluation of the local magnetic field strength. The famous spherical model of Kennel and Coroniti (1984) has been challenged by high-resolution X-ray and TeV images that show a growing wealth of jets and equatorial flows, confined by asymmetric pressure gradients in a supernova remnant or by interstellar bow shocks. An important tool to constrain both the magnetic field and primary particle energies is to image the synchrotron ageing of the population, but it requires a careful modelling of the magnetic field evolution in the wind flow. The current models and understanding of these different accelerators, the acceleration processes, and open questions have been reviewed in the first part of the thesis. In this context, the thesis work is three-fold: instrumental, observational, and theoretical. On board INTEGRAL, the IBIS imager provides images with 12' resolution from 17 keV to MeV energies where the SPI spectrometer takes over up, to 10 MeV, but with a reduced 2° resolution. The first part of the work provides a new method for using the double-layer IBIS imager as a Compton telescope with coded mask aperture. Its performance has been measured. The new concept takes advantage of the coded mask deconvolution for high resolution and background rejection to construct images with a 12' resolution, over a 29°x29° field of view, at the 0. 1-0. 4 Crab sensitivity level, in the 0. 2-1 MeV range. The Compton scattering information and the achieved sensitivity also open a new window for polarimetry in gamma rays. A method has been developed to extract the linear polarization properties and to check the instrument response for fake polarimetric signais in the various backgrounds and projection effects. The achieved sensitivity of 0. 3-1 Crab for polarized emission allows the study of bright sources and AGN flares, gamma-ray bursts and solar flares for the first time at high energy. The INTEGRAL data recorded for the Crab pulsar and nebula show good evidence for a high degree of polarization for both the pulsed and the unpulsed emissions in the 0. 2-0. 8 MeV band. The measured polarization closely follows the optical one from the central < 0. 01 pc region around the pulsar. The polarization orientation along the rotation axis is consistent with emission from the jet and bright knot, not with DC emission from the pulsar beams. No polarization has been detected on the trailing sides of the pulsed peaks. It could sign the caustic effects that characterize emission along a fair fraction of the last open field lines on the trailing sides of the pulsar magnetosphere. A dipolar magnetic field geometry is assumed in the magnetosphere and a split-monopole one outside, but they can be questioned for very intense stellar fields or very compact magnetospheres. As a first step to map this field in general relativity, Einstein and Maxwell equations have been solved near the pulsar, in vacuum, using the LORENE library to find the rotating star metric together with the associated magnetic and electric fields. This library is based on spectral methods well adapted for Poisson type equations. The resulting field geometry differs slightly from a dipole and the acceleration regions are closed to the polar caps. Studying the geometry in a charged magnetosphere with potential currents will be the next step. INTEGRAL synchrotron data above 30 keV is best suited to probe the most energetic wind particles and their ageing in the flow by comparison with lower-energy images. The wind from PSR B1509-58 powers a long X-ray jet and TeV tail. The unpulsed emission recorded by INTEGRAL-IBIS at 20-200 keV has been used to detect a slightly extended source along the jet axis, with a power-law spectrum up to 160 keV. The variation of the apparent jet length with energy from 0. 1 to 100 keV has been interpreted as synchrotron ageing in a simple cylindrical jet. This allows to constrain both the average jet magnetic field to 2 or 3 nT and the electron energies near the cut-off to 400-700 TeV. Many older wind nebulae are confined into a bow shock geometry by the ram pressure of their motion into the interstellar medium. This morphology modifies the MHD flow by providing an exit for the kinetic and magnetic energy and stationary conditions. Very hard synchrotron X-ray tails have been imaged around the nearby, 0. 3 Myr-old, Geminga pulsar. A first attempt at modelling the emission shows that Fermi acceleration at the wind terminal shock or at the bow shock cannot produce the required particle energies. As for the Crab, the particles must somehow tap the potential drop from the pulsar unipolar inductor. We also find that the particles are too few and/or the magnetic field to low to account for the observed X rays. The prediction falls short by 2 or 3 orders of magnitude. A simple analytical MHD model has been developed to show that the magnetic field advection toward the bow-shock contact discontinuity and the resulting amplification can explain the observed flux. Electron energies of 400 TeV are found. This 'toy model1 proves the importance of a careful modelling of the magnetic flow to interpret the data

L'objectif de ce travail est de proposer une parametrisation, applicable a grande echelle, du processus de sandblasting qui conduit a la liberation d'aerosol mineral depuis les sols arides lorsque ceux-ci sont mobilises par l'action du vent. Elle doit permettre de calculer les flux massiques et les distribution granulometriques des aerosols mineraux emis depuis un sol donne dans des conditions aerodynamiques connues. Ces grandeurs sont indispensables a la modelisation du transport des aerosols mineraux a l'echelle globale et a la quantification de leur impact climatique. Notre strategie consiste a simuler la production d'aerosol en soufflerie ou les parametres aerodynamiques et pedologiques peuvent etre parfaitement maitrises. Il apparait que pour tous les sols utilises, l'aerosol peut etre considere comme un melange de trois populations de particules a distributions lognormales dont les parametres sont fixes. Seules les proportions du melange dependent de la vitesse de friction de l'ecoulement. Une theorie reposant sur un schema de partition de l'energie cinetique individuelle des agregats entre les energies de cohesion des trois populations constituant l'aerosol est alors proposee. Le modele qui en decoule permet de rendre compte de toutes les observations experimentales effectuees en soufflerie. Il permet non seulement de prevoir l'evolution de la distribution granulometrique des aerosols, mais aussi celle de l'efficacite du sandblasting (definie comme le rapport du flux vertical d'aerosol au flux horizontal de saltation qui lui a donne naissance) en fonction 1- des caracteristiques granulometriques des sols, et 2- de la vitesse de friction de l'ecoulement. Les resultats de ces previsions sont en bon accord, qualitatif et quantitatif, avec la grande majorite des resultats de terrain publies a ce jour. Finalement, en quantifiant l'intensite des emissions d'aerosols mineraux et en precisant leur distribution granulometrique, le modele ameliore le module source utilise dans les simulations du cycle des aerosols desertiques. Cela devrait autoriser une meilleure representation de leur transport, une quantification plus precise de leurs effets radiatifs et, par voie de consequence, une meilleure prise en compte des interactions entre les emissions d'aerosols mineraux et le climat.

Cette thèse porte sur l’étude numérique de la dynamique des écoulements fluide-particules au sein des lits fluidisés denses. Le but de ces travaux est d’améliorer la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent afin d’optimiser les performances des procédés industriels confrontés à ces écoulements diphasiques. En effet, la diversité des échelles de longueur et les différents types d’interaction fluide-solide et solide-solide rencontrées dans ce type de configuration rendent cette catégorie d’écoulement particulièrement complexe et intéressante à étudier. Le modèle développé à cet effet permet de suivre individuellement la trajectoire des particules et de traiter les collisions avec leurs voisines tandis que la phase fluide est décrite de façon localement moyennée. Dans ce mémoire, nous présentons tout d’abord les origines physiques du phénomène de fluidisation d’une population de particules et les grandeurs physiques qui le caractérisent. Puis nous détaillons le modèle Euler-Lagrange implémenté et présentons une série de tests de validation basés sur des résultats théoriques et des comparaisons à des résultats expérimentaux. Cet outil numérique est ensuite employé pour simuler et étudier des lits fluidisés comportant jusqu’à plusieurs dizaines de millions de particules. Enfin, nous comparons des simulations réalisées conjointement à l’échelle micro et avec le modèle développé au cours de cette thèse à l’échelle méso.

Dans le but d'apporter une contribution aux techniques de prédiction des écoulements gaz-solide par simulation lagrangienne, on se propose de simuler le transport de particules sphériques en suspension dans l'air, en s'attachant plus particulièrement à tenir compte des interactions entre particules. Un premier chapitre est consacré à la description détaillée du calcul d'une trajectoire en faisant une revue bibliographique portant sur les actions du fluide sur les particules, et sur la modélisation des interactions particules-paroi. Quant aux interactions, ou collisions, entre particules, elles sont introduites, par une méthode probabiliste originale, dans les calculs de trajectoires d'une simulation lagrangienne. La validation du code de simulation réalisé est effectuée par comparaison des profils de concentration et de vitesse, et de l'évolution de la pression le long d'un circuit, avec des résultats expérimentaux connus. Une étude paramétrique approfondie démontre l'influence prépondérante des phénomènes de paroi, ainsi que des grandeurs caractéristiques des collisions, en particulier sur l'évolution de la pression. La discussion des résultats permet de conclure sur la difficulté de la prévision des pertes de charge si l'on ne dispose pas d'informations précises sur ces différents paramètres

Ce travail de thèse se consacre à l'évaluation d'espérances mathématiques et se place plus particulièrement dans un contexte de fiabilité des structures. Nous cherchons à estimer une probabilité de défaillance (supposée faible) en tenant compte des incertitudes des paramètres influents du système. Notre objectif est d'atteindre un bon compromis entre la précision de l'estimation et le coût de calcul associé. L'application porte sur l'estimation de la probabilité de rupture du combustible à particules d'un réacteur nucléaire de type HTR, via un code de calcul numérique coûteux. Nous considérons différentes approches probabilistes pour traiter le problème. Tout d'abord, nous examinons une méthode de Monte Carlo de réduction de variance : le tirage d'importance. Pour le cas paramétrique, nous proposons des algorithmes adaptatifs pour construire une suite de densités de probabilité qui convergerait vers la densité d'importance optimale. Nous présentons ensuite plusieurs estimateurs de l'espérance mathématique à partir de cette suite de densités. Par la suite, nous examinons une méthode de simulation multi-niveaux utilisant les algorithmes de Monte Cario par Chaînes de Markov. Enfin, nous nous intéressons au problème connexe de l'estimation de quantité (non extrême) de quantité physique simulée par un code numérique coûteux. Nous proposons une méthode de stratification contrôlée où des réalisations des variables d'entrées sont échantillonnées dans des zones déterminées à partir d'un modèle réduit de la réponse. L'estimation du quantile se fait alors à partir de cet échantillon
TThis work is devoted to the evaluation of mathematica! expectations in the context of structural reliability. We seek a failure probability estimate (that we assume low), taking into account the uncertainty of influential parameters of the System. Our goal is to reach a good copromise between the accuracy of the estimate and the associated computational cost. This approach is used to estimate the failure probability of fuel particles from a HTR-type nuclear reactor. This estimate is obtain by means of costly numerical simulations. We consider differents probabilistic methods to tackle the problem. First, we consider a variance reducing Monte Carlo method : importance sampling. For the parametric case, we propose adaptive algorithms in order to build a series of probability densities that will eventually converge to optimal importance density. We then present several estimates of the mathematical expectation based on this series of densities. Next, we consider a multi-level method using Monte Carlo Markov Chain algorithm. Finally, we turn our attention to the related problem of quantile estimation (non extreme) of physical output from a large-scale numerical code. We propose a controled stratification method. The random input parameters are sampled in specific regions obtained from surrogate of the response. The estimation of the quantile is then computed from this sample

Ce travail porte sur la modélisation et la simulation de fondus de Polyéthylène (PE) et de 1,4cis-Polybutadiène (cis-PB) à l’échelle mésoscopique par la méthode de la « Dynamique des Particules Dissipatives » (DPD). Les chaînes polymériques sont représentées par une succession de billes comprenant chacune monomères (variable appelée paramètre de nivellement) et soumises aux forces de la DPD (conservatives,dissipatives et aléatoires). On établit d’abord un jeu de paramètres pour les interactions effectives conservatives relatives au PE et au cis-PB pour plusieurs valeurs de  d’après des simulations de type Monte-Carlo à l’échelle microscopique et en utilisant le concept de potentiel de force moyenne. Les lois d’échelles du régime de Rouse sont retrouvées pour toutes les longueurs de chaîne. Des résultats en bon accord avec les données expérimentales et les résultats de simulations microscopiques détaillées sont obtenus pour les grandeurs structurales. Une loi d’échelle globale reliant la moyenne du carré de la distance bout à bout au nombre d’atomes de carbone de la chaîne microscopique sous-jacente est mise en évidence indépendamment de . Par la suite, les paramètres de la force dissipative sont ajustés pour le PE permettant la comparaison des propriétés dynamiques aux échelles micro et méso. On n’observe aucune évolution du régime de Rouse vers le régime de reptation, lié aux enchevêtrements et plus réaliste des longueurs de chaînes simulées ici car les potentiels utilisés sont (et se doivent d’être) trop faiblement répulsifs. Afin d’observer ce changement de régime, on implante enfin un algorithme de « non-croisement » reproduction artificielle des enchevêtrements
This work deals with the modelisation and the simulation of Polyethylene (PE) and 1,4cis-Polybutadiene (cis-PB) melts at mesoscale using the “Dissipative Particle Dynamics” (DPD) method. Polymers are represented as chains of beads each one regrouping  (called the coarse-graining level) monomers and subjected to the conservative, dissipative, and random DPD forces. First, a set of parameters for the PE and cis-PB effective conservative interactions is established for several  from microscopic Monte Carlo simulations and using the mean-force potential concept. Scaling laws of the Rouse regime are recovered for all chain lengths. Results for the structural quantities are in good agreement with experimental data and detailed microscopic simulations. It is even observed a global (independent of the coarse-graining level) scaling law for the evolution of the root mean square end to end distance with the length of the underlying microscopic chain. Then, the parameters of the dissipative force are adjusted for PE, enabling the comparison between dynamical properties at micro and mesoscale. No transition from the Rouse to reptation regime, related to the existence of entanglements, is observed here. This is due to the fact that the potentials used are (and have to be) too weakly repulsive. To overcome this problem, a “non-crossing” algorithm is implemented to artificially re-introduce entanglements, leading for the moment only, to a slowing down of the dynamics

L'objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation numérique des écoulements turbulents gaz-particules en conduite horizontale ou verticale non isotherme, présents dans de nombreux procédés industriels (transport pneumatique, séchage, ). Le modèle repose sur une approche eulérienne-lagrangienne permettant une description fine des mécanismes d'interactions entre les deux phases (action du fluide sur les particules (dispersion), action des particules sur le fluide (couplage two-way ) et interactions inter-particulaires (collisions)), plus ou moins influents selon les caractéristiques de l'écoulement. Les développements numériques apportés au modèle en conduite verticale et horizontale ont été validés par comparaison avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les tests de sensibilité ont mis en évidence l'influence du modèle de dispersion, des collisions et de la modulation de la turbulence sur le comportement dynamique et thermique de la suspension
The aim of this work is to contribute to the numerical modeling of turbulent gas-solid flows in vertical or horizontal non isothermal pipes, which can be found in many industrial processes (pneumatic transport, drying, ). The model is based on an Eulerian-Lagrangian approach allowing a fine description of the interactions between the two phases (action of the fluid upon the particles (dispersion), action of the particles upon the fluid (two way coupling) and between particles (collisions)), more or less influential according to the characteristics of the flow. The numerical developments brought to the model in vertical and horizontal pipe flow have been validated by comparison with available experimental results from the literature. The sensitivity tests highlight the influence of the dispersion model, collisions and turbulence modulation on the dynamic and thermal behavior of the suspension

Dans ce travail, nous avons étudié le traitement thermique en continu des fluides chargés en grosses particules. Dans l'introduction, nous avons énuméré les problèmes posés par la stérilisation en continu des produits à particules dans l'optique de dimensionnement des installations traitant ce type de produits, puis les avantages et les inconvénients que présente cette technique en comparaison aux procédés conventionnels classiques (traitement en batch par autoclave). Un chapitre est consacré à l'état de l'art en matière de résolution des principaux problèmes (distribution des temps de séjour des particules et coefficient de transfert de chaleur par convection fluide-particule) en clarifiant ce qui reste à entreprendre dans ce domaine et les contraintes posées. Le deuxième chapitre décrit les moyens mis en œuvre (plate-forme expérimentale, moyen de mesure) puis les méthodes utilisées pour atteindre ces objectifs. Enfin, le dernier chapitre présente les résultats obtenus en matière de DTS des particules et de l'intégrateur temps-température (ITT) utilisé pour évaluer l'efficacité stérilisatrice du procédé et les conditions à mettre en œuvre pour assurer un bon traitement du fluide et des particules. Un logiciel de simulation numérique a été mis au point afin d'apprécier le traitement subi par les particules. Un excellent accord a été trouvé entre ces résultats numériques et ceux obtenus expérimentalement.

Ces travaux de recherche s'intéressent à la caractérisation des transferts thermiques dans les milieux fluide-particules, et en particulier, les lits fluidisés au sein desquels un solide divisé est mis en suspension par un fluide. La grande diversité d'échelles spatiales et temporelles dans ces procédés nécessite d'étudier les interactions hydrodynamiques, thermiques et/ou chimiques entre les particules et le fluide à l'aide d'une approche multi-échelles. Une étude des transferts thermiques dans des lits fixes puis fluidisés, est réalisée à deux échelles : locale (Particle Resolved Simulation) et moyennée (Discrete Element Method-Computional Fluids Dynamics). L'étude PRS permet de caractériser les couplages locaux des transferts thermiques entre particules ainsi que la dynamique de ces transferts dans les configurations fluidisées. Une étude comparative entre les échelles met en évidence les limites du modèle DEM-CFD à capter les fluctuations des transferts thermiques observées dans les simulations PRS. Dans un dernier temps, les fermetures du modèle DEM-CFD sont améliorées de manière à réintroduire les fluctuations perdues par le changement d'échelles.

L'objectif de ce travail a ete d'ameliorer la comprehension des phenomenes physiques mis en jeu dans les separateurs electrostatiques a electrode cylindrique tournante. Les etudes ont porte essentiellement sur les mecanismes de charge des particules et sur les facteurs qui influencent les trajectoires de celles-ci dans le champ electrique de ces installations. Une methode originale, basee sur l'analyse numerique du champ electrique, est proposee pour le calcul de la charge acquise en champ ionise par des particules isolantes de forme et de dimensions variees posees sur une electrode ou a proximite de celle-ci. Les predictions theoriques sont confirmees par des mesures effectuees sur une installation experimentale qui modelise les conditions de charge specifiques aux separateurs electrostatiques et qui permet une evaluation de l'efficacite de divers types d'electrodes ionisantes. Des experiences realisees avec un autre dispositif montrent que cette efficacite est liee a l'intensite du courant genere par l'electrode et a l'uniformite de sa distribution a la surface de l'electrode collectrice. La these ameliore aussi le modele numerique utilise pour l'etude du comportement des particules conductrices en champ harmonique ou ionise et pour le calcul de leurs trajectoires dans les separateurs electrostatiques a electrode cylindrique tournante. Le modele a ete valide par des experiences realisees dans diverses configurations d'electrodes. Les resultats de ces etudes contribuent au developpement de quelques applications industrielles. La these montre la possibilite d'utiliser un separateur electrostatique a zone etendue de champ ionise pour la recuperation du laiton des dechets industriels. Diverses solutions sont analysees pour recycler les materiaux isolants et les metaux provenant des dechets de cables electriques. Enfin, une technologie nouvelle est proposee pour la purification des concentres de mica.

Pour bien comprendre les orientations suivies dans ce mémoire, il convient de replacer les travaux présentés dans leur contexte historique. Au commencement de ce travail, au milieu des années 90, il y eut le projet de navette européenne Hermès et les problèmes associés de réentrée dans la haute atmosphère qui m'orientèrent vers l'étude des modèles cinétiques et leurs simulations numériques par les méthodes de type Monte Carlo. Malheureusement, le lancement de la fusée Ariane 5, réalisé en 1997, est à ce jour le dernier grand projet spatial européen. A la fin des années 90, avec l'essor des moyens informatiques, de nouvelles perspectives virent le jour dans les bureaux d'études d'ingénieurs: la possibilité de lancer une boucle d'optimisation en arrière plan de simulations complexes 3D: cette nouvelle voie me redirigea alors vers l'étude et l'amélioration des méthodes d'optimisation de type Algorithmes Génétiques pour toutes sortes d'applications: optimisation du Cx d'automobiles, optimisation du rendement de réacteurs d'avions, etc... Le même type de problèmes d'optimisation s'est ensuite retrouvé dans le domaine médical et a attiré mon attention depuis mon intégration au sein de l'équipe REO en 2004: optimisation de dispositifs médicaux comme les stents ou les pacemakers, identification de paramètres de modèles numériques d'écoulements sanguins.
La première partie de ce mémoire est consacrée à des travaux sur le transport de particules dans le prolongement de ma thèse soutenue en 1995: étude du libre parcours moyen de particules dans un réseau d'obstacles périodiques, trajectoires de particules dans un écoulement fluide turbulent. L'application visée dans cette dernière étude consistait à estimer le dépôt d'alumine dans le fond arrière du propulseur à poudre de la fusée Ariane 5. La seconde partie consiste en la présentation des méthodes d'optimisation hybrides et des principes d'évaluations approchées ayant permis d'améliorer les performances des méthodes de type Algorithmes Génétiques. La troisième partie présente un certain nombre d'application des méthodes précédentes à des problèmes d'optimisation ayant pour point commun leur caractère global ainsi que la présence de contraintes s'exprimant sous la forme d'EDO ou d'EDP. Chacun de ces problèmes est par ailleurs issu d'une problématique d'ingénierie ou médicale.

A partir de la modelisation d'un dispositif physique concret, le commutateur a plasma, differents problemes aux limites en physique du transport des particules chargees sont poses. La premiere partie de la these concerne l'etude d'une condition aux limites oblique non lineaire pour l'equation de la chaleur, posee dans le demi-plan. Ce probleme mathematique modelise la diffusion rapide d'un champ magnetique dans un plasma le long d'une electrode (chapitre 1). Un comportement autosemblable de sa solution est mis en evidence (chapitre 2), puis une etude asymptotique permet de caracteriser precisement ce mode de propagation non lineaire (chapitre 3). Enfin des simulations numeriques permettent de visualiser ces differents phenomenes, l'analyse numerique du schema utilise etant realisee (chapitre 4). Dans la seconde partie de la these, deux problemes de perturbations singulieres sont consideres. Il s'agit, par le biais de l'asymptotique dite de child-langmuir, de modeliser des phenomenes de limitation du courant par charge d'espace dans des diodes. Le premier modele etudie concerne une diode bipolaire plane et purement electrostatique. A partir d'un systeme de vlasov-poisson a deux especes de particules, une etude asymptotique permet de mettre en evidence differents modeles limites, ceux-cis etant precisement repertories (chapitre 5). L'equilibre dit bipolaire est alors caracterise. Dans un second temps, le cas d'une diode magnetisee est considere, ce qui mene a l'explication du phenomene physique de l'isolation magnetique. Ces resultats font l'objet de deux chapitres (6 et 7), le premier traitant davantage des modeles mis en jeu et le second presentant les demonstrations mathematiques.

Ce travail a pour objectif de comprendre et de mesurer les processus d'agrégation et leur impact sur le transport et le dépôt de matière à l'interface entre l'eau douce et l'eau de mer. Il combine des mesures de terrain au niveau de la zone de mélange du grand Rhône, des expériences de laboratoires et une étude numérique de l'agrégation.
En effet, afin de mener à bien cette étude, il a fallu développer de façon préliminaire différents outils. On a ainsi mis au point deux nouvelles méthodes de mesure expérimentale de la structure des agrégats qui échappent aux techniques existantes. Ces méthodes permettent, outre une meilleure connaissance du système, de développer et de valider un nouveau modèle de la cinétique de croissance des agrégats. Ce modèle numérique prend en compte la dimension fractale des agrégats ainsi que sa variabilité. Il est validé par confrontation à des données issues de la bibliographie et l'expériences.
Une étude de terrain dans l'estuaire du grand Rhône est menée dans des conditions hydrodynamiques contrastées (étiage, débit moyen et crue). Elle a permis d'obtenir, pour la première fois, une série de mesures de tailles de particules tout au long de la zone de mélange. Il est établi que les particules les plus grosses (supérieures à 5 microns) présentent une évolution contrôlée par la dilution, la sédimentation et
éventuellement la remise en suspension. Par contre, les particules plus petites (2 à 5 microns) montrent une augmentation de leur concentration le long de la zone de mélange. Dans les premiers temps du mélange, cette augmentation est liée à la fragmentation d'agrégats. Il est possible de montrer ensuite i) que l'agrégation des colloïdes ne peut expliquer cette augmentation que si ceux ci ne réagissent pas avec les fractions de tailles supérieures et présentent une réactivité très supérieure à la réactivité moyenne (alpha : 0.009) et ii) que la production primaire est un mécanisme probable pour expliquer cette augmentation.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation numérique des écoulements turbulents gaz-particules en conduite horizontale ou verticale non isotherme, présents dans de nombreux procédés industriels (transport pneumatique, séchage, combustion,...). Le modèle repose sur une approche eulérienne-lagrangienne permettant une description fine des mécanismes d'interactions entre les deux phases (action du fluide sur les particules (dispersion), action des particules sur le fluide (couplage « two-way ») interactions inter-particulaires (collisions)), plus ou moins influents selon les caractéristiques de l'écoulement. L'influence de la turbulence de l'écoulement gazeux sur le mouvement d'une particule est simulée par un modèle de dispersion anisotrope permettant de générer les fluctuations de vitesses et de température du fluide vu par une particule. Les développements numériques apportés au modèle en conduite ont été validés par comparaison avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Les différents tests de sensibilité ont permis de mettre en évidence l'influence du modèle de dispersion, des collisions et de la modulation de la turbulence (actions directes et indirectes des particules sur le fluide) sur le comportement dynamique et thermique de la suspension. Le modèle est capable de prédire les échanges thermiques en présence de particules pour une large gamme d'écoulements à la fois en conduite verticale et en conduite horizontale. Cependant, des difficultés d'ordre numérique subsistent pour les simulations en couplage « two-way » en présence de très petites particules pour des taux de chargement supérieurs à 1. Ceci est lié aux problèmes de modélisation des termes de couplage entre les deux phases (en particulier les coefficients de modélisation de l'équation de transport de la dissipation, Ce2 et Ce3 ).

Les travaux de simulation menés au cours de cette thèse ont eu pour but de caractériser et de comprendre les phénomènes liés au transfert de chaleur dans des configurations de réseau aléatoire de particules ou de lit fluidisé. Sur la base de simulations numériques résolues à l'échelle des particules, ces configurations d'écoulements diphasiques anisothermes permettent d'extraire des grandeurs physiques locales liées à la microstructure de la suspension ou des informations globales tel que le coefficient de transfert moyen du lit. La première étape des travaux a consisté en la vali- dation de l'outil numérique autant sur l'hydrodynamique que sur le transfert thermique en passant par différents cas d'études académiques ( convection et conduction autour d'une sphère isolée). Ensuite une analyse détaillée du transfert de chaleur est conduite sur des lits fixes pour différentes fractions volumiques de particules, plusieurs nombres de Reynolds et de Prandtl afin d'aboutir à une modélisation macroscopique du flux de chaleur. Sur les configurations de lit fluidisé, les paramètres de simulation ont été variés afin d'étudier la sensibilité des différentes grandeurs hydrodynamiques à la résolution du maillage. Ceci a permis de déterminer les configurations de simulations de lit fluidisé liquide-solide anisotherme pour un coût de calcul modéré. Enfin, une analyse comparative du transfert thermique entre lits fixes et lits fluidisés a mis en évidence les spécificités liées à l'agitation des particules sur le transfert. Ces études ont été conduites dans le but d'obtenir une meilleure modélisation mésoscopique des échanges thermiques dans les écoulements diphasiques et ainsi améliorer leur modélisation à l'échelle macroscopique
To better characterize and understand heat transfer in fixed and fluidized beds of particles, numerical studies have been carried out in this work. Based on fully Particle Resolved Numerical Simulation (PR-DNS) local and instantaneous informations have been obtained at microscopic scale and further analyzed at macroscopic scale by means of volume and time averages. The first step consisted in a thorough validation of the numerical code on academic configurations (conduction and convection around a single particle). Then, an analysis in arrays of random fixed particles was carried out for several particle volume fractions, Reynolds and Prandtl numbers. From this analysis, the solid-fluid heat transfer was investigated at macroscopic scale and a closure model for the pseudo-turbulent heat flux was proposed. Finally, fluidized bed simulations were performed. These simulations needed a preliminary numerical study in order to select appropriate numerical parameters for accurately reproducing the fluidization with a moderate computational cost. Furthermore, a comparative study of the heat transfer in fixed and fluidized beds was carried out. The entire study aimed at improving the understanding of the heat transfer in particulate flows and dense regimes, in order to provide information for the modeling at macroscopic scale

Cette these porte sur la definition et la mise en oeuvre d'une methode numerique de simulation directe du mouvement de particules solides dispersees dans un fluide en tenant compte de l'ensemble des interactions hydrodynamiques. Ce modele s'appuie sur les equations du mouvement de deux fluides non-miscibles. Le concept initial est de transformer un des fluides en un fluide dont la loi de comportement tend vers celle d'un solide indeformable. Nous obtenons alors une formulation ou l'unique inconnue est le couple vitesse-pression gouverne par l'equation de navier-stokes. Cette methode de nous permet de mettre en evidence le role du sillage sur la trajectoire d'une particule et sur le rearrangement d'un ensemble de particules en sedimentation. Les e effets de sillage, meme a faible nombre de reynolds, jouent un role determinant sur la redistribution des particules au cours de la sedimentation. Cette methode presente une alternative interessante aux differentes methodes de simulation directe par un cout de calcul dependant lineairement du nombre de particules.

Un modele de simulation pour la trajectoire des particules dans un ecoulement turbulent a ete etabli en considerant les correlations temporelles et spatiales du point de vue lagrangien. Une methode de monte carlo a ete utilisee pour determiner les valeurs aleatoires des proprietes turbulentes. Au cours de la construction des trajectoires, la vitesse et la position de particules individuelles sont obtenues a chaque instant. A partir de celles-ci, nous avons etudie les caracteristiques de la dispersion d'un ensemble de particules dans un ecoulement de turbulence de grille, puis celle de particules passives et reactives dans un ecoulement turbulent cisaille. Les resultats du calcul ont ete compares a ceux mesures par experiences correspondantes. La complexite du mecanisme de la turbulence et le manque de connaissances theoriques et de donnees experimentales, a conduit a formuler un certain nombre d'hypotheses pour permettre le calcul. Nous avons observe de bonnes concordances de resultats simules par rapport a ceux mesures. En particulier, l'application de la methode de calcul mise au point aux cas de la correlation lagrangienne et de l'evaporation d'aerosol, fournit une alternative interessante aux techniques du calcul global generalement utilises

L’étude de l’atomisation d’un jet liquide constitué de deux phases non miscibles est un sujet de recherche fondamental. Les motivations principales liées à l’étude de ces phénomènes sont les nombreuses applications en découlant. Par exemple, dans l’étude de propagation d’un spray au sein d’une chambre de combustion ou pour des applications pharmaceutiques. Leur étude s’effectue par une approche théorique, expérimentale, et numérique. Chacune de ces techniques fait face à des limites qui lui sont propres : dans le cadre de l’étude numérique, le traitement des gouttelettes résultantes de la cassure de jet est un facteur limitant de par le rapport de taille introduit. Ce manuscrit de thèse présente le couplage entre une méthode de traitement d’interface Eulerienne et une méthode de transport de particule Lagrangienne, proposant une approche multi échelle de l’atomisation. Le code de calcul numérique Archer est utilisé dans le but de transporter un écoulement diphasique et d’en étudier son évolution, résolvant les équations incompressibles de Navier Stokes. L’interface séparant les deux phases est représentée par une méthode alliant précision et robustesse, le couplage Volume of Fluid/Level-Set. La discrétisation des équations de Navier Stokes et le transport de l’interface est présenté dans la première partie de ce manuscrit. Cela introduit les faiblesses de cette méthode due à l’aspect multi échelle des jets atomisés : la faible précision du transport des gouttes résultantes de l’atomisation secondaire. La seconde section de ce manuscrit se consacre à l’introduction du transport Lagrangien de gouttes, différentes approches sont implémentées et valider au sein du code de calcul Archer. Puis, le couplage entre le solveur Eulerien et Lagrangien, validé part des expériences numériques, est introduit. Ces dernières ont pour but de présenter la méthodologie implémentée pour valider le couplage en respectant la conservation du moment et de la masse. Cette méthode est par la suite appliquée a des cas académiques permettant d’introduire la paramétrisation permettant la jonction entre les solveurs Eulerien et Lagrangien. Finalement, la méthode développée est appliquée à l’étude d’un jet atomisé de configuration crossflow, utilisé au sein de turbine a gaz ou statoréacteur. Les résultats obtenus demontrent les possibilités liées au couplage Eulerien/Lagrangien, tant sur l’aspect physique que numérique, ouvrant sur un modèle de breakup de goutte sous transport Lagrangien
The study of the liquid jet’s atomization consisting of two immiscible phases is a fundamental research subject. The main motivations linked to the study of these phenomena are the numerous applications resulting from them. For example, in the study of the propagation of a spray within a combustion chamber or for pharmaceutical applications. Their study is carried out by a theoretical, experimental and numerical approach. Each of these techniques faces its own limitations: in the numerical study, the treatment of the droplets resulting from the jet break is a limiting factor due to the size ratio introduced. This thesis manuscript presents the coupling between an Eulerian interface treatment method and a Lagrangian particle transport method, proposing a multi-scale approach to atomization. The numerical solver Archer is used to transport a two-phase flow and to study its evolution, solving the incompressible Navier Stokes equations. The interface separating the two phases is represented by a method combining precision and robustness, the Volume of Fluid/Level-Set coupling. The discretization of the Navier Stokes equations and the transport of the interface is presented in the first part of this manuscript. This introduces the weaknesses of this method due to the multi-scale aspect of the atomized jets: the low precision of the transport of the drops resulting from the secondary atomization. The second section of this manuscript is dedicated to the introduction of Lagrangian drop transport, different approaches are implemented and validated within the computational code Archer. Then, the coupling between the Eulerien and Lagrangian solver, validated from numerical experiments, is introduced. The latter aim to present the methodology implemented to validate the coupling while respecting the conservation of time and mass. This method is then applied to academic cases to introduce the parameterization allowing the junction between the Eulerien and Lagrangien solvers. Finally, the developed method is applied to the study of an atomized jet of crossflow configuration, used in gas turbine or ramjet. The results obtained demonstrate the possibilities related to the Eulerien/Lagrangien coupling, both on the physical and numerical aspects, opening up a model of drop breakup under Lagrangien transport

Le mouvement individuel de particules solides en suspension dans l'ecoulement turbulent d'un canal a surface libre est simule a l'aide d'un modele eulero-lagrangien (code traps: trajectoire de particules solides). Des realisations de vitesse sont produites a l'aide de generateurs aleatoires contraints de respecter les correlations issues d'un modele de turbulence, ainsi que des effets de memoire; des mouvements de particules fluides sont deduits de ces vitesses et permettent le calcul des deplacements de particules solides. Des algorithmes particuliers sont proposes pour traiter la region au voisinage de la paroi, en s'appuyant sur les resultats quantitatifs obtenus par les experimentateurs. La methode numerique utilisee permet de traiter une large gamme de diametres et masses specifiques de particules. Des exemples de calcul de trajectoire sont presentes a titre de validation de la methode dans le cadre d'experiences classiques, ou comme exemple d'application pratique pour la configuration d'un decanteur