Rozprawy doktorskie na temat „Écoulements incompressibles diphasiques”

Le modèle de Chavent est utilise pour étudier l'écoulement diphasique de fluides incompressibles, dans un milieu hétérogène, au cours de la récupération secondaire de pétrole. Les équations du milieu homogène sont déduites des équations hétérogènes. Une simulation du déplacement de l'huile par de l'eau dans un gisement hétérogène forme de cellules informement espacées est réalisée et comparée a celle du déplacement de l'huile dans un réservoir homogène. Les simulations numériques sont réalisées avec le code Bidimix (inria et chevron code (Wyoming). Un logiciel de calcul permet d'obtenir les caractéristiques du milieu poreux homogène équivalent. L'étude est étendue aux écoulements diphasiques incompressibles dans un réservoir a deux types de roches

Deux approches au problème de changement d'échelle sont confrontées: les méthodes de calcul de pseudo-fonctions, la prise de moyenne volumique a grande échelle. Cette dernière fondée sur une théorie mathématique plus riche donne des indications précieuses sur les pseudo-fonctions. L’analyse pratique de ces méthodes se fait a l'aide de simulations numériques d'écoulements diphasiques en milieux poreux homogènes et stratifies sous divers régimes d'écoulement. Dans certains cas pratiques, la méthode de prise de moyenne à grande échelle fournit des résultats aussi satisfaisants que ceux obtenus par des méthodes beaucoup plus couteuses et élaborées. Enfin, des règles générales pour le calcul des propriétés effectives en milieux poreux aléatoires sont établies.

On étudie ici, dans un domaine borné, un problème de perturbations singulières pour une classe d'équations paraboliques non linéaires du second ordre lorsque les effets de la diffusion sont négligeables devant ceux de la convection. Ce travail est effectué pour deux types de conditions de bord (Dirichlet, mêlées). On établit, dans un espace approprié, la convergence de la suite de solutions de ces problèmes vers la solution anthropique du problème limite hyperbolique non linéaire du premier ordre. La difficulté essentielle est, compte tenu du caractère non linéaire de l'équation, de trouver des estimations suffisantes pour cette suite de solutions afin d'établir un résultat de convergence. Pour cela, on utilise entre autre des techniques de régularisation, la notion de fonctions à variation bornée et une classe de fonctions, introduite par F. Mignot et J. -P. Puel pour étudier des problèmes hyperboliques linéaires du premier ordre, ayant pour principale propriété celle de s'annuler dans un voisinage de la surface définissant la couche limite. Ce travail est divisé en trois chapitres. Dans les deux premiers, on examine les problèmes non dégénérés qui fournissent une approximation des problèmes dégénérés considérés dans le troisième.

Alors que la simulation aux grandes échelles (L.E.S.) des écoulements monophasiques est largement répandue même dans le monde industriel, ce n'est pas le cas pour la L.E.S. d'écoulements diphasiques avec interface (c'est-à-dire d'écoulements où les deux phases liquide et gazeuse sont séparées par une interface). La difficulté majeure réside dans le développement de modèles de sous-maille adaptés au caractère diphasique de l'écoulement. Le but de ce travail est de générer une base D.N.S. dans le cadre d'écoulements diphasiques turbulents avec interface pour comprendre les interactions entre les petites échelles turbulentes et l'interface. Les différents termes sous-maille proviendront d'une analyse a priori de cette base D.N.S. Pour mener à bien ce travail, différentes techniques numériques sont testées et comparées dans le cadre de configurations turbulentes où de grandes déformations interfaciales apparaissent. Puis, l'interaction interface/turbulence est étudiée dans le cadre où les deux phases, séparées par une interface largement déformée, sont résolues par une approche D.N.S. La configuration retenue est l'interaction entre une nappe initialement plane et une T.H.I. libre. Les rapports de densités et de viscosités sont fixés à 1 pour se concentrer sur l'effet du coefficient de tension de surface. Une étude paramétrique sur le nombre de Weber est menée. Finalement, un filtrage a priori de la base D.N.S. est réalisé et les termes sous-maille qui en découlent sont comparés les uns aux autres.

Ce travail est consacré à l'étude de l'unicité des solutions de systèmes de lois de conservation de masse (équations de continuité) issus de la modélisation des écoulements diphasiques de fluides en milieu poreux. Autant le problème de l'existence semble complètement résolu (chap1), autant celui de l'unicité globale en dimension quelconque posait encore des difficultés principalement a cause du manque de résultats de régularité sur les solutions et du couplage du système. Nous obtenons un premier résultat d'unicité pour un problème pose dans un domaine géométrique particulier (l'espace compris entre deux cylindres de même hauteur et de même axe principal), ce cas pouvant se ramener, dans certaines conditions d'exploitation, au cas des écoulements monodirectionnels pour lesquels le système se découple naturellement par une quadrature. L’unicité s'obtient alors par une technique à la Kruskov, usuelle pour les problèmes hyperboliques du premier ordre et utilisant des approximations lipchitziennes de la fonction de Heaviside (chap2). Une étude générale est ensuite menée sur la régularité des solutions d'équations de type elliptique. Outre une généralisation du théorème de Meyers nous obtenons des résultats permettant particulièrement de pouvoir maitriser et contrôler la régularité du gradient de pression (chap3). Les résultats ainsi obtenus permettent alors de s'affranchir de l'hypothèse que le gradient de pression est borne (hypothèse généralement admise dans la littérature mais pas toujours acquise). On obtient alors des résultats d'unicité pour des systèmes simplifies en utilisant une argumentation usuelle pour des équations de Navier-stokes (chap4) puis d'autres propriétés d'unicité sont obtenus dans le cadre de méthodes de transposition inspirées par S. N. Antontsev (chap5)

Dans ce travail de thèse, on s'est intéressé à la simulation d'écoulements incompressibles multi-échelles et multiphasiques. L'une des principales difficultés numériques est l'introduction d'une diffusion numérique due aux schémas utilisés. Celle-ci étant indépendante du maillage, une possibilité est de simuler ce type d'écoulement avec un très grand nombre points. Cependant, les besoins en ressources informatiques et en temps deviennent rapidement importants. On a donc développé une méthode de raffinement de maillage adaptatif (AMR) dans le but de suivre, soit des interfaces dans un écoulement diphasique, soit des fronts de concentration dans un écoulement monophasique avec transport d'une espèce inerte, de manière précise tout en optimisant le temps CPU et
la taille mémoire. On montre au travers de cas d'étude 2D et 3D, judicieusement choisis, l'efficacité de cette méthode.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse
For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements instationnaires de deux fluides visqueux non miscibles, séparés par une interface mobile. Plus particulièrement des écoulements sans choc constitués d'une phase gazeuse et d'une phase liquide sont considérés. Pour modéliser de tels écoulements, une approche dans laquelle le gaz est décrit par les équations de Navier-Stokes compressible et le liquide par les équations de Navier-Stokes incompressible est proposée. C'est le couplage de ces deux modèles qui constitue l'originalité et l'enjeu principal de de cette thèse. Pour traiter cette difficulté majeure, une méthode globale (i.e. la même dans chaque phase) et simple à mettre en \oe uvre est élaborée. L'utilisation des équations de Navier-Stokes formulées de façon unifiée pour les inconnues primitives (pression, vitesse et température) constitue le point de départ pour la construction de notre méthode qui repose sur les composants suivants: - une méthode d'éléments finis stabilisés pour la discrétisation spatiale des équations de Navier-Stokes; - une approche Level Set pour représenter précisément l'interface dont l'équation de transport a été résolue par une méthode de type Galerkin Discontinu; \item et des grandeurs moyennées pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements instationnaires de deux fluides visqueux non miscibles, séparés par une interface mobile. Plus particulièrement des écoulements sans choc constitués d'une phase gazeuse et d'une phase liquide sont considérés. Pour modéliser de tels écoulements, une approche dans laquelle le gaz est décrit par les équations de Navier-Stokes compressible et le liquide par les équations de Navier-Stokes incompressible est proposée. C'est le couplage de ces deux modèles qui constitue l'originalité et l'enjeu principal de de cette thèse. Pour traiter cette difficulté majeure, une méthode globale (i.e. la même dans chaque phase) et simple à mettre en oeuvre est élaborée. L'utilisation des équations de Navier-Stokes formulées de façon unifiée pour les inconnues primitives (pression, vitesse et température) constitue le point de départ pour la construction de notre méthode qui repose sur les composants suivants: une méthode d'éléments finis stabilisés pour la discrétisation spatiale des équations de Navier-Stokes; une approche Level Set pour représenter précisément l'interface dont l'équation de transport a été résolue par une méthode de type Galerkin Discontinu; et des grandeurs moyennes pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels
In this work, we are interested in the numerical simulation of instationnary viscous flows of two immiscible fluids, separated by a mobile interface. In particular, flows without shock composed of a gas phase and a liquid phase are considered. In order to modelize such flows, an approach in which the gaz is described by compressible Navier-Stokes equations and the liquid by incompressible Navier-Stokes équations is proposed. The coupling between these two models is the originality and the stake of this thesis. To treat this important difficulty, a global (i.e. the same for each phase) and simple method is elaborated. In our procedure we propose, using the Navier-Stokes equations formulated in set of primitives unknowns (pressure, velocity and temperature), to elaborate a strategy that relies on the follow components: the stabilized finite element method to discretize spatially the Navier-Stokes equations; the Level Set method for tracking the interface precisely with a discontinuous Galerkin method to solve the associated transport equation; and some averaged quantities to treat the discontinuities at the interface. The good behaviour of this approach is performed on both one and two spatial dimensions

L'objectif de cette thèse est de développer une méthode précise d'ordre élevé pour résoudre le problème d'écoulementlaminaire incompressible à deux phases. Trois tâches principales sont à accomplir. Premièrement, la méthode doit être stable en énergie, ce qui signifie que la condition sans divergence de l'équation de Navier-Stokes incompressible est satisfaite partout dans le domaine de calcul. Deuxièmement, les discontinuités locales apparaissant dans le champ d'écoulement diphasique doivent être capturées avec précision. Troisièmement, l'interface matérielle entre les deux fluides doit être représentée avec précision à chaque pas de temps. Dans ce travail, une nouvelle méthode Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) est utilisée pour la discrétisation spatiale. Cette méthode hybride qui appartient à la famille des méthodes DG-FEM satisfait la condition sans divergence en introduisant des variables de trace de vitesse et de pression du même ordre plus une approximation de vitesse et de pression adaptée à l'intérieur des éléments. Deplus, les concepts de FEM eXtended (X-FEM) sont utilisés pour approximer les discontinuités dans le champ d'écoulement en enrichissant l'approximation FEM standard dans les éléments où deux fluides existent. Enfin, l'interface du matériau en mouvement entre les deux fluides est capturée à l'aide de la méthode Level-Set
The objective of this thesis is to develop a high-order accurate method to solve the two-phase incompressible laminar flowproblem. Three main tasks are to be achieved. First, the method has to be energy-stable meaning that the divergence-free condition of the incompressible Navier-Stokes equation is satisfied everywhere in the computational domain. Second, the local discontinuities arising in the two-phase flow field have to be captured accurately. Third, the material interface betweenthe two fluids has to be represented accurately in each time step. In this work, a novel Hybridizable Discontinuous Galerkin (HDG) method is used for the spatial discretization. This hybrid method that belongs to the family of DG-FEM methods satisfies the divergence-free condition by introducing velocity and pressure trace variables of the same order plus a tailoredvelocity and pressure approximation inside the elements. Furthermore, the concepts of eXtended FEM (X-FEM) are used toapproximate discontinuities in the flow field by enriching the standard FEM approximation in elements where two fluids exist. Finally, the moving material interface between the twofluids is captured using the Level-Set method

La simulation numerique directe d'ecoulements diphasiques incompressibles instationnaires est abordee pour des problemes dans lesquels de grands contrastes de masse volumique et de viscosite interviennent, ainsi que la tension superficielle. Un modele physique unique, ou modele 1-fluide, est mis en place globalement pour toutes les phases en presence. Une approximation numerique originale des equations du mouvement est realisee sur un maillage fixe par une methode de lagrangien augmente en formulation volumes finis implicites d'une part, et par des schemas d'ordre eleve, couples a des limiteurs de flux (schemas tvd) d'autre part. La tension superficielle est modelisee par une technique de forces de surface continues (csf). Un couplage de l'outil de simulation directe avec une methode de raffinement local de maillage autour de l'interface, adaptative en temps et en espace, est de plus propose pour acceder a une solution multiechelles spatiales et pour optimiser le temps de calcul et la memoire. Les interets de la simulation numerique sont mis en avant par l'etude de differents problemes diphasiques complexes tels que l'instabilite d'un jet visqueux a faible nombre de reynolds, le deferlement d'une onde de rupture de barrage ou l'impact de gouttes sur des substrats liquides ou solides.

Ce mémoire est centré autour de l'analyse numérique de schémas volumes finis pour un modèle simplifié d'écoulement de deux fluides incompressibles en milieu poreux. Ces phénomènes sont souvent qualifiés de phénomènes de convection diffusion à convection dominante (``convection dominated problems'' en anglais). La première partie du mémoire est consacrée à l'approximation numérique d'équations paraboliques hyperboliques faiblement ou fortement dégénérées. Les trois premiers chapitres sont consacrés à l'étude de la convergence de schémas volumes finis. Le dernier chapitre est consacré à l'analyse des résultats numériques obtenus. La seconde partie est consacrée à l'analyse numérique d'un modèle simplifié d'écoulement diphasique en milieu poreux par deux schémas différents. Le premier schéma dit ``des mathématiciens'' est basé sur la réécriture du système étudié sous la forme d'une équation parabolique hyperbolique sur la saturation et d'une équation elliptique sur la pression, ces deux équations étant couplées par le coefficient de diffusion. Le second schéma dit schéma ``des pétroliers'' est une méthode numérique utilisée en pratique dans l'industrie pétrolière. Les deux schémas sont analysés séparément et ils sont ensuite comparés numériquement.

Le système modélisant un écoulement de deux phases incompressibles dans un gisement pétrolier à large porosité est régi par la loi de Darcy-Brinkman. La vitesse de filtration de Darcy conduit à une équation elliptique en pression et une équation parabolique dégénérée en saturation. Ce système est très largement utilisé en milieu poreux. Dans cette thèse, on s’intéresse à la modification de Brinkman qui consiste à modifier la loi de Darcy en ajoutant un terme de dissipation en vitesse. Ce système conduit à une équation elliptique en pression et une équation parabolique non standard en saturation, régularisante en temps. On s’intéresse dans un premier temps à l’étude mathématique du système Darcy-Brinkman et à la régularité des solutions. Afin de simuler numériquement les solutions de ce problème, on propose une première étude de convergence d’un schéma aux volumes finis sur un maillage admissible et pour un milieu poreux homogène. Ensuite, une méthode combinée de type volumes finis-éléments finis non conformes est proposée pour tenir compte de l’anisotropie du milieu. Le but du deuxième volet de cette thèse est de tenir compte de la compressibilité des fluides. On propose de décrire le modèle de Darcy-Brinkman dans le cas monophasique compressible. On montre que ce modèle est bien posé en dimension un d’espace et sur l’espace entier. Ensuite, sous l’hypothèse de Bear, on montre également que le modèle est bien posé en dimension d ≥ 2
The system modeling a two incompressible phase flow with high porosity in an oil-field is governed by the law of Darcy-Brinkman. The velocity of filtration of Darcy leads to an elliptic equation in pressure and a degenerate parabolic equation in saturation. This system is widely used in porous media. In this thesis, we are interested in the modification of Brinkman which consists in modifying Darcy’s law by adding a viscosity disspative term. This system leads to an elliptic equation in pressure and unstandard parabolic equation in saturation regularized in time. First, we are interested in the mathematical study of the Darcy-Brinkman’s system and in the regularity of the solutions. To simulate numerically the solutions of this problem, we study the convergence of a finite-volume scheme on an admissible mesh for a homogeneous porous media. Then, we propose a combined method of finite volume - nonconforming finite element type to deal with the anisotropic of the media. In the second part of this thesis we deal with the compressibility of the fluids. We suggest a model of Darcy- Brinkman to describe the compressible monophasic case. We show that this model is well posed in dimension one in the whole space. Then, under the hypothesis of Bear, we also show that this model is well posed in dimension d ≥ 2

L’objet de cette thèse est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d’écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais qui consistent à calculer directement les plus grandes structures de l’écoulement et à modéliser les plus petites. Ces méthodes adaptées aux écoulements turbulents monophasiques sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type ’ Volume Of Fluid’ (VOF) spécifique au caractère diphasique de l’écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée sur la configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l’impact d’un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA-CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations
The scope of this dissertation is to model and simulate non-miscible two-phase turbulent and incompressible flows. The modeling and the simulation of this kind of flows are carried out in the framework of the Large Eddy Simulation (LES) which consists in calculating directly the largest structures of the flow and in modeling the finest ones. These numerical methods, applied usually to the simulation of single-phase turbulent flows, are extended to the simulation of two-phase turbulent flows in this work. Hence, the LES methods are coupled with an Eulerian ’Volume of Fluid’ (VOF) approach which is particularly adapted to interfacial flows. The relevance of this numerical coupling bewtween LES and VOF methods is validated in the following industrial configuration of the CEA-CESTA: the impact of a turbulent round jet on a free water/air surface in a cavity. Some experimental velocity measurements (Particle Image Velocimetry PIV), carried out at the CEA-CESTA, are available to validate the numerical results

Cette thèse est consacrée au développement et à la comparaison des méthodes de suivi d'interface pour les écoulements diphasiques incompressibles. Elle s'intéresse à la sélection de méthodes robustes de suivi d'interface, puis à leur couplage avec le solveur des équations de Navier-Stokes. La méthode level-set est en premier lieu étudiée, en particulier l'influence du schéma d'advection et de l'étape de réinitialisation sur la qualité des résultats du suivi d'interface. Il a été montré que la méthode de réinitialisation avec contrainte de volume est robuste et précise en combinaison avec des schémas conservatifs WENO d'ordre 5 pour l'advection. Il a été constaté que les erreurs du suivi d'interface augmentent de manière abrupte lorsque la condition CFL est trop petite. Comme remède, la réinitialisation du champ level-set effectuée moins souvent réduit la diffusion numérique et le déplacement non-physique de l'interface. La conservation de la masse n'est pas assurée avec les méthodes level-set. Les méthodes VOF (volume-of-fluid) qui conservent naturellement la masse du fluide de référence sont alors étudiées. Une résolution géométrique avec un schéma consistent et conservatif est alors adoptée, ainsi qu'une autre technique alternative plus aisément extensible en 3D. Il a été trouvé que ces deux dernières méthodes donnent des résultats très proches. La méthode MOF (moment-of-fluid), qui reconstruit l'interface en utilisant le centre de masse du fluide de référence, est plus précise que les méthodes VOF. Différentes méthodes couplées entre level-set et VOF sont alors étudiées, notamment: CLSVOF, MCLS, VOSET et CLSMOF. Il a été observé que la méthode level-set tend à épaissir les filaments minces, tandis que VOF et les méthodes couplées les fragmentent en petites particules. Finalement, on a couplé les méthodes level-set et VOF avec le solveur incompressible des équations de Navier-Stokes. On a comparé différentes manières de prise en compte des conditions de saut à l'interface (lisse et raide). Il a été montré que les méthodes VOF sont plus robustes, et donnent d'excellents résultats pour quasiment toutes les simulations. Deux méthodes level-set donnant de très bons résultats, comparables à ceux de VOF, sont aussi identifiées
This thesis is devoted to the development and comparison of interface methods for incompressible two-phase flows. It focuses on the selection of robust interface capturing methods, then on the manner of their coupling with the Navier-stokes solver. The level-set method is first investigated, in particular the influence of the advection scheme and the reinitialization step on the accuracy of the interface capturing. It is shown that the volume constraint method for reinitialization is robust and accurate in combination with the conservative fifth-order WENO schemes for the advection. It is found that interface errors increase drastically when the CFL number is very small. As a remedy, reinitializing the level-set field less often reduces the amount of numerical diffusion and non-physical interface displacement. Mass conservation is, however, not guaranteed with the level-set methods. The volume-of-fluid (VOF) method is then investigated, which naturally conserves the mass of the reference fluid. A geometrical consistent and conservative scheme is adopted, then an alternative technique more easily extended to 3D. It is found that both methods give very similar results. The moment-of-fluid (MOF) method, which reconstructs the interface using the reference fluid centroid, is found to be more accurate than the VOF methods. Different coupled level-set and VOF methods are then investigated, namely: CLSVOF, MCLS, VOSET and CLSMOF. It is observed that the level-set method tends to thicken thin filaments, whereas the VOF and coupled methods break up thin structures in small fluid particles. Finally, we coupled the level-set and volume-of-fluid methods with the incompressible Navier-Stokes solver. We compared different manners (sharp and smoothed) of treating the interface jump conditions. It is shown that the VOF methods are more robust, and provide excellent results for almost all the performed simulations. Two level-set methods are also identified that give very good results, comparable to those obtained with the VOF methods

L'atomisation assistée permet de transformer un jet liquide en gouttes à l'aide d'un jet gazeux co-courant rapide. Ce procédé est mis en œuvre dans certains moteurs cryotechniques et systèmes de propulsion aéronautique. L'étude numérique de ces configurations est cependant difficile à réaliser en raison du fort cisaillement couplé au fort rapport de masse volumique entre les phases liquide et gazeuse qui rendent la plupart des solveurs instables dont le solveur ARCHER développé au CORIA. Des développements numériques sur la modélisation des termes convectifs, à partir des travaux de Rudman, ont été réalisés. L'idée conductrice est de rétablir la consistance entre le transport numérique de la masse et celui de la quantité de mouvement. La discrétisation proposée nécessite le transport de l'interface sur une grille duale. Cette méthode s'est avérée stable mais coûteuse numériquement. Une nouvelle discrétisation, permettant de s'affranchir de la seconde grille est proposée et validée sur différents cas tests. Des études expérimentales sur l'atomisation assistée ont été menées au laboratoire LEGI depuis de nombreuses années et les nouveaux schémas numériques implémentés au cours de ce travail ont permis la simulation numérique d'un film liquide cisaillé 2D et d'un jet coaxial liquide en 3D que l'on a comparés aux résultats expérimentaux
Assisted atomization enables to transform a liquid jet into drops using a co-flowing high-speed gas jet. This method is applied in cryogenic engines and aircraft propulsion systems. However, numerical study of these configurations is challenging, due to the high shearing associated with the high density ratio between the liquid and gaseous phases, which make most solvers unstable, including the ARCHER solver developed in CORIA laboratory. Numerical developments on the modeling of the convective term based on Rudman's work have been performed. The main idea is to re-establish the consistency between numerical mass and momentum transport. The original discretization requires moving the interface onto a dual grid. This method has proved to be stable but numerically costly. A new discretization which enables to get rid of the second grid is suggested and validated on different test cases. Experimental studies on assisted atomization have been carried out in LEGI laboratory for years and the new numerical scheme developed during these studies have enabled to simulate numerically a 2D sheared liquid film and a coaxial liquid jet in 3D, which have then been compared to the experimental results

Dans cette thèse, on s'intéresse à deux problèmes provenant de l'étude mathématique des fluides incompressibles visqueux : la propagation de la régularité tangentielle et le mouvement d'une surface libre.La première question concerne plus particulièrement l'étude qualitative de l'évolution de quantités thermodynamiques telles que la température dans l'équation de Boussinesq sans diffusion et la densité dans le système de Navier-Stokes non homogène. Typiquement, on suppose que ces deux quantités sont, à l'instant initial, discontinues le long d'une interface à régularité h"oldérienne. Comme conséquence de résultats de propagation de régularité tangentielle pour le champ de vitesses, on établit que la régularité des interfaces persiste pour tout temps aussi bien en dimension deux d'espace, qu'en dimension supérieure (avec condition de petitesse). Notre approche suit celle du travail de J.-Y. Chemin dans les années 90 pour le problème des poches de tourbillon dans les fluides incompressiblesparfaits.Dans le cas présent, outre cette hypothèse de régularité tangentielle, nous n'avons besoin que d'une régularité critique sur le champ de vitesses.La démonstration repose sur le calcul para-différentiel et les espaces de multiplicateurs.Dans la dernière partie de la thèse, on considère le problème à frontière libre pour le système de Navier-Stokes incompressible à deux phases. Ce système permet de décrire l'évolution d'un mélange de deux fluides non miscibles tels que l'huile et l'eau par exemple. Différents cas de figure sont étudiés : le cas d'un réservoir borné, d'une goutte ou d'une rivière à profondeur finie.On établit l'existence et l'unicité à temps petit pour ce problème. Notre démonstration repose fortement sur des propriétés de régularité maximale parabolique de type $L_p$-$L_q
This thesis is dedicated to two different problems in the mathematical study of the viscous incompressible fluids: the persistence of tangential regularity and the motion of a free surface.The first problem concerns the study of the qualitative properties of some thermodynamical quantities in incompressible fluid models, such as the temperature for Boussinesq system with no diffusion and the density for the non-homogeneous Navier-Stokes system. Typically, we assume those two quantities to be initially piecewise constant along an interface with H"older regularity.As a consequence of stability of certain directional smoothness of the velocity field, we establish that the regularity of the interfaces persist globally with respect to time both in the two dimensional and higher dimensional cases (under some smallness condition). Our strategy is borrowed from the pioneering works by J.-Y.Chemin in 1990s on the vortex patch problem for ideal fluids.Let us emphasize that, apart from the directional regularity, we only impose rough (critical) regularity on the velocity field. The proof requires tools from para-differential calculus and multiplier space theory.In the last part of this thesis, we are concerned with the free boundary value problem for two-phase density-dependent Navier-Stokes system.This model is used to describe the motion of two immiscible liquids, like the oil and the water. Such mixture may occur in different situations, such as in a fixed bounded container, in a moving bounded droplet or in a river with finite depth. We establish the short time well-posedness for this problem. Our result strongly relies on the $L_p$-$L_q$ maximal regularity theoryfor parabolic equations

On étudie des phénomènes de séparation d'écoulement avec deux approches différentes. Dans la première partie, on considère des écoulements 2D, instationnaires, incompressibles et non visqueux. Un modèle analytique-numérique, basé sur la jonction d'une transformation conforme et d'une méthode aux tourbillons ponctuels, est construit pour définir l'écoulement potentiel dans un domaine doublement connecté où les corps sont caractérisés par une variation temporelle de leur circulation. En particulier, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement autour d'un VAWT avec deux pales. Dans la seconde partie on considère des écoulements visqueux et compressibles. On construit un solveur qui résoud les équations de Navier-Stokes en y introduisant une technique de pénalisation: les corps sont modélisés comme des milieux poreux ayant une porosité très petite par rapport à la porosité du fluide extérieur. Cette technique permet d'utiliser des maillages cartésiens pour des géométries très complexes
In the present work flow separation phenomena are investigated by means of two different approaches. In the first part, 2D unsteady incompressible inviscid flows are studied. An analytical-numerical model, based on the conjunction of a conformal mapping and a point vortex method, is built to define the potential flow field in a doubly connected domain where bodies are characterized by a variation in time of their circulation. In particular, the study of the unsteady flow past a 2-blade Darrieus VAWT is addressed. Until now the study of vortex motions has only been described in doubly-connected flow fields where the circulations have a constant null value. The flow field here analysed has a deep unsteadiness, which determines the circulations varying in time: so a technique is developed to uniquely define the circulations around the bodies. Three conditions result necessary to be imposed: in addition to the two Kutta conditions at the trailing edges, another one has to be imposed in order to respect the Kelvin theorem. With a classical configuration, this machine, experiencing angles of attack of opposite values, gives rise to complex vortex shedding phenomena that reduce its performances and stress its structure. In order to control the flow separation from the blades, an innovative solution is qualitatively investigated which consists of taking blade profiles provided with vortex trapping cavities. Interesting results are obtained, even if in the limit of inviscid flow. In the second part compressible viscous flows are taken into account. A fully Navier-Stokes equations solver is implemented introducing the penalization technique. The idea is to replace the bodies by the fluid, in a way that also into the bodies the penalized Navier-Stokes equations remain valid, respecting the boundary conditions on their contours. Starting from this purpose, the bodies are considered as porous media with a little porosity with respect to that of the external flow, which tends to infinity. This technique allows simple Cartesian meshes to be used, also for very complex geometries like those of industrial interest. The resulting code is tested on different flow fields, both steady and unsteady, both subsonic and supersonic, obtaining always a good agreement with other theoretical and numerical results described in literature

Cette thèse présente la Simulation des Grandes Echelles (LES) de l’injection, de la pulvérisation et de la cavitation dans un injecteur pour les applications liées aux moteurs à combustion interne. Pour la modélisation de l’atomisation, on utilise le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization). Le modèle résout la fraction volumique du combustible liquide ainsi que la densité de surface d’interface liquide-gaz pour décrire le processus complet d’atomisation. Dans cette thèse, l’écoulement à l’intérieur de l’injecteur est également pris en compte pour une étude ultérieure de l’atomisation. L’étude présente l’application du modèle ELSA à un injecteur Diesel typique, à la fois dans le contexte de RANS et de LES.Le modèle est validé à l’aide de données expérimentales disponibles dans Engine Combustion Network (ECN). Le modèle ELSA, qui est normalement conçu pour les interfaces diffuses (non résolues), lorsque l’emplacement exact de l’interface liquide-gaz n’est pas pris en compte, est étendu pour fonctionner avec une formulation de type Volume of Fluid (VOF) de flux à deux phases, où l’interface est explicitement résolu. Le couplage est réalisé à l’aide de critères IRQ (Interface Resolution Quality), qui prennent en compte à la fois la courbure de l’interface et la quantité modélisée de la surface de l’interface. Le modèle ELSA est développé en premier lieu en considérant les deux phases comme incompressibles. L’extension à la phase compressible est également brièvement étudiée dans cette thèse. Il en résulte une formulation ELSA compressible qui prend en compte la densité variable de chaque phase. En collaboration avec l’Imperial College de Londres, la formulation de la fonction de densité de probabilité (PDF) avec les champs stochastiques est également explorée afin d’étudier l’atomisation. Dans les systèmes d’injection de carburant modernes, la pression locale à l’intérieur de l’injecteur tombe souvent en dessous de la pression de saturation en vapeur du carburant, ce qui entraîne une cavitation. La cavitation affecte le flux externe et la formulation du spray. Ainsi, une procédure est nécessaire pour étudier le changement de phase ainsi que la formulation du jet en utilisant une configuration numérique unique et cohérente. Une méthode qui couple le changement de phase à l’intérieur de l’injecteur à la pulvérisation externe du jet est développée dans cette thèse. Ceci est réalisé en utilisant le volume de formulation de fluide où l’interface est considérée entre le liquide et le gaz; le gaz est composé à la fois de vapeur et d’airambiant non condensable
This thesis presents Large Eddy Simulation (LES) of fuel injection, atomization and cavitation inside the fuel injector for applications related to internal combustion engines. For atomization modeling, Eulerian Lagrangian Spray Atomization (ELSA) model is used. The model solves for volume fraction of liquid fuel as well as liquid-gas interface surface density to describe the complete atomization process. In this thesis, flow inside the injector is also considered for subsequent study of atomization. The study presents the application of ELSA model to a typical diesel injector, both in the context of RANS and LES. The model is validated with the help of experimental data available from Engine Combustion Network (ECN). The ELSA model which is normally designed for diffused (unresolved) interfaces, where the exact location of the liquid-gas interface is not considered, is extended to work with Volume of Fluid (VOF) type formulation of two phase flow, where interface is explicitly resolved. The coupling is achieved with the help of Interface Resolution Quality (IRQ) criteria, that takes into account both the interface curvature and modeled amount of interface surface. ELSA model is developed first considering both phases as incompressible, the extension to compressible phase is also briefly studied in this thesis, resulting in compressible ELSA formulation that takes into account varying density in each phase. In collaboration with Imperial College London, the Probability Density Function (PDF) formulation with Stochastic Fields is also explored to study atomization. In modern fuel injection systems, quite oftenthe local pressure inside the injector falls below the vapor saturation pressure of the fuel, resulting in cavitation. Cavitation effects the external flow and spray formulation. Thus, a procedure is required to study the phase change as well as jet formulation using a single and consistent numerical setup. A method is developed in this thesis that couples the phase change inside the injector to the external jet atomization. This is achieved using the volume of fluid formulation where the interface is considered between liquid and gas; gas consists of both the vapor and non condensible ambient air

On présente dans ce mémoire le travail de recherche qui a été effectué dans le cadre de la Maîtrise en Ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi. Ce travail a été commandé par Électricité de France, en collaboration avec le Professeur SYLVAIN BOIVIN et le Groupe Interdisciplinaire de Recherche en Éléments Finis de l'Université Laval, dirigé par le Professeur MICHEL FORTIN. Ce travail a tenté de contribuer à la recherche sur les méthodes de volumes finis sur maillages non structurés, encore peu utilisées malgré leurs qualités intrinsèques, comme la conservation numérique locale des quantités conservatives, et la capacité à traiter des géométries complexes. En ce qui concerne la discrétisation en espace, un schéma récent pour la diffusion a été testé et a confirmé, au cours des nombreuses simulations effectuées, ses excellentes qualités de précision, de facilité de mise en oeuvre et de faible coût de calcul, qui en font un candidat extrêmement intéressant pour les applications industrielles. Les tests effectués d'autre part sur les schémas pour la convection, sur un système inconditionnellement hyperbolique de type Euler isentropique, ont montré l'extrême robustesse du schéma de RuSANOV. Ce schéma constitue donc une alternative aux schémas classiques (GODUNOV et ROE) et au plus récent schéma de VFROE [27], en particulier pour les applications industrielles où ils ne peuvent être mis en oeuvre ou lorsque la robustesse est le facteur limitant. Ces schémas ont été testés ici dans un cadre bidimensionnel, mais la généralisation au cadre tridimensionnel est possible, et cette extension est d'ailleurs en cours à l'U.Q.A.C. en ce qui concerne les calculs monophasiques. Concernant la discrétisation en temps, une méthode de prédiction-correction a été utilisée et s'est montrée parfaitement adaptée à la résolution des systèmes physiques considérés ici, qui modélisent des écoulements monophasiques et diphasiques où apparaît une contrainte stationnaire du fait des hypothèses d'incompressibilité. La flexibilité de cette méthode a permis de traiter avec succès de nombreux problèmes physiques monophasiques, des écoulements incompressibles d'un fluide visqueux au transport de polluant, en passant par la convection naturelle d'un fluide de BOUSSINESQ, etc. Enfin, concernant la physique des écoulements diphasiques, les effets de compactage maximal ont été obtenus dans le système continu par l'utilisation d'une loi de pression granulaire présentant une asymptote verticale au taux de compactage maximal. Cette propriété permet la simulation de configurations industrielles du type lits fluidisés denses, où le taux de présence des particules varie d'une valeur quasi-nulle (au sein de bulles) aux alentours du taux de compactage maximal. Une telle simulation n'a pu être menée à terme dans le cadre de ce travail, mais chaque composante de la méthode a été testée et un test complet de compactage a été effectué, démontrant la faisabilité de ce calcul.