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Résumé:

La mécanique des fluides numérique est un outil important qui nous aide à comprendre les phénomènes naturels et à dimensionner, opérer et optimiser des procédés complexes d’ingénierie dans l’industrie. Aujourd’hui, pour être capable de prédire de manière fiable les écoulements de fluides sur la base de simulations numériques il est indispensable de recourir à l’utilisation de super-calculateurs. Avec l’augmentation continue des ressources de calcul au fur et à mesure des années, la question de savoir comment utiliser ces moyens de manière efficace, robuste et précise devient de plus en plus importante. L’amélioration des pratiques existantes implique une meilleure compréhension des mécanismes physiques sous-jacents ainsi que l’optimisation des algorithmes et des méthodes numériques employées pour résoudre les équations de bilan.

La méthode de Lattice-Boltzmann (LBM) est une approche mésoscopique permettant d’approximer les équations macroscopiques de conservation de la masse et de la quantité de mouvement d’un fluide. L’objectif de cette étude est d’appliquer cette approche à des simulations de grande échelle et de présenter ses performances numériques et physiques. Deux configurations principales sont examinées – un écoulement swirlé non-réactif à l’intérieur d’un injecteur et un écoulement chargé en particules autour d’un cylindre. Afin de valider les modélisations et techniques numériques retenues, nous avons conduit plusieurs tests par rapport à des prédictions théoriques, numériques et expérimentales de la littérature pour une large gamme d'écoulements allant du régime de Stokes aux écoulements turbulents. Une attention particulière est portée à la vérification de l’interaction fluide-solide dans le cas de suspensions de particule.

Les écoulements swirlés sont typiques des chambres de combustion aéronautiques. La configuration retenue a été choisie pour évaluer la précision et l’efficacité de trois solveurs différents de simulation des grandes structures de la turbulence. Les résultats de simulation numérique sont comparés à des résultats expérimentaux en termes de profils de vitesse moyenne et fluctuante et de perte de charge. La mise à l’échelle, c’est-à-dire la performance du code sur une grande gamme de processeurs a été caractérisée ainsi que les différences entre les différentes approches algorithmiques.

Le deuxième cas d'étude est celui d'un fluide chargé en particules s'écoulant autour d'un cylindre. Dans le cadre de cette étude, les particules sont entièrement résolues et couplées à l’écoulement du fluide. Ceci permet de prendre en compte l'effet d'augmentation de la viscosité effective de la suspension en fonction de la fraction volumique des particules. Ce phénomène n’apparaît en simulation numérique que si les particules sont rigides et de taille finie. Cette approximation d'un fluide diphasique en milieu est confirmée en comparant les paramètres d’écoulement globaux. En partant de particules à flottabilité neutre, la transition vers un écoulement granulaire est analysée. En augmentant la densité relative des particules, l’influence de l’inertie des particules est mise en évidence sur la réponse de l'écoulement. En particulier, la contribution des collisions des particules avec le cylindre sur le coefficient de traînée pour des densités relatives variables est discutée. En conclusion, nous avons dressé un bilan des performances en termes de puissance de calcul mais aussi de représentativité physique des résultats.

Jury:

Pierre SAGAUT	Aix-Marseille Université	Rapporteur
Timm KRUEGER	University of Edinburgh	Rapporteur
Ivana VINKOVIC	Université Lyon 1	Examinatrice
Philippe GONDRET	Université Paris-Saclay	Examinateur
Ulrich RUEDE	FAU Erlangen-Nürnberg	Examinateur
Laurent LACAZE	IMFT	Examinateur
Thierry POINSOT	IMFT	Directeur de thèse
Eric CLIMENT	IMFT	Co-directeur de thèse