L’objectif de cette thèse a été d’étudier l’évaporation d’un brouillard multi composant à l’aide d’approches expérimentale et numérique. Deux axes de recherche ont été privilégiés. Une base de données expérimentales a tout d’abord été créée en utilisant différentes techniques optiques de mesure. Une attention particulière a été accordée à la technique Arc-en-Ciel Global (ACG), utilisée pour la mesure de la température des gouttes. Ensuite des simulations numériques ont été réalisées pour des brouillards mono et bi-composant en évaporation. Dans la première phase de cette recherche, les investigations expérimentales et numériques ont été conduites pour un brouillard polydisperse, non-confiné et en refroidissement. Cette configuration offre l’avantage de pouvoir étudier l’évaporation sous une faible influence de la phase gazeuse. Pour un liquide bicomposant, l’effet de la variation de concentration sur les mesures ACG a été analysé à l’aide d’un couplage entre la technique expérimentale et la simulation numérique. Après avoir validé les modèles d’évaporation sur le brouillard non-confiné, une configuration plus complexe se rapprochant des conditions réelles d’une chambre de combustion a été étudiée (montage IMFT). En ce qui concerne la simulation numérique, la phase gazeuse a été caractérisée en utilisant une approche de type LES. La phase dispersée constituée des gouttes mono-composant est prise en compte dans le calcul. La nature très instationnaire de l’écoulement diphasique a été mise en évidence. La comparaison entre l’expérience et la simulation numérique a permis d’évaluer l’intérêt de la technique ACG pour la mesure de la température des gouttes.

La Montgolfière Infrarouge (MIR), de 40 mètres de diamètre et développée par le CNES, capte le rayonnement infrarouge terrestre pour chauffer l'air à l'intérieur du ballon et le maintenir à des altitudes élevées (30km le jour et 20km la nuit). Cette étude vise à déterminer le coefficient de convection naturelle externe dans des conditions expérimentales proches de celles rencontrées par la MIR lors de son vol (10¹¹ < Ra < 10¹², distribution de température inhomogène, condition d'environnement infini). Dans ce but, une maquette de la MIR, à l’échelle 1/100ème et constituée de films chauffants, est placée dans une enceinte remplie d'air (2x10⁸ < Ra < 4x10⁸). Une instrumentation PIV (Particle Image Velocimetry) permet de caractériser l’écoulement dans un plan 2D autour de la maquette et des thermocouples, placés sur la maquette et dans l'enceinte, mesurent la température. Ce banc expérimental permet de calculer le nombre de Nusselt local sur la maquette pour différentes distributions de température. Une simulation numérique, dont les résultats sont validés par rapport à l'expérience, vient compléter l'étude du nombre de Nusselt local pour des nombres de Rayleigh plus importants (10¹⁰ < Ra < 2x10¹⁰), plus proches des conditions réelles.

La conception de nouveaux moteurs impose de respecter des normes de sécurité concernant les performances d'allumage et de ré-allumage en conditions critiques. Des campagnes d'essais étant onéreuses, les industriels cherchent donc à disposer d'outils numériques fiables. Afin d'améliorer la simulation des écoulements, le caractère multicomposant du carburant doit être pris en compte. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de l'évaporation d'un brouillard de gouttes sur un écoulement réactif. Pour cela, une étude de la propagation d'une flamme laminaire 1D est réalisée à l'aide d'un code de calcul multiphysique (CEDRE). Un train continu de gouttes monodisperse est injecté, les gouttes étant mono ou bicomposant. L'influence de la dynamique d'évaporation sur la combustion est étudiée. Deux cinétiques chimiques réduites multicomposant sont comparées. La composition, le diamètre et la richesse initiale des gouttes ont un impact sur la structure de flamme, la vitesse de flamme et la composition des gaz brûlés. Ensuite, l'effet de l'évaporation est étudié en phase d'allumage pour un brouillard de gouttes polydisperses monocomposant avec un modèle de noyau d'allumage local. L’écoulement instationnaire non-réactif dans un secteur de chambre industriel (MERCATO) est calculé avec une approche LES. Le caractère instationnaire, voire périodique, de la phase dispersée est mis en évidence en certains points de l'écoulement. Les résultats, associés au modèle d'allumage et à des critères, sont utilisées pour réaliser une carte de probabilité d'allumage. Des essais de calcul d'allumage complet de la chambre sont réalisés. Les résultats indiquent une surestimation des termes sources liés à l'évaporation de la phase dispersée et à la combustion.

Le givrage a été identifié comme un danger important dès le début de l'aéronautique. L'accrétion de givre sur les ailes d'avion, due à la présence de gouttelettes surfondues dans les nuages, cause parmi d'autres conséquences néfastes une dégradation des performances aérodynamiques pouvant conduire au décrochage. C'est pourquoi les avionneurs développent depuis longtemps des systèmes de protection. Comme les essais en vols ou en soufflerie sont souvent complexes à mettre en oeuvre et onéreux, la simulation numérique est devenue un outil efficace et complémentaire pour dimensionner ces systèmes. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la modélisation de l'accrétion de givre, du ruissellement et des systèmes de protection thermique. Elle s'articule en sept chapitres. Après avoir présenté les enjeux et contexte, on introduit une approche tricouche permettant de modéliser l'accrétion de givre et le ruissellement de manière instationnaire. Les trois chapitres suivants traitent des méthodes de discrétisation de ce modèle ainsi que de son couplage avec un modèle du système de protection thermique. Les deux derniers sont consacrés à la présentation des résultats de simulations numériques montrant l'intérêt de l'approche développée et la faisabilité de simulations complètes de phénomènes d'accrétion de givre sur une paroi chauffée ou non.

Les longs moteurs segmentés à propergol solide sont sujets à des oscillations de poussée (ODP), particulièrement en fin de tir. Il a été montré que ces oscillations sont liées à des fluctuations de pression de l'écoulement interne. Les fréquences des oscillations obtenues étant proches de celles des modes de cavité des moteurs, on a longtemps cru à l'émergence de fluctuations acoustiques pour expliquer les ODP. Cette thèse montre qu’en fait c’est l'amplification de modes propres de l'écoulement qui est à l’origine du phénomène. L'amplification résulte du couplage des modes propres avec les modes de cavités qui se produit lors du croisement de leurs fréquences respectives. Pour parvenir à cette conclusion, une étude de stabilité linéaire dite bigiobale a été menée afin d’identifier les modes propres de l’écoulement. Après une validation des résultats de stabilité à l’aide de simulations numériques directes (DNS), l'émergence de modes propres par couplage avec l’acoustique a été reproduite lors de calculs DNS. Une fois ces résultats acquis, on s'intéresse alors aux comparaisons entre théorie et expériences en se basant en particulier sur une analyse temps-fréquence des signaux de pression issus de tirs de moteurs à échelles réduites. Les pulsations résultant des calculs de stabilité sont rendues dimensionnelles en prenant en compte l’évolution des paramètres de l'écoulement, simulant ainsi la régression des blocs de propergol. On obtient finalement un réseau de modes propres dont les fréquences évoluent dans le temps et on trouve ainsi un très bon accord entre les valeurs théoriques et expérimentales. La cohérence de l'ensemble des résultats fournis par les expériences, les modélisations théoriques et les calculs numériques permet de construire in fine notre modèle d’apparition des ODP.

La mise au point de la régulation d’un turboréacteur, quel qu’il soit nécessite l'utilisation d’un modèle de simulation capable d'être intégré dans une chaîne réelle d’essais, simulant les états du turboréacteur en fonctionnement stabilisé et en fonctionnement transitoire. Cette recherche décrit un modèle de calcul de fonctionnements de turboréacteurs codé sous Matlab. Ce dernier, disponible sur demande, est flexible et peut être appliqué aux différents problèmes de recherches. Ce programme fournit un environnement graphique interactif qui permet à l'utilisateur de construire et analyser rapidement et efficacement des systemes arbitraires de turboréacteurs. Le programme de simulation utilise une interface graphique utilisateur, développée en outil GUI, et la méthode d'analyse aérothermodynamique de turbine à gaz. Le programme est capable de calculer le point d’adaptation, le fonctionnement hors adaptation (la ligne de fonctionnement stabilisé) et le fonctionnement transitoire de turboréacteurs de configurations variées avec compresseur axial. Les résultats de calcul sont présentés sous forme de tableau numérique et graphique, tels que les lignes de fonctionnement stabilisé et transitoire tracées sur les champs de caractéristiques de compresseur et de turbine. Ce programme est ouvert, accessible et modifiable pour des applications de recherche publique, des utilisations pédagogique et pour une meilleure comprehension du fonctionnement des turboréacteurs.

Le travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet de recherche fédérateur "Modélisation de la signature infrarouge d'un jet de missile supersonique". L'objectif de ce projet est de définir une chaîne de calcul complète pour la détermination de la signature infrarouge de missile. Dans ce cadre, la problématique se restreint à l'étude de l'écoulement diphasique en sortie de tuyère d'un jet propulsif supersonique chargé en particules solides ou liquides et à la détermination du coefficient de traînée de ces mêmes particules. Dans ce contexte, une étude expérimentale a été montée au Laboratoire IUSTI pour caractériser le comportement de particules mises en accélération par l'écoulement d'un gaz créé par une onde de choc. Ainsi, par traitement d'images, le coefficient de traînée peut être finalement déterminé. Ces résultats sont ensuite utilisés pour le calcul lagrangien d'une configuration de jet de missile réaliste en propulsion solide.

Les écoulements en phase dispersée sont présents dans de nombreux procédés industriels. En particulier, dans les moteurs à combustion interne ou en propulsion aéronautique et spatiale, le mélange est réalisé par injection du carburant liquide dans l’air environnant. L'efficacité de la combustion et le niveau de production de polluants dépendent très fortement de la qualité de la pulvérisation de carburant (phénomène d’atomisation). Les caractéristiques de la phase dispersée peuvent être modifiées par l'interaction du brouillard avec les parois de la chambre de combustion, processus qu’il convient de comprendre, prévoir et quantifier pour l'optimisation des performances des moteurs. Ce travail de thèse a donc consisté à étudier expérimentalement puis à modéliser les différents processus physiques liés à l’interaction entre des gouttes de carburant et une paroi chaude. Une classification des différents régimes observés est tout d’abord proposée, sur la base d’une classification existante étendue à l’aide des données expérimentales obtenues dans le cadre de cette thèse. Ensuite, une étude détaillée du régime dit de « splashing » est entreprise ; l’avancée principale de cette étude provient de l'élaboration d’une corrélation permettant de calculer la distribution en taille des gouttes secondaires générées à la suite du splashing, cette corrélation prenant en compte non seulement les caractéristiques de la goutte incidente, mais également la température de la paroi. Enfin, l’ensemble des phénomènes est intégré au sein d’un modèle global d'interaction gouttes/paroi qui permet de déterminer, pour chacun des régimes, le devenir de la goutte incidente. Ce modèle a par ailleurs été validé à l’aide de résultats expérimentaux provenant de la littérature.

Avec les nouveaux enjeux en matière de pollution et de gain de puissance des turbomachines modernes, il est aujourd’hui nécessaire de maîtriser de façon optimale la combustion du carburant. Les nouvelles performances recherchées imposent donc aux motoristes un cahier des charges strict sur les systèmes d'injection. C’est dans le but d’optimiser le développement des systèmes d’injection à effet de pression de type tourbillonnaire double-débit utilisés dans les chambres de moteurs aéronautiques qu’un banc expérimental reproduisant, à grande échelle, les différents circuits constitutifs d’un tel injecteur a été mis en place à l'ONERA Centre de Toulouse. Une campagne d’essais a été effectuée afin de fournir une banque de données permettant une meilleure compréhension de la structure de l'écoulement interne d’un injecteur tourbillonnaire et de son influence sur l'atomisation du jet en sortie d’orifice. Les maquettes développées sont réalisées entièrement en matériau transparent, et sont constituées de différents modules interchangeables afin d’explorer plusieurs géométries. Des campagnes de mesure par fluorescence laser, par LDA et par PIV ont founi une cartographie de l'écoulement interne révélant une architecture complexe fortement instationnaire. Schématiquement, le liquide à pulvériser entre dans une chambre dite à swirl via plusieurs fentes placées tangentiellement. L'application d’un important mouvement tourbillonnaire induit une structure de l'écoulement de type vortex de Rankine et se caractérise aussi par la formation d’une colonne d’air tout le long de l’axe. Par ailleurs, les instabilités de ce noyau d’air central ont pu être caractérisées : le caractère instationnaire des jets d'alimentation a une importance essentielle sur les origines des instabilités se propageant dans l'injecteur. En parallèle, ces données ont été exploitées avec l'objectif de valider un modèle 2D axisymétrique et un modèle 3D réalisés avec les logiciels Fluent 5.7 et 6 suivant une méthode diphasique VOF d’ordre 2 avec reconstruction d'interface.

L’optimisation des systèmes propulsifs pour l’aéronautique présente un large ensemble de défis technologiques qui doivent répondre à de nombreuses contraintes. L’une des principales contraintes pour la sécurité d’un aéronef est sa capacité à assurer le redémarrage en conditions de haute altitude. Ces conditions environnementales altèrent considérablement les caractéristiques du brouillard et limitent l’évaporation du combustible. Afin de prévoir l’influence des ces conditions sur le brouillard, les industriels ont recours à des modèles de comportement. Cependant ces corrélations sont établies dans des conditions ambiantes et il n’existe pas à ce jour de mesures réalisées dans ces conditions critiques de rallumage. De plus, rien n’atteste que ces corrélations restent valables dans ces conditions critiques. Afin de répondre à cette question, il paraît judicieux de mener des essais dans ces conditions critiques afin d’y caractériser le comportement du brouillard. Cette étude consiste donc à réaliser des essais dans ces conditions critiques de rallumage en haute altitude de manière à constituer une base de données dans le but de développer des modèles de comportement du brouillard. Un autre objectif de cette étude sera d’étendre la technique de mesure Planar Droplet Sizing au cas du kérosène et au banc MERCATO afin de proposer une alternative aux mesures PDA qui demeurent chronophages. La comparaison avec les mesures PDA nous permet de quantifier la précision de la technique de mesure dans ce contexte critique