L'étude a pour objectif l'estimation d'échanges de chaleur surfaciques transitoires dans des environnements agressifs, c'est à dire inaccessibles à la mesure directe, tant dans les cas linéaires que non-linéaires. Les champs d'application concernés sont vastes : chambres de combustion, systèmes anti-givrage, caractérisation de réactions chimiques exothermiques. Une méthode de résolution inverse permet de résoudre ces problèmes. Une équation d'observation formée par des mesures de températures surfaciques sur une face est nécessaire à l'estimation des échanges. Dans la mesure où ces méthodes inverses sont très sensibles au bruit de mesure, il a été nécessaire d'adopter une stratégie de stabilisation des solutions efficace. De ce fait, l'utilisation d'une transformée en cosinus discrète (T.C.D.) afin de filtrer et/ou compacter les données du problème constitue un point clé de l'étude. Chaque outil présenté est soumis à des tests numériques afin de connaître son domaine de validité. De plus, deux expériences de laboratoire permettent de juger des principales sources d'erreur rencontrées lors de la confrontation des modèles à la réalité.

Cette étude s'inscrit dans le cadre de recherches, menées dans différents laboratoires, sur l'optimisation des moteurs à propergol solide d'Ariane 5 (MPS P230). Dans une certaine plage de fonctionnement du moteur, l'écoulement diphasique généré par la combustion du propergol enrichi en aluminium se couple à l'acoustique de la veine et crée ainsi des instabilités pouvant être dramatiques. D'autre part, certaines gouttelettes forment, dans le fond arrière du propulseur, une flaque dont le ballottement induit des déséquilibres et des oscillations de poussée. L'objectif de la thèse est de comprendre l'influence de la phase dispersée sur le couplage aéroacoustique au sein du P230 grâce à une étude numérique approfondie. La géométrie support est une maquette du moteur, VIOLETTE, fonctionnant en gaz froid. Le manuscrit comprend trois parties : les phénomènes physiques mis en jeu et les méthodes numériques utilisées, la modélisation de l'écoulement diphasique en gaz froid, l'influence de l'évaporation des gouttes d'aluminium. L'écoulement gazeux instationnaire est calculé en résolvant les équations laminaires de Navier-Stokes grâce au code MSD, couplé au module LSD pour la simulation déterministe lagrangienne de la phase liquide, en two-way coupling. En gaz froid, la présence de gouttelettes cause une diminution des fréquences et amplitudes d'oscillation, et de la pression moyenne. Ces phénomènes sont fortement dépendants des conditions d'injection des gouttes. En gaz chaud, l'évaporation des gouttes accroît les échanges entre phases. La pression moyenne et l'amplitude des fluctuations augmentent considérablement par rapport au cas monophasique. Enfin, l'excitation de modes acoustiques transverses a été mise en évidence par la prise en compte de l'évaporation des gouttelettes.

Les instabilités de combustion apparaissant dans les systèmes aérobies de type turbomachine résultent d'un couplage aéro-thermo-acoustique et provoquent une usure accrue des pièces constituantes du foyer.Dans le contexte de la compréhension physique des phénomènes de couplage impliqués dans l'apparition, le maintien voire l'encouragement de ces instabilités de combustion, on analyse l'incidence d'une injection instationnaire de carburant sur le processus de combustion. Une installation expérimentale a été conçue dans ce but à l'ONERA Centre de Toulouse. La modulation générée par la pression acoustique sur l'injection est modélisée en pulsant à volonté chaque débit (gaz et liquide) en amont d'un injecteur de type aérodynamique, ceci au moyen d'actionneurs. Les expériences sont réalisées en jet libre aux conditions standards pour une caractérisation du brouillard en non-réactif, et en milieu confiné à une température de 500 K pour les essais en combustion. Ce travail de thèse met d'abord en place le contexte industriel qui justifie le programme d'essais réalisés. Ensuite l'aspect technique est abordé : le banc est décrit en détail, ainsi que les techniques de mesures conditionnées afin de discerner diverses quantités cycliques. Enfin, la caractérisation du brouillard injecté en régime pulsatoire forcé est réalisé, en non-réactif et en combustion. Les résultats mettent en avant l'importance d'une modulation du débit d'air à l'injection, et de ses effets sur le champ aérodynamique de la chambre et sur le transport du mélange air/carburant fortement lié au nombre de Stokes des gouttes.

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.

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.

Les longs moteurs à propergol solide peuvent présenter des oscillations de poussée dues à des fluctuations de la pression dans la chambre de combustion. Une source de ces fluctuations peut être l'instabilité de l'écoulement interne (écoulement de Taylor), dont l’étude au sens classique a déjà été effectuée par J.Griffond (2001) sur l'écoulement monophasique. Elle est présentée au premier chapitre, ainsi que le problème des oscillations de poussée et une première analyse des mesures effectuées sur divers montages expérimentaux. Dans le but d’augmenter l'impulsion spécifique du moteur, le propergol contient des particules d’aluminium relachées dans l'écoulement. Afin de prendre en compte la présence de ces particules, un nouvel écoulement de base, alors diphasique, doit être recherché. C’est ce qui est fait au chapitre 2. L’étude de stabilité de cet écoulement y est aussi menée, et montre finalement une faible influence des particules sur la stabilité. Une modélisation de la combustion y est aussi donnée dans le but de fournir un modèle homogène pour une étude de stabilité, mais celle-ci n’est pas faite ici. L'approche classique de stabilité ne suffit pas à décrire toutes les observations expérimentales. Pour cela, une nouvelle approche de la stabilité est mise en œuvre dans le chapitre 3. Il s’agit d’une approche globale de la stabilité de l'écoulement qui prend en compte le caractère non-parallèle de l'écoulement de Taylor. Les résultats théoriques montrent un bon accord avec les mesures effectuées sur les maquettes et sur Ariane 5.

Cette thèse, financée par la DGA, a pour objectif le développement de modèles d'évaporation de gouttes multicomposants afin de bien prévoir la vaporisation des carburants. Une approche expérimentale réalisée en parallèle sur l'évaporation de gouttes bicomposants a fourni des résultats pour une validation partielle de ces modèles. Deux modèles de description des phases liquide et vapeur sont proposés. Le premier, souvent appliqué dans les travaux existants dans la littérature, est une modélisation discrète de la composition et devient extrêmement exigeant en temps de calcul lorsque le nombre de composants dans la goutte augmente. Le second modèle décrit la composition des carburants grâce à des fonctions de distribution et a fait l'objet d'améliorations durant ces travaux. Grâce à une recherche approfondie de propriétés physiques pour de nombreux hydrocarbures, l'évaporation du kérosène, de l'essence, du gasoil ou des futurs carburants alternatifs, peut alors être simulée avec une composition liquide très détaillée. Des techniques de mesure non intrusives sont mises en oeuvre afin de déterminer l'évolution de la taille et de la température de gouttes bicomposants en évaporation dans une ambiance à faible ou haute température. Une étude spécifique sur l'allumage d'un noyau de gouttes multicomposants dans des conditions critiques (haute altitude) montre l'intérêt de considérer l'aspect multicomposants du kérosène.

L'objectif de cette thèse est le développement; d’un modèle simplifié caractérisant le transfert thermique aux parois d’une chambre de relais enterrée et soumise aux variations du flux solaire. Dans un premier temps, la chambre de relais est simplifiée au cas d’une cavité contenant une source de chaleur. Cette configuration est alors caractérisée par une étude expérimentale puis numérique. L'étude expérimentale est basée sur l'utilisation de deux fluides de travail, l'air et l’eau, permettant d’étudier deux nombres de Rayleigh pour une même maquette. Dans une deuxième partie, une étude numérique paramétrique permet de caractériser l'évolution de la structure de l'écoulement et du transfert thermique en fonction des principaux paramètres caractéristiques. De cette partie, on déduit un ensemble de corrélations qui seront introduites dans le modèle simplifié. La dernière partie, porte sur le développement du modèle simplifié.

Mesurer la granulométrie de la phase condensée (gouttes d'alumine) des produits de combustion des moteurs spatiaux à propergol solide est nécessaire pour résoudre les problèmes d'oscillations de poussée et de dépôts. La technique envisagée pour cette mesure utilise une sonde de prélèvement isocinétique. Pour en comprendre les mécanismes de fonctionnement, nous étudions l'effet de la forte concentration des particules sur l'efficacité d'aspiration d'une sonde. Un banc expérimental produit des rafales brèves d'un mélange dense d'air et de poudre (rapport massique entre 0,1 et 1), échantillonné en parallèle par une sonde de test et une sonde de référence parfaitement isocinétique. En complément, un modèle numérique de l'entrée de la sonde permet de discerner les phénomènes locaux. Il apparaît qu'en configuration super-isocinétique, les particules ayant rebondi sur le bord d'attaque de la sonde sont aspirées et provoquent un excès de concentration mesurée. Une nouvelle expression analytique de l'efficacité d'aspiration permet de quantifier ce phénomène. Expérimentalement, cet effet est progressivement atténué par l'augmentation de la concentration des particules, en raison de l'augmentation des couplages diphasiques, qui réduisent la capacité des particules à suivre le fluide porteur : transfert de quantité de mouvement des particules vers le fluide, collisions entre particules, effet de sillage entre particules voisines. Les simulations numériques d'une sonde à bord épais mettent en évidence la prédominance des particules ayant rebondi avant d'être aspirées, et permettent de proposer une technique d'aspiration fortement sub-isocinétique pour eviter ce phénomène.

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.