L'objectif de cette thèse est de réaliser l'analyse expérimentale des écoulements de convection naturelle et mixte générés par un obstacle à bords vifs placé dans une cavité. Le cas générique retenu est constitué d’un barreau chauffant de section carrée placé horizontalement dans une cavité de type parallélépipède. L'analyse de l'écoulement et des transferts de chaleur est basée sur l'utilisation de deux dispositifs expérimentaux (maquette à bas puis à haut nombre de Rayleigh) et de plusieurs méthodes de mesure (PlV, LDV et thermocouples). La première étude, menée sur un cas de convection naturelle laminaire stationnaire, permet d'évaluer l'influence du rapport de forme R[indice sc] sur l'écoulement et de valider le code de calcul CEDRE (ONERA). La suite de ces travaux est focalisée sur l'étude d'une configuration similaire mais en régime turbulent. Les résultats expérimentaux obtenus ont mis en évidence le comportement fortement instationnaire de l'écoulement et ont permis une première comparaison à des calculs DNS. Enfin, l'ajout de jets froids à l'intérieur de la cavité permet d’aborder les écoulements de convection mixte dans ce type de configuration. L'analyse des données expérimentales a principalement souligné la difficulté définir l'écoulement dans sa globalité à l’aide d’un nombre sans dimension unique.

Dans les turbomachines, pour protéger les parois des chambres de combustion exposées à de très fortes températures, la technique de refroidissement par multiperforation s'avère particulièrement efficace. Cette technique consiste à faire passer une partie de l'air provenant du compresseur à travers la paroi de la chambre de combustion par des milliers d'orifices de petit diamètre. Lors du développement des nouvelles chambres, la prise en compte de ce type d'injection dans les simulations numériques s'avère toutefois difficile à cause de la petite taille et du très grand nombre des perforations. Le travail effectué durant cette thèse vise à la fois à optimiser cette technique d'injection et à améliorer sa prise en compte dans les simulations numériques. Des campagnes d'essais sont réalisées pour étudier l'effet de l'orientation, longitudinale ou giratoire, du flux d'air protecteur. Une action significative de ce paramètre est démontrée sur la protection de la paroi et sur le mélange de l'air de refroidissement avec l'écoulement incident. Les modèles existants assurant la prise en compte de l'injection par multiperforation sont testés sur la base de données expérimentales générée. Ces modèles montrant un comportement qualitatif avec des faiblesses en proximité de la paroi, des mesures expérimentales et des simulations numériques stationnaires puis instationnaires sont entreprises sur une configuration à grande échelle. L'écoulement y est étudié en détails, à l'échelle des jets. Une analyse de l'interaction entre les jets et l'écoulement incident est effectuée dans la perspective d'améliorer les modèles d'injection d'air au travers de parois multiperforées.

En raison de la complexité des situations de la sécurité intérieure et de la guerre contre le terrorisme, nanodrone a été proposé comme un nouveau drone à moins que 7,5 cm en longueur, la hauteur ou la largeur, et GTOW moins ou égal que 10 g avec une charge supérieure à 2 g qui peut pénétrer dans les bâtiments, regarder fixement, distinguer les les objectifs et transmettre des données à basse vitesse ou en vol stationnaire sans être détecté. Par conséquent, nanodrone a besoin d'être conçu pour améliorer les capacités permettant la collecte en temps opportun des renseignements de sécurité globale dans l'espace étroit. En raison de la petite dimension, le faible poids, l'ultra-bas nombre de Reynolds opérationnelles, et l'exigence de vol stationnaire, la conception de nanodrone est un défi. Comme une nouvelle conception, plusieurs modes de vol de nanodrone ont d'abord été étudiés pour sélectionner un modèle approprié. Après la sélection du mode de vol à voilure tournante, nanos rotors contrarotatifs avec une dimension à 7,5 cm et de poussée à 10 g, a été conçu et fabriqué. Successivement, les bancs d'essai ont été conçus et expériences ont été réalisées pour évaluer des performances propulsives statique de seul rotor. Et banc d'essai fondé sur le 2 N balance nouvellement acquises été conçu pour les mesures de rotors contrarotatifs. Les performances en vol stationnaire des rotors contrarotatifs ont été évalué expérimentalement et numériquement. La simulation instationnaire de la pale avec le mouvement bio-inspirés ont été effectuées fondé sur le solveur de Navier-Stokes préconditionné compressible avec des techniques de maille chimère afin d’améliorer les performances propulsives des rotors contrarotatifs. Enfin, un concept préliminaire du nanodrone a été proposé avec inclinaison supérieure mode de commande du rotor.

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.

Dans le cadre du programme CEA R&D pour développer un prototype industriel de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium (RNR-Na), cette thèse vise à proposer une technologie d'échangeur de chaleur compact innovant. Afin d'augmenter la compacité globale du composant la conception est réalisée d’un canal: il peut être considéré comme le résultat de la superposition de deux canaux ondulés en opposition de phase. Afin de fournir un modèle numérique physiquement cohérent, un nouveau modèle de turbulence à viscosité turbulente non linéaire nommé modèle ASST a été développé et implémenté dans le solveur ANSYS FLUENT ®. Il a été démontré que le modèle ASST peut fournir une alternative intéressante aux modèles plus complexes. Pour valider le modèle ASST, deux montages expérimentaux ont été réalisés, dont un utilisant la Vélocimétrie Laser à franges et l'autre la Vélocimétrie Laser par images de particules. Pour la validation thermique, l'installation "VHEGAS" a été construite. Une fois le modèle ASST validé, les performances pour différentes géométries peuvent être étudiées. Enfin, il a été montré que la géométrie innovante est la plus compacte parmi les autres technologies d'échangeurs de chaleur compacts type PCHE.

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.

Une méthodologie destinée à la simulation des phénomènes aérothermiques instationnaires est développée, étudiée et validée dans ce travail. Elle consiste à coupler deux solveurs de dynamique des fluides et de thermique du solide. Elle est étudiée selon des critères de conservativité, précision et robustesse. Les paramètres du couplage (conditions limites d’interface fluide / solide et correction conservative) sont définis pour assurer la stabilité et un minimum de développements au sein des codes couplés. Une validation expérimentale est également effectuée sur une configuration proche des conditions moteurs d’avion. L'expérience modélise le refroidissement des carters en phase transitoire. Un jet accélérant en écoulement transversal refroidit une plaque plane épaisse chauffée en face arrière. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux est encourageante.

Dans le cadre de l'étude des écoulements diphasiques gaz-liquide, très présents dans les systèmes propulsifs, les réacteurs nucléaires ou les conduites utilisées pour l'extraction et le transport des produits pétroliers, l'évaporation des gouttes apparaît au coeur de la modélisation physique des phénomènes. Devant le besoin engendré par le développement d'outils de simulation numérique toujours plus performants, l‘enjeu de la thèse était double. Il s'agissait à la fois de contribuer à la validation expérimentale des modèles d'évaporation, mais aussi de proposer de nouvelles méthodes numériques permettant la prise en compte de la composition des gouttes dans les codes de calcul. La validation expérimentale s'est focalisée sur l'étude de la conduction thermique dans les gouttes en évaporation. Le couplage de deux techniques de mesure de température, la Fluorescence induite par Laser et l'Arc-en-ciel, a ainsi permis d'obtenir des premières estimations de gradients thermiques dans les gouttes. Les campagnes de mesure réalisées ont également contribué au développement de ces techniques grâce à la coopération avec différents laboratoires travaillant à leur mise au point. Des méthodes numériques ont ensuite été adaptées à la problématique de l'évaporation multi-composant pour permettre la modélisation de la composition des gouttes dans les codes de calcul. La méthode de Quadrature des Moments qui offre un compromis intéressant entre coût de calcul et précision a été retenue en raison de certaines propriétés intéressantes de robustesse. Ces propriétés ont été étudiées et démontrées dans le cas de la modélisation de l'évaporation multi-composant. Par ailleurs, cette méthode a permis de résoudre le cas difficile de la condensation d'un composant volatil sur la goutte, une configuration sur laquelle se heurtent les autres méthodes qui présument la forme de la fonction de distribution associée à la composition de la goutte.

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

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.