Penalty methods for the simulation of fluid-solid interactions with various assemblies of resolved scale particles

Les simulations des écoulements diphasiques à l’échelle réelle de l’application nécessitent des modèles pour les termes non fermés des équations macroscopiques. Des simulations numériques directes à particule résolue utilisant la méthode de pénalisation visqueuse ont été réalisées afin de mesurer les interactions entre des particules de différentes formes (sphérique et ellipsoïdale) et le fluide porteur à différents régimes d'écoulement (de stokes à l'inertiel). Deux méthodes ont été développées durant cette thèse afin d'extraire les forces hydrodynamiques ainsi que le transfert de chaleur sur les frontières immergées représentant les particules. Plusieurs validations ont été conduites pour différentes configurations de particules : de la simulation d’une particule isolée à un réseau aléatoire de sphères en passant par réseau cubique face centrée de sphères. Une corrélation du nombre de Nusselt est proposée pour un sphéroïde allongé plongé dans un écoulement uniforme.The simulations of multiphase flows at real application scale need models for unclosed terms in macroscopic equations. Particle-Resolved Direct Numerical Simulations using Viscous Penalty Method have been carried out to quantify the interactions between particles of different shapes (spheres, ellipsoids) and the carrier fluid at different regimes (from Stokes to inertial). Two methods have been developed to extract hydrodynamic forcesand heat transfers on immersed boundaries representing the particles. Validations have been conducted for various configuration of particles: from an isolated sphere and spheroid to Face-Centered Cubic to a random arrangement of spheres. A correlation of the Nusselt number for an isolated prolate spheroid past by a uniform flow is proposed