LE BUT DE CETTE THESE EST L'ANALYSE PHYSIQUE, LA MODELISATION ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES MECANISMES DE MELANGE DANS LES JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE SOUS L'EFFET DE FORTES INCIDENCES DE DENSITE. DANS UN PREMIER TEMPS, L'OUTIL DE CALCUL PAR RESOLUTION DES EQUATIONS PARABOLIQUES DE PRANDTL AVEC MODELISATION AU SECOND ORDRE EST VALIDE PAR UNE DOUBLE COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE EN SITUATION ISOVOLUME ET A DENSITE VARIABLE. PUIS, UNE REFLEXION EST MENEE SUR L'INFLUENCE DU CHOIX DE REGROUPEMENT STATISTIQUE SUR LA PREDETERMINATION DES PROPRIETES DE MELANGE DES JETS HETEROGENES. L'ANALYSE S'APPUIE SUR LA COMPARAISON DE MODELES ANALOGUES EN MOYENNE PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE OU NON PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE. UNE ETUDE PARAMETRIQUE PERMET DE DETERMINER DES EFFETS DE DENSITE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN JET TURBULENT DE FACON COGNITIVE MAIS AUSSI ANALYTIQUE. L'INFLUENCE DE PARAMETRES, TELS QUE LA GRAVITE ET LES CONDITIONS D'EMISSION EST EGALEMENT DISCUTEE. ENFIN, SONT ABORDES LES ASPECTS SPECIFIQUES DE LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE DE JETS COAXIAUX QUI PRESENTE UN INTERET APPLICATIF A L'INJECTION DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION DES MOTEURS FUSEES

CETTE THESE A POUR OBJET L'ANALYSE PHYSIQUE, LA MODELISATION ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES JETS RONDS ET DES JETS COAXIAUX TURBULENTS COMPRESSIBLES ET INSTATIONNAIRES. TOUT D'ABORD, NOUS AVONS PROCEDE A UNE REVUE DES CONNAISSANCES EXISTANTES SUR LES ECOULEMENTS ETUDIES AVEC UN EFFORT PARTICULIER AU NIVEAU DE L'ETUDE DES INSTABILITES DANS LA REGION PROCHE DES JETS. PUIS, L'ASPECT DE LA MODELISATION DU PROBLEME PHYSIQUE EST ABORDE AVEC L'EXPOSE DES DIFFERENTS NIVEAUX DE FERMETURE UTILISES DANS LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. ENSUITE, L'ASPECT NUMERIQUE EST PRESENTE A TRAVERS LA DESCRIPTION DETAILLEE DU SCHEMA AUX VOLUMES FINIS UTILISE POUR LES SIMULATIONS INDIRECTES. L'ETUDE DU JET ROND COMPRESSIBLE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES EFFETS DE COMPRESSIBILITE SUR LA STABILISATION DE L'ECOULEMENT AINSI QUE L'INFLUENCE DES CONDITIONS D'ENTREE SUR LA PRESENCE D'INSTABILITES DANS LA REGION PROCHE. ENFIN, SONT PRESENTES LES RESULTATS DES SIMULATIONS DE JETS COAXIAUX DANS DES CONFIGURATIONS HOMOGENES ET HETEROGENES. CETTE DERNIERE PARTIE A POUR INTERET INDUSTRIEL L'ETUDE DES PHENOMENES PHYSIQUES LIES A L'INJECTION DANS LES MOTEURS FUSEES CRYOTECHNIQUES

Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

A cause de sa température élevée, le jet propulsif d'un avion de combat est une source de rayonnement infrarouge qui rend l'appareil très vulnérable. Ce rayonnement peut toutefois être réduit en accélérant le mélange du jet avec l'atmosphère. Cette thèse est consacrée à la simulation numérique d'un jet propulsif réaliste contrôlé par des injections radiales et à l'analyse physique des mécanismes d'augmentation de son mélange. Deux types de simulations, RANS et ZDES, ont été réalisés sur la base du modèle de Spalart-Allmaras. Dans le modèle ZDES, une nouvelle longueur caractéristique de maille est formulée et améliore sensiblement la prévision de la région initiale du jet. Globalement, les simulations ZDES restituent fidèlement le champ moyen du jet supersonique sans et avec contrôle, aussi bien les cellules de détente/compression que la diffusion turbulente. L'analyse physique est dédiée à la compréhension d'une part des mécanismes compressibles concentrées au coeur du jet et d'autre part des mécanismes tourbillonnaires périphériques ainsi qu'à l'évaluation de leurs rôles respectifs dans l'augmentation du mélange. Il en ressort que l'augmentation du mélange est exclusivement due aux mécanismes tourbillonnaires. Une étude paramétrique fournit des indications pour concevoir un mélangeur efficace. L'analyse des tourbillons focalisée sur le régime lointain quasi-bidimensionnel souligne leur dynamique moyenne et fait apparaître l'action des fluctuations turbulentes sur leur taux de dégénérescence. Enfin, deux régimes de contrôle sont identifiés et associés aux pénétrations respectivement quasi-stationnaire et intermittente des jets secondaires.

Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points. Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale. Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche. Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

CE TRAVAIL S'ARTICULE AUTOUR DE DEUX POINTS DE VUE SUR LA SPECIFICITE DES ECOULEMENTS TURBULENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE: L'ANALYSE PHYSIQUE DES MECANISMES PROPRES A CETTE SITUATION ET LE PROBLEME DE LA MODELISATION DE TELS ECOULEMENTS. ON FAIT D'ABORD LE POINT SUR LES OUTILS DE LA DESCRIPTION STATISTIQUE DE L'ETAT ET DU MOUVEMENT TURBULENT DE FLUIDE A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. ON PROPOSE UNE SYNTHESE CRITIQUE DES OPTIONS DE FORMULATION DES EQUATIONS OUVERTES AUX MOMENTS STATISTIQUES JUSQU'A L'ORDRE DEUX. LE POTENTIEL D'UNE ANALYSE PHYSIQUE DES EFFETS DE DENSITE, BASEE SUR UNE DESCRIPTION SIMPLIFIEE DES CHAMPS MOYENS CENTRES, EST ENSUITE EXPLORE. L'EXISTENCE ET LA NATURE DE REGIONS DE SIMILITUDE FONT L'OBJET D'UNE DISCUSSION LIMITEE AUX CONFIGURATIONS DE COUCHE DE MELANGE ET DE JET. A PROPOS DE LA MODELISATION DE LA TURBULENCE, L'ACCENT EST PORTE SUR LA TRANSPOSITION, AUX ECOULEMENTS A DENSITE VARIABLE, DES FERMETURES EN UN POINT DEVELOPPEES POUR L'ECOULEMENT A MASSE VOLUMIQUE CONSTANTE. LE LIEN ENTRE LES FORMULATIONS INITIALES ET LEUR POTENTIEL DE MODELISATION EST ECLAIRCI. LA DERNIERE PARTIE MET EN UVRE CES PROPOSITIONS DANS UNE SIMULATION NUMERIQUE DE TYPE PARABOLIQUE DE JETS AXISYMETRIQUES A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. CET OUTIL PERMET DE REVENIR SUR L'ANALYSE PHYSIQUE DE L'ECOULEMENT APRES VALIDATION DE LA PROCEDURE

LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES