LES ECOULEMENTS TURBULENTS SE RENCONTRENT DANS DE TRES NOMBREUSES APPLICATIONS, AUTANT DANS LA VIE QUOTIDIENNE QUE DANS L'INDUSTRIE OU ILS REVETENT SOUVENT UNE GRANDE IMPORTANCE. LES OBJECTIFS DU TRAVAIL PRESENTE ETAIENT LE DEVELOPPEMENT ET L'ETUDE D'UNE METHODE ET DE MODELES NUMERIQUES ADAPTES A LA SIMULATION INSTATIONNAIRE D'ECOULEMENT DE FLUIDES COMPRESSIBLES TURBULENTS AU MOYEN DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (LES). LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE AUX ASPECTS THEORIQUES. ON Y INTRODUIT LES DIFFERENTES FORMES DE FILTRAGE, UNE FORMULATION ORIGINALE INSPIREE DES TRAVAUX DE VREMAN AINSI QU'UNE MODELISATION SOUS-MAILLE ORIGINALE BASEE SUR LE MODELE D'ECHELLES MIXTES. LA SECONDE PARTIE S'ATTACHE A TESTER SIX MODELES SOUS-MAILLE (ET LEUR HYBRIDATION AVEC UN MODELE DE SIMILARITE D'ECHELLES) POUR UN ECOULEMENT PERIODIQUE COMPRESSIBLE CONFINE AVEC DES PAROIS ISOTHERMES. LES COMPARAISONS SONT FAITES AVEC DES DONNEES DE REFERENCE EXPERIMENTALES ET ISSUES DE SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES DANS UN CAS SUBSONIQUE ET DANS UN CAS SUPERSONIQUE. DANS UNE TROISIEME PARTIE NOUS NOUS SOMMES ATTACHES A ETUDIER L'INFLUENCE SUR LA QUALITE DES RESULTATS DE L'ORDRE DU SCHEMA DE DISCRETISATION DES TERMES DE CONVECTION. DANS UNE DERNIERE PARTIE, NOUS AVONS PRESENTE UNE ETUDE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPRESSIBLE POUR UNE CONFIGURATION DECOLLEE (UNE CAVITE) A DES NOMBRES DE MACH ET DE REYNOLDS ELEVES ET PRESENTANT DE FORTS GRADIENTS DE DENSITE. L'APPROCHE MILES EST CHOISIE POUR LA MODELISATION DE LA TURBULENCE. LES RESULTATS OBTENUS SONT COMPARES AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS D'UNE CAMPAGNE DE MESURES EFFECTUEE EN PARALLELE AVEC CETTE ETUDE. BIEN QUE CERTAINES FAIBLESSES DES RESULTATS AIENT PU ETRE OBSERVES, L'APPROCHE MILES S'AVERE RENDRE COMPTE CORRECTEMENT DE LA DYNAMIQUE DANS LA CAVITE.

L'objectif de ce travail est d'étendre un code industriel, résolvant les équations de Navier-Stokes stationnaires moyennées (RANS), à l'instationnaire puis à la simulation des grandes échelles (LES). Une approximation éléments finis en espace fondée sur la formulation Galerkin/Moindres Carrés est utilisée. L'intégration temporelle est assurée par un schéma explicite Runge Kutta à quatre pas. Les différentes formulaions spatiales et le schéma en temps sont décrits, analysés sur l'équation d'advection monodimensionnelle, puis validés sur des calculs d'amplification temporelle d'instabilités (couche de mélange et couche limite bidimensionnelles). Le modèle de Smagorinsky et une variante sélective sont implémentés. La validation des méthodes numériques et des différents modèles de sous-maille est effectuée sur des simulations de turbulence homogène isotrope et de couches de mélange temporelles tridimensionnelles à différents nombres de Reynolds. L'application finale est l'étude de l'effet d'un jet supersonique sur une couche de mélange plane confinée subsonique supersonique. Les résultats des différentes simulations des grandes échelles sont comparés à une expérience réalisée au CEAT de Poitiers ainsi qu'avec des simulations moyennées k-e.

Les caractéristiques de l'écoulement turbulent et les transferts thermiques se développant dans un conduit chauffé sont étudiés à l'aide de la technique de Simulation des Grandes Echelles (SGE). Les canaux de refroidissement placés dans les parois des moteurs de fusée constituent l'une des applications industrielles. Nous considérons une géométrie simplifiée consistant en un conduit courbe de section rectangulaire. Les équations de Navier-Stokes instationnaires filtrées sont résolues par un schéma numérique compact, prédicteur-correcteur, d'ordre deux en temps et quatre en espace. Le modèle sous maille utilisé est celui de la fonction de structure sélective. Les résultats obtenus mettent en évidence le développement d'un écoulement secondaire intense lié au gradient de pression radial apparaissant dans la partie courbe. Ces flux secondaires s'organisent sous la forme de deux cellules contra-rotatives quasi-stationnaires de type Ekman près de la paroi convexe. Sur la paroi concave, il apparaît des tourbillons instationnaires de type Görtler. Cet écoulement complexe est caractérisé par des phénomènes de balayage et d'éjection directement corrélés aux transferts de chaleur entre le fluide et les parois courbes chauffées. Ceci provoque de fortes variations transverses du nombre de Nusselt qui pourraient conduire à une dégradation de la paroi chaude. Nous évaluons l'influence des paramètres géométriques et physiques sur l'écoulement ainsi que sur les transferts thermiques et nous proposons une solution pour homogénéiser les échanges de chaleur par contrôle passif.

CETTE THESE PORTE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE D'UN ECOULEMENT INTERNE COMPRESSIBLE, INSTATIONNAIRE ET TURBULENT A L'AIDE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (SGE). DANS CETTE APPROCHE, LES GRANDES ECHELLES ENERGETIQUES ET INSTATIONNAIRES DE L'ECOULEMENT SONT CALCULEES, TANDIS QUE LES PETITES ECHELLES SONT MODELISEES. L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL, REALISE EN COLLABORATION AVEC LE CONSORTIUM INDUSTRIE-RECHERCHE DANS LES TURBOMACHINES (CIRT) ET LE LEMFI, EST D'ANALYSER LES POTENTIALITES DE LA SGE POUR LE CALCUL D'ECOULEMENTS CONFINES EN GEOMETRIE 3D EN VUE D'APPLICATIONS AUX TURBOMACHINES. LE CAS D'ETUDE RETENU POUR LA VALIDATION DE LA METHODOLOGIE EST L'ECOULEMENT DANS UNE TUYERE 3D TRANSSONIQUE POUR LEQUEL IL EXISTE DE NOMBREUX RESULTATS STATISTIQUES (LEMFI) ET EXPERIMENTAUX (ONERA). LA TUYERE EST CARACTERISEE PAR UNE BOSSE EN FLECHE SUR LA PAROI BASSE GENERATRICE D'EFFETS 3D. L'ECOULEMENT, SANS ROTATION, PRESENTE CEPENDANT LES PHENOMENES PHYSIQUES COMPLEXES D'INTERACTION ONDE DE CHOC/COUCHE LIMITE ET DE LARGE DECOLLEMENT, COMME CEUX RENCONTRES AU SEIN DES TURBOMACHINES. LA SGE EST OBTENUE A PARTIR D'UN MODELE DE SOUS MAILLE D'ECHELLES MIXTES DEVELOPPE AU LIMSI-CNRS. LA DISCRETISATION TEMPORELLE DES EQUATIONS EST REALISEE PAR UN SCHEMA DE RUNGE-KUTTA EXPLICITE D'ORDRE DEUX. LES FLUX EULER SONT DISCRETISES PAR UN SCHEMA TVD D'HARTEN-YEE D'ORDRE DEUX TANDIS QUE LES FLUX VISQUEUX LE SONT PAR UN SCHEMA CENTRE. LA SGE A PERMIS D'OBTENIR DES INFORMATIONS INSTATIONNAIRES SUR L'ECOULEMENT, ET DE METTRE EN EVIDENCE LA FORMATION ET LE LACHER DE TOURBILLONS DANS LA TUYERE. LA SOLUTION INSTATIONNAIRE EST DIFFERENTE DE LA SOLUTION STATIONNAIRE RANS OBTENUE AVEC UNE MODELISATION STATISTIQUE CLASSIQUE ET MONTRE L'OSCILLATION DU CHOC ET LA DESTABILISATION DU DECOLLEMENT AU COURS DU TEMPS. LES RESULTATS DE LA SGE OBTENUS SUR LE NOMBRE DE MACH ISENTROPIQUE, LES PROFILS DE LA VITESSE MOYENNE ET LES TENSIONS DE REYNOLDS SONT DISCUTES ET COMPARES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX (ONERA) ET STATISTIQUES, OBTENUS AVEC LE MODELE DE LAUNDER-SHIMA (LEMFI). LE BILAN DE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE (K) EST ANALYSE ET COMPARE A CELUI DONNE PAR LA MODELISATION STATISTIQUE, DANS LE DECOLLEMENT. LES RESULTATS DE LA SGE MONTRENT DES DIFFERENCES NOTABLES AVEC LES RESULTATS STATISTIQUES DANS LE CUR DE LA TUYERE : LES TERMES DE FLUCTUATIONS DE PRESSION IMPORTANTS MESURES DANS LE CHOC SONT PRIS EN COMPTE PAR LA SGE.

LA TRANSITION A LA TURBULENCE D'ECOULEMENTS EN GEOMETRIE COMPLEXE EST ETUDIEE PAR SIMULATION NUMERIQUE COMPRESSIBLE BIDIMENSIONNELLE ET TRIDIMENSIONNELLE. ON PRESENTE UNE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'UN JET ROND D'AIR, COMPAREE A UNE EXPERIENCE EN LABORATOIRE ET A UNE AUTRE SIMULATION NUMERIQUE INCOMPRESSIBLE. CETTE COMPARAISON NOUS A PERMIS DE VALIDER NOTRE OUTIL NUMERIQUE. NOUS MONTRONS UN BON ACCORD ENTRE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET NOTRE SIMULATION NUMERIQUE EN ZONE TRANSITIONNELLE. ON APPLIQUE NOTRE OUTIL NUMERIQUE A UNE GEOMETRIE COMPLEXE ET INDUSTRIELLE: L'ENTREE D'AIR EN INCIDENCE. CETTE ETUDE EST EFFECTUEE AVEC UN CODE A GESTION MULTI-DOMAINE DES TRANSFERTS D'INFORMATIONS PAR METHODE AUX CARACTERISTIQUES. LES RESULTATS SONT COMPARES A CEUX D'UNE EXPERIENCE FAITE AU CEAT DE POITIERS. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LES TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ, AINSI QUE LES TOURBILLONS LONGITUDINAUX, RESPONSABLES DES FLUCTUATIONS DE PRESSION AU NIVEAU DU PREMIER ETAGE DU COMPRESSEUR. ENFIN, ON A REPRODUIT UNE EXPERIENCE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE FAITE AU LABORATOIRE MADYLAM, EN GEOMETRIE BIDIMENSIONNELLE RONDE. L'INFLUENCE DU CHAMP MAGNETIQUE SUR UN ECOULEMENT DE MERCURE SOUMIS AUX FORCES DE LAPLACE CREE UN CISAILLEMENT AU NIVEAU DE L'ELECTRODE. ON PRESENTE UNE EVOLUTION TEMPORELLE DE LA VORTICITE ET DE LA PRESSION, AINSI QUE LES STATISTIQUES OBTENUES EN REGIME PERMANENT. NOUS MONTRONS DES RESULTATS QUALITATIFS SATISFAISANTS, MAIS PAR CONTRE SUR LES STATISTIQUES, NOUS SURESTIMONS LES VALEURS MOYENNES ET FLUCTUANTES. NOUS MONTRONS QUE LES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT NE SONT PAS BIDIMENSIONNELLES, MAIS DOIVENT ETRE TRIDIMENSIONNELLES

ON PRESENTE DES RESULTATS DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES APPLIQUEE AUX ECOULEMENTS TURBULENTS COMPRESSIBLES SUR UNE PAROI CHAUFFEE. ON SE CONCENTRE PRINCIPALEMENT SUR LES ECOULEMENTS DANS LES CONDUITS DE SECTION CARREE OU RECTANGULAIRE. ON CONSIDERE SUCCESSIVEMENT LE CAS OU LES QUATRE PAROIS DU CONDUIT SONT A LA MEME TEMPERATURE ET LE CAS OU UNE TEMPERATURE PLUS ELEVEE EST IMPOSEE SUR L'UNE DES PAROIS. DE FACON A POUVOIR SIMULER CES ECOULEMENTS EN CONDUIT AVEC FORT FLUX DE CHALEUR, LE TRAVAIL A TOUT D'ABORD CONSISTE EN LE DEVELOPPEMENT D'UN CODE DE CALCUL SIMULANT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES COMPRESSIBLES TRIDIMENSIONNELLES BASE SUR DES COORDONNEES CURVILIGNES DANS LES TROIS DIRECTIONS D'ESPACE. UNE DES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT MOYEN DANS LES CONDUITS CARRES OU RECTANGULAIRES EST L'APPARITION DE FLUX SECONDAIRE CORRESPONDANT A UNE VITESSE MOYENNE TRANSVERSE A L'ECOULEMENT DE BASE. MEME SI L'INTENSITE DE CES FLUX RESTE FAIBLE, CES DERNIERS JOUENT UN ROLE PRIMORDIAL DANS LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT. ON OBSERVE EGALEMENT SUR LES CONTRAINTES DE REYNOLDS UNE DISSYMETRIE SUR LES CONTRAINTES NORMALES ET LA GENERATION DE CONTRAINTES TANGENTIELLES SECONDAIRES. L'IMPOSITION DU CHAUFFAGE A UNE FORTE INFLUENCE SUR LES MECANISMES D'EJECTIONS A PARTIR DE LA PAROI CHAUFFEE. DE FORTS FLUX SECONDAIRES SONT ASSOCIES A UN TRANSPORT DE FLUIDE FROID DU CENTRE DU CANAL VERS LA PAROI CHAUFFEE QUI, PAR DES MECANISMES D'EXPANSION, IMPLIQUE UNE INTENSIFICATION DES EJECTIONS QUI SE CONCENTRENT AU VOISINAGE DU PLAN MEDIAN DE LA PAROI CHAUFFEE. LES EJECTIONS SONT ASSOCIEES A LA FORMATION DE POINT D'INFLEXION GENERALISE QUI PAR INSTABILITE DONNE NAISSANCE A DES TOURBILLONS EN EPINGLE A CHEVEUX SONT ETIRES PAR L'ECOULEMENT MOYEN ET QUI SONT CONCENTRES AUTOUR DU PLAN MEDIAN. L'EJECTION TRANSPORTE DU FLUIDE CHAUD VERS LE CENTRE DU CONDUIT, TANDIS QUE LES FLUX SECONDAIRES INJECTENT EUX, VERS LA PAROI CHAUDE, DU FLUIDE FROID PROVENANT DE LA PARTIE CENTRALE DU CONDUIT. L'INTERACTION ENTRE CES GAZ A DIFFERENTES TEMPERATURES EST A L'ORIGINE D'IMPORTANTS PHENOMENES DE TRANSFERT DE CHALEUR. FINALEMENT, ON A FAIT UNE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'UN CONDUIT CARRE DANS LEQUEL L'ECOULEMENT SE DEVELOPPE SPATIALEMENT. LA CONDITION D'ENTREE EST GENEREE PAR UN CALCUL TEMPOREL, QUI PRESENTE L'AVANTAGE D'UNE ENTREE REALISTE POSSIBLE AVEC DES STRUCTURES TURBULENTES DEVELOPPEES. MEME S'IL EXISTE ENCORE CERTAINS PROBLEMES DE CONDITIONS DE FRONTIERE, CE TYPE DE CALCULS NOUS A PERMIS D'OBSERVER L'EFFET SUR LA TURBULENCE D'UN FLUX DE CHALEUR QUI EST ALLUME DANS UN ENDROIT DONNE.