Deux stratégies de contrôle ont été successivement mises en œuvre pour réduire la traînée et l'énergie cinétique turbulente d'un canal plan en régime turbulent (Re[tau]=180) par soufflage/aspiration aux parois. L'objectif principal était de prouver qu'une simulation aux grandes échelles (LES) pouvait être utilisée de manière pertinente comme modèle réduit des équations de Navier-Stokes et ainsi diminuer fortement les coûts numériques. Une approche heuristique dite de contrôle par opposition a d'abord été employée. Les résultats montrent que l'efficacité énergétique est maximale pour une position du plan de détection différente de celle qui correspond au maximum de réduction de traînée. Par ailleurs, nos résultats confirment que la réduction de traînée diminue avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Par la suite, une procédure de contrôle optimal a été utilisée en considérant différentes fonctionnelles objectif (traînée, énergie cinétique au temps terminal, énergie cinétique moyen). Pour Re[tau]=100, le contrôle est parvenu à relaminariser complètement l'écoulement (réduction de traînée de l'ordre de 50 %) en prenant comme fonctionnelle coût l'énergie cinétique au temps terminal. Pour cette même fonctionnelle coût, une réduction importante de traînée de l'ordre de 55 % est encore obtenue à Re[tau] =180 mais sans atteindre la relaminarisation. Nos résultats confirment que pour minimiser la traînée de l'écoulement, il est plus efficace de considérer comme objectif l'énergie cinétique que directement la traînée. Enfin, il est essentiel pour la convergence de la minimisation que le système optimal soit résolu sur un horizon temporel suffisamment long.

CE TRAVAIL TRAITE DE LA MANIPULATION DE LA TURBULENCE DES ECOULEMENTS PARIETAUX ET DES ECOULEMENTS DECOLLES SUR LA BASE DE SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES. UN CODE A ETE DEVELOPPE POUR RESOUDRE LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES COMPRESSIBLES DANS DES GEOMETRIES COMPLEXES GRACE A UNE COMBINAISON DE METHODES DE TYPE VOLUMES FINIS ET UNE TECHNIQUE MULTI-DOMAINES PRECISE. LA MANIPULATION DE LA TURBULENCE DE PAROI EST REALISEE DANS UN CANAL DONT UNE DES PAROIS COMPORTE DE FINES RAINURES TRANSVERSALES LARGEMENT ESPACEES. LA SIMULATION EFFECTUEE A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS MESURE UNE REDUCTION DE LA TRAINEE TOTALE. L'ETUDE STATISTIQUE MONTRE UNE DIMINUTION DES TOURBILLONS COHERENTS DE PROCHE PAROI DIRECTEMENT LIES A LA GENERATION DU FROTTEMENT PARIETAL. LES INTERACTIONS ENTRE LE FLUIDE PIEGE DANS LA CAVITE ET LES TOURBILLONS SEMBLENT ETRE LA CAUSE DE CE PHENOMENE. UNE EXPERIENCE DE CONTROLE DE LA TURBULENCE MODELISANT GROSSIEREMENT CETTE INTERACTION ACCREDITE CETTE HYPOTHESE. LES EVENEMENTS LIES A L'IMPACT D'UNE COUCHE DE MELANGE SUR UNE PAROI SONT ETUDIES DANS LE CADRE D'UN ECOULEMENT TRANSSONIQUE DECOLLE AU DESSUS D'UNE CAVITE TRI-DIMENSIONNELLE. LA SIMULATION PERMET DE RETROUVER LES FREQUENCES TYPIQUES DE LA COUCHE DE MELANGE FOURNIES PAR DES DONNEES EXPERIMENTALES. LES VISUALISATIONS INSTANTANEES METTENT EN VALEUR LA RELATION ENTRE LES TOURBILLONS CREES PAR LE DECOLLEMENT ET DES EVENEMENTS VIOLENTS DE LA PRESSION PARIETALE QUI PEUVENT PRODUIRE DES VIBRATIONS STRUCTURELLES. EN COMPLEMENT A CES TRAVAUX, UNE ETUDE COMPARATIVE EST MENEE SUR L'APPLICATION D'UNE PROCEDURE DYNAMIQUE AUX MODELES SOUS-MAILLE UTILISES POUR LES ECOULEMENTS DE PAROI. UNE METHODE DE GENERATION DE LA TURBULENCE EST EGALEMENT TESTEE POUR LES COUCHES LIMITES COMPRESSIBLES.

Dans le cadre des simulations de grandes structures, un nouveau modèle de sous- maille, à viscosité de turbulence, avec deux équations de transport a été développé. L'échelle caractéristique de vitesse de la viscosité de turbulence est évaluée par l'énergie cinétique de turbulence du champ implicite donnée par une première équation de transport. Quant à l'échelle de longueur, elle n'est plus unique, donnée par la taille de la grille du calcul, mais est estimée de manière dynamique par une deuxième équation d'évolution, celle pour la dissipation de l'énergie cinétique de turbulence de sous-maille. Ainsi, le modèle de sous-maille à deux équations se propose de répondre au problème posé par les situations de déséquilibre où la correspondance entre échelle de sous-maille et échelle de dissipation n'est plus justifiée. Ce qui implique que l'hypothèse d'une échelle de longueur de viscosité de turbulence déterminée par la seule largeur du filtre n'est plus réaliste.Dans ce mémoire, le modèle à deux équations est appliqué dans le cas d'un écoulement en non-équilibre spectral produit par la rencontre entre deux écoulements d'échelles différentes : la couche de mélange non cisaillée. Les résultats sont comparés aux données expérimentales de Veeravalli et Warhaft. Pour traiter ce cas, une nouvelle méthode de génération d'un champ analytique homogène, anisotrope a été mise au point pour créer des conditions d'entrée proches de l'expérience. Cette méthode a été validée au préalable dans le cas d'un écoulement de canal plan stationnaire.

Au cours de ce travail de thèse, on s’intéresse aux simulations des grandes échelles et aux modèlisations hybrides RANSE/LES. Les capacités du solveur ISIS-CFD initialement conçu pour la résolution des équations Navier-Stokes en moyenne de Reynolds, ont été étendues à ces différentes méthodes en intégrant différents modèles de turbulence de façon à envisager un code de calcul complet capable de traiter une large gamme de problèmes complexes de nature académique ou industrielle. Les modèles et les méthodes numériques choisis et implémentés ont été justifiés et validés sur plusieurs cas test académiques et ont fait l’objet de comparaisons concluantes avec d’autres codes de calcul dans les contextes LES et hybrides. Les méthodes hybrides étudiées ont montré une bonne capacité à retrouver les solutions escomptées tout en permettant une grande économie en résolution de maillage. Un critère basé sur l’évaluation du résidu du budget de quantité de mouvement de l’écoulement moyen a également été proposé comme indicateur des erreurs numériques commises dans les simulations LES et hybrides. Finalement, des simulations d’écoulements turbulents complexes utilisant des modélisations hybrides ont été entreprises. L’utilisation des modélisations hybrides pour le calcul de l’écoulement autour d’un modèle simplifié de voiture en dérapage (corps de Willy) permet de reproduire, avec fidélité et à moindre coût, les observations expérimentales d’un écoulement turbulent de grande complexité.

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.

Dans le cadre des simulations de grandes structures, un nouveau modèle de sous- maille, à viscosité de turbulence, avec deux équations de transport a été développé. L'échelle caractéristique de vitesse de la viscosité de turbulence est évaluée par l'énergie cinétique de turbulence du champ implicite donnée par une première équation de transport. Quant à l'échelle de longueur, elle n'est plus unique, donnée par la taille de la grille du calcul, mais est estimée de manière dynamique par une deuxième équation d'évolution, celle pour la dissipation de l'énergie cinétique de turbulence de sous-maille. Ainsi, le modèle de sous-maille à deux équations se propose de répondre au problème posé par les situations de déséquilibre où la correspondance entre échelle de sous-maille et échelle de dissipation n'est plus justifiée. Ce qui implique que l'hypothèse d'une échelle de longueur de viscosité de turbulence déterminée par la seule largeur du filtre n'est plus réaliste.Dans ce mémoire, le modèle à deux équations est appliqué dans le cas d'un écoulement en non-équilibre spectral produit par la rencontre entre deux écoulements d'échelles différentes : la couche de mélange non cisaillée. Les résultats sont comparés aux données expérimentales de Veeravalli et Warhaft. Pour traiter ce cas, une nouvelle méthode de génération d'un champ analytique homogène, anisotrope a été mise au point pour créer des conditions d'entrée proches de l'expérience. Cette méthode a été validée au préalable dans le cas d'un écoulement de canal plan stationnaire.

DANS CE TRAVAIL, NOUS EXPLORONS DEUX DOMAINES: LA CONCEPTION DE NOUVELLES METHODES DE SIMULATION D'ECOULEMENTS DE FLUIDES VISQUEUX INCOMPRESSIBLES ET L'ETUDE DE LA METHODE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (L.E.S.) POUR UN ECOULEMENT COMPRESSIBLE EN ETAT DE TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE. POUR NOTRE ETUDE DE LA L.E.S., NOUS FILTRONS LE CHAMP TOTAL DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES 3D ET MODELISONS L'ACTION DE LA COMPOSANTE RESIDUELLE SUR LA COMPOSANTE RESOLUE DE PLUSIEURS FACONS. DE PLUS, A PARTIR DU CONCEPT DE L'EQUATION MODIFIEE, UNE ETUDE THEORIQUE SUR NOTRE SCHEMA NUMERIQUE NOUS PERMET D'ECLAIRER L'INFLUENCE CERTAINE DE LA DISCRETISATION SUR LES MODELES DE FERMETURE. DANS UN CONTEXTE DE DEVELOPPEMENT DES METHODES DE GALERKIN NON LINEAIRE, LES INCONNUES INCREMENTALES (I.U.) ONT ETE INTRODUITES AFIN DE HIERARCHISER LES INCONNUES EN DIFFERENCES FINIES. DANS UN PREMIER TEMPS, NOUS VERIFIONS L'ASPECT DE PRECONDITIONNEUR EFFICACE DES I.U. SUR DIFFERENTS PROBLEMES MODELES ELLIPTIQUES (DIRICHLET 2D ET 3D, NEUMAN 2D). ENSUITE, APRES AVOIR RESOLU THEORIQUEMENT UNE EQUATION NON-LINEAIRE STATIONNAIRE DE TYPE NAVIER-STOKES, NOUS DEVELOPPONS PLUSIEURS METHODES IMPLICITES DE RESOLUTION ET PROUVONS L'EFFICACITE DES I.U. DANS DE NOMBREUX CAS. DANS UN DEUXIEME TEMPS, NOUS RESOLVONS NUMERIQUEMENT LES PROBLEMES DE STOKES ET NAVIER-STOKES INCOMPRESSIBLES 2D PAR UN ALGORITHME COUPLANT UNE PROJECTION ORTHOGONALE ET LA METHODE M.A.C. NOUS VALIDONS NOTRE METHODE POUR LA CAVITE ENTRAINEE POUR UN NOMBRE DE REYNOLDS DE 5000. FINALEMENT, NOUS ABORDONS LE DEVELOPPEMENT D'UNE NOUVELLE METHODE MULTI-NIVEAUX ADAPTATIVE PAR LA CREATION D'UNE NOUVELLE HIERARCHISATION D'UN MAILLAGE M.A.C., L'INTRODUCTION D'ESTIMATEURS DE DYNAMIQUE GLOBALE DE L'ECOULEMENT. AINSI, NOUS PROPOSONS DE NOUVEAUX SCHEMAS NOUS SEMBLANT ADAPTES A LA DYNAMIQUE DES ECOULEMENTS DE FLUIDES INCOMPRESSIBLES A GRAND NOMBRE DE REYNOLDS