LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES, RESOLVANT LES GRANDES ECHELLES DU MOUVEMENT ET MODELISANT LES ECHELLES INFERIEURES, EST ADAPTEE A L'ETUDE DES ECOULEMENTS TURBULENTS DANS DES DISPOSITIFS, OU LA GEOMETRIE ET/OU LES ECHANGES DE CHALEUR ENTRAINENT DES PHENOMENES INSTATIONNAIRES. POUR PARVENIR A UN OUTIL NUMERIQUE FIABLE, DES SIMULATIONS DE CAS TESTS ELEMENTAIRES, A SAVOIR LA TURBULENCE HOMOGENE ISOTROPE ET LE CANAL PLAN TURBULENT, ONT ETE REALISEES EN MAILLAGES STRUCTURES ET EN MAILLAGES NON STRUCTURES, AVANT D'ABORDER DES CONFIGURATIONS PLUS COMPLEXES, AFIN D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES PHYSIQUES ET NUMERIQUES. EN MAILLAGES STRUCTURES, NOUS AVONS IDENTIFIE LES CARACTERISTIQUES DES METHODES NUMERIQUES ADAPTEES A NOTRE PROBLEME ; NOUS AVONS APPORTE UNE MODIFICATION AU MODELE SOUS-MAILLE ET TESTE DIFFERENTES LOIS DE PAROI : POUR CETTE DISCRETISATION, NOTRE OUTIL NUMERIQUE EST MAINTENANT VALIDE. EN MAILLAGES NON STRUCTURES, LA CONSTRUCTION DE METHODES NUMERIQUES AYANT LES PROPRIETES MISES EN VALEUR PAR LES TESTS EN MAILLAGES STRUCTURES EST PLUS DIFFICILE, EN PARTICULIER POUR LE SCHEMA DE CONVECTION : NOUS AVONS TESTE DE NOMBREUX SCHEMAS NUMERIQUES ET ADAPTE LES MODELES SOUS-MAILLE ET LES LOIS DE PAROI AUX MAILLAGES NON STRUCTURES. NOUS AVONS SIMULE LES MEMES CAS TESTS ELEMENTAIRES : LES RESULTATS NE SONT PAS TOUT A FAIT SATISFAISANTS, PROBABLEMENT CAR LES METHODES NUMERIQUES UTILISEES NE NOUS PERMETTENT PAS D'ISOLER PARFAITEMENT LES EFFETS DUS AUX SCHEMAS DE CONVECTION, A LA MODELISATION PHYSIQUE ET AU MAILLAGE CHOISIS. CE TRAVAIL CONSTITUE TOUT DE MEME LA PREMIERE ETAPE DU PROCESSUS DE DEVELOPPEMENT D'UN OUTIL DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES EN MAILLAGES NON STRUCTURES.

The articles focus on new developments in the field of large-eddy simulation of complex flows and are related to the topics: modelling and analysis of subgrid scales, numerical issues in LES cartesian grids for complex geometries, curvilinear and non-structured grids for complex geometries. DES and RANS-LES coupling, aircraft wake vortices, combustion and magnetohydrodynamics. Progress has been made not only in understanding and modelling the dynamics of unresolved scales, but also in designing means that prevent the contamination of LES predictions by discretization errors. Progress is reported as well on the use of cartesian and curvilinear coordinates to compute flow in and around complex geometries and in the field of LES with unstructured grids. A chapter is dedicated to the detached-eddy simulation technique and its recent achievements and to the promising technique of coupling RANS and LES solutions in order to push the resolution-based Reynolds number limit of wall-resolving LES to higher values. Complexity due to physical mechanisms links the last two chapters. It is shown that LES constitutes the tool to analyse the physics of aircraft wake vortices during landing and takeoff. Its thorough understanding is a prerequisite for reliable predictions of the distance between consecutive landing airplanes. Subgrid combustion modelling for LES of single and two-phase reacting flows is demonstrated to have the potential to deal with finite-rate kinetics in high Reynolds number flows of full-scale gas turbine engines. Fluctuating magnetic fields are more reliably predicted by LES when tensor-diffusivity rather than gradient-diffusion models are used. An encouraging result in the context of turbulence control by magnetic fields.

LA TECHNIQUE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES EST APPLIQUEE A L'ETUDE D'ECOULEMENTS TURBULENTS EN AVAL D'UNE MARCHE EN DERAPAGE. CETTE CONFIGURATION FORTEMENT TRIDIMENSIONNELLE EST UN CAS TEST REPRESENTATIF DES GEOMETRIES COMPLEXES DE TYPE INDUSTRIEL. POUR MODELISER LES PETITES ECHELLES DE LA TURBULENCE, ON UTILISE DIFFERENTES VERSIONS DU MODELE SOUS-MAILLE DE LA FONCTION DE STRUCTURE. A HAUT NOMBRE DE REYNOLDS (60000), ON TROUVE QU'UN TOURBILLON HELICOIDAL EST FORME PAR ENROULEMENT DES COUCHES CISAILLEES QUI DECOLLENT DE LA MARCHE. L'ECOULEMENT EST QUASI-STATIONNAIRE A GRANDE ECHELLE MAIS ON MONTRE LE PROCESSUS DE DESTABILISATION DU TOURBILLON QUI CONDUIT A UNE TURBULENCE A PETITE ECHELLE. A BAS NOMBRE DE REYNOLDS (1400) CE SONT DEUX TOURBILLONS QUASI-STATIONNAIRES QUI SONT ATTACHES A L'ARETE DE LA MARCHE. LES SIMULATIONS SONT VALIDEES PAR DES COMPARAISONS QUALITATIVES ET QUANTITATIVES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX. LES NOMBREUSES VISUALISATIONS DES SIMULATIONS OFFRENT EN OUTRE UNE COMPREHENSION APPROFONDIE DE L'ECOULEMENT. CETTE ETUDE D'APPLICATION CONTRIBUE AU DEVELOPPEMENT DES TECHNIQUES DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES, LA FINALITE ETANT LA MISE AU POINT D'UN OUTIL PERFORMANT POUR LE CALCUL DES ECOULEMENTS INDUSTRIELS

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.

La thèse présente des études numériques avec analyse approfondie d'écoulements turbulents autour d'un ou plusieurs cylindres sur différentes configurations illustratives d'applications industrielles. L'objectif est de comprendre le comportement de l'écoulement et d'expliquer les phénomènes physiques qui apparaissent dans certaines configurations. A l'aide de la technique de la simulation des grandes échelles (LES), les champs instantanés de l'écoulement et les forces exercées sur les cylindres sont calculés. En variant la distance entre le centre des cylindres, plusieurs topologies de sillage apparaissent. Les simulations ont montré que pour les petits espacements, les configurations se comportent quasiment comme un corps unique. Cependant, pour les rapports intermédiaires, des instabilités apparaissent avec changement de comportement de l'écoulement et aussi des échappements tourbillonnaires qui auraient un grand effet sur les fluctuations des structures. Le but de notre travail est de définir les causes de ces instabilités et le moment de leur apparition. Pour les grands espacements, les structures se comportent comme un seul cylindre avec certaines différences pour ceux situés dans le sillage des cylindres en amont. En plus, l'influence de l'espacement sur les changements de mode et les structures qui en sont responsables sont présentée en détail. Les données obtenues dans cette thèse permettront d'une part d'aborder la configuration de faisceaux de tube avec un degré de confiance plus élevé. D'autre part, une base de données sera créée et mise à disposition de la communauté scientifique pour la validation des codes de calcul ou la compréhension approfondie des phénomènes physiques en jeu

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.

CETTE THESE SE PROPOSE D'ETUDIER L'UTILISATION DE METHODES SPECTRALES MULTI-NIVEAUX DANS LE CADRE DE LA SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS TURBULENTS INCOMPRESSIBLES 3D. APRES AVOIR PRESENTE DES GENERALITES SUR LES METHODES SPECTRALES ET JUSTIFIE LEUR UTILISATION DANS LE CONTEXTE DE LA TURBULENCE, ON DECRIT LA PHYSIQUE DES ECOULEMENTS ETUDIES. LES ECOULEMENTS PERIODIQUES ET LE PROBLEME DE L'ECOULEMENT DANS UN CANAL SONT DETAILLES, AINSI QUE LES ENJEUX ET LES OBJECTIFS DES SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES (DNS : DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS) ET DES SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES (LES : LARGE EDDY SIMULATION). POUR CE DERNIER TYPE DE SIMULATION, ON EXPOSE QUELQUES MODELES DEVELOPPES CES DERNIERES ANNEES, DONT CERTAINS NOUS SERVIRONT DE TESTS DE REFERENCE PAR LA SUITE. NOUS PRESENTONS ENSUITE QUELQUES RESULTATS MATHEMATIQUES SUR LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES, CONCERNANT LE POINT DE VUE DES SYSTEMES DYNAMIQUES, QUI JUSTIFIENT L'EMPLOI DE METHODES MULTI-NIVEAUX. ENFIN, ON PROPOSE DEUX APPLICATIONS UTILISANT CES IDEES. LA PREMIERE EST UN MODELE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES DANS LE CONTEXTE PERIODIQUE. ON PRESENTE LES DIFFERENTES ETAPES QUI NOUS ONT CONDUITS A L'ELABORATION DE CE MODELE, ET PRINCIPALEMENT L'ETUDE DE L'INTERACTION ENTRE LES DIFFERENTES ECHELLES EN TURBULENCE HOMOGENE. DES RESULTATS NUMERIQUES VALIDENT FINALEMENT CE MODELE ; TOUTES LES QUANTITES STATISTIQUES LIEES AUX GRANDES ECHELLES ETANT RETROUVEES AVEC UNE PRECISION AU MOINS EQUIVALENTE A CELLE OBTENUE AVEC LES MODELES DYNAMIQUES. CES RESULTATS NUMERIQUES CONCERNENT DIFFERENTS TYPES D'ECOULEMENTS PERIODIQUES : ECOULEMENTS PERIODIQUES FORCES, ECOULEMENTS D'EULER ET TURBULENCE DECROISSANTE. ENFIN, ON PROPOSE UNE DEUXIEME APPLICATION DES METHODES MULTI-NIVEAUX, DANS LE CONTEXTE NON-PERIODIQUE. DANS UN PREMIER TEMPS, ON PRESENTE LES RESULTATS NUMERIQUES OBTENUS DANS LE CADRE DE L'EQUATION DE BURGERS 1D, AVANT DE CONCLURE EN DETAILLANT L'IMPLEMENTATION DANS LA DIRECTION NORMALE AUX PAROIS DU CANAL 3D.