Cette étude a été l'occasion d'étudier les effets liés à la présence d'un cisaillement particulier de l'écoulement moyen sur le phénomène d'interaction choc/turbulence. Dans un premier temps, un outil de calcul performant et modulaire fondé sur une approche orientée objet a été développé afin de réaliser des simulations numériques directes de ce type d'écoulement. L'utilisation de schémas numériques à capture de choc et d'ordre élevé de type WENO ont permis une résolution fidèle des équations de Navier-Stokes compressibles. Dans un deuxième temps, une analyse poussée des effets de ce type de cisaillement sur la turbulence en l'absence de choc a été réalisée. Cette première étude a été l'occasion de dégager l'influence de plusieurs paramètres influents pour cette configuration d'écoulement. Enfin, dans un dernier temps, l'étude du phénomène d'interaction choc/turbulence cisaillée en présence de gradients moyens de température et de masse volumique a permis de souligner l'activation de phénomènes physiques caractéristiques à cette configuration. Ce travail permet également d'apporter une base de données de résultats susceptible d'être confrontée avec les modèles de turbulence et constitue un point de vue intéressant pour l'étude du phénomène d'interaction choc/couche limite.

LA DESCRIPTION EXPERIMENTALE DES CHAMPS MOYENS ET PLUS PARTICULIEREMENT DES CHAMPS TURBULENTS, A ETE ENTREPRISE POUR QUATRE CONFIGURATIONS D'INTERACTION ONDE DE CHOC / COUCHE LIMITE. NOUS AVONS CONSIDERE DEUX COUCHES LIMITES, L'UNE ADIABATIQUE, L'AUTRE SOUMISE A UNE APPORT DE CHALEUR PARIETAL, ET DEUX INTENSITES DE CHOC DONT LA PLUS FORTE PROVOQUE UN DECOLLEMENT DE LA COUCHE LIMITE. NOUS AVONS DETERMINER EMPIRIQUEMENT UNE LONGUEUR D'INTERACTION QUI PERMET DE PRENDRE EN COMPTE LES EFFETS DU CHAUFFAGE PARIETAL POUR LES CHAMPS MOYENS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE DANS LA ZONE DE RELAXATION. LES ASPECT THERMIQUES ET SPECTRAUX DE LA TURBULENCE ONT ETE ETUDIE PAR ANEMOMETRIE FIL CHAUD A COURANT CONSTANT. UN APPORT D'ENERGIE, CENTRE SUR LA FREQUENCE MOYENNE DE BATTEMENT DU CHOC REFLECHI, EST OBSERVE SUR LES REPARTITION SPECTRALES D'ENERGIE. CET EFFET BASSE FREQUENCE S'ATTENUE LORSQU'ON S'ECARTE DE LA PAROI OU SI L'ON S'ELOIGNE DE LA ZONE D'INTERACTION. L'IMPACT DE CE PHENOMENE EST SURTOUT SENSIBLE SUR LES ECHELLES INTEGRALES DE LA TURBULENCE QUI SONT D'AUTANT PLUS AUGMENTEES QUE L'INTERACTION EST PLUS IMPORTANTE. DANS NOS CAS D'ETUDE, CE PHENOMENE NE SEMBLE PAS PREPONDERANT. AU PASSAGE DU PREMIER CHOC, UN CALCUL DE DISTORSION RAPIDE CONDUIT A UNE ESTIMATION SATISFAISANTE DE L'AMPLIFICATION DE LA VARIANCE DE VITESSE, MALGRE CET APPORT D'ENERGIE AUX BASSES FREQUENCES. D'AUTRE PART, LES LIENS ENTRE LES CHAMPS TURBULENTS DE VITESSE ET DE TEMPERATURE RESTENT TRES FORTS, CE QUI POURRAI RESULTER D'UN MECANISME DE DIFFUSION A GRADIENT DE LA TEMPERATURE PAR LA VITESSE A L'AVAL DES INTERACTIONS.

DEUX DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX METTANT EN JEU UNE INTERACTION TURBULENCE/ONDE DE CHOC SONT ENVISAGES DANS CETTE ETUDE. DANS LA PREMIERE CONFIGURATION, LA TURBULENCE EST ENGENDREE PAR UNE GRILLE AMORCEE, DANS LA SECONDE, LA TURBULENCE CONSIDEREE EST CELLE D'UN JET SUPERSONIQUE COAXIAL. DANS LES DEUX CAS, L'INTERACTION A LIEU AVEC UN CHOC DROIT OBTENU PAR CONTRE-PRESSION. LES MESURES DES VITESSES MOYENNES ET TURBULENTES SONT EFFECTUEES A L'AIDE D'UN VELOCIMETRE LASER. LES SONDAGES SONT LIMITES A LA ZONE CENTRALE DE LA VEINE D'ESSAI POUR S'AFFRANCHIR DES EFFETS DE PAROI, CARACTERISTIQUES DES INTERACTIONS DU TYPE CHOC/COUCHE LIMITE. LA PRECISION DES MESURES PAR VELOCIMETRIE LASER AU VOISINAGE DU CHOC EST DISCUTEE SUR LA BASE D'UN CALCUL SIMPLIFIE DU MOUVEMENT DES PARTICULES A TRAVERS LE CHOC. NOUS EXAMINONS NOTAMMENT L'IMPACT DU COUPLAGE TRAINAGE-POLYDISPERSION ET TRAINAGE-INTERMITTENCE DU CHOC SUR LES MESURES DES QUANTITES FLUCTUANTES. LE CAS PARTICULIER DES MESURES DANS LA COUCHE DE MELANGE DU JET FAIT L'OBJET D'UNE ETUDE DETAILLEE. NOUS PROPOSONS UNE INTERPRETATION DES ECARTS EXISTANTS ENTRE LES DIFFERENTS MODES D'ENSEMENCEMENT. LES RESULTATS DES SONDAGES MONTRENT QUE LA TURBULENCE SE COMPORTE DE FACON TRES DIFFERENTE DANS LES DEUX INTERACTIONS. LE NIVEAU MOYEN DE LA TURBULENCE DE GRILLE N'EST PAS MODIFIE A LA TRAVERSEE DU CHOC, LE SEUL CHANGEMENT DISCERNABLE ETANT L'ACCELERATION DE SON DECLIN A L'AVAL DU CHOC; L'INTERACTION AVEC LA COUCHE DE MELANGE DU JET PRODUIT DES AMPLIFICATIONS SIGNIFICATIVES. CEPENDANT, LA DESADAPTATION DU JET A L'AVAL DU CHOC, QUI ENGENDRE UNE STRUCTURE COMPARABLE A CELLE D'UN JET SOUS-DETENDU, REND L'INTERPRETATION DE CETTE EXPERIENCE PLUS DELICATE. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT CONFRONTES AUX PREDICTIONS DE DIVERSES THEORIES DISPONIBLES DANS LA LITTERATURE

CE TRAVAIL ESSENTIELLEMENT EXPERIMENTAL A ETE CONSACRE A UNE ETUDE, DANS LE CAS D'UNE COUCHE LIMITE SUPERSONIQUE, DES EFFETS DE VARIATIONS DE DENSITE PROVOQUES PAR DES PERTURBATIONS QUI PROVIENNENT SOIT D'UN CHAUFFAGE PARIETAL, SOIT D'UNE ONDE DE CHOC INCIDENTE DE FAIBLE OU FORTE INTENSITE, OU ENCORE DE LA SUPERPOSITION DE CES DEUX CAUSES. LA QUALIFICATION DE L'INFLUENCE DU CHAUFFAGE A ETE EFFECTUEE PAR DIFFERENTES APPROCHES: SPECTRES, ECHELLES INTEGRALES, COEFFICIENT DE CORRELATION VITESSE TEMPERATURE... IL EST MIS EN EVIDENCE QUE LE CHAMP DE VITESSE EST MOINS AFFECTE QUE LE CHAMP DE TEMPERATURE, ET QUE, DE PLUS, LA STRUCTURE DE LA TURBULENCE NE SE TROUVE PAS MODIFIEE PAR LE CHAUFFAGE. ENFIN, LES RESULTATS OBTENUS ONT MONTRE EXPERIMENTALEMENT LA POSSIBILITE D'UTILISER, EN ECOULEMENT CHAUFFE, UN SCHEMA DE DIFFUSION A GRADIENT DE LA TEMPERATURE PAR LA VITESSE. L'ECOULEMENT S'EST DONC SIMPLEMENT ADAPTE AUX CONDITIONS DE PAROI AVEC LES NOUVELLES VALEURS DES PARAMETRES CLES: DENSITE, DENSITE A LA PAROI, VITESSE DE FROTTEMENT. L'ETUDE MENEE SUR L'INTERACTION DE CETTE COUCHE LIMITE AVEC UNE ONDE DE CHOC, CONJUGUEE OU NON A UN CHAUFFAGE PARIETAL, CONSTITUE UNE PREMIERE APPROCHE DE CETTE SITUATION. UN NOMBRE IMPORTANT DE SECTIONS A DU ETRE TRAITE AFIN DE CERNER LES PRINCIPALES REGIONS DE L'ECOULEMENT, ET L'ETUDE DE LA ZONE DIRECTEMENT EN AVAL DU CHOC INCIDENT A ETE ABORDEE. SUR LES GRANDEURS FLUCTUANTES, L'ANALYSE DE L'INFLUENCE DU CHAUFFAGE A MONTRE QUE CELLE-CI ETAIT PLUS MARQUEE DANS L'INTERACTION DE FAIBLE INTENSITE. IL A PU ETRE CONFIRME NOTAMMENT QUE LE CHAUFFAGE AUGMENTE L'ETENDUE DE LA ZONE D'INTERACTION VERS L'AMONT. LES CONCLUSIONS DE NOTRE TRAVAIL EXPERIMENTAL, SONT ORIENTEES VERS LA CARACTERISATION DE L'ANISOTROPIE ET SON EVOLUTION. AINSI, ON OBSERVE POUR L'INTERACTION AVEC DECOLLEMENT UN CHANGEMENT DE SIGNE DE LA CORRELATION UV DANS LA REGION CENTRALE. L'ETUDE DE L'ANISOTROPIE DANS L'INTERACTION A FAIT APPARAITRE QU'ELLE ETAIT SURTOUT AFFECTEE DANS L'INTERACTION AVEC DECOLLEMENT

Ce travail met en lumière l'ensemble des mécanismes physiques fondamentaux caractéristiques du phénomène d'interaction entre une turbulence homogène isotrope libre et une onde de choc droite. Un outil numérique permettant la simulation directe de cette configuration d'écoulement est d'abord développé. Différents calculs sont ensuite conduits, donnant lieu à une compréhension précise et détaillée des évolutions observées pour les principales grandeurs statistiques de l'écoulement turbulent au cours de l'interaction avec le choc. L'influence de la nature de la turbulence incidente sur son comportement à travers la discontinuité est également mise en évidence. Nous utilisons pour cela la décomposition modale de Kovasznay qui permet de dégager les effets de la compressibilité sur le processus d'interaction. Une approche théorique est par ailleurs réalisée en s'appuyant sur une analyse linéaire non visqueuse du phénomène. Des comparaisons avec les résultats de simulation numérique directe sont effectuées et d'avèrent très convaincantes sur le plan qualitatif. La majorité des mécanismes fondamentaux inhérents au phénomène d'interaction choc / turbulence sont mis en évidence avec cette approche théorique qui se révèle ainsi très performante pour la configuration étudiée. Au bilan, on dispose d'une base de données susceptible d'être confrontée aux modèles classiques de turbulence compressible. Ce travail constitue également un point de départ indispensable à l'étude de configurations plus complexes telles que l'interaction choc / couche limite turbulente.

CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS LE CADRE DE LA MODELISATION DES ECOULEMENTS TURBULENTS COMPRESSIBLES ET INSTATIONNAIRES, EN PRESENCE DE FORTS GRADIENTS DE DENSITE, RENCONTRES DANS LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL. LE COMPORTEMENT EXTREMEMENT INSTATIONNAIRE DES ECOULEMENTS ABORDES REMET EN QUESTION L'HYPOTHESE SOUS-JACENTE D'EQUILIBRE SPECTRAL SUR LAQUELLE REPOSENT LA PLUPART DES MODELES DE FERMETURE EN UN POINT. C'EST POURQUOI NOUS AVONS ETE AMENES A DEVELOPPER UN MODELE STATISTIQUE MULTIECHELLE DE TURBULENCE. CE MODELE A DEUX ZONES SPECTRALES, A ETE ETABLI DANS LE FORMALISME DES MOYENNES DE FAVRE. LES EQUATIONS D'EVOLUTION DES ENERGIES CINETIQUES TURBULENTES DE CHAQUE ZONE SPECTRALE SONT DERIVEES DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES ET FILTREES. UNE EQUATION POUR LE FLUX SPECTRAL, ALIMENTANT LES PETITES ECHELLES, ET UNE AUTRE POUR LE TAUX DE DISSIPATION DE LA TURBULENCE SONT EGALEMENT DEVELOPPEES. UNE METHODE ORIGINALE DE DETERMINATION DES CONSTANTES PHENOMENOLOGIQUES, UTILISANT LES PROPRIETES SPECTRALES DE LA MODELISATION, EST PRESENTEE. ELLE EST BASEE SUR LE MODELE ANALYTIQUE DE CANUTO-GOLDMAN QUI RELIE LE TAUX DE CROISSANCE LINEAIRE DES INSTABILITES HYDRODYNAMIQUES AUX SPECTRES DES TURBULENCES QU'ELLES ENGENDRENT. L'APPLICATION DU MODELE MULTIECHELLE A LA PREVISION DES ECOULEMENTS TURBULENTS CONSECUTIFS AUX INSTABILITES DE RICHTMYER-MESHKOV ET DE RAYLEIGH-TAYLOR AINSI QU'AU PROBLEME DE L'INTERACTION ONDE DE CHOC / TURBULENCE A SOULIGNE LES AVANTAGES DE L'APPROCHE MULTIECHELLE. EN PARTICULIER, IL EST MONTRE QUE LA PRISE EN COMPTE DU DESEQUILIBRE SPECTRAL AMELIORE LA DESCRIPTION DE LA RELAXATION DE LA TURBULENCE ET INFLUENCE LE DEVELOPPEMENT DU MELANGE TURBULENT. UN MODELE MULTIECHELLE AUX TENSIONS DE REYNOLDS A EGALEMENT ETE ETABLI. SON APPLICATION A L'ETUDE DE L'INTERACTION ONDE DE CHOC / TURBULENCE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE L'AMELIORATION, APPORTEE PAR LA PRISE EN COMPTE DU DESEQUILIBRE SPECTRAL, A LA PREVISION DU RETOUR A L'ISOTROPIE DE LA TURBULENCE.

Afin de concevoir des systèmes de propulsion innovants, l'amélioration des performances des prises d'air supersonique constitue un enjeu majeur. En particulier, les écoulements intervenant au sein des entrées d'air et/ou de diffuseurs supersoniques mettent en jeu des phénomènes complexes associés aux diverses échelles spatiales et temporelles: dynamique de la turbulence pariétale, interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente, décollements tridimensionnels et effets de coins. Malgré les contributions significatives et récentes des simulations numériques de haute fidélité sur les instationnarités de l'interaction onde de choc/couche limite sans paroi latérales, peu d'études numériques ont été menées sur l'influence des coins dans la dynamique de l'écoulement. En présence de parois latérales et à des nombres de Mach suffisamment élevés, l'interaction se modifie et un train de choc se forme dans le diffuseur. Dans le cadre de cette thèse, les équations de Navier-Stokes en régime compressible sont résolues à l'aide de schémas d'ordre élevé. Des simulations en régime supersonique de l'écoulement dans des diffuseurs rectangulaires de largeurs différentes sont effectuées. L'étude permet la mise en évidence de l'influence du confinement et des effets de coins. Une deuxième partie de l'étude est consacrée à la compréhension des instationnarités générées par un train de choc dans un diffuseur rectangulaire à l'aide d'outils de post-traitement avancés: décomposition modale dynamique et périodogramme. Les résultats montrent la présence d'un possible phénomène de résonance du diffuseur à des fréquences proches de celles émises par l'écoulement.