ETUDE DES EFFETS DE LA ROTATION SUR LE TRANSPORT SPATIAL DE L'ENERGIE CINETIQUE DANS LES ECOULEMENTS TURBULENTS INHOMOGENES. LA CONFIGURATION RETENUE EST CELLE D'UNE COUCHE DE MELANGE TURBULENTE NON CISAILLEE. CETTE COUCHE DE MELANGE EST CONSTITUEE DE DEUX TURBULENCES DE GRILLE, MISES COTE A COTE, AYANT DES ENERGIES ET DES ECHELLES DE LONGUEUR DIFFERENTES ET QUI INTERAGISSENT. LES TERMES DE TRANSPORT SONT LES GRADIENTS DES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE ET LES GRADIENTS DES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE. EN L'ABSENCE DE ROTATION, NOUS OBSERVONS UN PIC SUR LES PROFILS DES MOMENTS D'ORDRE TROIS DANS LA COUCHE DE MELANGE, CE QUI TRADUIT L'IMPORTANCE DU TRANSPORT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE DANS CETTE ZONE. IL APPARAIT EGALEMENT QUE CETTE ZONE DE MELANGE EST FORTEMENT INTERMITTENTE, CE QUI SE TRADUIT PAR UN ECART A LA GAUSSIANITE DES PROFILS DES MOMENTS D'ORDRE QUATRE. UNE ETUDE NUMERIQUE A MONTRE QUE LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE JOUENT DANS CE CAS UN ROLE NEGLIGEABLE. EN PRESENCE DE ROTATION, NOUS OBSERVONS UNE FORTE REDUCTION DU TRANSPORT TURBULENT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES DE VITESSE AINSI QU'UNE REDUCTION DE L'INTERMITTENCE DE LA ZONE DE MELANGE. LES SIMULATIONS LES ONT MONTRE QU'EN PRESENCE DE ROTATION, CE SONT LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE QUI ASSURENT LE TRANSPORT DE L'ENERGIE A TRAVERS LA COUCHE DE MELANGE. COMME NOUS N'OBSERVONS PAS D'EFFET SENSIBLE DE LA ROTATION SUR LES PROFILS D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE ALORS QUE LES MOMENTS D'ORDRE TROIS SONT FORTEMENT REDUITS, CETTE PRESENTE ETUDE SEMBLE DONC ALLER DANS LE SENS DE LA CONCLUSION DES SIMULATIONS NUMERIQUES: CE SONT LES CORRELATIONS PRESSION-VITESSE QUI ASSURENT LE TRANSPORT TURBULENT A TRAVERS LA COUCHE DE MELANGE

These proceedings contain the papers presented at the 4th International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements held at Ajaccio, Corsica, France from 24-26 May 1999. It follows three previous conferences on the topic of engineering turbulence modelling and measurements. The purpose of this series of symposia is to provide a forum for presenting and discussing new developments in the area of turbulence modelling and measurements, with particular emphasis on engineering-related problems. Turbulence is still one of the key issues in tackling engineering flow problems. As powerful computers and accurate numerical methods are now available for solving the flow equations, and since engineering applications nearly always involve turbulence effects, the reliability of CFD analysis depends more and more on the performance of the turbulence models. Successful simulation of turbulence requires the understanding of the complex physical phenomena involved and suitable models for describing the turbulent momentum, heat and mass transfer. For the understanding of turbulence phenomena, experiments are indispensable, but they are equally important for providing data for the development and testing of turbulence models and hence for CFD software validation.

Le travail de cette thèse est une contribution a l'étude de la turbulence inhomogène et s'inscrit dans le cadre d'étude à finalité aéronautique. Il s'agit d'une approche, par simulation numérique directe des grandes échelles de la turbulence, de l'interaction de deux turbulences d'échelles et de niveaux énergétiques différents, placées cote à cote à l'instant initial et évoluant librement sans gradient de vitesse moyenne. Une telle situation physique constitue le cas le plus simple pour l'étude des phénomènes de transport spatial de turbulence, une seule direction d'inhomogénéité étant présente. Le but essentiel de l'étude est de compléter les résultats expérimentaux fournis par un travail effectue par Warhaft a l'université de Cornell, contribuant par la a une meilleure compréhension de mécanismes physiques encore mal pris en compte dans les modèles simples. Les résultats de simulation montrent un bon accord qualitatif avec l'expérience existante. De plus, des informations non accessibles expérimentalement sont obtenues. Ce sont les corrélations triples de vitesse qui assurent le transport de turbulence, tandis que la corrélation pression vitesse tend à contrebalancer légèrement ce transport. Le mécanisme de transport de turbulence est maintenant mieux compris, notamment en ce qui concerne le rôle joué par l'intermittence. Dans un but pratique d'applications industrielles, les résultats de simulation sont compares a ceux obtenus dans la même situation par des modèles de turbulence simples (modèles en un point). Les comparaisons montrent que les modèles classiques ne prennent pas en compte le mécanisme de l'intermittence. Une modification des modèles classiques est introduite et les résultats se trouvent améliorés. L’étude a ensuite été étendue au cas où la couche de mélange turbulente est soumise à une rotation en bloc. Les résultats montrent que la force de Coriolis modifie de façon considérable le mécanisme de transport. Deux effets sont identifies; les corrélations triples sont fortement inhibées; la corrélation pression vitesse assure le transport. Le premier effet a été modélisé; tandis que la prise en compte du second effet dans les modèles simples reste un problème ouvert

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 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.

etude d'une couche limite bidimensionnelle se developpant sur un cylindre dont l'axe est parallele a la direction de la vitesse exterieure. a une position ou l'ecoulement est pleinement developpe une partie du cylindre est mise en rotation, creant ainsi des effets tridimensionnels qui peuvent etre importants. mesures de pression et de vitesse moyenne dans la sous-couche a proximite de la paroi. determination des coefficients de frottement et mesures de turbulence. analyse numerique a l'aide d'un schema de longueur de melange modifie

UN MONTAGE EXPERIMENTAL PERMET DE GENERER UN ECOULEMENT TURBULENT HOMOGENE, MIS EN ROTATION SOLIDE A L'AIDE D'UNE PARTIE ROTATIVE, PUIS SOUMIS A UNE CONTRACTION AXISYMETRIQUE. LE CHAMP DE VITESSE EST SONDE A L'AVAL DE CE DISPOSITIF AU MOYEN DE FILS CHAUDS. LES QUANTITES TURBULENTES ISSUES DE CES MESURES MONTRENT QUE LA CONTRACTION CREE UNE IMPORTANTE ANISOTROPIE PRINCIPALEMENT SITUEE SUR LES GRANDEURS LONGITUDINALES; LA ROTATION SEMBLE ATTENUER CE PHENOMENE. UNE ANALYSE SPECTRALE DE LA PARTIE LINEAIRE DES EQUATIONS CONFIRME LE ROLE PREPONDERANT DE LA ROTATION SUR CES TERMES EN PRESENCE D'ANISOTROPIE. LE CALCUL SPECTRAL DU TERME DE PRESSION LINEAIRE COMPARE A SA MODELISATION DANS L'ESPACE PHYSIQUE MONTRE LA DEFAILLANCE DES MODELES PHYSIQUES SIMPLES EN PRESENCE DE ROTATION