CE MEMOIRE RELATE UN TRAVAIL CONSACRE A LA MODELISATION DE LA TURBULENCE, ETUDIEE DANS LE CADRE PARTICULIER DE LA SIMULATION D'INTERACTIONS ONDE DE CHOC-COUCHE LIMITE TURBULENTE. DANS UNE PREMIERE PARTIE, UNE REVUE DES DIFFERENTS TYPES DE MODELES EST EFFECTUEE SELON UNE HIERARCHIE ALLANT DES MODELES LES PLUS SIMPLES, BASES SUR LA DETERMINATION D'UNE LONGUEUR DE MELANGE, A DES MODELES PLUS COMPLEXES PRENANT EN COMPTE LES CARACTERES ANISOTROPE ET TRIDIMENSIONNEL DE LA TURBULENCE. LA SECONDE PARTIE DE CE MEMOIRE EST CONSACRE A LA MISE EN UVRE ET A LA VALIDATION D'UN MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT (K,EPSILON) DE JONES-LAUNDER EN FORMULATION BAS NOMBRE DE REYNOLDS. ON PRESENTE L'INTEGRATION DE CE MODELE DANS UN CODE DE CALCUL TRIDIMENSIONNEL, CANARI, RESOLVANT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES. CE CODE DE CALCUL EST CARACTERISE PAR UNE METHODE NUMERIQUE FONDEE SUR UNE APPROCHE VOLUMES FINIS UTILISANT UN SCHEMA EXPLICITE CENTRE DE TYPE LAX-WENDROFF. UN TRAVAIL D'IMPLANTATION D'UN MODELE DU SECOND ORDRE DE TYPE ASM DONT LE CODE EST EGALEMENT CONSIDERE. LA VALIDATION EST EFFECTUEE SUR DIFFERENTS CAS EXPERIMENTES D'ECOULEMENTS INTERNES TRANSSONIQUES. ON PRESENTE UNE ANALYSE PARTICULIEREMENT DETAILLEE D'UN CAS D'INTERACTION ONDE DE CHOC-COUCHE LIMITE FORTEMENT TRIDIMENSIONNELLE POUR LAQUELLE ON DISPOSE DE NOMBREUSES DONNEES EXPERIMENTALES POUR LE CHAMP MOYEN ET LE CHAMP TURBULENT. LES RESULTATS OBTENUS AVEC LE MODELE (K,EPSILON) SONT EGALEMENT COMPARES AVEC CEUX OBTENUS EN UTILISANT UN MODELE DE LONGUEUR DE MELANGE INITIALEMENT DEVELOPPE DANS LE CODE. CES COMPARAISONS METTENT EN EVIDENCE LA NETTE AMELIORATION APPORTEE PAR L'UTILISATION DU MODELE (K,EPSILON), NOTAMMENT DANS LES REGIONS OU L'ECOULEMENT EST FORTEMENT DECOLLE

Définition du problème de la turbulence et revue des diverses approches théoriques de la turbulence. Problème de la fermeture. Rappel des équations du mouvement sous forme instantanée puis sous forme moyennée. Proposition de solutions pour la fermeture. Description des méthodes numériques utilisées pour le calcul de l'écoulement de type couche-limite et pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Exposé des principaux résultats obtenus pour le mélange isotherme, la couche de mélange et l'interaction onde de choc-couche limite

Accurate prediction of turbulent flows remains a challenging task despite considerable work in this area and the acceptance of CFD as a design tool. The quality of the CFD calculations of the flows in engineering applications strongly depends on the proper prediction of turbulence phenomena. Investigations of flow instability, heat transfer, skin friction, secondary flows, flow separation, and reattachment effects demand a reliable modelling and simulation of the turbulence, reliable methods, accurate programming, and robust working practices. The current scientific status of simulation of turbulent flows as well as some advances in computational techniques and practical applications of turbulence research is reviewed and considered in the book.

La résolution directe des équations de Navier-Stokes reste impraticable pour les écoulements industriels, et conduit a la mise en œuvre d'approches statistiques qui se limitent au calcul des grandeurs moyennées. Parmi les modèles de turbulence qui utilisent cette approche, le modèle K-, le plus simple et le plus utilise. Il résout en plus des équations de transport de la vitesse et du scalaire moyens, une équation de transport pour l'énergie turbulente et une autre pour son taux de dissipation. L’autre modèle qui fait l'objet de notre étude est le modèle R#I#J-, qui résout en plus des équations de transport des quantités moyennes, des équations de transport pour les contraintes de Reynolds, les flux scalaires et le taux de dissipation de l'énergie turbulente. Une partie de cette thèse sera consacrée aux nouveaux modèles proposes pour le terme de pression-déformation qui apparait dans les équations des contraintes de Reynolds et a la nouvelle équation du taux de dissipation de l'énergie turbulente. Ce nouveau modèle R#I#J- a été teste avec succès par CRAFT à UMIST pour les jets non homogènes plans ou axisymétriques, les surfaces libres et les jets impactant. L’application de ces trois modèles de turbulence sera réalisée pour deux catégories d'écoulements: 1) les écoulements a masse volumique variable sans composante de rotation: écoulement bicouche et jet confiné. 2) les écoulements incompressibles ou a densité variable avec une forte composante de rotation. Après analyse des résultats, on tire les conclusions suivantes: I) pour la première catégorie d'écoulements, les prédictions des trois modèles de turbulence restent très proches. II) pour les écoulements a forte composante de rotation, la différence entre les trois modèles est importante, surtout pour la configuration étudiée au LSTM ou en plus de la zone de recirculation centrale, on a une zone de recirculation périphérique liée a un élargissement brusque. Pour ce genre d'écoulements, le nouveau modèle R#I#J- est de loin le meilleur des trois modèles. III) enfin, il est important de préciser que malgré la complexité du nouveau modèle R#I#J-, son utilisation permet d'économiser plus de 25% de temps de calcul par rapport au modèle R#I#J- standard

CE TRAVAIL DE THESE PORTE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE DES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES ET TURBULENTS AUTOUR D'ARRIERE-CORPS. POUR CELA, NOUS CONSIDERONS LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES MOYENNEES COMPLETEES PAR UN MODELE DE TURBULENCE. LES MODELES ALGEBRIQUES DE TYPE LONGUEUR DE MELANGE SONT LES PLUS SIMPLES, MAIS LES RESULTATS OBTENUS AVEC DE TELS MODELES SONT EN GENERAL PEU SATISFAISANTS POUR DES ECOULEMENTS COMPLEXES PRESENTANT DE GRANDES ZONES DE RECIRCULATION. DE PLUS, CES MODELES REQUIERENT UNE EVALUATION DE DISTANCES A LA PAROI, CE QUI PEUT PRESENTER UNE CERTAINE DIFFICULTE POUR DES CONFIGURATIONS D'ARRIERE-CORPS AVEC TUYERE ET CULOT. EN CONSEQUENCE, NOUS AVONS MIS EN UVRE UN MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS DE TRANSPORT PLUS ADAPTE A LA PHYSIQUE DE L'ECOULEMENT. NOUS AVONS TOUT D'ABORD CONSIDERE UN MODELE AVEC INTEGRATION JUSQU'A LA PAROI A SAVOIR LE MODELE K - DE JONES-LAUNDER. CE MODELE PRESENTE L'AVANTAGE QUE LES FONCTIONS INTRODUITES POUR TENIR COMPTE DES EFFETS DE PROCHE PAROI DEPENDENT UNIQUEMENT DU NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT ET NON DE DISTANCES A LA PAROI. AINSI, LE MODELE DE JONES-LAUNDER EST BEAUCOUP PLUS FACILE A APPLIQUER POUR DES CONFIGURATIONS D'ARRIERE-CORPS. NOUS NOUS SOMMES ENSUITE INTERESSE AUX LOIS DE PAROI. CELLES-CI PERMETTENT DE DECRIRE ANALYTIQUEMENT L'ECOULEMENT MOYEN ET LES GRANDEURS TURBULENTES AU VOISINAGE D'UNE PAROI ET AUTORISENT AINSI UNE TAILLE DE MAILLE A LA PAROI NETTEMENT PLUS IMPORTANTE QUE DANS UN CALCUL AVEC INTEGRATION JUSQU'A LA PAROI

Le calcul d'un écoulement turbulent en présence d'un décollement nécessite la résolution numérique des équations de Navier-Stokes et la modélisation de la turbulence. Un code de calcul, développé pour des écoulements internes laminaires et basé sur une méthode de marche itérative pour les équations parabolisées, a été modifié pour simuler des écoulements turbulents. Pour cela, les équations de Navier-Stokes complètes ont été considérées. Pour la mise au point du code numérique, des calculs d'écoulements laminaires décollés (bidimensionnel, subsonique, faiblement compressible) ont été effectués. La longueur de décollement calculée en fonction du nombre de Reynolds dans le cas de la marche descendante est en très bon accord avec les mesures expérimentales. Différents modèles de turbulence ont été introduits moyennant quelques précautions pour conserver la stabilité du calcul. Un schéma à deux couches est adopté : un schéma de longueur de mélange dans les régions de paroi et différents systèmes d'équations de transport ailleurs. À partir des résultats obtenus, le modèle à deux équations de transport, une équation pour l'énergie cinétique de turbulence et une équation pour le frottement turbulent, semble être le plus apte à modéliser la turbulence dans le cas de la marche descendante. Une application à des cas d'écoulement turbulent ou un soufflage affecté le décollement derrière la marche, a mis en évidence la capacité du présent code de calcul à traiter des écoulements plus complexes.