Cette thèse présente une étude de la physique et de la modélisation des jets d'impact turbulent. Un code numérique original pour calculer l'écoulement incompressible, instationnaire a été développé. Il est implicite de 2ème ordre de précision en espace et en temps, basé sur la méthode aux volumes finis avec le maillage non-décalé. Les équations de quantité de mouvement sont résolues par la méthode ADI pour le champ de vitesse, pendant que la pression est obtenue en résolvant l'équation de Poisson avec les conditions aux limites de type Neumann par la méthode multigrille. La condition de compatibilité est respectée pour que la solution de l'équation de Poisson existe. Les équations de transfert des grandeurs de la turbulence sont résolues par la même méthode ADI. Toutes les équations sont découplées. Le jet d'impact plan, turbulent avec le nombre de Reynolds Re=6000 et la hauteur H/B=10 de Tsubokura et al. (1997) a été calculé par la méthode Semi-Déterministe avec quatre modèles de turbulence k-epsilon : STD, RNG, LS et LB. Bien que les résultats de calcul soient comparables assez bien avec ceux de l'expérience, cette étude a montré une faiblesse majeure des modèles : ils ne peuvent pas bien décrire les effets de faible nombre de Reynolds turbulent dans un écoulement ayant une configuration complexe. Cette insuffisance a été surmontée en utilisant le nouveau modèle proposé. A la différence de la plupart des modèles, les fonctions d'amortissement du nouveau modèle n'exigent pas la présence de paroi. Avec l'aide du nouveau modèle, la prédiction de la turbulence a été sensiblement améliorée. Les résultats de prédétermination des grandeurs moyennes (temporelles ou d'ensemble) d'un jet d'impact se trouvent aussi améliorés.

LE BUT DE CETTE THESE EST L'ANALYSE PHYSIQUE, LA MODELISATION ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES MECANISMES DE MELANGE DANS LES JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE SOUS L'EFFET DE FORTES INCIDENCES DE DENSITE. DANS UN PREMIER TEMPS, L'OUTIL DE CALCUL PAR RESOLUTION DES EQUATIONS PARABOLIQUES DE PRANDTL AVEC MODELISATION AU SECOND ORDRE EST VALIDE PAR UNE DOUBLE COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE EN SITUATION ISOVOLUME ET A DENSITE VARIABLE. PUIS, UNE REFLEXION EST MENEE SUR L'INFLUENCE DU CHOIX DE REGROUPEMENT STATISTIQUE SUR LA PREDETERMINATION DES PROPRIETES DE MELANGE DES JETS HETEROGENES. L'ANALYSE S'APPUIE SUR LA COMPARAISON DE MODELES ANALOGUES EN MOYENNE PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE OU NON PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE. UNE ETUDE PARAMETRIQUE PERMET DE DETERMINER DES EFFETS DE DENSITE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN JET TURBULENT DE FACON COGNITIVE MAIS AUSSI ANALYTIQUE. L'INFLUENCE DE PARAMETRES, TELS QUE LA GRAVITE ET LES CONDITIONS D'EMISSION EST EGALEMENT DISCUTEE. ENFIN, SONT ABORDES LES ASPECTS SPECIFIQUES DE LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE DE JETS COAXIAUX QUI PRESENTE UN INTERET APPLICATIF A L'INJECTION DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION DES MOTEURS FUSEES

Le système ouvert des équations d'évolution régissant le phénomène est transformé en un système fermé par une modélisation s'appuyant sur l'hypothèse de transport turbulent par gradient. La résolution numérique est basée sur une méthode du type patankar spalding modifiée par l'utilisation d'une fonction pour normaliser la coordonnée transversale et d'un maillage, relatif à la vitesse axiale, décalé par rapport à celui concernant les autres inconnues. Le code fondé sur un modèle de turbulence du type énergie turbulente-dissipation, permet de calculer l'écoulement dans la zone de sortie du jet. Comparaison avec les résultats expérimentaux

NOTRE RECHERCHE PORTE SUR L'ETUDE DE LA REACTION D'UN JET TURBULENT AXISYMETRIQUE A UNE INSTATIONNARITE EXTERNE FORCEE IMPOSEE PAR UNE BRUSQUE CHUTE DE VITESSE A L'EJECTION. UNE INSTALLATION EXPERIMENTALE DE JET D'AIR AXISYMETRIQUE A VITESSE D'EJECTION VARIABLE (RE=13350, 7000) A ETE REALISEE. LES MESURES SONT OBTENUES PAR ANEMOMETRIE A FILS CHAUDS. UN TRAVAIL IMPORTANT DE TRAITEMENT NUMERIQUE DES DONNEES EN REGIME INSTATIONNAIRE ET DES QUALIFICATIONS FINES DE L'AERODYNAMIQUE DE L'INSTALLATION ONT ETE EFFECTUEES. UNE INTRODUCTION A LA PROBLEMATIQUE DU SUJET NOUS PERMET DE PRECISER LES DIFFERENTS TYPES D'INTERACTION ENTRE L'ECOULEMENT ET L'INSTATIONNARITE EXTERNE. LEURS CONSEQUENCES SUR LES CARACTERISTIQUES GLOBALES ET SUR LES STRUCTURES TURBULENTES SONT DISCUTEES. UNE ANALYSE PAR ORDRE DE GRANDEUR CONDUIT A UNE CLASSIFICATION DES PHENOMENES D'INTERACTION. L'INSTATIONNARITE INITIALE BALAIE L'ECOULEMENT DU JET TOUT EN ETANT GEREE PAR LUI-MEME. L'ADAPTATION LOCALE DE L'ECHELLE DE TEMPS DE LA DECROISSANCE DE LA VITESSE A L'ECHELLE DE TEMPS DU JET EST MISE EN EVIDENCE. LA REACTION DES STRUCTURES TURBULENTES EST ETUDIEE D'UNE FACON DETAILLEE. ENSUITE, LA CARACTERISATION DE L'EVOLUTION INSTATIONNAIRE DU CHAMP DE VITESSE SUR L'AXE DU JET EST PRESENTEE. LA PROPAGATION DE LA PERTURBATION, SA FORME ET SON TEMPS CARACTERISTIQUE SONT EN BON ACCORD AVEC LES RESULTATS D'UN MODELE ANALYTIQUE BASE SUR LES EQUATIONS SIMPLIFIEES DE COUCHE LIMITE. LES EVOLUTIONS TEMPORELLES AFFINES ET SYNCHRONISEES DE LA VITESSE MOYENNE ET DES COMPOSANTES FLUCTUANTES DE VITESSE ONT ETE MISES EN EVIDENCE. UNE INVERSION LOCALE DU SIGNE DE GRADIENT LONGITUDINAL DE LA VITESSE MOYENNE AXIALE LORS DE LA CHUTE, CREE UN DESEQUILIBRE DE LA TURBULENCE MENANT A UNE INVERSION DE LA CASCADE D'ENERGIE. L'EVOLUTION INSTATIONNAIRE TRANSVERSALE MONTRE UNE AUGMENTATION DE DIAMETRE DU JET D'ENVIRON 20 % PENDANT LA CHUTE DE VITESSE. CECI PEUT-ETRE DU A UN EFFET DE SILLAGE ET UN EFFET DE RETARD DE L'ACTIVITE DES GRANDES STRUCTURES GERANT L'ENTRAINEMENT DU JET. ENFIN, UN BILAN DE QUANTITE DE MOUVEMENT DANS LA ZONE AFFECTEE PAR L'INSTATIONNARITE EST EFFECTUE. L'EVOLUTION TEMPORELLE DU BILAN D'ENERGIE CINETIQUE ET DES TERMES DE PRODUCTION DES EQUATIONS DES TENSIONS DE REYNOLDS SONT PRESENTES. CE TRAVAIL CENTRE SUR L'ANALYSE FINE D'UN ECOULEMENT MODELE INSTATIONNAIRE NOUS PERMET D'UNE PART D'ACQUERIR UNE MEILLEURE COMPREHENSION PHYSIQUE DES INTERACTIONS ENTRE UN ECOULEMENT DU JET ET UNE FORTE INSTATIONNARITE EXTERNE IMPOSEE ET D'AUTRE PART DE FOURNIR UNE BASE DETAILLEE DE COMPARAISON POUR LES SIMULATIONS NUMERIQUES

Ce travail concerne l'étude d'un jet plan turbulent en impact par simulation des grandes échelles turbulentes. Le jet plan en impact est très largement utilisé dans le milieu industriel et couvre des domaines d'application aussi variés que les procédés de fabrication et de traitement des matériaux, le refroidissement ou le réchauffement de surface. Le contexte de cette étude concerne plus particulièrement l'écoulement du jet plan utilisé comme séparateur d'ambiances climatiques ou comme élément de sécurité pour la prévention et la protection de pollution gazeuse ou solide. Une méthode numérique hermitienne, à pas fractionnaire est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes incompressibles. La fermeture des équations filtrées repose sur le concept de viscosité turbulente...

CE MANUSCRIT A POUR OBJET LE DEVELOPPEMENT DE MODELES DE TURBULENCE POUR LES ECOULEMENTS A GRANDES VITESSES. UNE ATTENTION PARTICULIERE EST PORTEE SUR LES CORRELATIONS ASSOCIEES A LA DENSITE FLUCTUANTE ET AUX VARIATIONS DU VOLUME FLUCTUANT. L'ANALYSE THEORIQUE PERMET DE DEGAGER LES PARAMETRES DE LA COMPRESSIBILITE ; LE COMPORTEMENT AUX LIMITES DES FLUCTUATIONS DE LA PRESSION MONTRE QUE LE NOMBRE DE MACH FLUCTUANT NE PEUT RENDRE COMPTE, A LUI SEUL, DU NIVEAU DE COMPRESSIBILITE. IL EST DONC NECESSAIRE D'INTRODUIRE UN SECOND INDICATEUR QUI POURRA ETRE LA FLUCTUATION DE DENSITE NORMALISEE PAR LA DENSITE MOYENNE. UN NOUVEAU MODELE DE FERMETURE ALGEBRIQUE EXPRIME EN TERMES DE CES DEUX DERNIERES QUANTITES EST ALORS DEVELOPPE POUR LA CORRELATION PRESSION-DILATATION FLUCTUANTES. LA VARIANCE DE LA DENSITE EST DECRITE A L'AIDE D'UNE EQUATION DE TRANSPORT ADDITIONNELLE. LE MODELE EST ENFIN TESTE SUR UNE CONFIGURATION DE COUCHE DE MELANGE, POUR DES NOMBRES DE MACH CONVECTIFS EVOLUANT DE 0.2 A 1.0

La simulation numérique directe des écoulements turbulents est un outil fondamental en mécanique des fluides car elle permet de connaître précisément les propriétés cinématiques de l'écoulement en tout point et à chaque instant. Cependant, en raison de la discrétisation spatiale d'ordre élevé nécessaire à la résolution de la cascade énergétique, cette approche est souvent limitée à des géométries simples. Ce travail propose une méthode de décomposition de domaine pour la simulation numérique d'écoulements turbulents. Elle repose sur une résolution directe multidomaine en formulation vitesse/pression des équations de Navier-Stokes. La méthode proposée résout efficacement (calcul parallèle) les équations de Navier-Stokes incompressibles sur des géométries complexes, telles que des quadrangles inter-connectés, tout en conservant les propriétés de haute précision. De nombreux tests de validation sont proposés: précisions spatiale et temporelle, cavité entraînée, marche descendante et écoulement autour d'un barreau de section carrée. Une simulation numérique directe d'un écoulement turbulent dans une conduite de section carrée est également réalisée. Enfin, une part importante de ce travail concerne l'étude d'un jet plan impactant sur une surface plane et sur un obstacle parallélépipédique pour le nombre de Reynolds Re=3000. Une analyse détaillée des propriétés statistique, spectrale et structurelle est menée, afin d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes physiques complexes de ces écoulements. Enfin, une étude du front de propagation de la température lors d'un refroidissement rapide d'une lamelle solide par un jet plan laminaire est présentée.