Afin d'améliorer l'efficacité des moteurs aéronautiques, une des solutions envisagées par les industriels est d'augmenter la température d'entrée de la turbine. Cependant, ces hautes températures induisent de fortes contraintes thermiques sur les pales de turbine ce qui réduit leur durée de vie. Pour surmonter ces problèmes thermiques, des systèmes de refroidissement efficaces sont nécessaires. Afin d'évaluer la performance de ces systèmes, une prédiction précise de la température de paroi des pales de turbine et des pertes générées par ces systèmes est requise. Profitant de l'opportunité de récents développements d'outils de prédiction haute-fidélité, cette thèse financée par Safran Helicopter Engines à travers le projet FUI CASCADE, a pour but de valider la prédiction de la température de paroi des pales de turbine refroidie et des pertes générées par ces systèmes avec la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Pour atteindre ces objectifs, différentes configurations académiques et industrielles refroidies par film de refroidissement ont été simulées et étudiées. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que la SGE est capable de prédire l'aérodynamique et l'environnement thermique pour de tels systèmes. Pour faciliter l'utilisation de la SGE dans l'industrie et limiter le coût CPU lié à la résolution de l'écoulement dans le système de refroidissement des pales, un modèle de jets de refroidissement a été proposé et évalué dans ce travail. Les résultats montrent que ce modèle permet de reproduire l'aérodynamique des jets de refroidissement et la température de paroi des pales sans mailler le système de refroidissement. Pour évaluer les pertes dans ce contexte, l'approche Second Law Analysis (SLA) est adoptée. Contrairement aux bilans de température et pression totales, cette approche donne directement accès aux champs de perte 3D qui sont construits à partir des termes sources de l'entropie résolus sur le maillage. Ainsi, le mécanisme de génération de perte peut être localement étudié et ne requière pas de procédure de moyenne contrairement aux modèles de perte 1D. Ces champs de perte sont décomposés en deux contributions : une contribution aérodynamique et une contribution thermique liée au mélange chaud-froid. L'étude de ces champs montre que les pertes aérodynamiques sont principalement générées dans les régions de fort cisaillement (couche limite et de mélange) alors que les pertes de mélange sont générées dans les films de refroidissement et dans le sillage des pales. Des analyses avancées des champs de perte mettent en évidence que les fluctuations turbulentes dominent la génération des pertes pour ces systèmes. Ce dernier résultat met en évidence les bénéfices de l'approche Second Law Analysis pour prédire les pertes à partir des champs obtenus avec la SGE. En effet et contrairement aux approches RANS, les contributions turbulentes des pertes sont directement résolues sur le maillage avec la SGE et ne requiert aucune stratégie de modélisation. La principale conclusion de cette thèse est que l'approche Second Law Analysis couplée avec la SGE est une méthodologie très prometteuse et pertinente pour la prédiction des écoulements et des pertes pour les futurs designs de pale de turbine industriel.

Les concepteurs de moteurs aéronautiques sont constamment sujets à la demande d'augmentation de puissance de la part des constructeurs d'aéronefs. Pour satisfaire à cette exigence, la température de sortie de la chambre de combustion peut être augmentée pour améliorer le rendement et la puissance de sortie du moteur. Cette élévation de température peut toutefois dépasser le point de fusion du matériau et, pour éviter les pannes de moteur, l'intégrité des aubes de la turbine repose notamment sur des systèmes de refroidissement internes,prélevant de l'air froid du compresseur. La conception de ces systèmes revient donc à maximiser l'amélioration du transfert de chaleur tout en minimisant le débit d'air via les pertes de charge afin d'éviter des pénalités de puissance du moteur. Or ces écoulements en canaux internes sont encore largement incontrôlés et mal compris. Dans le but de mieux comprendre ces écoulements en rotation se développant spatialement, ce travail porte sur l'étude via simulations numériques d'un canal de refroidissement droit, perturbé, en rotation. La configuration consiste en un canal carré équipé de 8 perturbateurs placés avec un angle de 90 degrés par rapport à l'écoulement principal. Pour les cas étudiés, des mesures PIV temporelles ont été effectuées à l'Institut VanKarman (VKI). Les conditions adiabatiques et isothermes ont été étudiées pour évaluer l'impact dela température de la paroi sur l'écoulement, en particulier dans les configurations en rotation. Les canaux statiques ainsi qu'en rotation positive et négative sont comparés avec, dans chaque cas,une prédiction d'écoulement adiabatique ou isotherme. Dans ce travail, les résultats de simulations aux grandes échelles (SGE) montrent que le modèle CFD haute fidélité est capable de reproduire les différences induites par la flottabilité sur la topologie de l'écoulement dans la région proche. Le modèle parvient également à prévoir l'augmentation (la diminution) de la turbulence autour des perturbateurs en rotation déstabilisante (stabilisante). Enfin et grâce à la SGE spatiale et temporelle complète, le développement spatial et l'instationnarité des écoulements secondaires sont analysés pour mieux comprendre leur origine et leurs différences potentielles entre les cas. Cette étude montre que la topologie du flux thermique en parois est déterminée par la structure des écoulements secondaires alors que l'intensité du flux thermique aux parois est déterminée par le niveau de fluctuations de l'écoulement dans l'espace interperturbateur.

L'objectif de cette étude est d'analyser l'impact d'un gradient thermique sur un écoulement turbulent subsonique dans un canal plan bi-périodique avec températures pariétales imposées pour des nombres de Reynolds de frottement de 180 et 395. Pour ce type d'écoulement, caractérisé par des variations de température qui peuvent être importantes et donc des variations significatives des propriétés du fluide, nous utilisons la Simulation des Grandes Echelles avec un algorithme basé sur les équations bas Mach. Dans un premier temps, nous comparons certains de nos résultats avec des données de simulations numériques directes et validons ainsi les choix effectués. Nous étudions ensuite l'influence des variations de la conductivité et de la viscosité et montrons que celle-ci est négligeable pour un cas faiblement anisotherme mais pas lorsque l'anisothermie est forte. La question de la modélisation sous-maille thermique est ensuite abordée. Nos résultats ne montrent pas de différence significative entre les modèles à nombre de Prandtl sous-maille constant et dynamique. Nous analysons l'effet d'une augmentation du rapport de températures et observons une perte de symétrie des profils. Le mécanisme physique sous-jacent est expliqué. Enfin, nous employons l'adimensionnement semi-local et la transformation de Van Driest et observons alors un rapprochement des profils obtenus à faible et à fort ratios de températures.

Les machines hydrauliques sont conçues pour fonctionner essentiellement autour du point de fonctionnement nominal. Cependant, afin notamment d'intégrer les énergies renouvelables sur le réseau, ces machines hydrauliques doivent nécessairement faire preuve de flexibilité. Ainsi, la plage de fonctionnement des turbines Francis cherche à être étendue, notamment pour des fonctionnements à des débits plus faibles. Lorsqu'une turbine Francis fonctionne avec un débit compris entre 30 et 60% du débit nominal, l'écoulement dans la roue est caractérisé par la présence de vortex entre les aubes. Dans ces conditions, des contraintes dynamiques apparaissent dans la roue et peuvent réduire la durée de vie de la machine à cause du phénomène de fatigue mécanique. Cette étude a pour objectif d'améliorer la compréhension de la dynamique de ces phénomènes à travers une approche numérique. Des simulations ont été effectuées avec plusieurs approches de la turbulence : des simulations stationnaires (RANS), des simulations instationnaires avec une approche hybride de la turbulence (SAS) et la Simulation des Grandes Echelles (SGE).Les simulations stationnaires permettent de comprendre les phénomènes à l'origine de la formation de ces vortex. L'analyse présentée dans ce travail montre que les vortex inter-aubes sont générés à cause d'une mauvaise incidence en entrée de la roue ou à cause d'une zone de recirculation sous la roue. Différentes topologies de vortex sont mises en évidence, générées par la compétition de ces deux phénomènes. Le chargement dynamique doit être connu afin d'évaluer précisément la durée de vie d'une roue. Plusieurs points de fonctionnement ont été simulés avec des calculs instationnaires afin de comprendre comment les fluctuations de pression dépendent du point de fonctionnement de la machine. La localisation des fluctuations de pression et les fréquences associées ont été analysées et comparées à des mesures expérimentales effectuées sur un modèle réduit. Les résultats montrent que les simulations SAS permettent de mettre en évidence des mécanismes à basses fréquences de ces écoulements de charge partielle. Cependant, les fluctuations à hautes fréquences sont largement sous-estimées par cette approche. Plus particulièrement, une signature fréquentielle large bande, caractéristique de l'écoulement de charge partielle, n'est pas prédite par ces simulations. La SGE a été utilisée afin d'améliorer la prédiction de ces hautes fréquences et de comprendre l'origine de ces phénomènes instationnaires. Les résultats démontrent la pertinence de l'utilisation de ce type d'approche numérique en mettant en évidence des sources d'instabilités hautes fréquences dans la machine.

L'amélioration des performances des turboréacteurs actuels est un enjeu crucial dans un contexte de contraintes économiques et environnementales fortes. Au sein du turboréacteur, le canal inter-turbines, localisé à l'interface entre la turbine Haute Pression (HP) et le premier distributeur Basse Pression (BP), est le siège d'écoulements très complexes. Ainsi, les structures aérodynamiques issues de la turbine HP (sillages, tourbillons et ondes de choc) interagissent fortement entre elles et impactent l'écoulement du distributeur BP, engendrant ainsi des pertes de rendement de l'ensemble de la configuration. Ce travail de thèse s'attache à étudier les phénomènes d'interactions aérodynamiques entre une turbine HP et le premier distributeur BP et à analyser les mécanismes à l'origine des pertes aérodynamiques dans le distributeur BP. Une campagne expérimentale antérieure, réalisée sur un banc d'essai comprenant une turbine HP couplée à un distributeur BP, avait permis de recueillir des mesures de l'écoulement dans des plans situés dans le canal inter-turbines et à l'aval du distributeur BP. En lien avec ces résultats expérimentaux, les simulations numériques menées dans cette étude avec le logiciel elsA s'attachent à restituer précisément la nature tridimensionnelle, instationnaire et turbulente de l'écoulement au sein de cette même configuration. Ces travaux se développent alors en trois étapes principales. Dans un premier temps, une étude stationnaire avec traitement plan de mélange permet de comprendre et quantifier les aspects généraux de l'écoulement. Une évaluation de l'effet de la modélisation turbulente RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) et du schéma numérique spatial sur les structures aérodynamiques présentes dans la configuration est réalisée. Dans un deuxième temps, une modélisation turbulente avancée de type ZDES (Zonal Detached-Eddy Simulation) est employée pour la résolution de l'écoulement dans le distributeur BP. Les structures aérodynamiques instationnaires issues de la roue HP amont sont modélisées par une condition limite à l'entrée du domaine de calcul. L'approche ZDES est comparée à une approche Unsteady RANS (URANS) sur la même configuration. La formation et la dissipation des sillages et des tourbillons est significativement différente entre les deux modélisations, ce qui impacte de manière importante la génération des pertes aérodynamiques. Enfin, des simulations URANS de plusieurs configurations permettent de mieux comprendre les effets d'interaction entre les différentes rangées d'aubes. Ainsi, les approches instationnaires chorochroniques prenant en compte un seul rotor et un seul stator évaluent des effets instationnaires importants dans le canal inter-turbines. Ces approches conduisent à la mise en oeuvre d'un calcul sur une configuration multipassages-chorochronique prenant en compte les deux stators et le rotor afin de modéliser complètement les interactions déterministes existantes. Afin de quantifier celles-ci avec précision, une décomposition modale du champ instationnaire est mise en place. Les niveaux d'interactions liées aux différentes roues sont alors quantifiés et l'impact sur les pertes aérodynamiques est évalué.

L'objectif de cette étude est de qualifier la capacité des méthodes numériques à réaliser la simulation d'écoulements instationnaires turbulents, dans un contexte dit "d'aérodynamique externe". L'application industrielle visée est la prédiction du phénomène de tremblement en régime transsonique, dont les principales caractéristiques sont tout d'abord rappelées, afin de déterminer les points délicats à traiter d'un point de vue du numérique et de la modélisation. Différents types de modélisation de la turbulence sont alors passés en revue : leurs points forts et leurs faiblesses, exposés relativement aux applications visées, nous ont conduit à utiliser le modèle de Spalart et Allmaras en instationnaire (USA), la "Detached-Eddy Simulation" (DES) et la simulation des grandes échelles (LES). On sélectionne ensuite parmi les méthodes numériques présentes dans le code de calcul celles qui semblent les plus adaptées à traiter les problèmes relatifs à l'aérodynamique instationnaire transsonique. Ceci nous a conduit à implémenter et à valider une condition aux limites de sortie instationnaire subsonique, et à élaborer un schéma de discrétisation spatiale centré d'ordre quatre. Le comportement des modèles USA, DES est alors qualifié sur deux cas "académiques" (couche limite turbulente attachée se développant temporellement, couche limite décollée sous l'influence d'un gradient de pression adverse) en comparaison avec des simulations LES de référence. Des simulations du phénomène de tremblement sont finalement réalisées avec les modèles USA et DES sur des configurations de plus en plus complexes (profil bidimensionnel, tranche d'aile périodique, puis géométrie complète fuselage / voilure), et comparées aux résultats expérimentaux.