UNE METHODE NUMERIQUE DESTINEE A SIMULER LES ECOULEMENTS BIDIMENSIONNELS ET INSTATIONNAIRES EN FLUIDE VISQUEUX, EN REGIME LAMINAIRE ET EN PRESENCE D'UNE SURFACE LIBRE EST DEVELOPPEE DANS CE MEMOIRE. UNE PREMIERE ETAPE A CONSISTE A SIMULER DES ECOULEMENTS SANS SURFACE LIBRE AFIN DE VALIDER LA METHODE DEVELOPPEE, LA SUITE LOGIQUE ETANT ALORS D'ETUDIER LE COMPORTEMENT DE L'INTERFACE ENTRE DEUX FLUIDES NON MISCIBLES. LA METHODE S'APPUIE SUR UN MAILLAGE DESTRUCTURE DES DOMAINES FLUIDES ETUDIES, AINSI QUE SUR LA DISCRETISATION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES PAR DES METHODES DE VOLUMES FINIS, LES VARIABLES DE VITESSE, PRESSION ET DE FRACTION VOLUMIQUE ETANT SITUEES AU CENTRE DES ELEMENTS. L'EQUATION DE QUANTITE DE MOUVEMENT PERMET D'OBTENIR D'UNE PART L'EQUATION POUR LES VITESSES SECONDAIRES, ET D'AUTRE PART D'ABOUTIR A L'EQUATION DE PRESSION PAR RECONSTRUCTION DE RHIE ET SHOW. LA SURFACE LIBRE EST DETERMINEE PAR LA METHODE VOLUME OF FLUID QUI FAIT PARTIE DES METHODES DITES INTERFACE-CAPTURING . LA METHODE DE RESOLUTION TOTALEMENT COUPLEE EST FONDEE SUR LA RESOLUTION A CHAQUE ITERATION D'UN SEUL SYSTEME LINEAIRE POUR LES INCONNUES DE VITESSE ET PRESSION. L'ALGORITHME ITERATIF PRECONDITIONNE BICGSTAB-W PERMET DE RESOUDRE LE SYSTEME LINEAIRE. LES CALCULS REALISES SUR L'ECOULEMENT DANS UNE CAVITE CARREE DONT UNE PAROI EST ENTRAINEE, AUTOUR D'UN ET PLUSIEURS CYLINDRES COTES-A-COTES A DIFFERENTS NOMBRES DE REYNOLDS, SUR LE MOUVEMENT D'UNE COLONNE DE FLUIDE QUI S'ECROULE ET SUR UNE CUVE EN MOUVEMENT DE CAVALEMENT FORCE SONT COMPARES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ET A D'AUTRES CALCULS NUMERIQUES.

POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT, ON SE PROPOSE DANS UNE PREMIERE APPROCHE DE MODELISER DES ECOULEMENTS BIDIMENSIONNELS VERTICAUX EN METTANT EN OEUVRE UN PROGRAMME DE RESOLUTION DES EQUATIONS DE LA MECANIQUE DES FLUIDES QUI UTILISE UNE FORMULATION A.L.E. (ARBITRARY LAGRANGIAN EULERIAN), TECHNIQUE PARTICULIEREMENT BIEN ADAPTEE AUX PROBLEMES A SURFACE LIBRE. UNE ETUDE NUMERIQUE INTRINSEQUE DE CONVERGENCE PORTANT SUR LE CODE A PERMIS D'UNE PART DE FIXER LES PARAMETRES DE DISCRETISATION ET, D'AUTRE PART, DE CHOISIR LA TECHNIQUE D'INTERPOLATION POUR LA DEFINITION DE LA SURFACE LIBRE, LE SCHEMA CONVECTIF ET LE SCHEMA D'EVOLUTION DE LA SURFACE LIBRE AU VOISINAGE D'UNE PAROI. L'ETUDE DE LA PROPAGATION D'UNE ONDE SOLITAIRE A SERVI DE CAS TEST. LES COMPARAISONS DES RESULTATS OBTENUS AVEC CEUX D'ORIGINE EXPERIMENTALE ET ANALYTIQUE D'AUTRES AUTEURS SONT SATISFAISANTES. A PARTIR DE LA NOUS AVONS TRAITE TROIS ASPECTS D'UN PROBLEME IMPORTANT POUR LA DYNAMIQUE SEDIMENTAIRE: LA DETERMINATION DE LA COUCHE LIMITE ENGENDREE PAR UN ECOULEMENT DE HOULE ET/OU DE COURANT. NOUS AVONS REPRODUIT LA CONFIGURATION EXPERIMENTALE DU CANAL A HOULE DU LABORATOIRE DE MECANIQUE DES FLUIDES ET GENIE CIVIL DU HAVRE QUI TRAVAILLE AVEC LE MEME OBJECTIF. POUR UN ECOULEMENT DE HOULE SEULE, LES RESULTATS OBTENUS PAR LA MODELISATION NUMERIQUE SONT SATISFAISANTS, COMPARES AUX RESULTATS ANALYTIQUES DISPONIBLES. POUR UN ECOULEMENT DE COURANT SEUL, LES RESULTATS SONT EGALEMENT EN BON ACCORD AVEC LES RELATIONS FOURNIES PAR LA BIBLIOGRAPHIE EXISTANTE, CETTE ETUDE A NOTAMMENT PERMIS DE PRECISER LES VALEURS DU COEFFICIENT DE CHEZY. ENFIN, LES PREMIERES SIMULATIONS D'ECOULEMENTS COMBINES DE HOULE ET DE COURANT ONT ETE FAITES. LA COMPARAISON AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX APPARAIT SATISFAISANTE POUR UN ECOULEMENT DE HOULE DOMINANT

Dans ce mémoire, il est présenté le développement d'un outil numérique destiné à la simulation d'écoulements quelconques à surface libre. Cet outil se caractérise par l'emploi d'une méthode fortement couplée pour la résolution des équations de Navier-Stokes et par l'utilisation d'une technique dite de capture d'interface pour localiser la surface libre. Dans la première partie de l'ouvrage, la validation de la technique de capture d'interface est réalisée. Brièvement, cette technique consiste à simuler l'écoulement d'un seul fluide dont les caractéristiques physiques (viscosité et masse volumique) varient au travers d'une zone de transition : zone supposée coïncider avec la surface libre. La localisation de celle-ci est réalisée par la valeur d'un indicateur : la fraction de volume. L'évolution temporelle et spatiale de cette zone est obtenue par la résolution d'une équation de convection. La résolution de cette équation est implicite et ne nécessite pas de reconstruction d'interface. La seconde partie du document présente une description détaillée de la discrétisation des équations de Navier-Stokes utilisée et de la construction du système numérique. Dans cette partie, nous présentons et décrivons deux formulations numériques du problème se distinguant par une prise en compte différente du terme de masse volumique. Puis, la question de la compatibilité entre les discrétisations des équations de conservation est traitée. Enfin, pour conclure le mémoire, les outils numériques présentés sont validés par comparaison avec des résultats expérimentaux pour une grande variété de problèmes : sloshing, effondrement d'une colonne d'eau, instabilités de Rayleigh-Taylor, écoulement autour d'un profil immergé et la génération de houle. Enfin, quelques applications tridimensionnelles comme l'écoulement autour d'une carène sont décrites.

Ce mémoire présente une formulation éléments finis qui permet de résoudre des écoulements compressibles instationnaires subsoniques. La motivation de ce travail provient de la volonté d'améliorer les prédictions d'écoulements diphasiques séparés par une interface. En particulier, on s'intéresse au déferlement de vagues qui emprisonnent une poche d'air. D'abord, on développe une formulation des équations de Navier-Stokes compressible qui permet de gérer plusieurs régimes d'écoulements compressibles dans le même domaine. Pour résoudre ce système d'équations, on utilise une formulation par éléments finis. Pour les problèmes instationnaires, on utilise la méthode des " Backward Differentiation Formula " (BDF) avec un estimateur d'erreur de troncature pour effectuer l'intégration temporelle. En plus, on utilise une formulation ALE qui laisse le maillage de se déplacer dans le temps pour lui permettre de suivre les déformations d'une ou plusieurs frontières du domaine (comme c'est le cas pour un écoulement avec interface). Ces outils mentionnés ci-haut sont déjà tous utilisés pour le calcul d'écoulements à interface, mais pour des fluides incompressibles seulement. Donc, le but de ce mémoire est d'implémenter dans les formulations les termes compressibles qui s'ajoutent aux équations incompressibles. Pour vérifier que l'implémentation est bien faite, on effectue la vérification par la méthode des solutions manufacturées. On présente d'abord un problème stationnaire compressible pour montrer que les termes stationnaires sont bien résolus suivi par une solution manufacturée instationnaire compressible qui fait intervenir tous les termes ajoutés. Ainsi, on peut vérifier que les méthodes BDF se comportent de la bonne façon pour l'estimation des dérivées temporelles de la pression et de la température (essentiellement les termes ajoutés par la formulation compressible). Ensuite, puisque le problème de la vague déferlante se caractérise par la compression d'une poche de gaz, on procède à la validation du code avec le problème de Bagnold. Ce problème en 1D consiste à évaluer la pression de l'air dans un contenant compressé par un piston. Une fois la validation terminée, on se lance dans le calcul final du cas de déferlement de la vague. Les résultats obtenus sont encourageants comparativement à la formulation tout incompressible, mais il reste du travail à faire pour obtenir un modèle qui représente le mieux possible la réalité

This report is part of a series of reports that summarize this regular event. The report discusses research developments in ship design, construction, and operation in a forum that encouraged both formal and informal discussion of presented papers.

L'objet de ce travail est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d'écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais. Elles consistent à calculer directement les plus grandes structures de l'écoulement et à modéliser les plus petites. Dans ce travail, les méthodes SGE, largement appliquées aux écoulements turbulents monophasiques, sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type "Volume Of Fluid" (VOF) spécifique au caractère diphasique de l'écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée à l'aide d'une configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l'impact d'un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA- CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations.