Ce travail est consacré à la simulation numérique des grandes échelles des écoulements turbulents inertes et réactifs en aval d’un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés. L’objectif de cette étude est, dans un premier temps, d’explorer les possibilités offertes par la résolution d’équations différentielles stochastiques (EDS) permettant d'imposer des conditions aux limites instationnaires et initialiser un calcul utilisant la simulation numérique des grandes échelles (LES). Cette méthode de génération de conditions aux limites instationnaires a ensuite été introduite au sein d’un code de mécanique des fluides réactifs de type LES utilisant un modèle de sous-maille de type Smagorinsky ainsi qu’un modèle de combustion de type Eddy-Break-Up. Les résultats décrivent la structure de l’écoulement dans les trois cas (1) d’un fluide inerte, (2) d’un mélange de deux fluides inertes non isothermes et (3) de combustion d’un mélange très pauvre. Les résultats soulignent que l’introduction de conditions d’entrée générées par EDS permet de mieux représenter les champs fluctuants avec des propriétés correspondantes aux mesures expérimentales disponibles. En ce qui concerne les écoulements inertes en aval de l’élargissement brusque, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement entre les deux zones de recirculation. Celle-ci est engendrée par une légère différence entre les vitesses d’entrée dans les deux canaux. L’étude de l’écoulement dans le cas où les deux canaux sont alimentés par des fluides inertes mais de températures différentes, a permis de caractériser l’influence du gradient transversal de température à l’entrée et des conditions d’entrée sur le développement de la couche de mélange en aval. Pour les écoulements réactifs, la structure de l’écoulement dans la chambre est altérée, notamment par la variation des longueurs des zones de recirculation, et l’analyse instationnaire a permis de mettre en évidence l’existence d’un faible battement du front de flammes dans la chambre.

Ce travail est consacré à la simulation numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés en aval d'un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés d'air ou air+propane. L'objectif est, d'une part, de tester sur une géométrie "simple", une modélisation de la combustion en écoulements turbulents et en régime de prémélange et, d'autre part, d'estimer le niveau de précision obtenue afin de pouvoir quantifier une éventuelle amélioration liée à l'utilisation de modèles plus sophistiqués. Le modèle de turbulence k-ε sous sa forme standard avec la loi de paroi, et le modèle de combustion du type PDF présumé, modèle CLE, ont été retenus pour nos simulations. Une étude préliminaire du type KPP nous a permis de déduire les caractéristiques propagatives des zones de réactions moyennes à richesse constante, calculées sur la base du modèle de combustion retenu. Dans ce travail, ont été simulés : trois écoulements inertes et trois écoulements réactifs à richesse constante pour nombres de Reynolds égaux à 25000, 50000 et 75000 et deux écoulements réactifs à richesse variable pour nombre de Reynolds 25000. Concernant les écoulements inertes, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement des deux zones de recirculation moyennes. Pour les écoulements réactifs à richesse constante, on retrouve également la resymétrisation de l'écoulement moyen observée expérimentalement. En revanche, la longueur des zones de recirculation moyenne est fortement sous-estimée par le calcul. Un comportement auto-semblable dans la zone proche de l'élargissement est également retrouvé. Pour les écoulements à richesse variable, la perte de symétrie de l'écoulement moyen est bien retrouvée, mais les longueurs des zones de recirculation moyennes sont toujours sous-estimées par le calcul. Des indicateurs quantitatifs d'écart entre les résultats numériques et expérimentaux sont fournis pour les écoulements inertes et réactifs considérés, permettant à l'avenir, d'estimer le gain apporté par le recours à des simulations basées sur une évolution ou sur une amélioration de modèles physiques retenus de le cadre de cette étude.

UNE ETUDE STATISTIQUE ET TOPOLOGIQUE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPLEXE EN AVAL D'UNE MARCHE DESCENDANTE A ETE REALISEE AU MOYEN DES TECHNIQUES DE SIMULATION DIRECTE ET DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LA FORMATION DES STRUCTURES COHERENTES QUI COMPOSENT LA COUCHE DE MELANGE BIDIMENSIONNELLE. LA SIMULATION DIRECTE A ETE UTILISEE DANS CE CAS. LES ECOULEMENTS TRIDIMENSIONNELS ONT ETE ETUDIES A L'AIDE DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. DANS CE CAS LE MODELE SOUS-MAILLE EST UNE ADAPTATION LOCALE DANS L'ESPACE PHYSIQUE DU CONCEPT DE VISCOSITE TURBULENTE DANS L'ESPACE DE FOURIER. LA STATISTIQUE DE LA TURBULENCE EST VALIDEE AU MOYEN DES RESULTATS EXPERIMENTAUX CORRESPONDANT A UNE MARCHE PETITE. DES CALCULS SUPPLEMENTAIRES SUR UNE MARCHE HAUTE ONT PERMIS L'ETUDE TOPOLOGIQUE DES INSTABILITES PRIMAIRES ET SECONDAIRES LIEES A LA COUCHE DE MELANGE

LES ECOULEMENTS TURBULENTS SE RENCONTRENT DANS DE TRES NOMBREUSES APPLICATIONS, AUTANT DANS LA VIE QUOTIDIENNE QUE DANS L'INDUSTRIE OU ILS REVETENT SOUVENT UNE GRANDE IMPORTANCE. LES OBJECTIFS DU TRAVAIL PRESENTE ETAIENT LE DEVELOPPEMENT ET L'ETUDE D'UNE METHODE ET DE MODELES NUMERIQUES ADAPTES A LA SIMULATION INSTATIONNAIRE D'ECOULEMENT DE FLUIDES COMPRESSIBLES TURBULENTS AU MOYEN DE LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES (LES). LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL EST CONSACREE AUX ASPECTS THEORIQUES. ON Y INTRODUIT LES DIFFERENTES FORMES DE FILTRAGE, UNE FORMULATION ORIGINALE INSPIREE DES TRAVAUX DE VREMAN AINSI QU'UNE MODELISATION SOUS-MAILLE ORIGINALE BASEE SUR LE MODELE D'ECHELLES MIXTES. LA SECONDE PARTIE S'ATTACHE A TESTER SIX MODELES SOUS-MAILLE (ET LEUR HYBRIDATION AVEC UN MODELE DE SIMILARITE D'ECHELLES) POUR UN ECOULEMENT PERIODIQUE COMPRESSIBLE CONFINE AVEC DES PAROIS ISOTHERMES. LES COMPARAISONS SONT FAITES AVEC DES DONNEES DE REFERENCE EXPERIMENTALES ET ISSUES DE SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES DANS UN CAS SUBSONIQUE ET DANS UN CAS SUPERSONIQUE. DANS UNE TROISIEME PARTIE NOUS NOUS SOMMES ATTACHES A ETUDIER L'INFLUENCE SUR LA QUALITE DES RESULTATS DE L'ORDRE DU SCHEMA DE DISCRETISATION DES TERMES DE CONVECTION. DANS UNE DERNIERE PARTIE, NOUS AVONS PRESENTE UNE ETUDE D'UN ECOULEMENT TURBULENT COMPRESSIBLE POUR UNE CONFIGURATION DECOLLEE (UNE CAVITE) A DES NOMBRES DE MACH ET DE REYNOLDS ELEVES ET PRESENTANT DE FORTS GRADIENTS DE DENSITE. L'APPROCHE MILES EST CHOISIE POUR LA MODELISATION DE LA TURBULENCE. LES RESULTATS OBTENUS SONT COMPARES AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ISSUS D'UNE CAMPAGNE DE MESURES EFFECTUEE EN PARALLELE AVEC CETTE ETUDE. BIEN QUE CERTAINES FAIBLESSES DES RESULTATS AIENT PU ETRE OBSERVES, L'APPROCHE MILES S'AVERE RENDRE COMPTE CORRECTEMENT DE LA DYNAMIQUE DANS LA CAVITE.

Ce travail s'inscrit dans le cadre des études sur la simulation numérique des écoulements turbulents réactifs. Il a pour objet l'étude d'une méthode hybride basée sur l'utilisation conjointe d'une méthode lagrangienne à Fonction Densité de Probabilité (PDF) transportée et d'une méthode eulérienne de résolution des équations moyennées (RANS). La première partie est consacrée à la description des méthodes RANS et de l'approche à PDF transportée. Cette dernière est particulièrement détaillée : cela permet de mettre en avant les avantages et les inconvénients de cette approche. Dans ce contexte, on insiste sur les aspects liés à la modélisation et à la résolution de l'équation de transport de la PDF. Sa résolution s'appuie couramment sur des simulations numériques de type Monte-Carlo. On montre également comment la nature statistique des méthodes de Monte-Carlo induit des difficultés numériques qui ont conduit à l'élaboration de méthodes hybrides associant méthode RANS et approche à PDF transportée. Dans la seconde partie de cette étude, les aspects théoriques et numériques des méthodes hybrides sont alors détaillés en particulier le modèle PEUL+ développé à l'ONERA. Une nouvelle procédure de couplage de type instationnaire est proposée. Elle améliore la stabilité et la précision du modèle par rapport à la procédure de couplage stationnaire. Elle est ensuite testée et validée sur deux configurations : tout d'abord sur une flamme non prémélangée méthane-air stabilisée par une flamme pilote puis sur une flamme de prémélange dans un élargissement brusque symétrique.

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.