Cette thèse est une contribution à la simulation numérique des transferts de quantité de mouvement et de chaleur dans les écoulements turbulents de fluides non-Newtoniens dans une conduite cylindrique fixe. La viscosité du fluide utilisé est décrite par la loi d'Ostwald de Waele. Deux modèles sous-mailles dans l'approche des simulations des grandes échelles ont été considérés : le modèle dynamique de Germano et al. (1991) et le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ils sont utilisés pour décrire les mécanismes physiques mis en jeu dans les écoulements isothermes de ces fluides à rhéologie complexe. Les transferts thermiques sont simulés avec le modèle de Smagorinsky non-Newtonien. Ces derniers sont traités en deux parties. La première concerne les échanges de chaleur sans influence sur la distribution des vitesses. Il s'agit des écoulements non-thermo dépendants ou écoulements isothermes. La deuxième partie concerne la résolution des écoulements thermo dépendants qui mettent l'accent sur les modifications induites par le couplage vitesse-température. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace (suivant les directions périodiques) les champs instantanés de vitesse et de température pour établir les profils moyens de vitesse et de température, les rms, la tension de Reynolds, les flux de chaleur, les moments d'ordre plus élevé (coefficients de dissymétrie et d'aplatissement), les pdf (fonction de densité de probabilté), les jpdf (fonction de densité de probabilité jointe), le coefficient de frottement, le nombre de Nusselt... Ces différentes grandeurs sont analysées en fonction des divers paramètres qui gouvernent le problème: les nombres de Reynolds et de Prandtl, l'indice d'écoulement et le nombre de Pearson.

La Simulations des Grandes Echelles d'écoulements turbulents anisothermes a été utilisée dans le cadre de problèmes d'interaction thermique fluide/solide. Le but de ce travail réside non seulement dans l'identification des divers éléments susceptibles de mésestimer les fluctuations de température à la paroi mais aussi à l'introduction de modélisations de parois adaptées.Le choix d'un schéma de convection "optimisant" le transport de scalaire a conduit à l'adoption d'un schéma décentré avec limiteur de pente : le schéma QUICK. Deux nouvelles approches de reconstruction de fluctuations de température en proche paroi sont proposées et testées. La première repose sur une résolution complète des équations de Navier-Stokes sur une grille fine en proche paroi permettant de reconstruire le champ fluctuant. Une seconde méthode repose sur la résolution 1D et simultanée d'une équation de température moyenne et d'une équation de transport pour la variance de température en proche paroi.

Les écoulements incompressibles et laminaires de fluides viscoélastiques, comme les fluides polymériques et les solutions diluées de polymères, dans des conduites rectilignes de section non-circulaire se distinguent par leur comportement rhéofluidifiant et par l'anisotropie de la seconde différence des contraintes normales conduisant à l'apparition d'écoulements secondaires. Dans les mêmes conditions d'écoulement, ces deux phénomènes entraînent une amélioration significative du transfert thermique convectif comparativement à l'écoulement d'un fluide Newtonien. L'écoulement incompressible, laminaire, anisotherme et dépendant du temps d'un fluide viscoélastique est décrit par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. L'extra-contrainte viscoélastique est donnée par des modèles constitutifs plus ou moins fidèles au comportement rhéologique du fluide viscoélastique considéré, comme le modèle rhéologique d'Oldroyd-B, le modèle de Giesekus et le modèle de Phan-Thien-Tanner. Le système d'équations ainsi obtenu est du type mixte (du type parabolo/ellipto/hyperbolique). Nous proposons dans cette thèse un algorithme original basé sur la méthode des différences finies permettant la réalisation de double coulage numérique d'une manière stable et convergente tout en conservant la positivité du tenseur de conformation sans aucune méthode de stabilisation. Le système d'équations est réécrit sous une forme quasi-linéaire. Sous la vérification de la condition d'hyperbolicité, les termes d'advection pure résultant de la forme quasi-linéaire, traités d'une façon explicite, sont discrétisés en utilisant des schémas appropriés d'ordre élevé du type WENO(3,5,7,9) et HOUC(3,5,7,9). La contrainte d'incompressibilité (couplage pression/vitesse) est satisfaite à l'aide d'une méthode de projection incrémentale basée sur un schéma semi-implicite BDF2. Après avoir procédé à la validation de la précision et de la convergence des méthodes numériques implémentées, nous présentons l'étude de l'écoulement d'un fluide viscoélastique non-affine dans une conduite de section carrée. L'influence de l'élasticité du fluide, de l'inertie du fluide et des différents paramètres rhéologiques sur l’écoulement principal, la structure et l'intensité des écoulements secondaires, ainsi que l'effet de la dissipation visqueuse sur le taux du transfert thermique convectif sont étudiés.

Ce travail de thèse a été consacré à la simulation numérique des transferts par convection forcée dans des écoulements turbulents pleinement développés. Deux configurations ont été considérées : la conduite cylindrique et l'espace annulaire. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace les champs instantanés de vitesse et de température afin d'en déduire les profils moyens, les écart-types, les flux de chaleur turbulents ainsi que des statistiques d'ordres plus élevés telles que les coefficients de dissymétrie et d'aplatissement. Une approche plus poussée dans l'analyse des écoulements turbulents est aussi utilisée : les fonctions de densité de probabilité (pdf) et les fonctions de densité de probabilité jointes (jpdf). On s'intéressera à l'influence de la diffusivité thermique du fluide sur les transferts thermo-convectifs dans les deux géométries. On étudiera l'effet de la rotation de la paroi sur le transfert de chaleur dans la conduite cylindrique. Dans la géométrie annulaire, l'influence du rapport des flux de chaleur imposés sur les parois est analysée.

Dans de nombreux dispositifs industriels comme les conduites de refroidissement des moteurs de fusées, un écoulement turbulent est en contact avec une paroi solide chaude.L'instabilité due aux courbures ajoutée au confinement créent des courants orthogonaux au flux principal d'une intensité pouvant aller jusqu'à 20% de celui-ci. Pour comprendre les interactions entre ces courants secondaires et les transferts thermiques, des résultats de simulations numériques des grandes échelles sont obtenus dans des conduites pouvant présenter des courbures et des parois chauffées. Un écoulement pleinement développé est injecté à l'entrée du domaine par la simulation synchrone d'une conduite périodique. Un modèle de viscosité turbulente a été implanté dans le code de calcul et aucune loi de paroi n'est utilisée. Une température supérieure est d'abord appliquée sur une des quatre parois d'une conduite carrée rectiligne pour une validation du code de calcul. Les mécanismes d'éjections de fluide chaud de la paroi chauffée vers le coeur de la conduite sont bien représentés et on peut observer le développement progressif de la couche limite thermique. L'évolution spatiale de l'écoulement a ensuite permis d'appliquer un flux constant.Une conduite de section rectangulaire en forme de S a ensuite été simulée. A chaque courbure, apparaît un fort flux secondaire inhérent au gradient de pression normal aux parois courbes. Ceci implique la naissance d'une paire de tourbillons longitudinaux contra-rotatifs de type "Dean" ou "Ekman" évoluant au voisinage de la paroi convexe.L'interaction entre ces courants secondaires et le mélange turbulent est étudiée suivant les modes de chauffage.

Les caractéristiques de l'écoulement turbulent et les transferts thermiques se développant dans un conduit chauffé sont étudiés à l'aide de la technique de Simulation des Grandes Echelles (SGE). Les canaux de refroidissement placés dans les parois des moteurs de fusée constituent l'une des applications industrielles. Nous considérons une géométrie simplifiée consistant en un conduit courbe de section rectangulaire. Les équations de Navier-Stokes instationnaires filtrées sont résolues par un schéma numérique compact, prédicteur-correcteur, d'ordre deux en temps et quatre en espace. Le modèle sous maille utilisé est celui de la fonction de structure sélective. Les résultats obtenus mettent en évidence le développement d'un écoulement secondaire intense lié au gradient de pression radial apparaissant dans la partie courbe. Ces flux secondaires s'organisent sous la forme de deux cellules contra-rotatives quasi-stationnaires de type Ekman près de la paroi convexe. Sur la paroi concave, il apparaît des tourbillons instationnaires de type Görtler. Cet écoulement complexe est caractérisé par des phénomènes de balayage et d'éjection directement corrélés aux transferts de chaleur entre le fluide et les parois courbes chauffées. Ceci provoque de fortes variations transverses du nombre de Nusselt qui pourraient conduire à une dégradation de la paroi chaude. Nous évaluons l'influence des paramètres géométriques et physiques sur l'écoulement ainsi que sur les transferts thermiques et nous proposons une solution pour homogénéiser les échanges de chaleur par contrôle passif.

ON PRESENTE DES RESULTATS DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES APPLIQUEE AUX ECOULEMENTS TURBULENTS COMPRESSIBLES SUR UNE PAROI CHAUFFEE. ON SE CONCENTRE PRINCIPALEMENT SUR LES ECOULEMENTS DANS LES CONDUITS DE SECTION CARREE OU RECTANGULAIRE. ON CONSIDERE SUCCESSIVEMENT LE CAS OU LES QUATRE PAROIS DU CONDUIT SONT A LA MEME TEMPERATURE ET LE CAS OU UNE TEMPERATURE PLUS ELEVEE EST IMPOSEE SUR L'UNE DES PAROIS. DE FACON A POUVOIR SIMULER CES ECOULEMENTS EN CONDUIT AVEC FORT FLUX DE CHALEUR, LE TRAVAIL A TOUT D'ABORD CONSISTE EN LE DEVELOPPEMENT D'UN CODE DE CALCUL SIMULANT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES COMPRESSIBLES TRIDIMENSIONNELLES BASE SUR DES COORDONNEES CURVILIGNES DANS LES TROIS DIRECTIONS D'ESPACE. UNE DES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT MOYEN DANS LES CONDUITS CARRES OU RECTANGULAIRES EST L'APPARITION DE FLUX SECONDAIRE CORRESPONDANT A UNE VITESSE MOYENNE TRANSVERSE A L'ECOULEMENT DE BASE. MEME SI L'INTENSITE DE CES FLUX RESTE FAIBLE, CES DERNIERS JOUENT UN ROLE PRIMORDIAL DANS LA DYNAMIQUE DE L'ECOULEMENT. ON OBSERVE EGALEMENT SUR LES CONTRAINTES DE REYNOLDS UNE DISSYMETRIE SUR LES CONTRAINTES NORMALES ET LA GENERATION DE CONTRAINTES TANGENTIELLES SECONDAIRES. L'IMPOSITION DU CHAUFFAGE A UNE FORTE INFLUENCE SUR LES MECANISMES D'EJECTIONS A PARTIR DE LA PAROI CHAUFFEE. DE FORTS FLUX SECONDAIRES SONT ASSOCIES A UN TRANSPORT DE FLUIDE FROID DU CENTRE DU CANAL VERS LA PAROI CHAUFFEE QUI, PAR DES MECANISMES D'EXPANSION, IMPLIQUE UNE INTENSIFICATION DES EJECTIONS QUI SE CONCENTRENT AU VOISINAGE DU PLAN MEDIAN DE LA PAROI CHAUFFEE. LES EJECTIONS SONT ASSOCIEES A LA FORMATION DE POINT D'INFLEXION GENERALISE QUI PAR INSTABILITE DONNE NAISSANCE A DES TOURBILLONS EN EPINGLE A CHEVEUX SONT ETIRES PAR L'ECOULEMENT MOYEN ET QUI SONT CONCENTRES AUTOUR DU PLAN MEDIAN. L'EJECTION TRANSPORTE DU FLUIDE CHAUD VERS LE CENTRE DU CONDUIT, TANDIS QUE LES FLUX SECONDAIRES INJECTENT EUX, VERS LA PAROI CHAUDE, DU FLUIDE FROID PROVENANT DE LA PARTIE CENTRALE DU CONDUIT. L'INTERACTION ENTRE CES GAZ A DIFFERENTES TEMPERATURES EST A L'ORIGINE D'IMPORTANTS PHENOMENES DE TRANSFERT DE CHALEUR. FINALEMENT, ON A FAIT UNE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'UN CONDUIT CARRE DANS LEQUEL L'ECOULEMENT SE DEVELOPPE SPATIALEMENT. LA CONDITION D'ENTREE EST GENEREE PAR UN CALCUL TEMPOREL, QUI PRESENTE L'AVANTAGE D'UNE ENTREE REALISTE POSSIBLE AVEC DES STRUCTURES TURBULENTES DEVELOPPEES. MEME S'IL EXISTE ENCORE CERTAINS PROBLEMES DE CONDITIONS DE FRONTIERE, CE TYPE DE CALCULS NOUS A PERMIS D'OBSERVER L'EFFET SUR LA TURBULENCE D'UN FLUX DE CHALEUR QUI EST ALLUME DANS UN ENDROIT DONNE.