Les écoulements turbulents de gaz denses, qui sont d'un grand intérêt pour un large éventail d'applications, sont le siège de phénomènes physiques encore peu connus et difficiles à étudier par des approches expérimentale. Dans ce travail, nous étudions pour la première fois l'influence des effets de gaz denses sur la structure de la turbulence compressible à l'aide de simulations numériques. Le fluide considéré est le PP11, un fluorocarbure lourd, dont le comportement thermodynamique a été représenté à l'aide de différentes lois d'état, afin de quantifier la sensibilité des solutions aux choix de modélisation. Nous avons considéré d'abord la décroissance d'une turbulence homogène isotrope compressible. Les fluctuations de température sont négligeables, alors que celles de la vitesse du son sont importantes à cause de leur forte dépendance de la densité. Le comportement particulier de la vitesse du son modifie de manière significative la structure de la turbulence, conduisant à la formation de shocklets de détente. L'analyse de la contribution des différentes structures à la dissipation d'énergie et à la génération d'enstrophie montre que, pour un gaz dense, les régions de forte dilatation jouent un rôle similaire à celles de forte compression, contrairement aux gaz parfaits, dans lesquels le comportement est fortement dissymétrique. Ensuite, nous avons mené des simulations numériques pour une configuration de canal plan en régime supersonique, pour plusieurs valeurs des nombres de Mach et de Reynolds. Les résultats confirment la validité de l'hypothèse de Morkovin. L'introduction d'une loi d'échelle semi-locale prenant en compte le variations de densité et viscosité, permet de comparer les profils des grandeurs turbulentes (contraintes de Reynolds, anisotropie, budgets d'énergie) avec ces observés en gaz parfait. Les variables thermodynamiques, quant à elles, présentent une évolution très différente pour un gaz parfait et pour un gaz dense, la chaleur spécifique élevée de ce dernier conduisant à un découplage des effets dynamiques et thermiques et à un comportement proche de celui d'un fluide incompressible avec des propriétés variables.

MODELISATION DES EQUATIONS DE MOUVEMENT D'UN MELANGE DE GAZ BINAIRE A TEMPERATURE CONSTANTE A L'AIDE D'UNE NOUVELLE FORMULATION DU SYSTEME DES EQUATIONS OUVERTES. LE SYSTEME FUME EST TESTE NUMERIQUEMENT DANS LE CAS D'UN JET ROND AXISYMETRIQUE

LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES

REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DES MODELES DE FERMETURE DES EQUATIONS STATISTIQUES DECRIVANT L'ECOULEMENT, DE DIFFERENTS MODELES DE COMBUSTION TURBULENTE ET DES METHODES NUMERIQUES DE RESOLUTION DES EQUATIONS AUX DERIVES PARTIELLES. ON CHOISIT UN MODELE DU TYPE K-EPSILON ET UNE METHODE A PAS FRACTIONNAIRES (METHODE DE DESINTEGRATION A DEUX CYCLES). OBTENTION ET MODELISATION DES EQUATIONS AUX DERIVES PARTIELLES STATISTIQUES. DISCRETISATION SPATIALE ET TEMPORELLE; DESCRIPTION DES CONDITIONS AUX LIMITES IMPOSEES. VALIDATION DU PROGRAMME DANS DIFFERENTES CONFIGURATIONS D'ECOULEMENTS MONOPHASIQUES (SANS PARTICULES) AVEC ET SANS COMBUSTION

UN CODE DESTINE AU CALCUL DES ECOULEMENTS TURBULENTS AUTOUR DES BATIMENTS, BAPTISE CHENSI, A ETE DEVELOPPE ET VALIDE SUR DIFFERENTS CAS REELS. LA DISCRETISATION DES TERMES DE CONVECTION DANS LES EQUATIONS DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT ET DE TRANSPORT DE K- EST EFFECTUEE AVEC UN SCHEMA EN AMONT PONDERE DANS LE PLAN DE CALCUL, LE COUPLAGE VITESSE-PRESSION UTILISE LA METHODE DE COMPRESSIBILITE ARTIFICIELLE, L'ALGORITHME EST EXPLICITE EN TEMPS, SA CONVERGENCE EST ACCELEREE PAR L'INTRODUCTION D'UN PAS DE TEMPS EVOLUTIF ET LOCAL. LE MODELE DE TURBULENCE EST DU TYPE DE K-. ON UTILISE UNE LOI DE PAROI AFIN D'EVITER LA RESOLUTION DU SYSTEME DES EQUATIONS POUR LA SOUS-COUCHE VISQUEUSE. LE CODE A ETE APPLIQUE AU DEVELOPPEMENT D'UNE COUCHE LIMITE DU A UN CHANGEMENT DE RUGOSITE, A UN ECOULEMENT SUR UNE MARCHE DESCENDANTE, SUR UNE MARCHE MONTANTE ET AU-DESSUS D'UN BLOC BIDIMENSIONNEL. ENFIN LES CAS D'UN ECOULEMENT TRIDIMENSIONNEL AUTOUR D'UN OBSTACLE CUBIQUE ET PARALLELEPIPEDIQUE ONT ETE TRAITES. LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT, LE CHAMP DE VITESSE ET LE CHAMP DE PRESSION SONT CORRECTEMENT PREDITS PAR LE MODELE. CEPENDANT LE CALCUL NUMERIQUE SOUS-ESTIME L'ENERGIE TURBULENTE. L'EXTENSION DU SILLAGE DANS LES SIMULATIONS TRIDIMENSIONNELLES EST SOUS-ESTIMEE PAR LA SIMULATION. LES DIFFERENTES SOURCES D'INCERTITUDE ONT ETE ANALYSEES

Les cycles organiques de Rankine (ORC) sont une technologie prometteuse utilisée pour l'extraction d'énergie à partir de sources de chaleur à basse température. Contrairement aux cycles de Rankine classiques, ils utilisent un fluide organique dense à faible point d'ébullition à la place de l'eau, cela permet d'obtenir des détendeurs plus compacts et plus performants. Pour des conditions thermodynamiques proches de la courbe de coexistence liquide/vapeur et des températures et pressions de l'ordre de grandeur du point critique, la complexité moléculaire des fluides de travail organiques induit des effets de gaz réel considérables qui doivent être modélisés à l'aide de lois d'état et de variation des propriétés de transports avancées. Pour les ORC de moyenne à forte puissance, le détendeur est généralement une turbine, caractérisée par un petit nombre d'étages très chargés fonctionnant dans les régimes d'écoulement transsoniques ou supersoniques. Afin d'améliorer la conception des turbines ORC, il est essentiel de comprendre et prévoir les mécanismes de perte dus à la formation d'ondes de choc et à leur interaction avec les couches limites environnantes transitoires ou turbulentes. Dans ce travail, nous réalisons des simulations aux grandes échelles (LES) d'écoulements transsoniques et supersoniques de gaz dense à travers des grilles d'aubes de turbines. À cette fin, nous avons d'abord mis au point une stratégie numérique appropriée, étudiant notamment des schémas d'intégration temporelle efficaces pour des écoulements dominés par le pas de temps convectif. La méthodologie proposée est validée pour des cas tests de difficulté croissante, y compris la LES de la turbine haute pression VKI LS-89. Dans le passé, cette configuration a fait l'objet de nombreuses recherches expérimentales et numériques, en utilisant un gaz parfait comme fluide de travail. Ensuite, la configuration VKI LS-89 ainsi qu'un injecteur de turbine supersonique spécialement conçu pour les applications ORC sont étudiés à l'aide de LES dans plusieurs conditions de fonctionnement, en utilisant plusieurs fluides de travail entraînant de forts effets de gaz réel, à savoir le fluorocarbure lourd PP11 et le réfrigérant r245fa. Les résultats montrent l'influence des effets de gaz dense sur la formation d'ondes de choc et sur la transition laminaire-turbulent. Des comparaisons avec des simulations basées sur les équations RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) complétées par un modèle de turbulence, l'outil principal pour le design de turbines ORC, montrent des écarts importants dus à la nature transitionnelle des écoulements dans des turbines, soulignant l'importance de l'utilisation de modèles avancés.

Un grand nombre d'écoulements naturels et industriels mettent en jeu des particules (sédimentation,lit fluidisé, sprays...). Les écoulements chargés en particules sont bien décrits numériquement sous l'hypothèse des particules plus petites que toutes les échelles de l'écoulement. Cette thèse consiste à simuler numériquement une turbulence homogène et isotrope soutenue chargée en particules dont la taille est supérieure à l'échelle de Kolmogorov. Pour se faire une méthode de simulation a été développée au sein du code Thétis puis validée. L'originalité de cette méthode consiste en l'utilisation d'une approche de pénalisation associée à la viscosité dans la zone solide. Les particules sont transportées de façon lagrangienne. Les principaux résultats concernent trois simulations faisant varier le rapport de densité entre le fluide et le solide. Chaque simulation simule le mouvement de 512particules avec un diamètre 22 fois plus grand que l'échelle spatiale de Kolmogorov remplissant ainsi3% du volume total. La dispersion des particules est étudiée et montre des comportements comparables à ceux observés pour des particules ponctuelles. Un intérêt particulier est porté sur le régime collisionnel. On observe que la corrélation des vitesses avec le fluide environnant réduit le nombre de chocs frontaux par rapport au cas théorique de particules d'un gaz dense. L'effet de la prise en compte du fluide visqueux entre les particules (couche de lubrification) lors de la collision a été étudiée. L'écoulement moyen à l'échelle des particules est aussi analysé, mettant en évidence l'existence d'une couche de dissipation autour des particules.