Les traînées de condensation, ces panaches blancs souvent observés dans le sillage des avions, contribuent à la perturbation du bilan radiatif terrestre. Composées de cristaux de glace, elles peuvent en effet persister et entraîner une augmentation de la nébulosité. Le but de cette thèse est de mieux comprendre et décrire le processus de formation des cristaux de glace dans le champ proche d’un avion. L’écoulement de sillage est constitué d’une phase gazeuse (air et vapeur) et d’une phase solide (particules) en interaction. La simulation numérique de cet écoulement repose sur une méthode mixte eulérienne (gaz) et lagrangienne (particules). La simulation des grandes échelles est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes relatives au fluide turbulent, instationnaire et compressible. La croissance de chaque particule par condensation de la vapeur d’eau est calculée grâce au modèle microphysique de Fukuta-Walter. Deux régimes sont considérés : le régime jet et le régime d’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Dans une première partie sont présentées la modélisation et les méthodes numériques employées. La deuxième partie consiste à relater les résultats obtenus lors des simulations. Le régime jet est d’abord traité afin d’étudier le rôle des paramètres caractérisant l’écoulement sur la taille et la densité numérique des cristaux de glace. Un champ tourbillonnaire est ensuite superposé à l’écoulement de jet pour examiner l’influence du tourbillon de sillage sur les processus microphysiques. Les simulations ont démontré l’importance du choix des paramètres décrivant l’écoulement pour caractériser avec précision les traînées de condensation.

Cette étude a pour but de prédire les trajectoire de jets issus des inverseurs de poussée. Ces dispositifs équipent les avions et génèrent une contre-poussée qui permet de freiner l'appareil lorsque celui-ci est au sol en phase d'atterrissage. L'écoulement sort des inverseurs de poussée sous forme de jet. Un tel écoulement est complexe et s'étend sur une grande distance. Nous avons alors opté pour la méthode particulaire de type « Vortex Blob ». Le domaine d'étude est infini, la résolution est instationnaire et la discrétisation limitée aux zones rotationnelles. Celles-ci se retrouvent sous forme de particules porteuses d'une information tourbillonnaire que l'on suit dans leur mouvement de manière lagrangienne. Dans un premier temps, nous passons en revue tous les types d'écoulement de jet et nous ressortons les principales caractéristiques, notamment pour l'écoulement de jet à buse débouchant dans un écoulement transverse où une paire de tourbillons contra-rotatifs apparaît et persiste loin en aval. L'activité tourbillonnaire est intense et l'évolution du jet varie selon le rapport d'injection du jet (vitesse du jet rapporté à la vitesse de l'écoulement transverse). Nous abordons ensuite l'aspect numérique de l'étude présentant la méthode particulaire. Nous utilisons une méthode particulaire tridimensionnelle à laquelle nous avons adapté un algorithme rapide de type « Tree code », un remmaillage global de l'écoulement ainsi qu'un schéma de diffusion de type « Particle Strenght Exchange » qui peut prendre en compte un modèle de Simulation des Grandes Échelles (SGE). Le code est de plus entièrement parallélisé grâce aux librairies MPI. Puis, nous traitons de manière académique les simulations de jets transverses. Nous observons et étudions l'évolution des structures tourbillonnaires existantes dans de tels écoulements en fonction du rapport d'injection du jet, d'une variation temporelle de la vitesse initiale du jet, etc... Dans un dernier temps, nous présentons une méthode hybride de couplage entre des simulations eulériennes et nos simulation lagrangiennes pour traiter des cas industriels. Après une validation de ce méthode de couplage avec décomposition de domaine, nous présentons des simulation complètes d'un avion en phase d'atterrissage. Enfin, nous mettons en évidence un cas de ré ingestion déjà observé expérimentalement en soufflerie.

Le contexte général de cette étude concerne l’impact des traînées de condensation, ces fameux panaches blancs fréquemment observés dans le sillage des avions, sur l’atmosphère. D’un point de vue aérodynamique, la formation des traînées de condensation se caractérise par l’interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et dynamiques mis en jeu dans cet écoulement. Ce travail repose sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes, et de conservation de l’énergie, formulées pour le cas d’un écoulement tridimensionnel, instationnaire et compressible. Deux approches sont considérées: la simulation numérique directe et la simulation des grandes échelles. Une simulation temporelle de la transition à la turbulence d’un jet rond non-isotherme est effectuée sans tenir compte du champ tourbillonnaire. A l’issue de cette simulation, un modèle de tourbillon de sillage est superposé à l’écoulement de jet. La première partie de cette thèse présente les deux approches, les différents modèles de sous-maille choisis pour les simulations des grandes échelles, ainsi que les méthodes numériques employées. La deuxième partie est consacrée à la simulation de l’écoulement de jet, et ici, l’objectif est de déterminer le modèle de sous-maille approprié à cette configuration d’écoulement. La troisième partie est dédiée à la simulation de l’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Les résultats sont comparés à ceux issue d’une campagne d’essais. Les simulations ont démontré le développement de grosses structures de la turbulence autour du cœur tourbillonnaire, dans lesquelles se concentre le champ de température

A cause de sa température élevée, le jet propulsif d'un avion de combat est une source de rayonnement infrarouge qui rend l'appareil très vulnérable. Ce rayonnement peut toutefois être réduit en accélérant le mélange du jet avec l'atmosphère. Cette thèse est consacrée à la simulation numérique d'un jet propulsif réaliste contrôlé par des injections radiales et à l'analyse physique des mécanismes d'augmentation de son mélange. Deux types de simulations, RANS et ZDES, ont été réalisés sur la base du modèle de Spalart-Allmaras. Dans le modèle ZDES, une nouvelle longueur caractéristique de maille est formulée et améliore sensiblement la prévision de la région initiale du jet. Globalement, les simulations ZDES restituent fidèlement le champ moyen du jet supersonique sans et avec contrôle, aussi bien les cellules de détente/compression que la diffusion turbulente. L'analyse physique est dédiée à la compréhension d'une part des mécanismes compressibles concentrées au coeur du jet et d'autre part des mécanismes tourbillonnaires périphériques ainsi qu'à l'évaluation de leurs rôles respectifs dans l'augmentation du mélange. Il en ressort que l'augmentation du mélange est exclusivement due aux mécanismes tourbillonnaires. Une étude paramétrique fournit des indications pour concevoir un mélangeur efficace. L'analyse des tourbillons focalisée sur le régime lointain quasi-bidimensionnel souligne leur dynamique moyenne et fait apparaître l'action des fluctuations turbulentes sur leur taux de dégénérescence. Enfin, deux régimes de contrôle sont identifiés et associés aux pénétrations respectivement quasi-stationnaire et intermittente des jets secondaires.

La présente étude porte sur la simulation numérique de la croissance des cristaux de glace dans le sillage proche d'une aile rectangulaire munie de deux injecteurs qui modélisent les deux moteurs. Dans cette configuration, les phénomènes microphysiques interviennent lors de l'interaction du jet, issu du moteur, et du tourbillon marginal qui se développe à chaque bout d'aile. Cet écoulement, très turbulent, perturbe fortement l'air environnant. Les jets diffusent dans l'atmosphère et s'enroulent autour des deux tourbillons de bout d'aile. Ces jets contiennent de la vapeur d'eau, des suies, des gaz mais également des aérosols et particules chargées. Le modèle microphysique utilisé dans cette étude repose sur l'hypothèse que la vapeur d'eau condense uniquement sur les particules de suie. Les simulations numériques sont effectuées à l'aide du code CEDRE développé à l'ONERA. Les méthodes numériques sont basées sur une approche volume finie pour des maillages non structurés généralisés. La résolution des équations de Navier stokes compressibles pour des fluides multi-espèces se fait selon une approche de type RANS et seul le champ stationnaire, jusqu'à huit envergures en aval de la maquette, est calculé. La turbulence de l'écoulement est modélisée au moyen du système de fermeture à deux équations k-l . Cette approche permet d'obtenir une description spatiale plus réaliste de l'interaction entre le jet et le tourbillon marginal. Le champ aérodynamique du sillage est ainsi comparé aux données expérimentales existantes. Le jet est correctement enroulé autour du tourbillon à huit envergures, et la dilution du panache est bien décrite par les simulations. Le modèle microphysique est ensuite couplé au modèle aérodynamique. Une première simulation porte sur les phénomènes microphysiques intervenant dans le sillage de la maquette dans des conditions particulières, représentatives d'un avion commercial en vol de croisière dans une atmosphère saturée par rapport à la glace. L'influence de la taille initiale des particules de suies émises par les moteurs ainsi que l'humidité relative de l'atmosphère, sur les propriétés de la traînée de condensation, sont ensuite étudiées et discutées. Ce travail, de part la stratégie de calcul mise en place et notamment l'utilisation de maillages non structurés généralisés, permettra d'appréhender le rôle de certains paramètres clés liés à l'avion comme la géométrie des ailes ou bien encore la position des nacelles sur les propriétés microphysiques de la traînée de condensation.

L'injection d'un mélange carburant/comburant dans une chambre de combustion d'un turboréacteur ou d'un moteur-fusée fait intervenir un jet liquide, cisaillé par un gaz rapide. Le jet liquide peut être sous certaines conditions sujet à un phénomène de battement à grande échelle. Ce phénomène, dont les mécanismes de base sont aujourd'hui mal connus, peut avoir des conséquences importantes sur la combustion. Nous réalisons dans ce travail une étude numérique de jets liquides cisaillés par une phase rapide, en portant une attention particulière à l'étude de l'interaction entre les structures tourbillonnaires de la phase rapide et le jet liquide. Une nappe liquide plane cisaillée de part et d'autre par une phase rapide est analysée dans un premier temps . Les mécanismes de déstabilisation de cette nappe liquide sont étudiés, ainsi que le contrôle passif du phénomène de battement. Des jets liquides coaxiaux, cisaillés par une couronne de phase rapide, sont ensuite analysés. Les mécanismes de déstabilisation à grande échelle sont étudiés, ainsi que le contrôle passif et actif de cette déstabilisation. La simulation d'une configuration d'écoulement réaliste eau/air est enfin réalisée, en interaction avec les expérimentateurs du LEGI. Une attention particulière est portée à l'écoulement se produisant au sein de la buse d'injection.