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.

Compressibility, Turbulence and High Speed Flow introduces the reader to the field of compressible turbulence and compressible turbulent flows across a broad speed range, through a unique complimentary treatment of both the theoretical foundations and the measurement and analysis tools currently used. The book provides the reader with the necessary background and current trends in the theoretical and experimental aspects of compressible turbulent flows and compressible turbulence. Detailed derivations of the pertinent equations describing the motion of such turbulent flows is provided and an extensive discussion of the various approaches used in predicting both free shear and wall bounded flows is presented. Experimental measurement techniques common to the compressible flow regime are introduced with particular emphasis on the unique challenges presented by high speed flows. Both experimental and numerical simulation work is supplied throughout to provide the reader with an overall perspective of current trends. - An introduction to current techniques in compressible turbulent flow analysis - An approach that enables engineers to identify and solve complex compressible flow challenges - Prediction methodologies, including the Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) method, scale filtered methods and direct numerical simulation (DNS) - Current strategies focusing on compressible flow control

LE BUT DE CETTE THESE EST L'ANALYSE PHYSIQUE, LA MODELISATION ET LA SIMULATION NUMERIQUE DES MECANISMES DE MELANGE DANS LES JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE SOUS L'EFFET DE FORTES INCIDENCES DE DENSITE. DANS UN PREMIER TEMPS, L'OUTIL DE CALCUL PAR RESOLUTION DES EQUATIONS PARABOLIQUES DE PRANDTL AVEC MODELISATION AU SECOND ORDRE EST VALIDE PAR UNE DOUBLE COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE EN SITUATION ISOVOLUME ET A DENSITE VARIABLE. PUIS, UNE REFLEXION EST MENEE SUR L'INFLUENCE DU CHOIX DE REGROUPEMENT STATISTIQUE SUR LA PREDETERMINATION DES PROPRIETES DE MELANGE DES JETS HETEROGENES. L'ANALYSE S'APPUIE SUR LA COMPARAISON DE MODELES ANALOGUES EN MOYENNE PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE OU NON PONDEREE PAR LA MASSE VOLUMIQUE. UNE ETUDE PARAMETRIQUE PERMET DE DETERMINER DES EFFETS DE DENSITE SUR LE DEVELOPPEMENT D'UN JET TURBULENT DE FACON COGNITIVE MAIS AUSSI ANALYTIQUE. L'INFLUENCE DE PARAMETRES, TELS QUE LA GRAVITE ET LES CONDITIONS D'EMISSION EST EGALEMENT DISCUTEE. ENFIN, SONT ABORDES LES ASPECTS SPECIFIQUES DE LA CONFIGURATION GEOMETRIQUE DE JETS COAXIAUX QUI PRESENTE UN INTERET APPLICATIF A L'INJECTION DANS LA CHAMBRE DE COMBUSTION DES MOTEURS FUSEES

Le contrôle d'écoulements cisaillés libres incompressibles (jet rond et couche de mélange plane) par un ou plusieurs petits jets soufflant dans la zone de transition à la turbulence est étudié numériquement. L'utilisation de schémas de discrétisation très précis et d'une condition d'entrée réaliste permet d'étudier l'influence du ou des jets de contrôle sur la dynamique de l'écoulement manipulé. Dans un premier temps, le contrôle d'un jet rond par deux petits jets soufflant radialement est présenté. Six configurations de contrôle sont étudiées, pour différentes orientations, avec des jets de contrôle débitant de façon stationnaire ou instationnaire. L'expansion du jet est fortement modifiée par l'injection de fluide. On observe notamment une réduction significative de la longueur du cône potentiel. Les modifications structurelles de l'écoulement principal induites par les jets de contrôle ne conduisent cependant pas à une augmentation importante de la production d'enstrophie. L'effet du contrôle sur les propriétés de mélange d'un scalaire passif est également considéré en étudiant la distribution de ce dernier. L'utilisation de jets de contrôle pulsés apparaît comme étant la configuration la plus favorable pour augmenter le mélange du scalaire passif. Une couche de mélange plane turbulente contrôlée par un seul jet soufflant de manière continue est également étudiée, afin de préciser certains phénomènes observés lors de l'étude du jet rond, comme la pénétration intermittente du jet de contrôle dans la couche cisaillée. Ces résultats sont utilisés pour construire une boucle de contrôle actif ouverte. L'écoulement manipulé est une couche de mélange plane, initiallement bidimensionnelle. Ces résultats préliminaires permettent de proposer une stratégie de contrôle plus efficace, basée à la fois sur la fréquence et la phase des structures grandes échelles de l'écoulement manipulé.

LE MEMOIRE DE THESE PRESENTE UNE INVESTIGATION DES MECANISMES PHYSIQUES QUI REGISSENT L'ECOULEMENT D'UN JET DE LIQUIDE AXISYMETRIQUE DANS UNE PHASE CONTINUE NON MISCIBLE. APRES AVOIR DEFINI LES LIMITES DES TRAVAUX EXISTANTS, LE COMPORTEMENT SPATIO-TEMPOREL DE CES SYSTEMES EST ETUDIE AU MOYEN D'UNE SIMULATION NUMERIQUE DIRECTE. LE SYSTEME PHYSIQUE JET-PHASE CONTINUE EST CONFINE DANS UNE ENCEINTE COAXIALE RIGIDE. LE MODELE MATHEMATIQUE TRAITE DES JETS INFINIS ET DES JETS SEMI-INFINIS. CE MODELE PREND EN COMPTE L'ENSEMBLE DES PARAMETRES PHYSIQUES DU SYSTEME. L'APPROCHE NUMERIQUE ADOPTEE PERMET UNE GRANDE PRECISION ET FACILITE LE TRAITEMENT DE LA SURFACE DU JET. LE CODE DE CALCUL PERMET DE SUIVRE L'EVOLUTION DU SYSTEME ET DE CONNAITRE LA POSITION EXACTE DE L'INTERFACE DEPUIS L'INITIATION D'UNE PERTURBATION JUSQU'A LA RUPTURE EVENTUELLE DU JET EN GOUTTES. EN PRESENCE DE NONLINEARITES, LE CRITERE DE STABILITE DE RAYLEIGH-PLATEAU DEVIENT DEPENDANT DE L'AMPLITUDE INITIALE DE LA PERTURBATION ET LA DESINTEGRATION DU JET PRODUIT DES GOUTTES DE TAILLE DIFFERENTE. POUR LES SYSTEMES TYPIQUES ETUDIES, LES GOUTTES SECONDAIRES SONT OBTENUES POUR TOUS LES NOMBRES D'ONDE INSTABLE. L'INFLUENCE DES PROPRIETES PHYSIQUES ET DU CONFINEMENT SUR L'INSTABILITE ET LA RUPTURE DU JET EST MISE EN EVIDENCE. CE CODE DE CALCUL PEUT TRAITER UNE CLASSE ETENDUE DE PROBLEMES D'ECOULEMENT AVEC INTERFACES MOBILES.