L'objectif de ce travail est d'étendre un code industriel, résolvant les équations de Navier-Stokes stationnaires moyennées (RANS), à l'instationnaire puis à la simulation des grandes échelles (LES). Une approximation éléments finis en espace fondée sur la formulation Galerkin/Moindres Carrés est utilisée. L'intégration temporelle est assurée par un schéma explicite Runge Kutta à quatre pas. Les différentes formulaions spatiales et le schéma en temps sont décrits, analysés sur l'équation d'advection monodimensionnelle, puis validés sur des calculs d'amplification temporelle d'instabilités (couche de mélange et couche limite bidimensionnelles). Le modèle de Smagorinsky et une variante sélective sont implémentés. La validation des méthodes numériques et des différents modèles de sous-maille est effectuée sur des simulations de turbulence homogène isotrope et de couches de mélange temporelles tridimensionnelles à différents nombres de Reynolds. L'application finale est l'étude de l'effet d'un jet supersonique sur une couche de mélange plane confinée subsonique supersonique. Les résultats des différentes simulations des grandes échelles sont comparés à une expérience réalisée au CEAT de Poitiers ainsi qu'avec des simulations moyennées k-e.

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.

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.

LA TRANSITION A LA TURBULENCE D'ECOULEMENTS EN GEOMETRIE COMPLEXE EST ETUDIEE PAR SIMULATION NUMERIQUE COMPRESSIBLE BIDIMENSIONNELLE ET TRIDIMENSIONNELLE. ON PRESENTE UNE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES D'UN JET ROND D'AIR, COMPAREE A UNE EXPERIENCE EN LABORATOIRE ET A UNE AUTRE SIMULATION NUMERIQUE INCOMPRESSIBLE. CETTE COMPARAISON NOUS A PERMIS DE VALIDER NOTRE OUTIL NUMERIQUE. NOUS MONTRONS UN BON ACCORD ENTRE LES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET NOTRE SIMULATION NUMERIQUE EN ZONE TRANSITIONNELLE. ON APPLIQUE NOTRE OUTIL NUMERIQUE A UNE GEOMETRIE COMPLEXE ET INDUSTRIELLE: L'ENTREE D'AIR EN INCIDENCE. CETTE ETUDE EST EFFECTUEE AVEC UN CODE A GESTION MULTI-DOMAINE DES TRANSFERTS D'INFORMATIONS PAR METHODE AUX CARACTERISTIQUES. LES RESULTATS SONT COMPARES A CEUX D'UNE EXPERIENCE FAITE AU CEAT DE POITIERS. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE LES TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ, AINSI QUE LES TOURBILLONS LONGITUDINAUX, RESPONSABLES DES FLUCTUATIONS DE PRESSION AU NIVEAU DU PREMIER ETAGE DU COMPRESSEUR. ENFIN, ON A REPRODUIT UNE EXPERIENCE MAGNETOHYDRODYNAMIQUE FAITE AU LABORATOIRE MADYLAM, EN GEOMETRIE BIDIMENSIONNELLE RONDE. L'INFLUENCE DU CHAMP MAGNETIQUE SUR UN ECOULEMENT DE MERCURE SOUMIS AUX FORCES DE LAPLACE CREE UN CISAILLEMENT AU NIVEAU DE L'ELECTRODE. ON PRESENTE UNE EVOLUTION TEMPORELLE DE LA VORTICITE ET DE LA PRESSION, AINSI QUE LES STATISTIQUES OBTENUES EN REGIME PERMANENT. NOUS MONTRONS DES RESULTATS QUALITATIFS SATISFAISANTS, MAIS PAR CONTRE SUR LES STATISTIQUES, NOUS SURESTIMONS LES VALEURS MOYENNES ET FLUCTUANTES. NOUS MONTRONS QUE LES CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT NE SONT PAS BIDIMENSIONNELLES, MAIS DOIVENT ETRE TRIDIMENSIONNELLES

Les équations de Navier-Stokes tridimensionnelles appliquées à des géométries cartésiennes et cylindriques, sont résolues numériquement à l'aide d'un code de calcul en volumes finis basé sur un schéma intérieur de macCormack du second ordre en temps et du quatrième ordre en espace. Des conditions aux limites non-réfléchissantes du type Thompson ou Giles sont appliquées aux frontières libres des domaines de calcul. la modélisation des échelles sous-mailles est effectuée à l'aide d'un modèle à fonction de structure. Le code de calcul ainsi défini est testé dans un premier temps sur divers types d'écoulements, comme des cas de décroissance de turbulence homogène isotrope, des zones de mélange spatiale (2D) et temporelles (3D), des jets ronds temporels (3D). Des comparaisons sont faites avec d'autres simulations, des études théoriques et des données expériementales. Une méthode intégralle de Kirchhoff, basée sur une simple intégrale sur une surface englobant les sources sonores du milieu fluide (lesquelles sont déterminées par une simulation directe ou des grandes échelles en champ proche) a été ensuite implémentée pour estimer le champ lointain de pression acoustqiue. La méthode est appliquée au calcul de bruits de jets, et les résultats sont comparés à des études expérimentales et à d'autres simulations.

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.