Mieux comprendre les spécificités de la dynamique des couches limites à grand nombre de Reynolds malgré les contraintes métrologiques et son coût de simulation numérique est crucial. A titre d'exemple, cette dynamique peut déterminer plus de la moitié de la traînée d'un avion en croisière. Décrire la turbulence pariétale peut guider la résolution numérique d'une partie des fluctuations à un coût maîtrisé par des stratégies WMLES (simulation des grandes échelles avec modèle de paroi). Les présentes analyses physiques de couches limites turbulentes incompressibles à gradient de pression nul et à grand nombre de Reynolds s'appuient sur des simulations numériques avancées. Après validation d'une base de données, le frottement moyen pariétal est décomposé selon l'identité FIK (Fukagata et al. (2002)), dont l'application malgré le développement spatial est discutée. Une analyse spectrale montre que les grandes échelles ( lambda_x > delta) contribuent à environ la moitié du frottement vers Re_ theta = 10^4. Les limitations de l'identité FIK motivent la dérivation d'une décomposition physique de la génération du frottement dont le comportement asymptotique est alors relié à la production d'énergie cinétique turbulente dans la zone logarithmique. Pour mieux reconstruire les spectres spatiaux, une nouvelle méthode d'estimation de la vitesse de convection turbulente en fonction de la longueur d'onde des fluctuations, adaptée au développement spatial et à des signaux temporels de durée finie, est dérivée, interprétée et évaluée à Re_ theta = 13000. Certaines des conclusions éclairent des modifications d'une stratégie WMLES, le mode III de la méthode ZDES.

Ce travail est consacre à la modélisation numérique et l'analyse physique des couches limites compressibles soumises à des gradients de pression favorables et adverses. Dans la première partie, une couche limite incompressible sans gradient de pression est calculée par un code de calcul de type parabolique. les résultats théoriques et expérimentaux nous ont permis de valider ce code et d'évaluer la performance des différents modèles de turbulence a deux équations. Ensuite, nous étudions les effets de la compressibilité. L'extension des fonctions d'amortissement des modèles classiques de type k - e aux écoulements compressibles est discutée. Les résultats comparés avec les données expérimentales nous montrent la capacité des modèles de décrire des couches limites compressibles. Dans la dernière partie, le code de calcul est appliqué aux écoulements compressibles à des gradients de pression favorables et adverses. Les effets des gradients de pression sur les couches limites subsoniques sont analysés, et ensuite nous étudions les effets combinés des gradients de pression et de la compressibilité. Les performances de différents modèles dans ces configurations complexes sont évaluées.

L'écoulement turbulent autour d'un cylindre circulaire à grand nombre de Reynolds est analysé expérimentalement en utilisant les techniques PIV, PIV Stéréoscopique et PIV haute cadence. Les nombres de Reynolds étudiés correspondent à l'entrée de l'écoulement dans le régime critique, marqué par la chute brutale de traînée. Le cylindre est placé en milieu confiné afin de permettre des comparaisons avec des simulations numériques effectuées sur un domaine réaliste. Une base de données permettant la validation et l'amélioration des modèles de turbulence pour les approches statistiques avancées est ainsi fournie. Une attention particulière est portée à la décomposition du mouvement en une composante organisée et une composante aléatoire. Pour ceci, la décomposition en moyenne de phase, puis la décomposition en modes propres orthogonaux (POD), sont appliquées et comparées. Les contributions de chacune des composantes du mouvement au tenseur des contraintes turbulentes sont ensuite analysées.

LES TRAVAUX REALISES S'INSCRIVENT DANS LE CADRE GENERAL DE L'ETUDE DES TRANSFERTS PARIETAUX EN PRESENCE DE COMPLEXITES PHYSIQUES (EFFETS DE COMPRESSIBILITE, DES GRADIENTS DE PRESSION, ...). ELLE CONCERNE UN ECOULEMENT DE COUCHE LIMITE TURBULENT, SUPERSONIQUE DANS TROIS CONFIGURATIONS: SANS GRADIENT DE PRESSION, A GRADIENTS DE PRESSION FAVORABLES ET ADVERSES. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: A) UNE VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL PARABOLIQUE; B) UNE ANALYSE PHYSIQUE: - TOUT D'ABORD, DES EFFETS DE COMPRESSIBILITE (ENGENDREE PAR LES GRANDES VITESSES), - DES EFFETS DES GRADIENTS DE PRESSION FAVORABLES ET ADVERSES SANS INCLURE LES EFFETS DE COMPRESSIBILITE; C) UNE EVALUATION DE MODELES DE FERMETURE A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE, NOTAMMENT DEUX DE TYPE K-EPSILON, UN DE TYPE K-OMEGA 2 ET UNE VERSION D'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS; D) DES AMELIORATIONS, VISANT A INCLURE LES EFFETS DE COMPRESSIBILITE DANS UNE VERSION DU MODELE K-EPSILON, SONT PROPOSEES. POUR LE MODELE DE FERMETURE AU SECOND ORDRE, DES CORRECTIONS ONT ETE AUSSI PRESENTEES DANS LE BUT D'AMELIORER LE NIVEAU D'ANISOTROPIE; E) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES COUCHES LIMITES COMPRESSIBLES. DANS CE CONTEXTE, UNE CONTRIBUTION A ETE FAITE DANS LE CAS DES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES A L'AIDE DE FONCTIONS DE PAROI

Ce travail se place dans le cadre de l'étude des écoulements turbulents compressibles au sein du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique de l'Ecole Centrale de Lyon. Les travaux antérieurs ont montré que le modèle de turbulence de type k — ε standard couplé avec des lois de paroi était incapable de prédire correctement les écoulements compressibles avec recirculation. Dans ce travail, on se propose d'introduire des modélisations tenant compte de deux paramètres physiques supplémentaires pour améliorer les prédictions de tels écoulements: l'effet de bas nombre de Reynolds et l'effet de compressibilité. Ainsi, nous avons étudié différentes versions du modèle k — ε à bas nombre de Reynolds, ainsi que d'autres modèles à deux équations, tels que les modèles k — ω, k — R et k — l. Ces modèles ont ensuite été appliqués pour étudier les deux problèmes suivants : -La simulation des couches limites turbulentes compressibles. -La simulation des interactions supersoniques entre une onde de choc et une couche limite turbulente. Ces deux phénomènes jouent un rôle prépondérant dans de nombreuses situations tant en aérodynamique interne qu'en aérodynamique externe. C'est pourquoi il est important de pouvoir prédire correctement les caractéristiques de tels écoulements. Nous verrons que les modèles à bas nombre de Reynolds apportent une nette amélioration de prédiction du décollement de l'écoulement. Par ailleurs, les résultats de simulation montrent également que des modélisations des effets de compressibilité ont pour effet d'élargir la zone de recirculation.

La capacité de simuler la dynamique de la couche limite turbulente représente aujourd’hui un enjeu important pour la prévision de l’aérodynamique instationnaire et de l’aéroacoustique des aéronefs et des véhicules terrestres. Aussi, les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une méthode originale de simulation de la dynamique des écoulements turbulents pariétaux, à haut nombre de Reynolds, sur des géométries curvilignes. L’approche ZDES, dans son mode « Wall Modelled Large Eddy Simulation », est ici retenue. Dans un premier temps, une méthode de réactivation turbulente, par combinaison de l’injection de turbulence synthétique et de l’application de termes de forçage, est développée afin de permettre une résolution WMLES locale des régions d’intérêt au sein d’une simulation majoritairement RANS. Puis l’étude des interactions entre la physique et la méthode de résolution numérique (ZDES), sur le cas d’une couche limite turbulente sans gradient de pression en développement spatial jusqu’à Re13 000, a conduit à une généralisation des conditions d’emploi du mode WMLES de la ZDES. Des post-traitements instationnaires avancés ont permis de démontrer la capacité de la méthode à simuler la dynamique particulière de la zone externe à ces grands nombres de Reynolds. Enfin, les différentes méthodes développées au cours de cette étude ont été appliquées à la simulation d’une manche à air coudée de section rectangulaire. Cette nouvelle méthode a permis de simuler avec succès la dynamique multi-échelles de cet écoulement et des distorsions dynamiques associées, pour un coût environ 50 fois inférieur à celui d’une approche LES classique

This work lies at the intersection of two problems concerning turbulence (i) the description of coherent structures of turbulent boundary layer flow and (ii) the numerical methods for high-performance computing of these flows. The main objectives are to analyze coherent structures and to develop new numerical tools to be used in turbulence research with a special focus on the turbulent boundary layers. A new direct numerical simulation of a turbulent boundary layer flow over a flat plate is conducted with the code Incompact3d. A relationship between attached flow structures and the streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer has been established similarly to an earlier experimental study. A novel application of the skeletonization method is proposed to obtain detailed statistics of coherent structures. Statistics of large-scale motions (LSM) and Reynolds Shear Stress quadrant structures are compared. In the second part, a new test-suite is implemented to the in-house incompressible Navier-Stokes solver. Performance of the code is analyzed. The stability problems at high Reynolds numbers are addressed and some solutions are proposed.