Une étude numérique concernant les écoulements de convention naturelle turbulente en cavité a été menée en appliquant et en adaptant la technique de simulation des grandes échelles, jusqu'à présent principalement employée en convection forcée. Les grandes échelles de l'écoulement sont résolues à partir des équations de conservation exprimées suivant la méthode des volumes de contrôle sur un maillage cartésien. L’effet des petites échelles est pris en compte par l'introduction de modèles de sous-maille. Tout d'abord, nous avons comparé nos résultats à des simulations de référence dans le cas de la cavité différentiellement chauffée. Des simulations directes nous ont ainsi permis de valider le code de calcul par comparaison avec des résultats spectraux du LIMSI (Orsay) pour un nombre de Rayleigh de 10 1 0. L’étude a été ensuite étendue à un nombre de Rayleigh de 5.10 1 0, pour une configuration qui a fait l'objet en 1992 d'un exercice international de comparaison à l'aide de codes RANS. L’influence des paramètres de calcul (nombre et répartition des nuds de discretisation, coefficient du modèle de sous-maille, nombre de Prandtl de sous-maille) sur les résultats a été testé dans ces deux configurations. Malgré une bonne concordance avec les résultats DNS, les zones de recirculation de l'écoulement étaient cependant mal représentées. Afin d'améliorer le comportement de la solution, un modèle original de diffusivité de sous-maille a été développé. Ce modèle local en espace est decorrelé de la viscosité de sous-maille, contrairement à l'analogie de Reynolds utilisée initialement, et permet d'améliorer de manière notable la description dynamique et thermique de l'écoulement. Nous nous sommes ensuite intéressés à l'influence relative de la viscosité et de la diffusivité de sous-maille, ainsi qu'à la contribution apportée par la diffusion numérique du schéma de discrétisation. Enfin, le modèle de sous-maille proposé a été appliqué à la convection de Rayleigh-Benard entre plaques.

La Simulation des Grandes Structures (SGS) a été étudiée lors de cette thèse. L’objectif de ce travail numérique consistait à tester la capacité de quelques modèles de sous-maille et plus particulièrement ceux associés aux approches dynamiques souvent utilisées dans la littérature, à reproduire, d'abord les écoulements de convection naturelle en espaces confinés, avant de passer à des situations plus réalistes faisant appel à des écoulements de type jet en convection forcée ou mixte dans des espaces ventilés, susceptibles d’être rencontrés dans le domaine de l’habitat. En convection naturelle dans une cavité fermée anisotherme, la SGS a permis de reproduire correctement les résultats numériques de référence d’une Simulation Numérique Directe 2D et les comparaisons ont été encore plus proches en 3D. En convection forcée dans une cavité ventilée isotherme équipée d’un soufflage et extraction d’écoulement, la SGS 3D a permis de bien reproduire les résultats expérimentaux de l’Annexe20 de l’Agence Internationale de l’Energie. Les résultats ont été encore améliorés par l’introduction d’une perturbation du jet au soufflage pour modéliser l’intensité turbulente mesurée expérimentalement. En convection mixte dans une cavité ventilée anisotherme équipée d’un soufflage et extraction d’écoulement, avec un plancher chauffé, la SGS 3D montre un très bon accord avec une expérience réalisée au Laboratoire d'Etudes thermiques à Poitiers et reproduit également le comportement singulier de l’écoulement (bifurcation et changement de direction avec phénomène d’hystérésis) détecté expérimentalement. À notre connaissance, aucune étude numérique n’a permis jusqu’à présent une telle comparaison.

LES TRANSFERTS THERMO-CONVECTIFS ASSOCIES A LA CLIMATISATION D'UN LOCAL DE GRAND VOLUME SONT ETUDIES NUMERIQUEMENT. LE MODELE DE TURBULENCE - A BAS NOMBRE DE REYNOLDS DE LAUNDER ET SHARMA A ETE INTEGRE DANS LE CODE DE CALCUL PHOENICS. UNE ETUDE PHENOMENOLOGIQUE DE L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES CARACTERISTIQUES DE LA VENTILATION D'UN LOCAL SIMPLE DE GRAND VOLUME EN CONDITIONNEMENT D'AIR CHAUFFE OU REFROIDI A ETE MENEE. L'ETUDE DES PRINCIPAUX ECOULEMENTS QUI INTERAGISSENT DANS UN LOCAL DE GRAND VOLUME A ETE DECOUPLEE POUR EVALUER LES PERFORMANCES DU MODELE DE TURBULENCE A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS: D'UNE PART, DIFFERENTS ECOULEMENTS DE CONVECTION MIXTE DE JET ET, D'AUTRE PART, UNE CONFIGURATION DE CONVECTION NATURELLE REPRESENTEE PAR UNE CAVITE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE. DANS LE CAS DE LA CAVITE DIFFERENTIELLEMENT CHAUFFEE DE RAPPORT DE FORME UNITE ET UN NOMBRE DE RAYLEIGH DE 10#1#0, LA COMPARAISON DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE - MONTRE UN ACCORD GLOBALEMENT SATISFAISANT. LA VERSION A BAS NOMBRE DE REYNOLDS AMELIORE LES RESULTATS LORSQUE LA SIMULATION DIRECTE DE LA TURBULENCE EST PRISE POUR REFERENCE. L'ETUDE DES JETS MONTRE LE BON COMPORTEMENT DES MODELES DE TYPE - POUR LES ECOULEMENTS DE JETS ISOTHERMES ET LES PANACHES EN AMBIANCE NEUTRE. DANS LE CAS DES JETS SOUFFLES VERTICALEMENT DANS UNE AMBIANCE STABLE LINEAIREMENT STRATIFIEE, UN BON ACCORD EST TROUVE AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX SUR LA HAUTEUR DE CULMINATION DANS LA GAMME DE GRAND NOMBRE DE FROUDE ET FORTE STRATIFICATION. L'APPLICATION DU MODELE DE TURBULENCE A LA CLIMATISATION DES LOCAUX DE GRAND VOLUME DONNE DES STRUCTURES D'ECOULEMENT TRES DIFFERENTES SELON LES VALEURS DES PARAMETRES CARACTERISTIQUES TELS QUE LE DEBIT DE SOUFFLAGE, L'ANGLE SOLIDE D'INJECTION DE L'AIR, LE POSITIONNEMENT ET L'ESPACEMENT D'UNE DISTRIBUTION REGULIERE DES AEROTHERMES AINSI QUE LA TEMPERATURE DE L'AIR VENTILE

LE TRAVAIL PORTE SUR LA SIMULATION DIRECTE DES ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE ENTRE DEUX PLAQUES VERTICALES CHAUFFEES DIFFERENTIELLEMENT, AINSI QUE SUR L'UTILISATION ET L'AMELIORATION DE MODELES DE FERMETURE AU SECOND ORDRE. UN CODE TRIDIMENSIONNEL DE SIMULATION DIRECTE A ETE DEVELOPPE DANS LE BUT D'OBTENIR ET DE COMPRENDRE LA TURBULENCE DE LA CONVECTION NATURELLE. CE CODE A ETE VALIDE DANS PLUSIEURS CONFIGURATIONS PHYSIQUES: ECOULEMENTS DE CONVECTION NATURELLE SANS LA STRATIFICATION SOLUTION DE CONDUCTION, ECOULEMENTS CONVECTION NATURELLE EN PRESENCE DE LA STRATIFICATION SOLUTION DE DOUBLE COUCHE LIMITE ET L'ECOULEMENT DE POISEUILLE DANS UN REGIME TRANSITOIRE ET TURBULENT. APRES S'ETRE ASSURER QUE LE CODE DEVELOPPE EST APTE A SIMULER PRECISEMENT DES ECOULEMENTS TURBULENTS, NOUS AVONS ATTEINT LE REGIME TURBULENT AVEC LA SOLUTION DE CONDUCTION A DES NOMBRES DE RAYLEIGH DE 1 10#5 ET 5.4 10#5. UNE ANALYSE DETAILLEE DE CES RESULTATS A REVELE LES PRINCIPAUX DEFAUTS ET QUALITES DES MODELES DE TURBULENCE. CES RESULTATS ONT ETE L'OBJET DE L'AMELIORATION DES MODELES DE TRANSPORT PAR LES CORRELATIONS TRIPLES AINSI QUE LE CHOIX DES ECHELLES DE TEMPS TURBULENTES ADEQUATES POUR LA MODELISATION DES ECOULEMENTS DE CE TYPE

Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (micro-thermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0x1010 ≤ RaH ≤ 1,2x1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaître les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,2x1011.

CETTE THESE SE PROPOSE D'ETUDIER L'UTILISATION DE METHODES SPECTRALES MULTI-NIVEAUX DANS LE CADRE DE LA SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS TURBULENTS INCOMPRESSIBLES 3D. APRES AVOIR PRESENTE DES GENERALITES SUR LES METHODES SPECTRALES ET JUSTIFIE LEUR UTILISATION DANS LE CONTEXTE DE LA TURBULENCE, ON DECRIT LA PHYSIQUE DES ECOULEMENTS ETUDIES. LES ECOULEMENTS PERIODIQUES ET LE PROBLEME DE L'ECOULEMENT DANS UN CANAL SONT DETAILLES, AINSI QUE LES ENJEUX ET LES OBJECTIFS DES SIMULATIONS NUMERIQUES DIRECTES (DNS : DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS) ET DES SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES (LES : LARGE EDDY SIMULATION). POUR CE DERNIER TYPE DE SIMULATION, ON EXPOSE QUELQUES MODELES DEVELOPPES CES DERNIERES ANNEES, DONT CERTAINS NOUS SERVIRONT DE TESTS DE REFERENCE PAR LA SUITE. NOUS PRESENTONS ENSUITE QUELQUES RESULTATS MATHEMATIQUES SUR LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES, CONCERNANT LE POINT DE VUE DES SYSTEMES DYNAMIQUES, QUI JUSTIFIENT L'EMPLOI DE METHODES MULTI-NIVEAUX. ENFIN, ON PROPOSE DEUX APPLICATIONS UTILISANT CES IDEES. LA PREMIERE EST UN MODELE DE SIMULATION DES GRANDES ECHELLES DANS LE CONTEXTE PERIODIQUE. ON PRESENTE LES DIFFERENTES ETAPES QUI NOUS ONT CONDUITS A L'ELABORATION DE CE MODELE, ET PRINCIPALEMENT L'ETUDE DE L'INTERACTION ENTRE LES DIFFERENTES ECHELLES EN TURBULENCE HOMOGENE. DES RESULTATS NUMERIQUES VALIDENT FINALEMENT CE MODELE ; TOUTES LES QUANTITES STATISTIQUES LIEES AUX GRANDES ECHELLES ETANT RETROUVEES AVEC UNE PRECISION AU MOINS EQUIVALENTE A CELLE OBTENUE AVEC LES MODELES DYNAMIQUES. CES RESULTATS NUMERIQUES CONCERNENT DIFFERENTS TYPES D'ECOULEMENTS PERIODIQUES : ECOULEMENTS PERIODIQUES FORCES, ECOULEMENTS D'EULER ET TURBULENCE DECROISSANTE. ENFIN, ON PROPOSE UNE DEUXIEME APPLICATION DES METHODES MULTI-NIVEAUX, DANS LE CONTEXTE NON-PERIODIQUE. DANS UN PREMIER TEMPS, ON PRESENTE LES RESULTATS NUMERIQUES OBTENUS DANS LE CADRE DE L'EQUATION DE BURGERS 1D, AVANT DE CONCLURE EN DETAILLANT L'IMPLEMENTATION DANS LA DIRECTION NORMALE AUX PAROIS DU CANAL 3D.

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.