Les tourbillons constituent des écoulements d'un grand intérêt aussi bien théorique que technologique. Au vu des difficultés rencontrées dans les approches expérimentale et de modélisation, on a employé les outils de simulation numérique directe (DNS) et des grandes échelles (LES) pour étudier les possibilités de développement et le devenir de la turbulence dans les tourbillons, décrits ici par un choix de modèles analytiques. Un résumé des connaissances actuelles sur la stabilité hydrodynamique des écoulements tourbillonnaires a été effectué, qui met en évidence la probable mais non évidente stabilité du tourbillon bidimensionnel, et l'existence d'une infinité de modes propres amplifiés dans le cas du tourbillon tridimensionnel défini par le modèle de Batchelor. Une simulation LES de ce dernier, dans lequel on introduit l'un des modes issus de la stabilité linéaire, a permis de décrire l'amplification d'une turbulence développée. L'évolution de l'instabilité entraîne une rapide résorption du champ de vitesse axiale du tourbillon, sans modification notable de la vitesse tangentielle. Le tourbillon se retrouve alors dans une configuration stable. Une analyse statistique de l'écoulement a été effectuée, qui caractérise l'évolution des corrélations turbulentes, informations utiles pour le développement ultérieur de modèles de turbulence dans les écoulements rotatifs. Une simulation DNS du tourbillon bidimensionnel de Lamb-Oseen soumis à une perturbation aléatoire a confirmé la stabilité de cet écoulement. Il a enfin été possible de simuler l'amorce linéaire du développement de l'instabilité de Widnall. Cette instabilité résulte de l'interaction de deux tourbillons dans les phases finales d'évolution d'un sillage d'avion, et peut contribuer à accélérer sa dispersion.

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

LA RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS BIDIMENSIONNELLES ET INSTATIONNAIRES DE NAVIER-STOKES, SOUS FORME FONCTION DE COURANT-TOURBILLON EST EFFECTUEE PAR UNE METHODE AUX DIFFERENCES FINIES DU SECOND ORDRE ET POUR DEUX TYPES D'ECOULEMENTS CISAILLES: SILLAGES ET COUCHES DE MELANGE. RESULTATS CONCERNANT UNE VISUALISATION RALENTIE DU COMPORTEMENT DES CHAMPS DE TOURBILLON ET DE VITESSE, L'ETUDE DU DEVELOPPEMENT SPATIOTEMPOREL D'INSTABILITES DANS UNE COUCHE CISAILLEE AINSI QUE LA MISE EN EVIDENCE D'UN EFFET MODERATEUR DE LA TURBULENCE DANS UN MELANGE EN REGIME DE TRANSITION, SOUMMIS A UNE EXCITATION SUR SON MODE PROPRE DE PERTURBATION. SCHEMA DE CALCUL PRECIS POUR LA PRESSION

This collection of papers presents a broad range of topics in DNS and LES, from new developments in LES modeling to DNS and LES for supersonic and hypersonic boundary layers. The book provides an extensive view of the state of the art in the field.

Le sillage d'un avion est composé de tourbillons intenses. La durée de vie de ces tourbillons dépend des conditions atmosphériques et peut être de l'ordre de plusieurs minutes. Ils peuvent constituer un danger considérable pour un avion pénétrant dans ce sillage et leur action peut se traduire par un fort mouvement de roulis ou descendant. Le but de ce travail est d'étudier les effets des conditions atmosphériques sur le comportement des tourbillons de sillage par la simulation numérique. Dans le champ proche étendu nous avons simulé le phénomène de la fusion instable due au développement de l'instabilité elliptique en étudiant la robustesse de ce phénomène sous l'effet de la turbulence ambiante. L'effet de la turbulence ambiante à également été étudié dans le champ lointain. Ceci a été réalisé en considérant différentes configurations de vortex et une étude paramétrique a identifié les paramètres pertinents qui gouvernent la dégénérescence du sillage due à la turbulence. Ces résultats ont été utilisés pour définir un modèle préliminaire de dégénérescence pour des tourbillons affectés par la turbulence. Une étude de la propagation d'onde dans des tourbillons représentatifs du sillage lointain a montré l'apparition de l'instabilité hélicoi͏̈dale et du phénomène de 'vortex bursting'. Pour atteindre ce but, des configurations simples et plus réalistes (correspondant au sillage d'un avion de transport) ont été considérées. D'autres simulations ont été faites pour étudier l'effet de la stratification stable sur les tourbillons de sillage dans le champ lointain [...]

This book covers the major problems of turbulence and turbulent processes, including physical phenomena, their modeling and their simulation. After a general introduction in Chapter 1 illustrating many aspects dealing with turbulent flows, averaged equations and kinetic energy budgets are provided in Chapter 2. The concept of turbulent viscosity as a closure of the Reynolds stress is also introduced. Wall-bounded flows are presented in Chapter 3 and aspects specific to boundary layers and channel or pipe flows are also pointed out. Free shear flows, namely free jets and wakes, are considered in Chapter 4. Chapter 5 deals with vortex dynamics. Homogeneous turbulence, isotropy and dynamics of isotropic turbulence are presented in Chapters 6 and 7. Turbulence is then described both in the physical space and in the wave number space. Time dependent numerical simulations are presented in Chapter 8, where an introduction to large eddy simulation is offered. The last three chapters of the book summarize remarkable digital techniques current and experimental. Many results are presented in a practical way, based on both experiments and numerical simulations. The book is written for a advanced engineering students as well as postgraduate engineers and researchers. For students, it contains the essential results as well as details and demonstrations whose oral transmission is often tedious. At a more advanced level, the text provides numerous references which allow readers to find quickly further study regarding their work and to acquire a deeper knowledge on topics of interest.

Accurate prediction of turbulent flows remains a challenging task despite considerable work in this area and the acceptance of CFD as a design tool. The quality of the CFD calculations of the flows in engineering applications strongly depends on the proper prediction of turbulence phenomena. Investigations of flow instability, heat transfer, skin friction, secondary flows, flow separation, and reattachment effects demand a reliable modelling and simulation of the turbulence, reliable methods, accurate programming, and robust working practices. The current scientific status of simulation of turbulent flows as well as some advances in computational techniques and practical applications of turbulence research is reviewed and considered in the book.