As aplicações aeroespaciais estão frequentemente associadas a escoamentos compressíveis com altíssimos números de Reynolds. No entanto, existem no contexto aeroespacial importantes aplicações que envolvem escoamentos compressíveis a Reynolds relativamente baixos. Entre eles se destacam o escoamento em pás de turbina a gás e ao redor de dispositivos de alta sustentação como eslates e flapes em grandes ângulos de ataque. Pode-se destacar também o processo de combustão supersônica que está intimamente ligado e é fortemente beneficiado pelo presente estudo. Nas aplicações aerodinâmicas em baixos números de Reynolds frequentemente uma parcela significativa do escoamento se apresenta no regime de transição para turbulência, ou nos estágios iniciais do escoamento turbulento. O objetivo do presente projeto é a simulação numérica direta de escoamentos compressíveis transicionais com desenvolvimento de um código para simulação em três dimensões de escoamentos alto subsônicos. O escoamento a ser estudado no projeto é a evolução linear e não linear de trens de onda e pacotes de onda em uma camada de mistura compressível. A solução das equações de Navier-Stokes é obtida através do método das diferenças finitas. As derivadas espaciais são resolvidas através de um método compacto de sexta ordem, enquanto que as derivadas temporais são resolvidas através do método de Runge-Kutta de quarta ordem. Os métodos de aproximação foram modificados para trabalhar com malhas não uniformes visando refinar a malha em pontos em que o fenômeno ocorre e, consequentemente, reduzir o custo computacional. A investigação numérica inicia-se com a análise da taxa de amplificação dos trens de ondas fortemente modulados em regime linear. Os resultados obtidos foram comparados favoravelmente com a teoria linear. Os testes foram estendidos para a análise não linear, e consequentemente, foi possível reproduzir os fenômenos clássicos de instabilidade hidrodinâmica através da evolução dos trens de ondas oblíquos. / Aerospace applications are frequently associated with compressible flows at relatively high Reynolds number. Nevertheless important applications involve compressible flows at relatively low Reynolds number in the aerospace context. Among them, the flow on gas turbine blades and high lift devices such as slats and flaps at high angle of attack are particulary important. Besides, progress in aeroespace research is dependent on developing more efficient propulsion systems. In aerodynamic applications at low Reynolds number, often a substancial portion of the flow is in the transition regime, or in the initial stages of a turbulent flow. The objective of the present study is the Direct Numerical Simulation of three-dimensional transition of compressible flows in a mixing layer. Inspired on the worked devoted to modulated waves, the current work investigates the linear and nonlinear temporal evolution of wavetrains in this phenomenon. The Navier-Stokes equations were solved with a sixth-order compact finite-difference schemes. The time integration was performed by a fourth-order Runge-Kutta scheme. Moreover, the methods to solve the spatial derivatives were modified to work with non-uniform grids. This technique was implemented with the objective to improve the resolution of the grid where the phenomenon occurs and to reduce the computational cost. The numerical investigation starts with an analysis of the growth rate of the wavetrains in linear regime to verify the numerical code. The results compared favourably with linear theory. Tests were also performed in the nonlinear regime to simulate the oblique wavetrains and it was possible to reproduce the classical hydrodynamic instability phenomena.

Dans cette thèse on s’intéresse à la simulation numérique d’écoulements des matériaux compressibles, voir fluides et solides élastiques. Les matériaux considérés sont décrits avec un modèle monolithique eulérian, fermé avec une loi d’état hyperélastique qui considère les différents comportements des matériaux. On propose un nouveau schéma de relaxation qui résout les écoulements compressibles dans des différents régimes, avec des nombres de Mach très petits jusqu’à l’ordre 1. Le schéma a une formulation générale qui est la même pour tous le matériaux considérés, parce que il ne dépend pas directement de la loi d’état. Il se base sur une discrétisation complétement implicite, facile à implémenter grâce à la linéarité de l’opérateur de transport du système de relaxation. La discrétisation en espace est donnée par la combinaison de flux upwind et centrés, pour retrouver la correcte viscosité numérique dans les différents régimes. L’utilisation de mailles cartésiennes pour les cas 2D s’adapte bien à une parallélisation massive, qui permet de réduire drastiquement le temps de calcul. De plus, le schéma a été adapté pour la résolution sur des mailles quadtree, pour implémenter l’adaptativité de la maille avec des critères entropiques. La dernière partie de la thèse concerne la simulation numérique d’écoulements multi-matériaux. On a proposé une nouvelle méthode d’interface “sharp”, en dérivant les conditions d’équilibre en implicite. L’objectif est la résolution d’interfaces physiques dans des régimes faiblement compressibles et avec un nombre de Mach faible, donc les conditions multi-matériaux sont couplées au schéma implicite de relaxation. / In this thesis we are concerned with the numerical simulation of compressible materials flows, including gases, liquids and elastic solids. These materials are described by a monolithic Eulerian model of conservation laws, closed by an hyperelastic state law that includes the different behaviours of the considered materials. A novel implicit relaxation scheme to solve compressible flows at all speeds is proposed, with Mach numbers ranging from very small to the order of unity. The scheme is general and has the same formulation for all the considered materials, since a direct dependence on the state law is avoided via the relaxation. It is based on a fully implicit time discretization, easily implemented thanks to the linearity of the transport operator in the relaxation system. The spatial discretization is obtained by a combination of upwind and centered schemes in order to recover the correct numerical viscosity in different Mach regimes. The scheme is validated with one and two dimensional simulations of fluid flows and of deformations of compressible solids. We exploit the domain discretization through Cartesian grids, allowing for massively parallel computations (HPC) that drastically reduce the computational times on 2D test cases. Moreover, the scheme is adapted to the resolution on adaptive grids based on quadtrees, implementing adaptive mesh refinement techinques. The last part of the thesis is devoted to the numerical simulation of heterogeneous multi-material flows. A novel sharp interface method is proposed, with the derivation of implicit equilibrium conditions. The aim of the implicit framework is the solution of weakly compressible and low Mach flows, thus the proposed multi-material conditions are coupled with the implicit relaxation scheme that is solved in the bulk of the flow.

Dans les centrales nucléaires et thermiques, certaines installations sont sujettes à des couplages acousto-mécaniques pouvant nuire fortement à leur bon fonctionnement. La compréhension et la prédiction de ces couplages multi-physiques nécessitent le développement de modèles numériques de très grande précision. Ces modèles sont si coûteux à résoudre qu’il n’est pas envisageable de les utiliser dans des boucles de contrôle ou encore d’optimisation paramétrique. Dans ce manuscrit de thèse, le but est d’exploiter un nombre limité de calculs coûteux pour construire un modèle numérique qui soit de très faible dimension. Ces modèles numériques réduits doivent être capables, en temps réel, de reproduire ces calculs haute-fidélité mais aussi d’extrapoler ces résultats à d’autres points de fonctionnement plus ou moins proches. L’évolution dé petites perturbations compressibles au sein d’un écoulement complexe moyenné est modélisée à partir des équations d’Euler linéarisées dont la nature hyperbolique complique l’application des méthodes de réduction classiques. Les principales problématiques théoriques et numériques qui émergent lors de la construction du système réduit par méthode de projection sont alors exposées. En particulier, les problèmes fondamentaux de la préservation de la stabilité et du contrôle de l’énergie des systèmes réduits sont largement développés et une nouvelle méthode de stabilisation est proposée. Leur sensibilité paramétrique est aussi discutée. Les modèles réduits stables sont ensuite intégrées dans un code de calcul industriel pour prendre en compte des géométries complexes. De plus, la présence de solides dont les parois peuvent être fixes ou mobiles est abordée. En particulier, les petits déplacements de paroi sont modélisés avec une loi de transpiration. Cette condition aux limites est intégrée dans le formalisme du contrôle de façon à lever la difficulté induite par sa non homogénéité. Finalement, les modèles réduits sont exploités pour prédire en temps réel la réponse des systèmes à une loi de contrôle arbitraire. Par exemple, la fréquence et l’amplitude du chargement peuvent varier. Le code de calcul réduit ainsi développé a pour principale vocation de rendre possible des expertises aéroélastiques à faible coût. / In nuclear and thermal power stations, some installations produce acoustics/mechanics coupling which may cause important damage and bad operating performances. Prediction and understanding of these physical phenomena need the development of high-fidelity numerical models which are prohibitive to solve. Therefore, these models cannot be used for control or even parametric optimization applications. In this work, the goal is to use some high-fidelity solutions for building reduced-order models which are able to calculate again these solutions but in real-time, and also to predict solutions for other close configurations. Modelling of compressible disturbances in a complex mean flow is given by hyperbolic linearized Euler equations which create some difficulties to perform classical reduction methods. Theoretical and numerical problems are then introduced when a projection method is applied. In particular, the conservation of stability and the control of energy of reduced-order models are studied and a new stabilization procedure is proposed. Parametric sensitivity is also discussed. Afterwards, stable reduced-order models are developed in an industrial code to consider complex geometries. Furthermore, modelling of solids with fixed or vibrating walls are taken into account. Particularly, small vibrations are modelled thanks to a transpiration law. This boundary condition is implemented in the framework of linear control theory to apply reduction methods. Finally, reduced-order models are tested to predict solutions in real time. For instance, frequency and amplitude of the loading can change. The developed reduced order model should be used for aeroelastic industrial problems with more realistic costs.

La thèse porte sur la réponse d'une plaque couplée à un liquide et soumise au champ de pression créé par une détonation aérienne. Celle-ci correspond au mode d'explosion le plus violent et se caractérise par la propagation d'une onde de choc qui génère sur la plaque un champ de pression mobile dont l'intensité et la vitesse de propagation sont élevées. L'objectif est d'étudier la réponse dynamique du système couplé pendant la durée de propagation de l'onde sur la plaque. Après avoir présenté le chargement de détonation, la mise en équation du problème est exposée. Celle-ci est adaptée au contexte de dynamique rapide imposé par la sollicitation extérieure. La flexion de la plaque est étudiée selon la théorie de Mindlin Reissner et prend en compte les non linéarités géométriques. Les non linéarités matérielles sont décrites par la loi de comportement élastoplastique de Prandtl-Reuss avec écrouissage isotrope. La dynamique du fluide est décrite par les équations d'Euler linéarisées. L'étude analytique permet d'obtenir des solutions au problème d'une bande infinie, reposant sur un domaine liquide non borné, soumise à un chargement mobile stationnaire. Les solutions stationnaires décrivent la réponse du système couplé au voisinage du front de chargement. La résolution numérique du problème réel d'une plaque couplée est obtenue à partir d'un schéma aux différences finies d'ordre 2 en temps et en espace. L'intégration temporelle des équations est obtenue par un schéma explicite. L'étude expérimentale présente le banc d'essai et des exemples de réponse de plaques en contact avec de l'eau, soumises à des détonations. Ces réponses sont comparées aux solutions numériques.

Ce travail de thèse a été consacré au développement d'outils numériques pour aider à la compréhension, par simulation numérique, de l'aérodynamique d'un inverseur de poussée à portes (écoulement turbulent compressible). Dans cette étude, nous avons adopté deux approches complémentaires : résolution des équations de Navier-Stokes moyennées RANS (stationnaires) ou filtrées LES (instationnaires). Dans un premier temps, les divers phénomènes physiques présents dans un inverseur de poussée sont décomposés et étudiés séparément. On simule ainsi successivement :<br /> (1) un écoulement décollé (marche descendante - calcul RANS),<br /> (2) un écoulement cisaillé libre (couche de mélange plane - calculs RANS et LES), <br />(3) des écoulements présentant de fortes courbures des lignes de courant (conduite rectangulaire courbée (calcul RANS) et couche de mélange courbe - calculs RANS et LES). Ensuite, deux configurations simplifiées d'inverseurs de poussée à portes sont étudiées numériquement par simulations RANS et LES.

Le calcul direct du rayonnement acoustique d'une couche de mélange est réalisé en résolvant les équations de Navier-Stokes dans un domaine de calcul qui permet l'accès au champ acoustique lointain de l'écoulement. L'outil que nous avons développé utilise la technique de la Simulation Numérique Directe alliée à des méthodes numériques précises pour assurer une bonne qualité du calcul acoustique direct. Des simulations 2D et 3D de l'évolution temporelle de couches de mélange isothermes et anisothermes sont effectuées en régime subsonique et notamment à faible nombre de Mach. L'approche temporelle adoptée permet d'identifier l'émission acoustique associée à chacune des phases de la transition d'une couche de mélange. Les résultats des calculs acoustiques directs révèlent d'une part que l'émission sonore prédominante provient dans tous les cas d'un processus d'appariement et que les effets 3D réduisent globalement l'émission acoustique de la couche de mélange. D'autre part, les principales conséquences des effets combinés de la température et de la compressibilité observées expérimentalement (augmentation/réduction de l'émission sonore à nombre de Mach faible/élevé) sont reproduites avec le modèle temporel. Les données des simulations sont également utilisées pour réaliser des prédictions de bruit basées sur l'analogie de Lighthill. La comparaison de ces estimations avec les solutions de référence obtenues par le calcul acoustique direct montre un excellent accord dans tous les cas. Dans les cas anisothermes, nous montrons la nécessité de tenir compte d'un terme source supplémentaire et l'analyse des contributions séparées de chaque terme source nous permet d'interpréter le mécanisme de renversement de tendance comme le résultat d'un changement de terme source prépondérant.

Cette thèse concerne la modélisation, l'étude mathématique et la simulation numérique des problèmes d'écoulements diphasique (liquide et gaz) multi-composant (principalement eau et hydrogène) en milieu poreux. Le domaine d'application typique concerne le stockage des déchets radioactifs de moyenne et haute activité à vie longue. Ce type d'étude est motivé, entre autre, par une augmentation de la pression au sein du stockage due à un dégagement d'hydrogène au niveau des colis, pouvant ainsi fracturer la roche environnante et donc faciliter la migration des radionucléides. En supposant que le transfert de masse entre l'hydrogène gazeux et l'hydrogène dissous est donné par la loi de Henry un premier modèle est étudié. Une preuve d'existence de solutions faibles pour ce modèle a été réalisée sans hypothèse de petites données et en traitant le modèle complet en considérant que la densité de chaque composant dépend de sa propre pression. Ensuite,nous avons fait évoluer le modèle vers un modèle à transfert de masse dynamique. On établit l'existence de solutions faibles pour ce deuxième modèle avec un principe du maximum sur la saturation liquide et sur la fraction massique d'hydrogène dissous. Parallèlement, un code numérique en 1D a été développé afin de comparer les solutions numériques obtenues entre le premier modèle et le second modèle lorsque la cinétique de changement de phase devient instantanée. Des accords probant ont été obtenus sur différents cas tests dont un issu des cas tests du GNR MOMAS diphasique. Enfin, un schéma numérique de type volumes finis avec un décentrage phase par phase pour la simulation des écoulements diphasiques eau-gaz sous l'hypothèse que la densité de chaque phase dépend de sa propre pression a été proposé. On établit la convergence de ce schéma numérique. Ce schéma a été validé sur un maillage 2D non structuré.

Lors des études de tracés routiers ou autoroutiers dans les zones de sols compressibles, la reconnaissance géotechnique des sols utilise différentes techniques de sondage, de prélèvement d'échantillons de sol intact ou remanié, d'essais en place et d'essais en laboratoire. Ces sondages et essais sont répartis régulièrement le long du tracé envisagé, mais ils ne concernent qu'une fraction minime du sol qui aura à supporter le remblai, de sorte qu'il existe une certaine incertitude sur les propriétés réelles de ces sols. Cette incertitude sur les propriétés mécaniques des sols se traduit par une incertitude sur la représentativité des résultats des calculs réalisés lors de l'élaboration du projet. Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse porte sur le traitement quantitatif de cette incertitude dans le cas des calculs de stabilité à court terme des remblais sur sols mous. Le traitement de l'incertitude sur les propriétés de résistance au cisaillement non drainé des sols mous a été effectué en suivant la démarche habituelle des ingénieurs chargés d'élaborer de tels projets : - définition de couches homogènes du point de vue de la nature et des principes généraux de comportement des sols, - utilisation éventuelle de corrélations pour compléter les données directement utilisables pour les calculs, - définition de valeurs "représentatives" des différents paramètres nécessaires au dimensionnement. A partir de cette étape de l'étude, on passe à un traitement de type probabiliste, afin de déterminer l'incertitude sur la valeur estimée du coefficient de sécurité le long du tracé et de calculer des probabilités de rupture. L'analyse des résultats de la reconnaissance géotechnique a été effectuée en utilisant les méthodes de géostatistique. Tous les traitements effectués sur les données sont représentés sur l'écran d'une console de visualisation interactive, qui sert également à transmettre à la chaîne de traitement les instructions qui lui sont nécessaires. L'estimation des valeurs des paramètres mécaniques du sol entre les sondages de reconnaissance est effectuée au moyen du programme Bluepack de l'E.N.S.Mines de Paris. Pour le calcul de la stabilité du remblai, on a utilisé un schéma de calcul en rupture circulaire, en analysant la stabilité de blocs de sol cylindriques et de longueur limitée. Le calcul de la loi de probabilité des valeurs du coefficient de sécurité, dont on déduira la probabilité de rupture, est effectué par la méthode de Monte Carlo. La méthode développée dans le cadre de cette thèse a été appliquée à l'analyse de la stabilité d'un long remblai sur sols mous dont la construction a été étudiée dans le sud-ouest de la France. L'étude permet de retrouver par le calcul un résultat bien connu, qui est qu'il existe une longueur critique vis à vis de la stabilité du remblai, et de prévoir la position de cette zone le long du tracé. La méthode d'étude ainsi développée constitue une première étape dans la résolution de ce problème complexe de la prévision des risques de rupture sur les tracés de remblais sur sols mous, compte tenu du volume limité des reconnaissances qu'il est possible d'effectuer en pratique.

On s'intéresse dans ce travail à la simulation et l'approximation d'écoulements diphasiques avec transition de phase. Il s'agit de modéliser la dynamique d'une bulle de cavitation. Le modèle repose sur les équations d'Euler en coordonnées sphériques, l'interface gaz-liquide étant indiquée par une fonction de couleur. Dans une première partie, aucun transfert de masse n'est supposé. Un schéma Lagrange-projection est d'abord proposé : seule l'interface est déplacée à la vitesse du fluide. La projection repose sur un algorithme de suppression-découpage qui assure que les volumes ne deviennent pas négatifs. Le second chapitre traite du terme source géométrique. On construit un schéma équilibre articulé autour du schéma VFRoe-ncv pour lequel on propose une correction entropique non paramétrique. Un méthode d'ordre élevé de type Galerkin discontinu est ensuite étudiée dans le cadre de la magnétohydrodynamique. L'intégration en temps est réalisée par une méthode de type Adams-Bashforth, qui s'avère bien adaptée aux algorithmes de pas de temps local. La deuxième partie de la thèse traite de la modélisation du changement de phase liquide-vapeur. L'inf-convolution et la transformée de Legendre définissent une structure naturelle pour la construction de loi de pression de mélange. En particulier on montre que la construction de Maxwell est équivalente à la construction de l'enveloppe convexe de l'énergie de van der Waals. Un algorithme de transformée de Legendre rapide, adapté à la prise en compte correcte des bords du domaine de calcul de loi d'état, est développé. La méthode est appliquée à la construction de lois de pression tabulées de mélanges binaires miscibles ou immiscibles de gaz raides.

La prédiction numérique de la réponse de systèmes aéroélastiques devient rapidement très coûteuse dès qu'il s'agit d'effectuer une analyse paramétrique. Le recours à un modèle d'ordre réduit fidèle au système dynamique initial est alors indispensable pour réduire les coûts de calcul. Ainsi, l'utilisation d'une base de vecteurs issus de la décomposition orthogonale propre (POD) combinée ensuite à une projection de Galerkin s'est imposée en mécanique des fluides. La difficulté de la construction d'un tel modèle d'ordre réduit pour les systèmes aéroélastiques est triple : tout d'abord en raison des non-linéarités inhérentes aux équations de Navier-Stokes, ensuite à cause de l'incohérence de la définition des modes POD pour un domaine en mouvement et enfin de par la nécessité d'une stabilisation. Tout d'abord, le modèle d'ordre réduit reposant sur l'utilisation des modes POD est appliqué à un système dynamique linéaire pour lequel plusieurs formulations sont développées pour tenir compte de conditions limites spécifiques. Ensuite, le modèle d'ordre réduit est développé pour les équations de Navier-Stokes d'un fluide compressible au moyen d'un jeu de variables particulier. Ce premier modèle réduit développé pour un domaine de frontières fixes est corrigé puis validé sur l'exemple d'un profil NACA0012 fortement incliné pour provoquer l'apparition d'une allée de vortex. Finalement, le modèle d'ordre réduit est étendu au cas d'un domaine mobile sous l'hypothèse d'un mouvement de corps rigide afin d'éluder le problème de définition des modes POD. Ce modèle est alors employé pour reproduire l'écoulement transsonique autour d'un profil NACA0064 animé d'un mouvement d'oscillation.