Les travaux menés, depuis plusieurs années, au CORIA ont abouti à la construction d’un outil numérique (ARCHER) permettant la simulation numérique directe d’écoulements diphasiques et notamment l’atomisation d’un jet liquide à haute vitesse. Ce type de simulation permet de capturer les phénomènes d’atomisation au voisinage de l’injecteur difficilement caractérisables par les outils expérimentaux actuels. Ces simulations requièrent des conditions d’injection délicates à évaluer a priori car elles dépendent des caractéristiques de l’écoulement au sein de l’injecteur. Or, certains jets présentent une grande sensibilité à ces conditions d’injection. Dès lors, il est nécessaire de simuler l’écoulement au sein de l’injecteur afin d’appréhender la nature de cette sensibilité. L’utilisation d’un maillage cartésien par le code ARCHER conjuguée à la volonté de simuler le système d’atomisation dans son ensemble ont orienté ces travaux vers l’utilisation d’une méthode de frontière immergée. Ces travaux ont ainsi permis de reproduire des écoulements au sein d’injecteurs de forme quelconque tout en conservant le maillage cartésien d’origine, précieux tant pour l’efficacité du solveur que pour sa précision. Dans un premier temps, l’implantation dans le code ARCHER d’une méthode de frontière immergée a été réalisée et testée sur des configurations de canal et de conduite et de l’écoulement autour d’un cylindre. L’application de cette méthode a porté sur la simulation de l’écoulement au sein d’un injecteur triple disque mono-trou et a notamment permis de caractériser l’origine de l’écoulement secondaire formé dans l’orifice de décharge. Afin d’évoluer vers la construction d’un outil numérique capable de simuler le système d’atomisation dans son ensemble, un couplage entre la méthode de frontière immergée et la méthode Ghost fluid a été nécessaire. La version bi-dimensionnelle développée a été testée sur la relaxation d’une goutte posée sur une paroi. Cette version a permis de simuler des écoulements au sein de canaux à différents rapports de longueur sur diamètre et l’écoulement au sein d’une buse convergente. La simulation simultanée de l’écoulement interne et externe a permis de lier les fluctuations de vitesses des écoulements internes à la création de surface engendrée sur les écoulements externes. / Since several years, the research conducted at the CORIA laboratory led to the development of a numerical tool (ARCHER) alllowing direct numerical simulations of two phase flows. In particular, the simulations of high speed liquid jet primary break-up have been strongly investigated. These simulations are able to capture primary break-up phenomena near the nozzle exit where experimental characterisations are difficult to conduct. These simulations need injection conditions tricky to gauge a priori, since they depend on the flow characteristics inside the nozzle. Moreover, some jets are highly sensitive to these injection conditions. Therefore, it becomes necessary to simulate the flow inside the nozzle to better understand this sensitive nature. The objective to simulate the whole atomization system guided the present work dedicated to the use of an immersed boundary method (IBM). Such an approach allows reproducing flows inside nozzles of arbitrary shape while keeping the original cartesian mesh valuable for numerical efficiency and accuracy. As a first step, the implementation of an IBM in ARCHER was carried out and tested on channels, pipes and uniform flows past a circular cylinder. An industrial application focused on the flow inside a triple disk compound injector. This work led to a refined description of the secondary flow origin in the discharge hole. In order to move towards the design of a numerical tool able to simulate the whole injection system, a coupling between IBM and the Ghost Fluid Method (GFM) has been found necessary. This allows accounting for two phase flows inside the nozzle where the dynamics of the triple line has to be considered. The bidimensional developments have been tested on drops released on walls. This version enabled to simulate flows inside channels with different ratios of length over diameter and the flow inside a convergent nozzle. The simultaneous computation of flows inside and outside nozzle has enabled to link the velocity fluctuations of internals flows to the surface setting-up gene-rated on external flows.

La stabilisation et la propagation d’une flamme laminaire pré-mélangée méthane/air dans un canal étroit, sont revisitées à partir de simulations numériques. La combustion est modélisée à l’aide d’une chimie et de propriétés de transport complexes, ainsi que du couplage des transferts thermiques à l’interface et dans les parois. Premièrement, une procédure de réduction des mécanismes chimiques adaptée à cette application est appliquée. Deuxièmement, la réponse de la forme de flamme lorsque soumise à diverses conditions thermiques est analysée en termes de vitesse de propagation et de topologie de l’écoulement au voisinage du front de réaction. Troisièmement, le mécanisme de transfert thermique déclenchant la propagation de flamme lorsque celle-ci est soumise à un préchauffage est montré être principalement convectif. Pour finir, le rôle prépondérant de la gravité, via l’action du moment barocline, sur la symétrie des flammes se propageant dans des canaux étroits, est démontré. / The flow physics controlling the stabilization and propagation of a methane/air laminar premixed flame in a narrow channel is revisited from numerical simulations. Combustion is described with complex chemistry and transport properties, along with a coupled simulation of heat transfer at and within the wall. First, a chemistry mechanism reduction procedure fitted to this application is applied. Second, the response of the premixed flame shape to various heat transfer conditions is analyzed in terms of flame propagation velocity and flow topology in the vicinity of the reactive front. Third, the heat transfer mechanism triggering the flame movement when this last is submitted to an upstream wall preheating is revealed to be mainly convective. To finish, the preponderant role of gravity, via an impact on the baroclinic torque, in the symmetry breaking of small-scale channel flames is demonstrated.

Dans ce travail de thèse, les mécanismes à l'origine de la formation des chocs associés à la perception de crackle proche de jets supersoniques axisymétriques sont étudiés à l'aide de simulations numériques. Dans ces simulations, les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles sont résolues en coordonnées cylindriques à l'aide de différences finies d'ordre élevé peu dissipatives et peu dispersives. Quatre jets temporels à des nombres de Mach de 2 et~3 et à des nombres de Reynolds compris entre 3125 et 50000 sont simulés dans un premier temps. Des ondes acoustiques de forte amplitude présentant d'importants gradients de pression sont mises en évidence à proximité des jets. Elles se forment par un mécanisme de raidissement à la source qui est étudié par le calcul de moyennes conditionnelles synchronisées autour des pics de pression en champ proche. Ces moyennes montrent un lien direct entre ces ondes non linéaires et la convection de structures cohérentes à desvitesses supersoniques dans les couches de~mélange. L'influence de la température sur la formation de ces ondes est examinée dans un second temps par le calcul de cinq jets temporels à des rapports de température de 1, 2 et 4, et à des nombres de Mach acoustique compris entre 2 et 4. À vitesse d'éjection constante, les niveaux de bruit produits par les jets chauds sont moins élevés que ceux du jet isotherme, mais les ondes non linéaires qu'ils rayonnent sont peu affectées par une hausse de température. À nombre de Mach constant, les niveaux augmentent avec la température, de même que l'asymétrie des fluctuations de pression, traduisant un renforcement du caractère non linéaire des ondes rayonnées. Ces variations pourraient être dues à celles de la vitesse de convection des structures cohérentes, qui augmente de façon significative avec la température lorsque le nombre de Mach est constant, mais diminue légèrement à vitesse~constante. Finalement, trois simulations de jets spatiaux isothermes et chauds à un nombre de Mach acoustique de 2 et à des nombres de Reynolds de 12500 et 50000 sont mises en \oe uvre. Des ondes de Mach présentant d'importants gradients de pression sont visibles au voisinage direct des jets. La formation de ces ondes est liée, comme dans le cas des jets temporels, à la convection supersonique de structures cohérentes dans les couches de mélange. Le champ lointain acoustique est enfin déterminé par des méthodes d'extrapolation linéaire et non linéaire. Lorsque la propagation est non linéaire, un raidissement additionnel des fronts d'onde est constaté en champ lointain. / Numerical simulations are carried out with the aim of investigating the formation of nonlinear steepened waves at the origin of crackle in the near acoustic field of supersonic jets. In these simulations, the compressible Navier-Stokes equations are solved in cylindrical coordinates using high-order low-dissipative and low-dispersive finite difference schemes.Four temporally-developing isothermal round jets are first simulated at Mach numbers of~2 and~3 and at Reynolds numbers ranging from 3,125 to 50,000. Strong acoustic waves containing sharp pressure variations are observed in the vicinity of the jets. Their formation process is described by the computation of conditional averages which are triggered by the detection of strong pressure peaks in the near field. Such steepened waves are then shown to be produced by the supersonic motion of coherent structures inside the jet shear layers.Temperature effects are then investigated by considering five temporal round jets at temperature ratios of 1, 2 and~4 and at acoustic Mach numbers of 2, 2.8 and 4. For a given jet speed, the sound levels produced by the hot jets are lower than those of the isothermal one. However, the properties of the steepened waves they generate are not significantly affected by a rise of temperature. On the contrary, when the Mach number is held constant, pressure levels are higher at high temperature. The skewness and kurtosis factors of pressure fluctuations are also increased, which indicates a strengthening of the asymmetry and the intermittency of the pressure fluctuations. It is likely that the influence of temperature on these waves results from the variations of the convection speed, which is found to significantly increase with temperature at constant Mach number, but to slightly decrease at constant jet speed.Finally, three simulations of spatially-developing axisymmetric, isothermal and hot jets at a Mach number of~2 and at Reynolds numbers of 12500 and 50000 are performed. Strong Mach waves possessing the distinctive features of crackle are visible in the near vicinity of the jets. As observed for temporal simulations, their formations are associated with the supersonic motion of large-scale coherent structures inside the jet shear layers. The far acoustic field is determined using linear as well as nonlinear extrapolation methods. When nonlinear propagation effects are taken into account, a further steepening of the wavefronts is observed with increasing propagation distance.

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

[ES] El principal objetivo de esta tesis es el estudio de flujos térmicos turbulentos en canales para obtener un mayor conocimiento sobre el fenómeno de la turbulencia. Para ello, se ha realizado un estudio desde el punto de vista de la mecánica de fluidos computacional, en concreto, se ha utilizado la técnica de las simulaciones numéricas directas (DNS de sus siglas en inglés). La idea principal de las simulaciones realizadas ha sido ampliar el estado del arte actual, en lo referente a los dos parámetros principales que caracterizan el flujo: el número de Reynolds de fricción, Reτ, y el número de Prandtl, Pr. Dos configuraciones del flujo han sido utilizadas: flujo de Poiseuille y flujo de Couette, siendo la primera el principal foco del estudio. En cuanto al campo de temperaturas, se ha utilizado una condición de contorno mixta y se ha considerado como un escalar pasivo. Así pues, los números de Reynolds de fricción simulados para un flujo de Poisuille han sido Reτ = 500, 1000 y 2000, para números de Prandtl que varían desde 0.007 (metales fundidos) hasta 10 (agua), pasando por 0.71 que es el valor más utilizado por ser éste el número de Prandtl del aire. Además, se ha realizado una simulación con Reτ = 5000 y Pr = 0.71, la cual es la DNS térmica con el número de Reynolds de fricción más alto hasta la fecha. Destacar que para los números de Prandtl más altos, se ha observado que el valor máximo de la varianza de la temperatura es constante. Esto tiene un importante beneficio en el escalado cerca de la pared de los términos de disipación y difusión viscosa del balance de energía de θ′'+. Por último en lo referente a simulaciones de flujos de Poiseuille, se ha estudiado el caso isotérmico con Reτ = 10000, la cual es la mayor DNS de un canal turbulento, obteniendo por primera vez en una DNS una capa logarítmica perfectamente desarrollada en el campo de velocidades. Un estudio teórico, basado en las simetrías de Lie, ha sido llevado a cabo en paralelo a las simulaciones. El principal objetivo ha sido la generación de leyes de escaldo, basadas en primeros principios, del campo de velocidades, temperatura y momentos de altos órdenes de ambos campos. El resultado es que para números de Reynolds y Péclet suficientemente altos, dichos campos escalan como leyes de defecto de funciones de potencia de la distancia de la pared en el centro del canal. De la misma forma, se ha obtenido un escalado de la velocidad en la capa logarítmica para el caso de Reτ = 10000, obteniendo la clásica función logarítmica para la velocidad media y una función potencial para los momentos de órdenes superiores. Las leyes de escalado han sido validadas con los datos obtenidos en las DNS, obteniendo una precisión excelente. Por último, se han realizado una simulaciones de flujo de Couette con el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, y números de Reynolds de fricción de valores Reτ = 180, 250 y 500. El principal objetivo era el estudio de las estructuras coherentes que se forman en estos flujos de Couette. En concreto, se ha visto que las intensidades turbulentas dependen del número y tamaño de las estructuras. Es por ello que se necesita como mínimo una anchura del dominio computacional de 6πh para que las estadísticas sean independientes. Una última serie de simulaciones ha sido llevada a cabo considerando flujo estratificado. El objetivo era estudiar si las estructuras de Couette persisten en este tipo de flujos. Para un Reτ = 500 y el número de Prandtl de aire, Pr = 0.71, se han tomado valores del número de Richardson de fricción, Riτ = 0.5, 1.65 y 2.90. Para los dos casos con el número de Richardson de fricción más alto, las estructuras del flujo de Couette se debilitan hasta el punto de ser casi inexistentes. Las principales estadísticas de las simulaciones se encuentran disponibles en la base de datos del grupo de investigación, la cual está abierta a la comunidad científica y se puede acceder desde el siguiente enlace http://personales.upv.es/serhocal/ / [CA] El principal objectiu d'aquesta tesis és l'estudi de fluids tèrmics turbulents en canals per obtenir un major coneixement sobre el fenomen de la turbulència. Per a això, s'ha realitzat un estudi des de el punt de vista de la mecànica de fluids computacional, més concretament, s'ha utilitzat la tècnica de les simulacions numèriques directes (DNS de les seues sigles en anglès). La idea principal de les simulacions realitzades ha sigut ampliar l'estat de l'art actual, en lo referent al dos paràmetres principals que caracteritzen un flux: el número de Reynolds de fricció, Reτ , i el número de Prandtl, Pr. Dos configuracions del fluid han sigut utilitzades: flux de Poiseuille i flux de Couette, sent la primera el principal focus de l'estudi. En quant al camp de temperatures, s'ha utilitzat una condició de contorn mixta i s'ha considerat com a un escalar passiu. Així doncs, els primers números de Reynolds de fricció simulats per a un flux de Poisuille han sigut Reτ = 500, 1000 i 2000, per a números de Prandtl que varien des de 0.007 (metalls fosos) fins 10 (aigua), passant per 0.71 que és el valor més utilitzat per se aquest el número de Prandtl de l'aire. A més, s'ha realitzat una simulació con Reτ = 5000 i Pr = 0.71, la qual és la DNS tèrmica con el número de Reynolds de fricció més alt fins avui. Destacar que per a números de Prandtl més alts, s'ha observat que el valor màxim de la variància de la temperatura és constant. Això té un important benefici en l'escalat cerca de la paret dels terminis de dissipació i difusió viscosa del balanç d'energia de θ′'+. Per últim, en lo referent a simulacions de fluxos de Poiseuille, s'ha estudiat el cas isotèrmic amb Reτ = 10000, el qual és el major DNS de un canal turbulent, obtenint per primera vegada en una DNS una capa logarítmica perfectament desenvolupada en el camp de les velocitats. Un estudi teòric , basat en les simetries de Lie, ha sigut portat a terme en paral·lel a les simulacions. El principal objectiu ha sigut la generació de lleis d'escalat, basades en primers principis, del camp de velocitats, temperatura i els moments d'altos ordres de ambdós camps. El resultat és que per a números de Reynolds i Péclet suficientment alts, aquests camps escalen com lleis de defecte de funcions de potència de la distància de la paret en el centre del canal. De la mateixa manera, s'ha obtingut un escalat de la velocitat en la capa logarítmica per al caso de Reτ = 10000, obtenint la clàssica funció logarítmica per a la velocitat mitjana i una funció potencial per als moments d'ordres superiors. Les lleis d'escalat han sigut validades amb les dades obtingudes en les DNS, obtenint una precisió excel·lent. Per últim, s'ha realitzat una simulació de fluxos de Couette amb el número de Prandtl d l'aire, Pr = 0.71, i números de Reynolds de fricció de valors Reτ = 180, 250 i 500. El principal objectiu era l'estudi de les estructures coherents que es formen en aquests fluxos de Couette. Concretament, s'ha vist que les intensitats turbulentes depenen del número i mesura de les estructures. Es per això que es necessita com a mínim una amplada del domini computacional de 6π h per a que les estadístiques siguin independents. Una última sèrie de simulacions ha sigut feta considerant el flux estratificat. L'objectiu era estudiar si les estructures de Couette persisteixen en aquest tipus de fluxos. Per a un Reτ = 500 i el número de Prandtl d'aire, Pr = 0.71, s'han agafat valors del número de Richardson de fricció, Riτ = 0.5, 1.65 i 2.90. Per als dos casos amb el número de Richardson de fricció més alt, les estructures de flux de Couette es debiliten fins al punt de ser casi inexistents. Les principals estadístiques de les simulacions es troben disponibles en les bases de dades del grup d'investigació, el qual està obert a la comunitat científica i es pot accedir des de el següent enllaç http://personales.upv.es/serhocal/ / [EN] The main objective of this thesis is the study of thermal turbulent channel flows to obtain a greater knowledge about the phenomenon of turbulence. For this, a study has been carried out from the point of view of computational fluid mechanics, specifically, the technique of direct numerical simulations (DNS) has been used. The main idea of the simulations conducted has been to expand the current state of the art, in relation to the two main parameters that characterize the flow: the friction Reynolds number, Reτ, and the Prandtl number, Pr. Two flow configurations have been used: Poiseuille flow and Couette flow, the former being the main focus of the study. Regarding the temperature field, a mixed boundary condition has been used and it has been considered as a passive scalar. Thus, the simulated friction Reynolds numbers for a Poisuille flow have been Reτ = 500, 1000 and 2000, for Prandtl numbers that vary from 0.007 (molten metals) to 10 (water), passing through 0.71 which is the value more used because this is the Prandtl number of the air. In addition, a simulation has been carried out with Reτ = 5000 and Pr = 0.71, which is the thermal DNS with the highest friction Reynolds number to date. It should be noted that for the highest Prandtl numbers, it has been observed that the maximum value of the variance of the temperature is constant. This has an important benefit in scaling near the wall of the dissipation and viscous diffusion budget terms of the τ'+. Finally, with regard to Poiseuille flow simulations, the isothermal case has been studied with Reτ = 10000, which is the highest DNS of a turbulent channel flow, obtaining for the first time in a DNS a perfectly developed logarithmic layer in the velocity field. A theoretical study, based on Lie symmetries, has been carried out in parallel to the simulations. The main objective has been the generation of scald laws, based on first principles, of the field of velocity, temperature and high order moments of both fields. The result is that for sufficiently high Reynolds and Péclet numbers, these fields scale as defect laws of power functions of the distance to the wall in the center of the channel. In the same way, a scaling of the speed in the logarithmic layer has been obtained for the case of Reτ = 10000, obtaining the classic logarithmic function for the average velocity and a potential function for the moments of higher orders. The scaling laws have been validated with the data obtained in the DNS, obtaining excellent precision. Finally, a set of Couette flow simulations have been carried out with the Prandtl number of air, Pr = 0.71, and Reynolds friction numbers of Reτ = 180, 250 and 500. The main objective was the study of coherent structures that are formed in these Couette flows. Specifically, it has been seen that turbulent intensities depend on the number and size of the structures. For this reason, a minimum width of the computational domain of 6πh is required for the statistics to be independent. A last series of simulations has been carried out considering stratified flow. The objective was to study whether Couette structures persist in this type of flow. Thus, for a Reτ = 500 and the Prandtl number of air, Pr = 0.71, the values of the friction Richardson number have been varied according to, Riτ = 0.5, 1.65 and 2.90, for each simulation. For the two cases with the highest friction Richardson number, the Couette flow structures weaken to the point of being almost non-existent. The main statistics of the simulations are available in the research group's database, which is open to the scientific community and can be accessed from the following link http://personales.upv.es/serhocal/ / Esta tesis ha recibido la ayuda de MINECO/FEDER proyecto ENE2015-71333-R. / Alcántara Ávila, F. (2021). Study of the thermal field of turbulent channel flows via Direct Numerical Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180122 / TESIS

No description available.

The near-wall modelling of turbulent flows has been an active field of research due to the computational cost associated with the direct numerical simulations of such flow, which are characterized by a wide range of length and time scales. With the recent advancements in technological capabilities, the availability of high-fidelity data has enabled the construction of data-driven approaches to model turbulence. In this thesis, deep-learning models are used to model the dynamically important near-wall region in a turbulent boundary layer. As a first step, a direct numerical simulation (DNS) of an incompressible zero-pressure-gradient (ZPG) turbulent boundary layer (TBL) over a flat plate is performed using a pseudo-spectral code, SIMSON (Chevalier et al., 2007). The Reynolds number based on free-stream velocity and inlet displacement thickness is 450 and the passive scalars are simulated at Prandtl numbers of 1, 2, 4 and 6. Turbulence statistics for the flow and thermal fields are computed and compared against the numerical simulations at a similar Reynolds number. To generate the training, validation and test datasets for the neural network, the turbulent velocity fluctuation fields are sampled at various wall-normal locations, y+ = 15, 30, 50, 100 at a constant sampling time of ∆t+ = 0.99, in addition to the streamwise and spanwise wall-shear-stress fields, pressure field and heat flux fields at the wall. A fully convolutional network (FCN) based model is proposed for the prediction of two-dimensional velocity-fluctuation fields farther from the wall using the sampled fields at the wall. The quality of predictions from the network is assessed based on (i) the mean-squared error (MSE) between the predictions and the DNS fields, (ii) the relative percentage error in prediction of root-mean-squared (RMS) of fluctuations or fluctuation intensity and (iii) the correlation coefficient between the predicted and the DNS fields. Different types of predictions are performed, where the three components of the velocity-fluctuation fields are predicted simultaneously by the FCN, and these predictions are classified based on the input fields to the FCN. Three different types of predictions are presented in this study, and an auxiliary-loss-function approach is also introduced to improve the performance of the FCN. The results from the proposed data-driven model for ZPG TBL shows a good capability in the prediction of both the instantaneous fluctuation fields and the turbulent statistics like fluctuation intensity. In particular, the prediction of velocity-fluctuation fields at y+ = 30 using only the heat-flux field at Pr = 6 exhibits less than 12% error in the prediction of streamwise fluctuation intensity. The results obtained in this study indicate the potential of FCN in serving as a computationally effective tool to predict turbulent-velocity-fluctuation fields close to the wall using the inputs from the wall and finds useful application in flow-control problems. / Nära väggmodelleringen av turbulenta flöden har varit ett aktivt forskningsfält på grund av beräkningskostnaderna i samband med de direkta numeriska simuleringarna av sådant flöde, som kännetecknas av ett brett spektrum av längd- och tidsskalor. Med de senaste tekniska framstegen har tillgången på data i hög kvalitet möjliggjort konstruktion av datadrivna metoder för modellturbulens. I denna avhandling används djupinlärningsmodeller för att modellera det dynamiskt viktiga området nära väggen i ett turbulent gränsskikt. Som ett första steg utförs en direkt numerisk simulering (DNS) av ett inkomprimerbart nolltryck-gradient (ZPG) turbulent gränsskikt (TBL) över en platt platta med hjälp av en pseudo-spektral kod, SIMSON (Chevalier et al., 2007). Reynolds-talet baserat på friströmshastighet och inloppsförskjutningstjocklek är 450 och de passiva skalarna simuleras vid Prandtlnumbers på 1, 2, 4 och 6. Turbulensstatistik för flödet och termiska fält beräknas och jämförs med de numeriska simuleringarna vid ett liknande Reynolds -nummer. För att generera utbildnings-, validerings- och testdatauppsättningar för det neuralanätverket samplas turbulenta hastighetsfluktuationsfält på olika väggnormala platser, y+ = 15, 30, 50, 100 vid en konstant provtagningstid på ∆t+ ≈ 0, 99, dessutom till strömmande och spanvisa väggskjuvspänningsfält, tryckfält och värmeflödesfält vid väggen. En helt konvolutionsnät (FCN) baserad modell föreslås för förutsägelse av tvådimensionella hastighetsfluktuationsfält längre från väggen med hjälp av de samplade fälten vid väggen. Kvaliteten påförutsägelser från nätverket bedöms baserat på (i) medelkvadratfelet (MSE) mellan förutsägelserna och DNS-fälten, (ii) det relativa procentuella felet vid förutsägelse av rot-medelkvadrat (RMS) för fluktuationer eller fluktuationsintensitet och (iii) korrelationskoefficienten mellan de förutsagda och DNS fälten. Olika typer av förutsägelser utförs, där de tre komponenterna i hastighetsfluktuationsfälten förutspås samtidigt av FCN, och dessa förutsägelser klassificeras baserat på inmatningsfälten till FCN. Tre olika typer av förutsägelser presenteras i denna studie, och en metod för hjälp-förlustfunktion introduceras också för att förbättra prestanda för FCN. Resultaten från den föreslagna datadrivna modellen för ZPG TBL visar en god förmåga i förutsägelsen av både momentana fluktuationsfält och den turbulenta statistiken som fluktuationsintensitet. I synnerhet uppvisar förutsägelsen av hastighetsfluktuationsfält at y+ = 30 med endast värmeflödesfältet vid Pr = 6 mindre än 12% fel i förutsägelsen av strömningsvis fluktuationsintensitet. Resultaten som erhållits i denna studie indikerar FCN: s potential att fungera som ett beräkningsmässigt effektivt verktyg för att förutsäga turbulenta hastighetsfluktuationsfält nära väggen med hjälp av ingångarna från väggen och finner användbar tillämpning i flödeskontroll -problem.

The article describes direct numerical simulations using an Euler–Lagrange approach with an immersed-boundary method to resolve the geometry and trajectory of particles moving in a flow. The presentation focuses on own work of the authors and discusses elements of physical and numerical modeling in some detail, together with three areas of application: microfluidic transport of spherical and nonspherical particles in curved ducts, flows with bubbles at different void fraction ranging from single bubbles to dense particle clusters, some also subjected to electro-magnetic forces, and bedload sediment transport with spherical and nonspherical particles. These applications with their specific requirements for numerical modeling illustrate the versatility of the approach and provide condensed information about main findings.

Transition delay in boundary-layer flows is achieved via reactive control of flow instabilities, i.e. Tollmien-Schlichting (TS) waves. Adaptive and model-based control techniques are investigated by means of direct numerical simulations (DNS) and experiments. The action of actuators localised in the wall region is prescribed based on localised measurement of the disturbance field; in particular, plasma actuators and surface hot-wire sensors are considered. Performances and limitations of this control approach are evaluated both for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) disturbance scenarios. The focus is on the robustness properties of the investigated control techniques; it is highlighted that static model-based control, such as the linear-quadratic- Gaussian (LQG) regulator, is very sensitive to model-inaccuracies. The reason for this behaviour is found in the feed-forward nature of the adopted sensor/actuator scheme; hence, a second, downstream sensor is introduced and actively used to recover robustness via an adaptive filtered-x least-mean-squares (fxLMS) algorithm. Furthermore, the model of the flow required by the control algorithm is reduced to a time delay. This technique, called delayed-x least-mean-squares (dxLMS) algorithm, allows taking a step towards a self-tuning controller; by introducing a third sensor it is possible to compute on-line the suitable time-delay model with no previous knowledge of the controlled system. This self-tuning approach is successfully tested by in-flight experiments on a motor-glider. Lastly, the transition delay capabilities of the investigated control con- figuration are confirmed in a complex disturbance environment. The flow is perturbed with random localised disturbances inside the boundary layer and the laminar-to-turbulence transition is delayed via a multi-input-multi-output (MIMO) version of the fxLMS algorithm. A positive theoretical net-energy- saving is observed for disturbance amplitudes up to 2% of the free-stream velocity at the actuation location, reaching values around 1000 times the input power for the lower disturbance amplitudes that have been investigated. / I den här avhandlingen har reglertekniska metoder tillämpats för att försena omslaget från ett laminärt till ett turbulent gränsskikt genom att dämpa tillväxten av små instabiliteter, så kallade Tollmien-Schlichting vågor. Adaptiva och modellbaserade metoder för reglering av strömning har undersökts med hjälp av numeriska beräkningar av Navier-Stokes ekvationer, vindtunnelexperiment och även genom direkt tillämpning på flygplan. Plasmaaktuatorer och varmtrådsgivare vidhäftade på ytan av plattan eller vingen har använts i experimenten och modellerats i beräkningarna. Prestanda och begränsningar av den valda kontrollstrategin har utvärderats för både tvådimensionella och tredimensionella gränsskiktsinstabiliteter. Fokus har varit på metodernas robusthet, där vi visar att statiska metoder som linjär-kvadratiska regulatorer (LQG) är mycket känsliga för avvikelser från den nominella modellen. Detta beror främst på att regulatorer agerar i förkompenseringsläge (”feed-foward”) på grund av strömningens karaktär och placeringen av givare och aktuatorer. För att minska känsligheten mot avvikelser och därmed öka robustheten har en givare införts nedströms och en adaptiv fXLMS algoritm (filtered-x least-mean-squares) har tillämpats.                  Vidare har modelleringen av fXLMS-algoritmen förenklats genom att ersätta överföringsfunktionen mellan aktuatorer och givare med en lämplig tidsfördröjning.  Denna  metod som kallas för dxLMS (delayed-x least-mean-squares) kräver att ytterligare en givare införs långt uppströms för att kunna uppskatta hastigheten på de propagerande instabilitetsvågorna. Denna teknik har tillämpats framgångsrikt för reglering av gränsskiktet på vingen av ett segelflygplan. Slutligen har de reglertekniska metoderna testas för komplexa slumpmässiga tredimensionella störningar som genererats uppströms lokalt i gränsskiktet. Vi visar att en signifikant försening av laminärt-turbulentomslag äger rum med hjälp av en fXLMS algoritm. En analys av energibudgeten visar att för ideala aktuatorer och givare kan den sparade energiåtgången på grund av minskad väggfriktion vara upp till 1000 gånger större än den energi som använts för reglering.

Lors d'un hypothétique accident grave de réacteur à eau sous pression, un mélange de matériaux fondus, appelé corium, issu de la fusion du cœur peut se relocaliser dans le puits de cuve constitué par un radier en béton. Les codes d'évaluation réacteur pour simuler la phénoménologie de l'interaction corium-béton sont basés sur une description à grande échelle des échanges qui soulève de nombreuses questions, tant sur la prise en compte des phénomènes multi-échelles mis en jeu que sur la structure adoptée de la couche limite au voisinage du front d'ablation. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail consiste à aborder le problème de la structure de la couche limite par simulation numérique directe. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général d'une description et d'une modélisation multi-échelle des échanges, c'est-à-dire de l'échelle locale associée au voisinage du front d'ablation jusqu'à l'échelle du code d'évaluation réacteur. Une telle description multi-échelle des échanges soulève le problème de la description locale de l'écoulement multiphasique multiconstituant mais aussi le problème du changement d'échelle et en particulier le passage de l'échelle locale à l'échelle de description supérieure dite macroscopique associée aux mouvements convectifs dans le bain de corium. Parmi les difficultés associées au changement d'échelle, nous nous intéressons à la problématique de la construction de conditions aux limites effectives ou lois de parois pour les modèles macroscopiques. Devant la complexité du problème multiphasique multiconstituant posé au voisinage du front, cette contribution a été abordée sur un problème modèle. Des conditions aux limites dites effectives ont été construites dans le cadre d'une méthode de décomposition de domaine puis testées pour un problème d'écoulement laminaire de convection naturelle sur parois rugueuses. Mˆeme si le problème traité reste encore éloigné des applications visées, cette contribution offre de nombreuses perspectives et constitue une première étape d'une modélisation multiéchelle des échanges pour la problématique de l'interaction corium-béton. Dans le cas plus complexe des écoulements multiphasiques multiconstituants et devant les difficultés expérimentales associées, le développement de lois de parois pour les outils existants aux échelles de description supérieures nécessite, au préalable, de disposer d'un outil de simulation numérique directe de l'écoulement au voisinage du front d'ablation. L'outil développé dans ce travail correspond à un modèle de Cahn-Hilliard/Navier-Stokes pour un mélange diphasique (liquide-gaz) compositionnel (corium-béton fondu) s'appuyant sur une description du système selon trois paramètres d'ordre associés respectivement aux fractions volumiques du gaz et aux deux espèces miscibles de la phase liquide ainsi que sur une décomposition de l'énergie libre selon une contribution diphasique et compositionnelle. Les équations de transport sont dérivées dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles et résolues sur la base d'une application éléments finis de la plate-forme PELICANS. Plusieurs expériences numériques illustrent la validité et les potentialités d'application de cet outil sur des problèmes diphasiques et/ou compositionnels. Enfin, à partir de l'outil développé, nous abordons par simulation numérique directe une étude de la structure de la couche limite au voisinage du front d'ablation pour des bétons siliceux et silico-calcaire. / In the late phases of some scenario of hypothetical severe accident in Pressurized Water Reactors, a molten mixture of core and vessel structures, called corium, comes to interact with the concrete basemat. The safety numerical tools are lumped parameter codes. They are based on a large averaged description of heat and mass transfers which raises some uncertainties about the multi-scale description of the exchanges but also about the adopted boundary layer structure in the vicinity of the ablation front. In this context, the aim of this work is to tackle the problem of the boundary layer structure by means of direct numerical simulation. This work joins within the more general framework of a multi-scale description and a multi-scale modeling, namely from the local scale associated with the vicinity of the ablation front to the scale associated with the lumped parameter codes. Such a multi-scale description raises not only the problem of the local description of the multiphase multicomponent flow but also the problem of the upscaling between the local- and the macro-scale which is associated with the convective structures within the pool of corium. Here, we are particularly interested in the building of effective boundary conditions or wall laws for macro-scale models. The difficulty of the multiphase multicomponent problem at the local scale leads us to consider a relatively simplified problem. Effective boundary conditions are built in the frame of a domain decomposition method and numerical experiments are performed for a natural convection problem in a stamp shaped cavity to assess the validity of the proposed wall laws. Even if the treated problem is still far from the target applications, this contribution can be viewed as a first step of a multi-scale modeling of the exchanges for the molten core concrete issue. In the more complicated case of multiphase multicomponent flows, it is necessary to have a direct numerical simulation tool of the flow at the local scale to build wall laws for macro-scale models. Here, the developed tool corresponds to a Cahn-Hilliard/Navier-Stokes model for a two-phase compositional system. It relies on a description of the system by three volume fractions and on a free energy composed by a two-phase part and a compositional part. The governing equations are derived in the frame of the thermodynamic of irreversible processes. They are solved on the basis of a finite element application of the object-oriented software component library PELICANS. Several numerical experiments illustrate the validity and the potentialities of application of this tool on two-phase compositional problems. Finally, using the developed tool, we tackle by means of direct numerical simulation the problem boundary layer structure in the vicinity of the ablation front for limestone-sand and siliceous concretes.