Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D’un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s’agit, d’une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d’autre part, le code PPMBFS développé à l’Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l’approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d’un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l’hypothèse de l’Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d’écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l’accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d’un canal industriel (en l’occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d’écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques. / This research deals with the numerical simulation of compressible turbulent flows with heat transfers, applied to rocket engines. It relates more particularly the cooling of combustion chambers, in which a fluid flows in a supercritical state (high pressure and low temperature) inside millimeter channels. These problems involve complex physical phenomena and coupling between compressible aspects and heat transfer phenomena as well as supercritical thermodynamics. From a numerical point of view, two specific solvers have been used in the context of this thesis. The first code (CHOC-WAVES) has been developed in the CORIA lab for compressible flows and shock waves. The second one (PPMBFS) has been developed at the Pennsylvania University for applications with supercritical thermodynamics variables. In terms of physical modeling, the LES approach has been widely used in support of DNS. In this context, a thermal subgrid model using a variable turbulent Prandtl number has been integrated and validated. A supersonic cooled channel has been simulate dusing both LES and DNS techniques and its results have been carefully analysed through the aerothermics correlations and coherent structures. In particular, it has been shown that the Strong Reynolds Analogy hypothesis (SRA), in the case of a strongly anisothermal flow is not valid anymore. The wall heat flux had an impact on the coherent structures. The issue of real gases was then examined through the industrial channel flow simulation (EH3C). This study has high lighted the difficulties (both numerical and physical) associated with this type of flow. The various investigations have provided useful information, especially regarding the phenomenology of coherent structures and various aerothermodynamics correlations.

L'objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes d'allumage d'un noyau de flamme en écoulements laminaires et turbulents. Dans un premier temps, une étude préliminaire est consacrée à l'analyse du dispositif d'allumage par étincelle induite par laser et à l'étude de l'initiation du noyau de flamme en écoulement laminaire prémélangé. Dans un second temps, l'étude de l'allumage est réalisée en écoulement turbulent prémélangé, afin de mettre en évidence l'effet des fluctuations turbulentes de vitesse sur l'initiation de noyau de flamme. Enfin, dans le cas d'un écoulement turbulent nonprémélangé, l'influence du champ local et instantané de fraction de mélange sur l'allumage et le développement du noyau de flamme est analysée.

L'objectif de la thèse est d'étudier les mécanismes d'allumage d'un noyau de flamme en écoulements laminaires et turbulents. Dans un premier temps, une étude préliminaire est consacrée à l'analyse du dispositif d'allumage par étincelle induite par laser et à l'étude de l'initiation du noyau de flamme en écoulement laminaire prémélangé. Dans un second temps, l'étude de l'allumage est réalisée en écoulement turbulent prémélangé, afin de mettre en évidence l'effet des fluctuations turbulentes de vitesse sur l'initiation de noyau de flamme. Enfin, dans le cas d'un écoulement turbulent nonprémélangé, l'influence du champ local et instantané de fraction de mélange sur l'allumage et le développement du noyau de flamme est analysée. / The aim of the Ph-D thesis is to study ignition mechanisms of a flame kernel in laminar and turbulent flows. First, a preliminary study is devoted to the analysis of the laser-induced spark ignition system and to the study of the flame kernel initiation in premixed laminar flow. Then, the study of the ignition is performed in turbulent premixed flow, to highlight the influence of velocity turbulent fluctuations on the flame kernel initiation. Finally, in turbulent non-premixed flows, the effect of the local and instantaneous mixture fraction on the flame kernel initiation and development is analyzed.

Cette thèse traite par simulation numérique les écoulements turbulents compressibles avec transferts de chaleur, en relation avec les applications moteurs-fusées. Elle concerne, plus particulièrement, les systèmes de refroidissement des chambres de combustion. Le fluide refroidissant circule dans un état supercritique (haute pression et basse température) dans des canaux millimétriques, entourant la chambre de combustion. Ces problèmes font appel à une physique assez complexe et mettent en jeu un couplage fort entre les aspects compressibles et les transferts thermiques, en plus des phénomènes liés à la thermodynamique supercritique. D'un point de vue numérique, deux solveurs spécifiques ont été utilisés dans le cadre de cette thèse. Il s'agit, d'une part, du code CHOC-WAVES développé au CORIA pour la partie compressible et onde de choc et, d'autre part, le code PPMBFS développé à l'Université de Pennsylvanie (USA) pour les applications supercritiques et avec une thermodynamique variable. Sur le plan de la modélisation physique, l'approche LES a été utilisée, en appui des simulations DNS. Dans ce contexte, un modèle de sous-maille thermique, pour la prise en compte du Prandtl turbulent variable, a été intégré et validé. Les résultats obtenus, dans le cadre des LES et DNS d'un canal supersonique refroidi, ont permis de mieux analyser les corrélations aérothermiques ainsi que les structures cohérentes présentes au sein de cet écoulement. En particulier, il a été montré les limites de l'hypothèse de l'Analogie Forte de Reynolds (SRA) dans le cas d'écoulements fortement anisothermes, et le rôle joué par les structures tourbillonnaires dans l'accentuation des transferts pariétaux. La problématique des gaz réels a été ensuite examinée dans le cadre d'un canal industriel (en l'occurence EH3C). Cette étude a permis de mettre en évidence les difficultés (à la fois numérique et physique) liées à ce type d'écoulement. Les différentes investigations ont permis de fournir des informations utiles, notamment en ce qui concerne la phénoménologie des structures cohérentes et les différentes corrélations aérothermodynamiques.

Ce document présente une synthèse d'une dizaine de recherches sur les garnitures mécaniques. Ce sont des composant d'étanchéité dynamique pour arbres tournants. L'interface de l'étanchéité met en jeu de nombreux phénomènes physiques qui interagissent. Une analyse de ces différents effets et interactions est proposée

Dans cette thèse nous explorons les possibilités offertes par l'implémentation de méthodes hybrides sur des machines de calcul hétérogènes dans le but de réaliser des simulations numériques de problèmes multiéchelles. La méthode hybride consiste à coupler des méthodes de diverses natures pour résoudre les différents aspects physiques et numériques des problèmes considérés. Elle repose sur une méthode particulaire avec remaillage qui combine les avantages des méthodes Lagrangiennes et Eulériennes. Les particules sont déplacées selon le champ de vitesse puis remaillées à chaque itération sur une grille en utilisant des formules de remaillage d'ordre élevés. Cette méthode semi-Lagrangienne bénéficie des avantages du maillage régulier mais n'est pas contrainte par une condition de CFL.Nous construisons une classe de méthodes d'ordre élevé pour lesquelles les preuves de convergence sont obtenues sous la seule contrainte de stabilité telle que les trajectoires des particules ne se croisent pas.Dans un contexte de calcul à haute performances, le développement du code de calcul a été axé sur la portabilité afin de supporter l'évolution rapide des architectures et leur nature hétérogène. Une étude des performances numériques de l'implémentation GPU de la méthode pour la résolution d'équations de transport est réalisée puis étendue au cas multi-GPU. La méthode hybride est appliquée à la simulation du transport d'un scalaire passif dans un écoulement turbulent 3D. Les deux sous-problèmes que sont l'écoulement turbulent et le transport du scalaire sont résolus simultanément sur des architectures multi-CPU et multi-GPU. / In this work, we investigate the implementation of hybrid methods on heterogeneous computers in order to achieve numerical simulations of multi-scale problems. The hybrid numerical method consists of coupling methods of different natures to solve the physical and numerical characteristics of the problem. It is based on a remeshed particle method that combines the advantages of Lagrangian and Eulerian methods. Particles are pushed by local velocities and remeshed at every time-step on a grid using high order interpolation formulas. This forward semi-lagrangian method takes advantage of the regular mesh on which particles are reinitialized but is not limited by CFL conditions.We derive a class of high order methods for which we are able to prove convergence results under the sole stability constraint that particle trajectories do not intersect.In the context of high performance computing, a strong portability constraint is applied to the code development in order to handle the rapid evolution of architectures and their heterogeneous nature. An analysis of the numerical efficiency of the GPU implementation of the method is performed and extended to multi-GPU platforms. The hybrid method is applied to the simulation of the transport of a passive scalar in a 3D turbulent flow. The two sub-problems of the flow and the scalar calculations are solved simultaneously on multi-CPU and multi-GPU architectures.

Des mélanges de gaz et de particules sont présents dans divers environnements géophysiques. De tels mélanges chauds sont générés par des éruptions volcaniques explosives et comprennent des écoulements de conduit, des jets et des panaches, ainsi que des courants de densité pyroclastiques. La concentration de particules dans ces mélanges volcaniques peut varier fortement, allant de concentrations élevées (>50 % en volume) dans les écoulements denses fluidisés à des concentrations très faibles dans les suspensions diluées dans lesquelles les particules sont mises en suspension par la phase gazeuse turbulente. Une limite de concentration inférieure à ~% en volume dans les suspensions diluées a été suggérée par des études récentes, car des concentrations plus élevées nécessiteraient une énergie cinétique turbulente excessive. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier expérimentalement le comportement d'un écoulement d'air turbulent dans un cylindre avec des concentrations de particules croissantes, pour différents nombres de Reynolds et en utilisant différents types de particules. Les nombres de Reynolds des mélanges gaz-particules dans les expériences atteignaient ~106. Une première série d'expériences a été menée avec des billes de verre de différentes tailles allant de 75-80 μm jusqu'à 2 mm, pour un total de huit tailles de particules. Au-dessus d'un seuil de concentration moyenne de 0.5-3 % en volume, qui augmentait avec le nombre de Reynolds, le comportement de l'écoulement a montré une transition d'une suspension homogène de particules (sous la concentration maximale) vers une séparation en une partie basale dense et une partie supérieure diluée contenant la concentration maximale des particules. Ce seuil de concentration a été détecté à l'aide de mesures de pression et d'une méthode impliquant une sphère dont la densité était légèrement inférieure à la densité apparente des particules et qui pouvait donc flotter au-dessus de la partie basale dense, si celle-ci était présente. Des vidéos à haute vitesse ont révélé que l'apparition de la concentration maximale de particules coïncidait avec l'émergence d’amas de particules dans la partie turbulente diluée. Dans une deuxième partie de la thèse, les expériences ont été répétées pour cinq gammes de tailles de particules de céramique et elles ont révélé le même comportement général que pour les billes de verre. Pour les deux types de particules, une concentration maximale a pu être détectée pour presque toutes les tailles de particules et a montré une augmentation avec le nombre de Reynolds à la puissance 1/5 (billes de verre) ou 0.4 (billes de céramique). Compte tenu du nombre de Reynolds des particules, la concentration maximale des particules augmente ensuite jusqu'à la puissance de 1/6 pour les particules de céramique et de verre. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure des mélanges gaz-particules volcaniques et ils fournissent également des contraintes pour les données d'entrée et de sortie des simulations numériques et pour les observations géophysiques. / Mixtures consisting of gas and particles can be found in various geophysical environments. Hot mixtures are generated by explosive volcanic eruptions and include conduit flows, jets and buoyant plumes, and pyroclastic density currents. The particle concentration within these volcanic mixtures can vary highly, from high concentrations (>50 vol. %) in dense fluidized flows to very low concentrations in dilute suspensions in which the particles are suspended by the turbulent gas phase. A concentration limit of less than ~1 vol. % in dilute suspensions was suggested by recent studies, as higher concentrations would require excessive turbulent kinetic energy. The main objective of this thesis was to investigate experimentally the behavior of a turbulent air flow in a pipe with increasing particle concentrations, for different Reynolds numbers and using different types of particles. The Reynolds numbers of the gas-particle mixtures in the experiments were up to ~106. A first set of experiments was conducted with glass beads of varying sizes from 75-80 μm up to 2 mm, for eight particle size ranges in total. Above a bulk concentration threshold of ~0.5-3 vol. %, which increased with the Reynolds number, the flow behavior changed from a homogeneous suspension of particles (below the maximum concentration) to a separation into a dense basal part and an upper dilute part carrying the maximum concentration of particles. This concentration threshold was detected with pressure measurements and a method that involved a ball of a slightly lower density than the bulk density of the particles, which could thus float over the dense basal part, if present. High-speed videos revealed that the occurrence of the maximum particle concentration coincided with the emergence of particle clusters in the dilute turbulent part. In a second part of the thesis, the experiments were repeated for five ceramic particle size ranges and they yielded the same general behavior as for the glass beads. For both types of particles, a maximum concentration could be detected for almost all particle size ranges and showed an increase with the mixture Reynolds number to the power 1/5 (glass beads) or 0.4 (ceramic beads). Considering the particle Reynolds number the maximum particle concentration then increase to the power 1/6 for both ceramic and glass particles. These results give new insights about the structure of volcanic gas-particle mixtures and they also provide constraints for input and output data of numerical simulations and for geophysical observations.

Cette thèse est composée de trois parties. Dans la première, nous considérons un système d'équations Reynolds Averaged Navier-Stokes en 3D, modélisant le couplage de deux fluides turbulents ( par exemple, océan/atmosphére). Nous proposons un schéma numérique, et nous montrons sa convergence vers l'unique solution du modèle.<br />La seconde partie est consacrée à une extension des méthodes spectrales dans des géométries complexes. Cette nouvelle méthode s'appuie sur deux idées: traitement des conditions aux limites de Dirichlet par pénalisation, en suivant la méthode de Nitsche, et une approximation de la géométrie par des pavés, en utilisant une octree (par exemple). <br />Nous donnons des erreurs de projection polyômiale et des estimations a priori. <br />Enfin, la dernière partie est consacrée au calucl scientifique où on a implémenté en C++ et validé cette méthode dans le logiciel FreeFem3d.

Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche effectués depuis ma soutenance de thèse en septembre 2005. L'ensemble s'articule autour de problèmes touchant aux écoulements turbulents, tant monophasiques que multiphasiques abordés principalement d'un point de vue expérimental. Les problèmes traités sont tout autant d'ordre fondamental que plus appliqué. Cette présentation est organisée autour de 3 axes : 1. les instabilités et bifurcations en écoulements turbulents monophasiques ; 2. l'étude des écoulements dans les machines tournantes et leur conception ; 3. la dynamique et les instabilités en écoulements diphasiques. Ces 3 axes ont en commun un certain nombre de traits, comme la caractérisation au moyen d'outils expérimentaux conçus à dessein, l'analyse des données obtenues (signaux temporels ou champs de vitesse LDV/PIV) au moyen du développement d'outils de post-traitement (analyse d'image) et enfin l'intérêt porté aux phénomènes instationnaires et dynamiques.

Les écoulements turbulents de gaz denses, qui sont d’un grand intérêt pour un large éventail d'applications, sont le siège de phénomènes physiques encore peu connus et difficiles à étudier par des approches expérimentale. Dans ce travail, nous étudions pour la première fois l’influence des effets de gaz denses sur la structure de la turbulence compressible à l’aide de simulations numériques. Le fluide considéré est le PP11, un fluorocarbure lourd, dont le comportement thermodynamique a été représenté à l’aide de différentes lois d’état, afin de quantifier la sensibilité des solutions aux choix de modélisation. Nous avons considéré d’abord la décroissance d’une turbulence homogène isotrope compressible. Les fluctuations de température sont négligeables, alors que celles de la vitesse du son sont importantes à cause de leur forte dépendance de la densité. Le comportement particulier de la vitesse du son modifie de manière significative la structure de la turbulence, conduisant à la formation de shocklets de détente. L’analyse de la contribution des différentes structures à la dissipation d’énergie et à la génération d’enstrophie montre que, pour un gaz dense, les régions de forte dilatation jouent un rôle similaire à celles de forte compression, contrairement aux gaz parfaits, dans lesquels le comportement est fortement dissymétrique. Ensuite, nous avons mené des simulations numériques pour une configuration de canal plan en régime supersonique, pour plusieurs valeurs des nombres de Mach et de Reynolds. Les résultats confirment la validité de l’hypothèse de Morkovin. L’introduction d’une loi d’échelle semi-locale prenant en compte le variations de densité et viscosité, permet de comparer les profils des grandeurs turbulentes (contraintes de Reynolds, anisotropie, budgets d’énergie) avec ces observés en gaz parfait. Les variables thermodynamiques, quant à elles, présentent une évolution très différente pour un gaz parfait et pour un gaz dense, la chaleur spécifique élevée de ce dernier conduisant à un découplage des effets dynamiques et thermiques et à un comportement proche de celui d’un fluide incompressible avec des propriétés variables. / Dense gas turbulent flows, of great interest for a wide range of engineering applications, exhibit physical phenomena that are still poorly understood and difficult to reproduce experimentally. In this work, we study for the first time the influence of dense gas effects on the structure of compressible turbulence by means of numerical simulations. The fluid considered is PP11, a heavy fluorocarbon, whose thermodynamic behavior is described by means of different equations of state to quantify the sensitivity of solutions to modelling choices. First, we considered the decay of compressible homogeneous isotropic turbulence. Temperature fluctuations are found to be negligible, whereas those of the speed of sound are large because of the strong dependence on density. The peculiar behavior of the speed of sound significantly modifies the structure of the turbulence, leading to the occurrence of expansion shocklets. The analysis of the contribution of the different structures to energy dissipation and enstrophy generation shows that, for a dense gas, high expansion regions play a role similar to high compression ones, unlike perfect gases, in which the observed behaviour is highly asymmetric. Then, we carried out numerical simulations of a supersonic turbulent channel flow for several values of Mach and Reynolds numbers. The results confirm the validity of the Morkovin' hypothesis. The introduction of a semi-local scaling, taking into account density and viscosity variations across the channel, allow to compare the wall-normal profiles of turbulent quantities (Reynolds stresses, anisotropy, energy budgets) with those observed in ideal gases. Nevertheless, the thermodynamic variables exhibit a different evolution between perfect and dense gases, since the high specific heats of the latter lead to a decoupling of dynamic and thermal effects, and to a behavior close to that of variable property incompressible fluids.