Bibliography: leaves 184-190 / viii, 190 leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Applied Mathematics, 1987

Η παρούσα εργασία αναφέρεται στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωματικού μοντέλου 2ης τάξης για επίπεδες και κυκλικές, τυρβώδεις ανωστικές φλέβες σε περιβάλλοντα όπου επικρατεί στρωματοποίηση πυκνότητας και αποτελεί επέκταση μελέτης του Αναπληρωτή Καθηγητή του Πανεπιστημίου Πατρών Παναγιώτη Γιαννόπουλου η οποία έχει δημοσιευτεί υπό τον τίτλο “ An improved integral model for plane and round turbulent buoyant jets” στο περιοδικό J. Fluid Mech. το 2006, όπου μελετάται και αναπτύσσεται ένα παρόμοιο μοντέλο σε μη στρωματοποιημένο περιβάλλον. Αρχικά οι μερικές διαφορικές εξισώσεις του όγκου, της ορμής και της διατήρησης του ιχνηθέτη ολοκληρώνονται στην διατομή της ανωστικής φλέβας, παίρνοντας δεδομένο πως ισχύει η αρχή της αυτό-ομοιότητας. Το κλείσιμο της τύρβης επιτυγχάνεται με την υπόθεση ενός σταθερού ρυθμού εξάπλωσης της ανωστικής φλέβας μέχρι το σημείο που αυτό παγιδεύεται εξαιτίας της στρωματοποίησης. Οι κανονικές διαφορικές εξισώσεις που προκύπτουν από αυτή την ολοκλήρωση σχηματίζουν ένα σύστημα εξισώσεων το οποίο λύνεται με την βοήθεια ενός αλγορίθμου Runge-Kutta 4ης τάξης που διαμορφώσαμε κατάλληλα. Έπειτα το μοντέλο επικυρώνεται με την σύγκριση των αποτελεσμάτων αυτής της αριθμητικής διαδικασίας με αποτελέσματα απο Yannopoulos (2006) και εξάγονται συμπεράσματα και παρατηρήσεις για την επίδραση της στρωματοποίησης στην διάδοση της φλέβας, επιπλέον επιχειρείται μια προσπάθεια ανάπτυξης ενός συμπληρωματικού μοντέλου ρευστομηχανικής ανάλυσης των φαινομένων που εξελίσσονται εντός της παγιδευμένης περιοχής. Σκοπός συνεπώς αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου ερευνητικού εργαλείου που θα μπορέσει να προβλέπει κατανομές ταχυτήτων, συγκεντρώσεων αλλά και γεωμετρικά και άλλα σημαντικά μεγέθη σε τυρβώδεις ανωστικές φλέβες που εμφανίζονται σε περιβάλλοντα όπου η στρωματοποίηση παίζει σημαντικό ρόλο. / The specific study refers to the development of a second order integral model for plane and round, turbulent, buoyant jets in stratified environments and is considered as an extension to the primary study of Pr. Yannopoulos, of the university of Patras, which was published under the title "An improved integral model for plane and round turbulent buoyant jets” in 2006 at J. Fluid Mech where a similar model is being studied in a uniform environment. Originally the partial differential equations of volume, momentum and conservation of tracer are integrated in the cross section of the buoyant jet with the help of the self similarity assumption. The closure of the turbulence is succeeded with the use of the spreading concept up to the point where the jet gets trapped. The ordinary differential equations that result from this procedure produce a set of equations which gets solved by a 4th order Runge-Kutta algorithm which was configured properly. After that the model gets validated via the comparison of its results with the findings of Yannopoulos for the same phenomenon in a uniform environment so that we can make observations and reach to conclusions considering the effect of stratification for the spreading of the jet. Moreover the development of a complementary model is attempted in order to provide a fluid dynamic analysis for the phenomena that take place inside the trapped area. Therefore the purpose of the specific study is the development of a reliable research tool that can predict the distributions of velocity and concentration as well as geometric and some other important quantities that play a significant role in these kind of jets.

Οι ροές φλεβών άνωσης παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον στην περιβαλλοντική υδραυλική και στη μηχανική των ρευστών, επειδή εμφανίζονται σε αρκετά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάθεση υγρών αποβλήτων ή θερμικών απορρίψεων σε υδάτινους αποδέκτες καθώς επίσης και την εκπομπή αερίων ενώσεων από καμινάδες στην ατμόσφαιρα. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η ροή κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής ανωστικής φλέβας εντός ακίνητου ή κινούμενου αποδέκτη και η αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Στα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, ο υπολογισμός του πεδίου ροής και διάχυσης μιας κεκλιμένης ανωστικής φλέβας πραγματοποιείται επιλύοντας το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη, για τη μέση ροή, σε ένα καρτεσιανό ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Με αυτό τον τρόπο όμως, παραλείπονται όροι από τις εξισώσεις που προσδίδουν μεγαλύτερη ακρίβεια. Ακόμη, το φαινόμενο της αποκόλλησης μαζών από την ανωστική φλέβα έχει μεν παρατηρηθεί σε πειραματικές εργασίες διαφόρων ερευνητών αλλά δεν έχει προσδιοριστεί ποσοτικά. Μία ακόμη αδυναμία που χαρακτηρίζει τα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, είναι ότι θεωρούν τον αποδέκτη απεριορίστων διαστάσεων με συνέπεια τα αποτελέσματά τους να μην ακολουθούν τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία φέρουν την επιρροή των ορίων, αφού πρακτικά δεν γίνεται να πραγματοποιηθούν σε αποδέκτες απεριορίστων διαστάσεων. Η παρούσα Διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει στη βελτίωση των παραπάνω αδυναμιών, προτείνοντας τη μαθηματική περιγραφή της ελεύθερης κεκλιμένης τυρβώδους ανωστικής φλέβας σε ένα καμπυλόγραμμο ορθογώνιο ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων, ώστε να επιτευχθεί καλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό των μέσων χαρακτηριστικών της ροής. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο προσομοιώνει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το σώμα της ανωστικής φλέβας, και όπως φαίνεται, τα δύο αυτά στοιχεία επηρεάζουν τόσο την τροχιά της φλέβας όσο και την αραίωση. Στο σημείο αυτό, η παρούσα Διατριβή χρησιμοποιεί τη μέθοδο της συμμετρικής εικονικής πηγής για την απόκτηση λύσης του προβλήματος σε ημίχωρο. Θεωρείται, λοιπόν, κατοπτρικά ως προς το όριο όμοια εικονική πηγή με την πραγματική, ανωστική φλέβα, η οποία αλληλεπιδρά δυναμικά με την ανωστική φλέβα της πραγματικής πηγής. Τέλος, τα ανωτέρω συνδυάζονται στην ανάπτυξη ενός μοντέλου, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του πεδίου μέσης ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων ανωστικών φλεβών σε διάταξη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη. Το μοντέλο αυτό παρέχει ακρίβεια 2ης τάξης. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο αντικείμενο της Διατριβής. Αναφέρονται τα πεδία στα οποία συναντώνται φαινόμενα ροών από ανωστικές φλέβες και η πρακτική σημασία τους. Επίσης, αναφέρονται οι στόχοι οι οποίοι επιδιώκονται μέσω της Διατριβής. Το δεύτερο Κεφάλαιο, περιέχει βιβλιογραφική ανασκόπηση, στην οποία αναφέρονται τα κυριότερα μαθηματικά μοντέλα για τις περιπτώσεις των ελευθέρων και των πολλαπλών κυκλικών ή δισδιάστατων ανωστικών φλεβών. Επίσης, παρουσιάζονται οι σημαντικότερες διαθέσιμες ερευνητικές εργασίες διεξαχθέντων συναφών πειραμάτων, των οποίων οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται στον έλεγχο των αποτελεσμάτων, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των μαθηματικών μοντέλων που αναπτύσσονται στην παρούσα Διατριβή. Στο τρίτο Κεφάλαιο, αναπτύσσονται τα υποστηρικτικά μοντέλα, τα οποία ενσωματώνονται στο γενικότερο μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού των κεκλιμένων ανωστικών φλεβών και στο μοντέλο της αλληλεπίδρασής τους. Αρχικώς, κατασκευάζεται το σύστημα το καμπυλογράμμων ορθογωνίων και κυλινδρικών συντεταγμένων και διατυπώνονται οι εξισώσεις της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη για τη μέση ροή στο αντίστοιχο σύστημα. Στην συνέχεια, περιγράφεται η ανάπτυξη του μοντέλου για τον πυρήνα της Ζώνης Εγκατάστασης της Ροής, το οποίο υπολογίζει τις πραγματικές εγκάρσιες κατανομές των ταχυτήτων και των συγκεντρώσεων ξεκινώντας από την έξοδο του ακροφυσίου έως το πέρας του πυρήνα. Τέλος, αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το πεδίο ροής μιας κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής τυρβώδους ανωστικής φλέβας. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για μια κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα σε ήρεμο ή κινούμενο αποδέκτη, το οποίο ενσωματώνει τα επί μέρους μοντέλα του τρίτου Κεφαλαίου. Το μοντέλο, συγκρίνεται με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας και ταυτοχρόνως ρυθμίζεται η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών που αποκολλώνται. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ τυρβωδών ανωστικών φλεβών. Στο πρώτο μέρος του Κεφαλαίου προτείνεται ένα μοντέλο 2ης τάξης, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του μέσου πεδίου ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση Ν κατακορύφων κυκλικών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Στο δεύτερο μέρος, μελετάται η δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Αναπτύσσεται το σύστημα των εξισώσεων, το οποίο ενσωματώνει τη δυναμική αλληλεπίδραση, και αντιμετωπίζεται η ύπαρξη στερεών ορίων στο πεδίο ροής ανωστικής φλέβας μέσω της αλληλεπίδρασης των ανωστικών φλεβών από την πραγματική και τη συμμετρική εικονική της πηγή. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των διαφόρων μαθηματικών μοντέλων της Διατριβής, τα οποία εν συντομία, είναι τα εξής: • Αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο υπολογίζει με πολύ μεγάλη ακρίβεια την κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, για αρχικές γωνίες κλίσης -75° ≤ θ0 ≤ 90°. • Η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών, που αποκολλώνται από την ανωστική φλέβα, προσεγγίζει ακριβέστερα την τροχιά των κεκλιμένων φλεβών, όπως αυτή προσδιορίζεται από τις πειραματικές μετρήσεις. • Λόγω έλλειψης πειραματικών δεδομένων για την περίπτωση της κεκλιμένης δισδιάστατης τυρβώδους ανωστικής φλέβας, ο συντελεστής Λ, που χαρακτηρίζει τις αποκολλήσεις, λαμβάνεται ίσος με 0,06, για την περίπτωση όπου θ0 = 0°. • Για την κεκλιμένη κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, προτείνεται Λ = 0,34 για -75° ≤ θ0 ≤ -15° και Λ = 0,00 για -15° < θ0 ≤ 90°, δηλώνοντας ότι οι διαφυγές σε αυτές τις γωνίες είναι αμελητέες. • Προβλέπεται με χαρακτηριστική ακρίβεια το εξωτερικό όριο των κεκλιμένων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών και με ικανοποιητική ακρίβεια η τροχιά, συγκριτικά με τα διαθέσιμα αποτελέσματα των αντιστοίχων πειραμάτων. Η σύγκριση του εσωτερικού ορίου εξαιτίας της ύπαρξης των διαφυγών είναι δυσδιάκριτη και πιθανόν να εμπεριέχει σφάλματα. • Ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών της ροής, από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη, δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα συγκρινόμενα με τα υπάρχοντα πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα • Η αλληλεπίδραση Ν ομοίων ή διαφορετικών δισδιάστατων ή κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία του δυναμικού πεδίου. • Η αντιμετώπιση των εξωτερικών ορίων, χρησιμοποιώντας τη δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών δίνει ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Τέλος, στα Παραρτήματα περιγράφεται αναλυτικώς η μαθηματική ανάπτυξη του κάθε μοντέλου και δίνονται σε μορφή διαγραμμάτων τα θεωρητικά αποτελέσματα με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα για τα διάφορα χαρακτηριστικά των κεκλιμένων κυκλικών ανωστικών φλεβών. / In this Doctoral Thesis a mathematical model that predicts the mean flow and mixing parameters of inclined plane and round turbulent jets in a stationary or moving uniform fluid environment is developed. Also, the interaction of multiple buoyant jets is mathematically examined. The existing mathematical models predict the mean flow and mixing properties of an inclined plane and round turbulent buoyant jets in a uniform stationery or moving environment solving the system of partial differential equations of continuity momentum and tracer conservation of mass written in cartesian or cylindrical coordinates. By this way, the terms that give a better precision are omitted. Also, the escaping masses from the main buoyant jet flow that are experimentally observed are not quantified. Furthermore, these models assume that the receiver is infinite so the predicted properties do not coincide to experimental data. These experimental data are affected by the boundaries as the experiments cannot be conducted in boundless environment. The present Thesis, attempts to improve the aforementioned weaknesses. In this Thesis, a mathematical description of an inclined turbulent plane or round buoyant jet is proposed, where the partial differential equations for continuity, momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates in order to achieve better accuracy of the mean flow and mixing parameters. The escaping masses from the main buoyant jet flow are simulated, and the model can be successfully applied to initial discharge inclinations θ0 from 90° to -75° with respect to the horizontal plane. This is based on the idea that masses may escape from the buoyant jet zones where considerable intermittency occurs and entrainment shows large variations having a very weak, zero or negative mean value and at the same time some buoyant chunks lose their inertia due to reversal motions imposed by the large eddies. Thus, the only governing force on these masses is buoyancy. This complementary approach introduces a concentration coefficient, called Λ, which is calibrated using experimental evidence. This phenomenon is sharper in motionless environment. The present model has incorporated the second-order approach and, regarding the jet-core region, a jet-core model based on the advanced integral model for the production of more correct transverse profiles of the mean axial velocities and mean concentrations than the common Gaussian or top-hat profiles. The partial differential equations for momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates for inclined plane and round buoyant jets, respectively, and they are integrated under the closure assumptions of (a) quasi-linear spreading of the mean flow and mixing fields, and (b) known transverse profile distributions. The integral forms are solved by employing the Runge–Kutta algorithm. This model is applied to predict the mean flow properties (trajectory characteristics, mean axial velocities and mean concentrations) for inclined plane and round buoyant jets. The results predicted are compared with experimental data available in the literature, and the accuracy obtained is more than satisfactory. The best values of Λ were found to be in the range from 0.30 to 0.42, indicating a mean value ± standard deviation of Λ = 0.344 ± 0.053 for -75° ≤ θ0 ≤ -15°. Thus Λ = 0.34 is adopted as the suitable value for all cases of round buoyant jets with -75° ≤ θ0 ≤ -15°, while for the rest range -15° < θ0 ≤ 90° the pertinent value is Λ = 0. For the inclined plane buoyant jets, the available experimental data are rather restricted to only trajectories and concentrations of horizontal discharges, which allow the determination of a suitable value Λ = 0.08. The Entrainment Restriction Approach is employed in interacting round buoyant jets discharged vertically upwards from a rosette type diffuser into a calm environment. Incorporating the second order approach, the prediction of the mean-flow properties achieves better accuracy. The present Thesis solves the interaction of N identical or not inclined turbulent plane or round buoyant jets using the potentional theory. The occurrence of boundaries is handled via the method of symmetric virtual origin. A mirror image to the boundary, which is identical to the real buoyant jet, is assumed that dynamically interacts with the buoyant jet issued form the real source.

Les décollements turbulents massifs sont des phénomènes communs qui peuvent causer des pertes et de nuisances aérodynamiques importantes dans les écoulements industriels, par exemple à l’arrière d’une aile d’avion. Ce travail contribue à leur compréhension par l’analyse phénoménologique d’un décollement turbulent, représentatif d’un grand nombre d’écoulements réels. Le premier objectif est d’identifier les lois d’échelle des décollements turbulents, notamment en rapport avec les caractéristiques de l’écoulement à l’amont de la rampe. Un deuxième objectif est l’analyse, à grande et à petite échelle, des mécanismes de transport de fluide qui pilotent le fonctionnement des décollements. A cet effet, une approche originale est proposée, basée sur une description expérimentale et analytique de la couche cisaillée décollée et des interfaces turbulentes qui la délimitent. Nos résultats suggèrent que les lois d’échelle du décollement varient de façon complexe selon l’interaction de la couche limite à l’amont, de la couche cisaillée et de l’écoulement potentiel extérieur. La taille du décollement est liée à l’intensité de l’entraînement turbulent de masse dans la couche cisaillée, qui à son tour dépend de la turbulence dans la couche limite, bien à l’amont du point de décollement. Cette dépendance pourrait s’appliquer à toute la gamme d’échelles turbulentes responsables du transport de masse. Ces observations montrent clairement le rôle de la couche cisaillée dans le fonctionnement des décollements massifs et suggèrent la faisabilité de stratégies de contrôle nouvelles, de type retro-action ou prédictif, basée sur l’entrainement turbulent. / Massive turbulent separations are common phenomena that can cause sizeable aerodynamical losses and detrimental effects in industrial flows, for example on airplane wings. This work contributes to their understanding with a phenomenological analysis of a canonical turbulent separation, representative of a large number of real flows. The first objective is to identify the scaling laws of turbulent separations, in particular with respect to their dependencies on the characteristics of the flow upstream of the ramp. A second objective is the analysis, both at large and small scale, of the transfert mechanisms that drive the functioning of separated flows. To this end, a new approach is proposed, centered on the experimental and analytical description of the separated shear layer and of the turbulent interfaces that bound it. Our results suggest that the scaling laws of the separated flow vary in a complex way, in function of the interaction of the incoming boundary layer, the separated shear layer and the free-stream. The size of the separation is related to the intensity of turbulent mass entrainment within the shear layer, which in turn depends on the turbulence in the incoming boundary layer, well upstream of the separation point. This dependency might apply over the entire range of turbulent length scales that are responsible for mass transfer. These observations clearly show the role of the shear layer in the functioning of massive separation. They also suggest the feasibility of new control strategies, both of feedback and feed-forward type, based on turbulent entrainment.

Ce travail de thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration des modèles à zones, utilisés dans l’ingénierie de la sécurité incendie pour simuler la propagation des fumées dans un bâtiment en situation d’incendie. Il a pour ambition d’améliorer la compréhension des écoulements des fumées dans un bâtiment. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est essentiellement consacrée à l’état de l’art et à une évaluation de la capacité du code CFAST, code à zones largement utilisé dans l’ingénierie de la sécurité incendie, à simuler les écoulements de fumées dans un bâtiment. Le code à zones CFAST est confronté aux résultats d’une campagne expérimentale à échelle réelle réalisée dans un bâtiment d’habitation de type R+3. La seconde partie du manuscrit, plus académique, consiste à étudier les écoulements de fumée dans un bâtiment. Dans un premier temps, deux phénomènes sont étudiés : le phénomène de remplissage d’un local par des fumées d’incendie, et le phénomène de remplissage / vidange simultanés d’un local ventilé naturellement. Des modèles à zones permettant de décrire ces phénomènes sont présentés. Deux campagnes expérimentales ont été menées à échelle réduite sur des maquettes thermiques de locaux, afin d’étudier les deux phénomènes et d’évaluer et améliorer les modèles à zones. De plus, des simulations numériques complémentaires avec le code à champs FDS (Fire Dynamics Simulator) sont réalisées pour étendre le domaine d’étude du phénomène de remplissage. Enfin, des améliorations du modèle à zones sont proposées. Après l’étude des phénomènes liés aux écoulements de fumée dans un local unique, les écoulements de fumées dans une configuration multi-compartiments, constituée de deux locaux reliés par une cage d’escalier, sont étudiés expérimentalement à l’échelle du laboratoire / This work is devoted to the evaluation and improvement of zone models, used in fire safety engineering to simulate the smoke propagation in a building in a fire situation. It aims at improving the understanding of the smoke flow in a building. The PhD work is divided into two parts. The first part is essentially devoted to a bibliographical survey and an evaluation of the ability of a zone code CFAST, widely used in fire safety engineering, to simulate smoke flows in a building. Numerical results with CFAST are compared with the data of a real-scale experimental campaign carried out on a three-storey residential building. The second part, more academic, consists of studying the smoke flows in a building. Two phenomena are first studied, namely the smoke filling of a room, and the simultaneous filling and emptying of a naturally ventilated room. Zone models describing these phenomena are presented. Two experimental campaigns are conducted on reduced scale room models, in order to study the two phenomena and to evaluate and improve the zone models. Furthermore, numerical simulations with the CFD code FDS (Fire Dynamics Simulator) are performed to extend the study field of the smoke filling. Finally, improvements to the zone model are proposed. After studying the phenomena related to smoke flows in a single room, the smoke flows in a multi-compartment configuration, consisting of two rooms connected by a stairwell, are experimentally studied at the laboratory scale

Η παρούσα Διατριβή Μεταπτυχιακού Διπλώματος Ειδίκευσης, πραγματεύεται την ανάλυση της τυρβώδους ροής σε ανοικτούς αγωγούς στον πυθμένα των οποίων ενυπάρχουν σχηματισμοί μορφής θινών (dunes). Μελετήθηκε η περίπτωση 5 θινών οι οποίες τοποθετήθηκαν στον πυθμένα ενός καναλιού βάθους d θεωρώντας μόνιμη ροή. Για την επίλυση χρησιμοποιήθηκαν οι εξισώσεις RANS, ενώ για το κλείσιμο της τύρβης χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα μιας εξίσωσης Spalart-Allmaras και δύο εξισώσεων k-ε. Η διαχείριση της ελεύθερης επιφάνειας έγινε με την μέθοδο VOF, ενώ η αριθμητική επίλυση βασίστηκε στην μέθοδο των πεπερασμένων όγκων και πραγματοποιήθηκε με τον εμπορικό κώδικα FLUENT 6.1.2. Για την ροή στον ανοικτό αγωγό, στον πυθμένα του οποίου ενυπήρχαν οι σχηματισμοί, θεωρήθηκε αριθμός Reynolds , κλίση πυθμένα και συντελεστή Manning , ο οποίος αντιστοιχεί σε ισοδύναμο ύψος τραχύτητας τοιχωμάτων . Προκειμένου να επαληθευθεί η ακρίβεια της αριθμητικής μεθόδου, επιλύθηκε η περίπτωση του επίπεδου πυθμένα και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με γνωστά πειραματικά αποτελέσματα καθώς και αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από την μονοδιάστατη ανάλυση της ροής πάνω από επίπεδο πυθμένα. Τα αποτελέσματα βρέθηκαν σε καλή συμφωνία, κυρίως για την κατανομή της ταχύτητας, ενώ για την τύρβη υπήρχε πολύ καλή συμφωνία κυρίως πλησίον του πυθμένα. Για το πρόβλημα των θινών εξετάσθηκαν: (α) τρεις περιπτώσεις με σταθερό άνοιγμα θίνης προς βάθος ροής και διαφορετικά ύψη θινών , 0.25 και (β) τρεις περιπτώσεις με σταθερή αναλογία ανοίγματος προς ύψος και ύψη θινών όπως στην περίπτωση (α). Η ανάλυση έδειξε ότι το μέσο προφίλ της ελεύθερης επιφάνειας μειώνεται στην διεύθυνση της ροής, ενώ πάνω από κάθε θίνη το πλάτος της ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας αυξάνει με την αύξηση του ύψους και του ανοίγματος των θινών. Η κατανομή των διατμητικών τάσεων παρουσιάζει κυματοειδή μορφή υπεράνω των θινών και αυξάνει αυξανομένου του ύψους τους και με την μείωση του ανοίγματός τους. Πίσω από κάθε θίνη δημιουργείται θύλακας ανακυκλοφορίας της ροής και ο λόγος της απόστασης του σημείου επανακόλλησης προς το ύψος της θίνης είναι . / The spatial development of the turbulent open channel flow over bottom with five dunes is studied. The steady-state flow is described by the RANS equations utilizing either the or the Spalart-Allmaras turbulence models. The free-surface treatment is based on the VOF formulation, while the numerical solution is based on a finite-volume, unstructured-grid discretization. Lengths are rendered dimensionless by the inflow channel depth, while velocities by the mean inflow velocity. The inflow Reynolds number is , the channel slope is and the Manning coefficient is , which results to a roughness height . In order to verify the numerical methods, the flat bottom case is considered and the numerical predictions are compared to known experimental data. We get very good agreement for the velocity distributions, while for turbulence the results are very good close to the bottom and poor close to the free surface. Then, we consider: (a) three cases with constant dune length and differing dune heights 0.15, 0.25, 0.35, and (b) three cases with constant ratio and dune heights as in (a). The spatial development of the free-surface elevation over the dunes presents a negative mean slope for all cases. Locally over each dune, the amplitude of the free-surface elevation increases with increasing dune height and increasing dune length. The spatial development of the wall shear stress presents a wave-like behavior and its amplitude increases with increasing dune height and decreasing dune length. On every dune crest the streamwise velocity profile is steeper than the universal logarithmic profile similar to the behavior in a favorable pressure gradient boundary layer. The detachment at each dune crest is followed by a recirculation region and reattachment at a distance from the dune trough.

Cette thèse se concentre sur le développement d'une méthode précise et efficace pour la simulation des grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. Une approche de la LES basée sur la méthode variationnelle multi-échelles (VMS) est considérée. La VMS applique aux équations de la dynamique des fluides une séparation d'échelles a priori sans recours à des hypothèses sur les conditions aux limites ou sur l'uniformité du maillage. Afin d'assurer effectivement une séparation d'échelles dans l'espace des nombres d'onde associé, nous choisissons d'utiliser les ondelettes de deuxième génération (SGW), une base polynomiale qui présente des propriétés de localisation spatiale-fréquence optimales. A partir de la séparation d'échelles ainsi réalisée, l'action du modèle sous-maille est limitée à un intervalle de nombres d'onde proche de la coupure spectrale. Cette approche VMS-LES basée sur les ondelettes est désignée par WAVVMS-LES. Elle est incorporée dans un solveur d'ordre élevé pour la simulation des écoulements incompressibles sur la base d'une méthode de Galerkin discontinue (DG-FEM) stabilisée pour la pression. La méthode est évaluée par réalisation de LES sur des maillages fortement sous-résolus pour le cas test du tourbillon de Taylor-Green 3D à deux nombres de Reynolds différents. / This thesis focuses on the development of an accurate and efficient method for performing Large-Eddy Simulation (LES) of turbulent flows. An LES approach based upon the Variational Multiscale (VMS) method is considered. VMS produces an a priori scale-separation of the governing equations, in a manner which makes no assumptions on the boundary conditions and mesh uniformity. In order to ensure that scale-separation in wavenumber is achieved, we have chosen to make use of the Second Generation Wavelets (SGW), a polynomial basis which exhibits optimal space-frequency localisation properties. Once scale-separation has been achieved, the action of the subgrid model is restricted to the wavenumber band closest to the cutoff. We call this approach wavelet-based VMS-LES (WAV-VMS-LES). This approach has been incorporated within the framework of a high-order incompressible flow solver based upon pressure-stabilised discontinuous Galerkin FEM (DG-FEM). The method has been assessed by performing highly under-resolved LES upon the 3D Taylor-Green Vortex test case at two different Reynolds numbers.

Dans ce mémoire, deux problèmes liés aux écoulements multiphasiques compositionnels en milieux poreux ont été traités. La première partie est consacrée au développement d'une nouvelle approche alternative aux calculs flash, qui permet de résoudre les équations d'équilibre thermodynamique analytiquement. Cette méthode est basée sur des équations d'état (EOS) dissymétriques, ainsi, les comportements du gaz, du liquide et du fluide diphasique sont décrits par des EOS individuelles simples. La Capacité d'une EOS à capturer l'état diphasique est appelé : conditions de consistance. Ces conditions ont été formulées dans cette partie pour les systèmes multi-composants. La deuxième partie est consacrée au développement de la méthode de saturations négatives qui a été proposé précédemment par notre groupe pour le cas d'un mélange diphasique binaire. Tout d'abord, nous avons présenté la théorie analytique de la méthode pour les mélanges idéaux puis sa généralisation pour des mélanges réels avec un nombre arbitraire de composants chimiques et de phases. Nous avons obtenu les nouvelles équations multiphasiques uniformes qui contiennent des termes supplémentaires responsables de la diffusion et de la gravité à travers les interfaces de transition de phase / In this thesis, two problems related to compositional multiphase flow in porous media have been treated. The first part is devoted to develop a new approach which gives a form of equilibrium equations which can be solved analytically even for multi-component non ideal systems and even in the presence of capillary effects, which reduce significantly computational time. In this approach, separate behaviors of gas, liquid and two phase fluid may be described using very simple equations of state (EOS). Capacity of EOS?s to capture two phase state is called: consistency conditions. These conditions are formulated in this part for multi-components systems. The second part is devoted to develop the negative saturations method which was proposed earlier by our group for the case of two-phase binary mixtures. First, we have developed the mathematical theory of the method for ideal mixtures in 1D case. Next, we have generalized the method for the case of any number of phases and chemical components. We have obtained the new equivalent uniform multi-phase equations which contain additional non-classical terms responsible of diffusion and gravity across the interfaces of phase transition

L'objectif de cette thèse est d'analyser l'influence des non linéarités, du comportement rhéologique des fluides rhéofluidifiants, sur les conditions de stabilité et de transition vers la turbulence. Dans un premier temps, une analyse linéaire de stabilité avec une approche modale a été réalisée. Les résultats obtenus mettent clairement en évidence l'effet stabilisant de la rhéofluidification. Ensuite, une analyse faiblement non linéaire de stabilité a été menée en vue d'examiner l'influence de la perturbation de la viscosité sur la stabilité vis à vis de perturbations d'amplitude finie. L'analyse de la contribution des termes non linéaires d'inertie et visqueux montre que, contrairement aux termes d'inertie, les termes non linéaires visqueux ont tendance à accélérer l'écoulement et favoriser une bifurcation sur-critique. Les effets rhéofluidifiants tendent à réduire la dissipation visqueuse. Finalement, une analyse fortement non linéaire de stabilité a été conduite en utilisant les techniques de suivi de branches de solutions par des méthodes de continuation. Pour pouvoir traiter les termes visqueux fortement non linéaires, un code de calcul pseudo-spectral a été développé. Des solutions non linéaires d'équilibre ont été obtenues et caractérisées pour différentes valeurs des paramètres rhéologiques / The aim of this study is to understand the influence of the nonlinear rheological behaviour of the shear-thinning fluids on the flow stability and transition to turbulence. First, a linear stability analysis using modal approach was carried out. Results clearly highlight the stabilizing effect of shear-thinning. Then, as a first approach to take into account nonlinear effects of viscosity perturbation on the flow stability, a weakly nonlinear stability analysis is performed in the neighbourhood of the critical conditions. Results indicate that shear-thinning reduces the viscous dissipation and, in contrast to inertial terms, the nonlinear viscous terms tend to accelerate the flow and act in favour of supercritical bifurcation. Finally, a nonlinear stability analysis is done by following solution branches in the parameter space using continuation techniques. To deal with highly nonlinear viscous terms, a pseudo-spectral code is developed. Nonlinear equilibrium solutions was found and characterized for various values of the rheological parameters