Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans de nombreuses applications aérospatiales, on peut trouver des films liquides cisaillés, c'est-à-dire une fine couche liquide qui ruisselle sur une paroi entrainée par le gaz. Par exemple, une couche de liquide peut se développer sur la voilure des avions, givrer et dégrader les performances. Des vagues peuvent se développer à l'interface liquide-gaz, et l'analyse correcte de ces instabilités devient très importante pour modéliser ce phénomène physique. En effet, la présence d'instabilités modifie les échanges liquide-gaz, notamment les transferts de masse et chaleur. Le but de cette thèse est de développer une technique permettant de coupler la phase gazeuse afin de reproduire les interactions à l'interface. La couche de liquide étant beaucoup plus mince que celle du gaz, une approche intégrale sur l'épaisseur est utilisée pour la modélisation. Enfin, deux cas d'un écoulement diphasique se développant dans une conduite confinée et dans une conduite plus large sont étudiés. les résultats sont ensuite comparés à des autres méthodes de référence, plus coûteuses en temps de calcul. / In many aerospace applications one can find liquid films sheared by a gas flow. In example, these liquid sheets can develop on aircraft wings, freeze and then destroy the aerodynamics performances. Waves can develop at the liquid-gas interface, and the correct analysis of such instabilities becomes very important to model this physical phenomenon. Indeed, instabilities mdify liquid-gas exchanges, such as mass and heat transfers. The aim of the present work consists in developing a technique to couple the liquid phase to the gas phase in order to reproduce the interactions at the interface. Since the liquid layer is much thinner then the gas, anintegral approach is used for modeling. Finally, two cases of a two-phase flow developing in a strictly confined channel and in a large channel are studied. Results are then compared to other reference methods which are more expensive in terms of computational cost.

La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d’une poche de cavitation instationnaire due à l’existence d’un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l’ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements. / The computation of cavitating flows is a challenging issue due to the characteristics of these flows : phase transition, large density gradient, Mach number variation, interaction between phases and turbulent flow, unsteadiness. In the present study, we performed a derivation of the one-fluid compressible homogenous model coupled with a RANS approach for the turbulent flow. From these equations and the nature of the cavitating flows, several models based on the eddy viscosity assumption have been tested : weakly non-linear models (SST and realisability corrections), compressible turbulence models, hybrid RANS/LES turbulence models (SAS, DES) and the Reboud correction. All the models are implemented in a compressible code, which solves the equations using an implicit dual-time stepping method coupling with a pre-conditionning technique for the incompressible area. 2D and 3D computations are performed on two Venturi geometries characterized by an unsteady cavitation sheet with a liquid/vapor re-entrant jet. All the models are able to capture the re-entrant jet. Nevertheless, the dynamic behaviour differs from one model to another and the lack of experimental data prevents to discriminate the models between them. From the results, the computations with the SAS model and the Reboud correction improve the prediction of the flow.

Les écoulements diphasiques dans les centrales de type réacteur à eau pressurisée appartiennent à des régimes très variés allant du faible nombre de Mach jusqu'aux ondes de chocs. Calculer des solutions approchées précises de ces écoulements peut s'avérer délicat dans certains régimes. On s'intéresse dans cette thèse à la conception et à l'étude de méthodes numériques robustes et stables à grand pas de temps, capables de calculer des solutions approchées précises quel que soit le régime d'écoulement, y compris sur maillage grossier. Une stratégie pour construire de tels schémas consiste à : utiliser un schéma semi implicite basé sur un splitting d’opérateurs pour séparer la résolution approchée des phénomènes rapides de celles des phénomènes lents ; corriger les flux numériques afin d’améliorer la précision du schéma dans certains régimes. Deux approches sont utilisées pour analyser la capacité du schéma numérique à gérer plusieurs régimes d'écoulement. L’approche des schémas asymptotic preserving est utilisée pour traiter le système de la dynamique des gaz avec termes sources raides. On utilise ensuite la notion de schéma tout-régime pour le système de la dynamique des gaz et les systèmes diphasiques homogénéisés HRM et HEM à bas nombre de Mach. Des propriétés garantissant la stabilité et la robustesse des schémas ont été obtenues, et en particulier des inégalités d'entropie discrètes. L'implémentation de ces méthodes a permis de mener des expériences numériques en 1D et 2D sur maillage non structuré qui confirment le gain en précision et en temps de calcul des schémas asymptotic preserving et tout-régime ainsi construits par rapport à des schémas numériques classiques. / Two-phase flows in Pressurized Water Reactors belong to a wide range of Mach number flows. Computing accurate approximate solutions of those flows may be challenging from a numerical point of view as classical finite volume methods are too diffusive in the low Mach regime. In this thesis, we are interested in designing and studying some robust numerical schemes that are stable for large time steps and accurate even on coarse meshes for a wide range of flow regimes. An important feature is the strategy to construct those schemes. We use a mixed implicit-explicit strategy based on an operator splitting to solve fast and slow phenomena separately. Then, we introduce a modification of a Suliciu type relaxation scheme to improve the accuracy of the numerical scheme in some regime of interest. Two approaches have been used to assess the ability of our numerical schemes to deal with a wide range of flow regimes. The first approach, based on the asymptotic preserving property, has been used for the gas dynamics equations with stiff source terms. The second approach, based on the all-regime property, has been used for the gas dynamics equations and the homogeneous two-phase flows models HRM and HEM in the low Mach regime. We obtained some robustness and stability properties for our numerical schemes. In particular, some discrete entropy inequalities are shown. Numerical evidences, in 1D and in 2D on unstructured meshes, assess the gain in term of accuracy and CPU time of those asymptotic preserving and all-regime numerical schemes in comparison with classical finite volume methods.

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA / Large-Eddy Simulation (LES) becomes a more and more demanded tool to improve the design of aero-engines. The main reason for this request stems from the constraints imposed on the next generation low-emission engines at the industrial development level and the ability for LES to provide information on the instantaneous turbulent flow field which greatly contributes to improving the prediction of mixing and combustion thereby offering an improved prediction of the exhaust emission. The work presented in this thesis discusses two recurring issues of LES. For one, numerical schemes for LES require certain properties, i.e. low-diffusion schemes of high order of accuracy so as not to interfere with the turbulence models. To meet this purpose in the context of fully unstructured solvers, a new family of high-order time-integration schemes is proposed. With this class of schemes, the diffusion implied by the numerical scheme become adjustable and built-in. Second, since fully unsteady by nature, LES is very consuming in terms of CPU time. Even with today's supercomputers complex problems require long simulation times. Due to the low flow velocities often occurring in industrial applications, the use of a low-Mach number solver seems suitable and can lead to large reductions in CPU time if comparable to fully compressible solvers. The impact of the incompressibility assumption and the different nature of the numerical algorithms are rarely discussed. To partly answer the question, detailed comparisons are proposed for an experimental swirled configuration representative of a real burner that is simulated by LES using a fully explicit compressible solver and an incompressible solution developed at CORIA

Lors de sa rentrée dans l’atmosphère d’une planète, un engin spatial subit un échauffement important dû aux frottements des gaz atmosphériques sur la paroi. Cette élévation de température conduit à une dégradation physico-chimique du bouclier thermique de l’objet constitué de matériaux composites. Un composite est constitué de divers matériaux qui s’ablatent différemment. Dans cette thèse, nous nous intéressons essentiellement à la fusion d’un matériau durant sa phase de rentrée atmosphérique. Nous sommes donc en présence de trois phases : solide, liquide et gaz. Pour simuler ce phénomène, des méthodes numériques robustes ont été mises au point pour calculer l’écoulement diphasique compressible autour de l’objet. Le couplage entre le solide et l’écoulement fluide a aussi été étudié. Les méthodes numériques développées durant cette thèse sont basées sur une approche volumes finis. Une stratégie de décomposition d’opérateurs est utilisée pour résoudre le modèle diphasique à cinq équations avec les termes de dissipation modélisant l’écoulement fluide. L’idée principale de cette décomposition d’opérateurs est de séparer les phénomènes acoustiques et dissipatifs des phénomènes de transport. Un traitement implicite de l’étape acoustique est réalisé tandis que l’étape de transport est résolue explicitement. Le schéma semi-implicite global est alors très robuste, conservatif et préserve les discontinuités de contact. Les conditions d’interface entre les domaines fluide et solide sont déduites des bilans de masse et d’énergie à la paroi. Le front de fusion est suivi explicitement grâce à une formulation ALE des équations. La robustesse de l’approche et l’apport de la formulation semi-implicite sont finalement démontrés grâce à des expériences numériques mono et bidimensionnelles sur maillages curvilignes mobiles. / During atmospheric re-entry phase, a spacecraft undergoes a sudden increase of the temperature due to the friction of atmospheric gases. This rise drives to a physical-chemical degradation of the thermal protective system of the object made of composite material. A composite is made of several materials with ablates differently. In this thesis, we mainly focus on the melting of an object during its re-entry phase. Therefore there are three phases: solid, liquid and gas phases. In order to simulate this phenomenon, robust numerical methods have been developed to compute a compressible multiphase flow. The coupling strategy between the solid and the fluid have also been studied. Solvers developed in the present work are based on Finite Volume Method. A splitting strategy is used to compute compressible two-phase flows using the five-equation model with viscous and heat conduction effects. The main idea of the splitting is to separate the acoustic and dissipative phenomena from the transport one. An implicit treatment of the acoustic step is performed while the transport step is solved explicitly. The overall scheme resulting from this splitting operator strategy is very robust, conservative, and preserves contact discontinuities. The boundary interface condition between the solid and the multiphase flow is enforced by mass and energy balances at the wall. The melting front is tracked explicitly using an ALE formulation of the equations. The robustness of the approach and the interest of the semi-implicit formulation are demonstrated through numerical simulations in one and two dimensions on moving curvilinear grids.

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

Le contexte de cette étude est l’optimisation de la combustion turbulente prémélangée de syngaz pour la production propre d’énergie. Un brûleur CH4/air de type bec Bunsen avec forçage turbulent multi-échelles produit par un système de trois grilles, est simulé numériquement par différentes techniques de simulation des grandes échelles (SGE), et les résultats sont comparés à l’expérience. On a développé et appliqué une formulation bas-Mach du solveur Navier-Stokes basé sur différents schémas numériques, allant des différences finies centrées d’ordre 4 à des versions avancées des schémas WENO d’ordre 5. La méthodologie est évaluée sur une série de cas-tests classiques (flamme laminaire 1D prémélangée, turbulence homogène et isotrope en auto-amortissement), et sur des simulations 2D de la flamme turbulente prémélangée expérimentale. Les SGE implicites (ILES), i.e. sans aucune modélisation sous-maille, et explicites avec le modèle de flamme épaissie et un modèle de plissement sous-maille nouvellement élaboré (TFLES), sont appliquées à la simulation 3D du brûleur expérimental. Les résultats montrent que l’approche TFLES avec un schéma d’ordre élevé à faible dissipation numérique prédit correctement la longueur de la flamme et la densité de surface de flamme. La SGE implicite avec un schéma WENO avancé produit une flamme trop courte mais réaliste à condition que la taille de la maille soit de l’ordre de l’épaisseur de flamme laminaire. La représentation des interactions flamme/turbulence est néanmoins très différente entre TFLES et ILES. / The context of this study is the optimization of premixed turbulent combustion of syngas for clean energy production. A Bunsen-type CH4/air turbulent premixed burner with a multi-scale grid generator is simulated with different Large Eddy Simulation (LES) strategies and compared to experimental results. A low-Mach formulation of a compressible Navier-Stokes solver based on different numerical methods, ranging from 4th order central finite difference to 5th order advanced WENO schemes, is developed and applied. Classical test cases (1D laminar premixed flame, decaying HIT), and 2D simulations of the turbulent premixed flame are performed to assess the numerical methodology. Implicit LES (ILES), i.e. LES without any explicit subgrid modeling, and explicit LES with the Thickened Flame model and subgrid scale flame wrinkling modelling (TFLES) are applied to simulate numerically the 3D experimental burner. Results show that TFLES with a high-order low dissipation scheme predicts quite well the experimental flame length and flame surface density. ILES with advanced WENO schemes produces a slightly shorter although realistic flame provided the grid spacing is of order of the laminar flame thickness. The representation of flame/turbulence interactions in TFLES and ILES are however quite different.

Les calculs d'écoulements stationnaires peuvent être considérés comme efficace si l?état stationnaire est atteint pour un temps CPU réduit mais aussi si la place mémoire utilisée reste faible; cette dernière exigence devient primordiale pour les applications industrielles où le nombre de points de calcul est très important. Ceci vaut également pour les écoulements instationnaires, désormais classiquement résolus via une approche pas-de-temps dual pour laquelle les états physiques successifs sont vus comme des états stationnaires vis-à-vis d'un temps fictif. Le besoin crucial de méthodes implicites à faible encombrement mémoire a conduit au développement de traitements sans matrice. Pour les applications qui intéressent le CEA, à savoir la simulation d'écoulements réactifs multi-espèces à l'intérieur d'une enceinte de réacteur nucléaire à eau pressurisée, les méthodes doivent être assez versatiles pour traiter la gamme d'écoulements allant du quasi-incompressible au fortement compressible. Le préconditionnement bas-Mach des équations de Navier-Stokes permet d'appliquer en régime incompressible les schémas initialement conçus pour la simulation des écoulements compressibles. Le présent travail montre comment obtenir un traitement implicite sans matrice pour tout régime d'écoulement lorsque la phase implicite contient une matrice de préconditionnement; l'efficacité intrinsèque du schéma implicite sans matrice couplé à une technique de relaxation de type Jacobi par point (PJ) ou Symmetric Gauss-Seidel (SGS) est étudiée grâce à une analyse de Von Neumann; puis des comparaisons avec des méthodes implicites blocs standards sont effectuées. La méthode implicite sans matrice est finalement implémentée au sein du code non-structuré CAST3M et elle est appliquée à la modélisation d'un Té de mélange à faible nombre de Mach. Le schéma implicite sans matrice constitue une alternative compétitive pour la simulation des écoulements compressibles et faiblement compressibles en maillages non-structurés.

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA.