Cette thèse est consacrée à la simulation des écoulements de paroi turbulents. L’approche numérique utilisée consiste à calculer directement les champs aérodynamiques et acoustiques de l’écoulement par simulation des grandes échelles (LES), à l’aide de schémas numériques peu dissipatifs et peu dispersifs. Cette approche repose généralement sur une intégration temporelle explicite qui se révèle fortement pénalisante dans le cas des écoulements de paroi, où le raffinement du maillage entraîne une forte diminution du pas de temps. Pour répondre à cette problématique, deux méthodes d’intégration temporelle semi-implicites d’ordre 4 à 6 étapes sont développées. Ces méthodes consistent à intégrer de manière implicite les termes contenant des dérivées spatiales normales à la paroi, et de manière explicite les autres termes, ce qui permet de relâcher la contrainte sur le pas de temps. Une analyse dans l’espace de Fourier et des cas test de propagation acoustique montrent que les méthodes développées ont une précision au moins égale à celle du schéma de Runge-Kutta standard d’ordre 4. Une technique de partitionnement semi-implicite/explicite du maillage est ensuite mise en œuvre afin de réduire le coût numérique. A l’aide de cette technique, les schémas semi-implicites permettent de réduire le temps CPU des simulations par rapport à des calculs s’appuyant uniquement sur un schéma explicite. Des LES de canal plan turbulent sont ensuite mises en œuvre pour un nombre de Mach de 0.5 et des nombres de Reynolds de friction de 350, 600 et 960, et pour un nombre de Mach de 0.1 et un nombre de Reynolds de 350. Les caractéristiques aérodynamiques de l’écoulement sont comparées avec succès à des simulations numériques directes de la littérature. Les résultats des simulations permettent ensuite d’analyser les effets du nombre de Reynolds sur les profils de vitesse moyenne et fluctuante, sur les spectres de pression pariétale, et sur les structures de la zone interne de la couche limite. Les dimensions de ces structures, estimées à l’aide des spectres de vitesse longitudinale, se révèlent peu dépendantes du nombre de Reynolds. Enfin, pour le calcul à nombre de Mach de 0.1, des composantes acoustiques sont détectées dans le spectre de pression pariétale. Ces composantes représentent l’empreinte du rayonnement acoustique de la couche limite, calculé directement par la simulation. / No abstract

Cette thèse est consacrée à la simulation des écoulements de paroi turbulents. L'approche numérique utilisée consiste à calculer directement les champs aérodynamiques et acoustiques de l'écoulement par simulation des grandes échelles (LES), à l'aide de schémas numériques peu dissipatifs et peu dispersifs. Cette approche repose généralement sur une intégration temporelle explicite qui se révèle fortement pénalisante dans le cas des écoulements de paroi, où le raffinement du maillage entraîne une forte diminution du pas de temps. Pour répondre à cette problématique, deux méthodes d'intégration temporelle semi-implicites d'ordre 4 à 6 étapes sont développées. Ces méthodes consistent à intégrer de manière implicite les termes contenant des dérivées spatiales normales à la paroi, et de manière explicite les autres termes, ce qui permet de relâcher la contrainte sur le pas de temps. Une analyse dans l'espace de Fourier et des cas test de propagation acoustique montrent que les méthodes développées ont une précision au moins égale à celle du schéma de Runge-Kutta standard d'ordre 4. Une technique de partitionnement semi-implicite/explicite du maillage est ensuite mise en œuvre afin de réduire le coût numérique. A l'aide de cette technique, les schémas semi-implicites permettent de réduire le temps CPU des simulations par rapport à des calculs s'appuyant uniquement sur un schéma explicite. Des LES de canal plan turbulent sont ensuite mises en œuvre pour un nombre de Mach de 0.5 et des nombres de Reynolds de friction de 350, 600 et 960, et pour un nombre de Mach de 0.1 et un nombre de Reynolds de 350. Les caractéristiques aérodynamiques de l'écoulement sont comparées avec succès à des simulations numériques directes de la littérature. Les résultats des simulations permettent ensuite d'analyser les effets du nombre de Reynolds sur les profils de vitesse moyenne et fluctuante, sur les spectres de pression pariétale, et sur les structures de la zone interne de la couche limite. Les dimensions de ces structures, estimées à l'aide des spectres de vitesse longitudinale, se révèlent peu dépendantes du nombre de Reynolds. Enfin, pour le calcul à nombre de Mach de 0.1, des composantes acoustiques sont détectées dans le spectre de pression pariétale. Ces composantes représentent l'empreinte du rayonnement acoustique de la couche limite, calculé directement par la simulation.

Le modèle LES-Langevin a été étudié pour les écoulements turbulents de canal. Cette approche se base sur la dynamique des échelles sous-mailles qui d'abord a été étudiée dans le cadre de la théorie de la distorsion rapide. Le tenseur de contrainte des échelles sous-mailles a été modélisé par la combinaison d'une force turbulente et d'une viscosité turbulente. L'équation de la force turbulente est dérivée de la dynamique des échelles sous-mailles avec les hypothèses de la théorie de la distorsion rapide. Les termes non-linéaires contenant les échelles sous-mailles de la pression ont été modélisés par une force stochastique. La viscosité turbulente permet d'améliorer la dissipation des échelles résolues qui est produite par le tenseur de Reynolds sous-maille. L'avantage du modèle est la modélisation de la force turbulente par une équation dynamique dérivée des équations de Navier-Stokes. Cela donne la possibilité d'inclure tous les effets importants des échelles sous-mailles représentés par les équations de Navier-Stokes. Par exemple, le transfert inverse d'énergie des échelles sous-mailles vers les échelles résolues. La modélisation directe du gradient du tenseur de contrainte des échelles sous-mailles réduit le temps de calcul par rapport à une simulation directe, ce qui est l'objectif principal d'une simulation des grandes échelles (LES). Le travail a montré un besoin pour une étude plus approfondie de l'équation de la force turbulente afin de mieux reproduire l'action des échelles sous-mailles / The LES-Langevin model was studied on turbulent channel flows. The approach is based on the dynamics of the subgrid velocity scales previously studied in the frame of Rapid Distortion Theory. The subgrid stress tensor is modeled through a combination of a turbulent force and eddy-viscosity. The turbulent force equation is derived from the subgrid scales velocity dynamics with the hypotheses of the Rapid Distortion Theory. The complex nonlinear terms containing the subgrid scale pressure were modeled by a stochastic forcing. The well-known eddy-viscosity closure was chosen to improve the resolved scales dissipation of subgrid Reynolds stress. The advantage of the model is that the dynamics of turbulent force is prescribed by a dynamical equation derived from the Navier-Stokes equations. This allows a possibility to include all the important physical effects of the subgrid scales like the backward subgrid scale energy transfer. The direct modeling of the gradient of the subgrid scale tensor allows a reduction of the computational time compared to direct numerical simulation, which is the global objective of LES. The work demonstrates a need for further studies of the equations of the turbulent force in order to better estimate the subgrid scale action

Les méthodes actuelles de calcul instationnaire des équations de Navier-Stokes (Simulation Numérique Directe (SND), Simulation des Grandes Echelles (SGE)) demandent encore un temps de calcul excessif pour pouvoir être utilisées à des fins industrielles. D'autre part, les méthodes statistiques (RANS) moins coûteuses, ne permettent pas de rendre compte des phénomènes à large bande fréquentielle, qui sont à l'origine, par exemple, des ondes acoustiques. Le développement de méthodes localement couplées permet de concilier les avantages des deux types d'approches précités (SGE et RANS). Une méthode originale de ce type à été développée sur la base de la Non-Linear Disturbance Equations (NLDE). Elle consiste à résoudre l'intégralité du champ grâce à un calcul statistique. Ensuite, aux endroits critiques, le complément fréquentiel est calculé en SGE, de manière à enrichir le champ. Le code a été implanté sur le NEC SX5 de l'ONERA et testé sur plusieurs cas d'application en incompressible (canal plan bi-périodique) et en compressible (aube de turbomachine, aile hypersustentée). Ses possibilités ont été testées et des conditions limites spécifiques ont été développées. La méthode se comporte bien dans tous ces cas d'application et peut être utilisée de façon locale, permettant ainsi une nette réduction du temps de calcul.

Cette étude porte sur le transfert thermique pariétal dans un canal plan turbulent. L'étude est théorique et numérique. Nos simulations directes (DNS) sont effectuées avec le code de calcul Incompact3d. On a porté un intérêt particulier aux grandeurs que l'on trouve dans les bilans des flux thermiques turbulents et de la variance de la température : ces données permettent de valider les modèles de type RANS. On analyse également nos simulation à l'aune de statistiques plus fines, telles que les corrélations en 2 points. On distingue 2 traitements de la thermique dans le cas du canal plan turbulent : avec ou sans prise en compte du transfert thermique conjugué (couplage thermique fluide/solide). Pour les cas avec transfert thermique conjugué, on a mis en évidence une condition de compatibilité dans l'espace spectral entre la température et le flux de chaleur à l'interface fluide-solide. En l'absence de transfert thermique conjugué, notre étude se borne aux conditions limites qui sont une combinaison linéaire à coefficients constants de la température et du flux de chaleur à la paroi (Dirichlet, Neumann, Robin). Pour ces conditions aux limites simples, on met en évidence une condition de compatibilité entre les valeurs pariétales de la variance de la température et la partie normale de la dissipation associée. D'une part, cette relation souligne les limites des simulations avec une température ou un flux imposé à la paroi. D'autre part, elle permet de construire des conditions de type Robin sur-mesure qui donnent des résultats proches de ceux obtenus avec transfert thermique conjugué pour la configuration du canal plan turbulent. / This study focuses on the turbulent heat transfer in the turbulent channel flow configuration. Our Direct Numerical Simulations are performed using the open-source code Incompact3d. As our target is to produce data for RANS models validation, the budgets of the turbulent heat fluxes and of the temperature variance are extracted. Two-point correlations for the temperature and wall-normal heat flux are also presented to deepen our analysis. Regarding the thermal field, 2 configurations are considered: with and without conjugate heat transfer (thermal coupling between the fluid and solid domains). For conjugate heat transfer cases, a novel compatiblity condition, expressed in the spectral space, connects the temperature and wall-normal heat flux at the fluid-solid interface. For non-conjugate cases, our study is limited to boundary conditions that impose a linear combination of the temperature and wall-normal heat flux at the wall using constant coefficients (Dirichlet, Neumann, Robin). For such simple boundary conditions, a novel compatibility condition is obtained which connects the wall-value of the temperature variance and the wall-normal part of the associated dissipation rate. On one hand, this condition highlights the limitations of an imposed temperature or heat-flux at the wall. On the other, it allows us to build tailored Robin boundary conditions able to reproduce satisfactorily present conjugate heat-transfer results in the channel flow configuration.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

Le contrôle électromagnétique (CEM) d'écoulement en eau de mer permet d'appliquer directement au sein d'un écoulement des forces volumiques locales dans des régions choisies de celui-ci. Des actionneurs électromagnétiques (EM), constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, constituent un moyen original de forçage sur une couche limite d'eau de mer. Les forces électromagnétiques volumiques appliquées sont locales et leur rotationnel est une source directe de vorticité. Ces actionneurs peuvent être associés en réseau et activés périodiquement en espace et en temps. Des travaux précédents, Rossi L. et al. (2002), ont montré expérimentalement la possibilité d'altération, par forçage électromagnétique (EM), de structures cohérentes produites synthétiquement dans une couche limite laminaire. Dans la présente étude, une simulation numérique directe (SND) basée sur le code de Paulo Orlandi est entreprise, Orlandi P. (2000). La SND constitue un outil essentiel à l'identification des mécanismes actifs pour chaque schéma de contrôle envisagé. Le travail accompli porte en première étape sur le calcul d'une couche limite turbulente ordinaire non-actionnée. Le champ turbulent obtenu est d'une part comparé avec succès à ceux des travaux faisant référence, d'autre part il constitue le champ initial à un ensemble de simulations de forçage. Les résultats sont analysés sur les champs de vitesse calculés et sur l'identification des structures cohérentes présentes dans cette couche. La seconde étape consiste à imposer divers forçages électromagnétiques locaux à l'écoulement et à analyser la réponse de ce dernier à ces forçages.

La Simulations des Grandes Echelles d'écoulements turbulents anisothermes a été utilisée dans le cadre de problèmes d'interaction thermique fluide/solide. Le but de ce travail réside non seulement dans l'identification des divers éléments susceptibles de mésestimer les fluctuations de température à la paroi mais aussi à l'introduction de modélisations de parois adaptées. Le choix d'un schéma de convection "optimisant" le transport de scalaire a conduit à l'adoption d'un schéma décentré avec limiteur de pente : le schéma QUICK. Deux nouvelles approches de reconstruction de fluctuations de température en proche paroi sont proposées et testées. La première repose sur une résolution complète des équations de Navier-Stokes sur une grille fine en proche paroi permettant de reconstruire le champ fluctuant. Une seconde méthode repose sur la résolution 1D et simultanée d'une équation de température moyenne et d'une équation de transport pour la variance de température en proche paroi.

Le modèle LES-Langevin a été étudié pour les écoulements turbulents de canal. Cette approche se base sur la dynamique des échelles sous-mailles qui d'abord a été étudiée dans le cadre de la théorie de la distorsion rapide. Le tenseur de contrainte des échelles sous-mailles a été modélisé par la combinaison d'une force turbulente et d'une viscosité turbulente. L'équation de la force turbulente est dérivée de la dynamique des échelles sous-mailles avec les hypothèses de la théorie de la distorsion rapide. Les termes non-linéaires contenant les échelles sous-mailles de la pression ont été modélisés par une force stochastique. La viscosité turbulente permet d'améliorer la dissipation des échelles résolues qui est produite par le tenseur de Reynolds sous-maille. L'avantage du modèle est la modélisation de la force turbulente par une équation dynamique dérivée des équations de Navier-Stokes. Cela donne la possibilité d'inclure tous les effets importants des échelles sous-mailles représentés par les équations de Navier-Stokes. Par exemple, le transfert inverse d'énergie des échelles sous-mailles vers les échelles résolues. La modélisation directe du gradient du tenseur de contrainte des échelles sous-mailles réduit le temps de calcul par rapport à une simulation directe, ce qui est l'objectif principal d'une simulation des grandes échelles (LES). Le travail a montré un besoin pour une étude plus approfondie de l'équation de la force turbulente afin de mieux reproduire l'action des échelles sous-mailles

Les transferts de chaleur par convection forcée turbulente dans une conduite plane partiellement remplie par un milieu poreux sont étudiés numériquement. L'étude concerne l'analyse de l'encrassement dans un canal plan représentatif d'un échangeur de chaleur à plaques. Un fluide, ayant un fort pouvoir encrassant, est considéré en régime turbulent. L'objectif de cette étude est de proposer une technique qui repose sur l'utilisation de matériaux fibreux comme capteur de particules pouvant réduire les méfaits de l'encrassement. Cela consiste à essayer de réduire la résistance d'encrassement en agissant sur les propriétés thermiques du dépôt. L'étude de la cinétique de l'encrassement permet de déterminer la loi de variation de l'épaisseur du dépôt au cours du temps. Cette équation est couplée aux équations de conservation. Un modèle de conductivité thermique effective (fluide, dépôt, fibres poreuses) a été choisi et le phénomène de colmatage de la matrice poreuse est considéré. L'apport du milieu poreux sur les performances de l'échangeur est analysé