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In this study we highlight the influence of mean dilatation and mean density gradient on the Reynolds stress modeling of compressible, heat-releasing and supercritical turbulent flows.Firstly, the modeling of the rapid pressure-strain correlation has been extended to self-consistently account for the influence of mean dilatation.Secondly, an algebraic model for the turbulent density flux has been developed and coupled to the tensor equationfor Reynolds stress anisotropy via a 'local mean acceleration',a generalization of the buoyancy force. We applied the resulting differential Reynolds stress model (DRSM) and the corresponding explicit algebraic Reynolds stress model (EARSM) to homogeneously sheared and compressed or expanded two-dimensional mean flows. Both formulations have shown that our model preserves the realizability of the turbulence, meaning that the Reynolds stresses do not attain unphysical values, unlike earlier approaches. Comparison with rapid distortion theory (RDT) demonstrated that the DRSM captures the essentials of the transient behaviour of the diagonal anisotropies and gives good predictions of the turbulence kinetic energy. A general three-dimensional solution to the coupled EARSM  has been formulated. In the case of turbulent flow in de Laval nozzle we investigated the influence of compressibility effects and demonstrated that the different calibrations lead to different turbulence regimes but with retained realizability. We calibrated our EARSM against a DNS of combustion in a wall-jet flow. Correct predictions of turbulent density fluxes have been achieved and essential features of the anisotropy behaviour have been captured.The proposed calibration keeps the model free of singularities for the cases studied. In addition,  we have applied the EARSM to the investigation of supercritical carbon dioxide flow in an annulus. The model correctly captured mean enthalpy, temperature and density as well as the turbulence shear stress. Hence, we consider the model as a useful tool for the analysis of a wide range of compressible flows with large density variation. / <p>QC 20160314</p>

La demande pour les ressources énergétiques est en hausse alors que leur disponibilité est en baisse. Dans ce contexte, l’industrie du transport et de l’énergie est à la recherche de petits moteurs efficaces et puissants et le Rim Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) pourrait correspondre à ces critères. Or, en ce moment, le potentiel de ce moteur est limité, car son compresseur supersonique entraîne des pertes d’efficacité lorsque le rotor tourne à son nombre de Mach tangentiel optimal qui est de 2. Le présent mémoire compile toutes les notions requises pour comprendre le fonctionnement d’un compresseur supersonique lors de son démarrage et de concevoir le compresseur le plus approprié pour le R4E, tant en démarrage qu’en régime permanent. Pour se faire, des concepts de cascades inspirés des compresseurs et des méthodes de démarrage des moteurs ramjet actuels ont été générés et validés à l’aide de modèles analytiques. Les concepts sont par la suite essayés expérimentalement sous la forme de cascades à l’aide d’une soufflerie supersonique. Bien que le modèle analytique montre que les cascades munies de canaux de purge soient plus performantes et plus robustes en conditions off-design, ces dernières n’ont jamais démarré lors des expérimentations même si les canaux ont été agrandis et multipliés. Ainsi, parmi tous les concepts essayés, celui qui démarre par survitesse et qui comporte des canaux de succion de couche limite à son col a donné les meilleurs résultats. Il est très stable et permet d’obtenir un ratio de pression statique de 4.25 et un recouvrement de pression totale de 89 %, pour une efficacité isentropique de 92 % à un nombre de Mach tangentiel de 2. Par contre, il est à noter qu’il n’a pas été possible de mesurer la pression totale. Elle a plutôt été estimée à partir des images de strioscopie tirées lors des essais. Comme on ne dispose pas d’une structure permettant d’essayer le compresseur rotatif à Mach 2, il a fallu approximer l’influence de l’accélération centrifuge sur l’écoulement de la cascade et trouver un moyen d’intégrer le nouvel aubage à la roue. Un modèle permettant d’estimer les paramètres d’une couche limite se développant sur une plaque plane en rotation a permis de déduire que l’accélération transverse n’aurait qu’un effet légèrement favorable, puisqu’il permet d’amincir l’épaisseur de déplacement, réduisant ainsi les risques d’interaction en la couche limite et les chocs. Finalement, les canaux de succion de couche limite du compresseur pourraient permettre d’alimenter un système de refroidissement qui limiterait la température à la jante à 820 K. Le R4E pourrait devenir l’avenir des systèmes de régénération électrique pour les véhicules hybrides. Il serait aussi intéressant pour une utilisation dans les petites centrales thermiques des régions éloignées. Ce grand potentiel d’utilisation provient de la grande densité de puissance du moteur, de sa simplicité et de son très faible coût de fabrication et de maintenance.

A new approach to large-eddy simulation (LES) based on the use of explicit spatial filtering combined with backscatter forcing is presented. The forcing uses a discrete dynamical system (DDS) called the compressible ``poor man's'' Navier--Stokes (CPMNS) equations. This DDS is derived from the governing equations and is shown to exhibit good spectral and dynamical properties for use in a turbulence model. An overview and critique of existing turbulence theory and turbulence models is given. A comprehensive theoretical case is presented arguing that traditional LES equations contain unresolved scales in terms generally thought to be resolved, and that this can only be solved with explicit filtering. The CPMNS equations are then incorporated into a simple forcing in the OVERFLOW compressible flow code, and tests are done on homogeneous, isotropic, decaying turbulence, a Mach 3 compression ramp, and a Mach 0.8 open cavity. The numerical results validate the general filter-forcing approach, although they also reveal inadequacies in OVERFLOW and that the current approach is likely too simple to be universally applicable. Two new proposals for constructing better forcing models are presented at the end of the work.

La méthode présentée dans ce mémoire vise à résoudre numériquement les équations d'Euler en 2D/3D modélisant l'écoulement de plusieurs matériaux compressibles, non-miscibles et de nature différentes. Il s'agit en particulier de reconstruire une interface d'épaisseur nulle entre ces matériaux, sans introduire de mélange entre eux. L'originalité de cette méthode purement eulérienne réside dans l'utilisation d'un schéma volumes finis direct. Le concept de ”condensat” est introduit et étudié dans ce mémoire, qui permet de calculer l'évolution de l'interface dans la grille eulérienne fixe. De plus, cette méthode permet un glissement parfait des matériaux les uns par rapport aux autres et une conservation locale des grandeurs eulériennes. La qualité de la méthode est évaluée par des cas-tests académiques ainsi que par des cas-tests éprouvant la robustesse de la méthode

Compressibility profoundly affects many aspects of turbulence in high-speed flows - most notably stability characteristics, anisotropy, kinetic-potential energy interchange and spectral cascade rate. Many of the features observed in compressible flows are due to the changing nature of pressure. Whereas for incompressible flows pressure merely serves to enforce incompressibility, in compressible flows pressure becomes a thermodynamic variable that introduces a strong coupling between energy, state, and momentum equations. Closure models that attempt to address compressibility effects must begin their development from sound first-principles related to the changing nature of pressure as a flow goes from incompressible to compressible regime. In this thesis, a unified framework is developed for modeling pressure-related compressibility effects by characterizing the role and action of pressure at different speed regimes. Rapid distortion theory is used to examine the physical connection between the various compressibility effects leading to model form suggestions for the pressure-strain correlation, pressure-dilatation and dissipation evolution equation. The pressure-strain correlation closure coefficients are established using fixed point analysis by requiring consistency between model and direct numerical simulation asymptotic behavior in compressible homogeneous shear flow. The closure models are employed to compute high-speed mixing-layers and boundary layers in a differential Reynolds stress modeling solver. The self-similar mixing-layer profile, increased Reynolds stress anisotropy and diminished mixing-layer growth rates with increasing relative Mach number are all well captured. High-speed boundary layer results are also adequately replicated even without the use of advanced thermal-flux models or low Reynolds number corrections. To reduce the computational burden required for differential Reynolds stress calculations, the present compressible pressure-strain correlation model is incorporated into the algebraic modeling framework. The resulting closure is fully explicit, physically realizable, and is a function of mean flow strain rate, rotation rate, turbulent kinetic energy, dissipation rate, and gradient Mach number. The new algebraic model is validated with direct numerical simulations of homogeneous shear flow and experimental data of high-speed mixing-layers. Homogeneous shear flow calculations show that the model captures the asymptotic behavior of direct numerical simulations quite well. Calculations of plane supersonic mixing-layers are performed and comparison with experimental data shows good agreement. Therefore the algebraic model may serve as a surrogate for the more computationally expensive differential Reynolds stress model for flows that permit the weak-equilibrium simplification.

Lors de la phase de rentrée atmosphérique d'une sonde spatiale, la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes. Nous nous intéressons dans cette thèse au cas où le matériau solide de l'objet de vol comporte plusieurs constituants s'ablatant de façon différentielle. En particulier, l'un de ces constituants subit un changement de phase donnant lieu à l'apparition d'une phase liquide. Nous sommes en présence de trois phases : solide, liquide et gaz. Les travaux effectués dans cette thèse correspondent au développement de méthodes numériques en 2D capables de modéliser les différentes interfaces en présence ainsi que l'évolution des fluides ou des matériaux séparés par celle-ci. L'enjeu principal de la thèse est de proposer des méthodes et des algorithmes de couplage pour l'écoulement diphasique, la thermique multimatériaux et les changements de phase (fusion et sublimation)

Simulating transient compressible flows involving shock waves presents challenges to the CFD practitioner in terms of the mesh quality required to resolve discontinuities and prevent smearing. This document discusses a novel two-dimensional Cartesian anisotropic mesh adaptation technique implemented for transient compressible flow. This technique, originally developed for laminar incompressible flow, is efficient because it refines and coarsens cells using criteria that consider the solution in each of the cardinal directions separately. In this document the method will be applied to compressible flow. The procedure shows promise in its ability to deliver good quality solutions while achieving computational savings. Transient shock wave diffraction over a backward step and shock reflection over a forward step are considered as test cases because they demonstrate that the quality of the solution can be maintained as the mesh is refined and coarsened in time. The data structure is explained in relation to the computational mesh, and the object-oriented design and implementation of the code is presented. Refinement and coarsening algorithms are outlined. Computational savings over uniform and isotropic mesh approaches are shown to be significant.

A Large Eddy-Simulation code, based on a mesh transparent algorithm, for hybrid unstructured meshes is presented to deal with complex geometries that are often found in engineering flow problems. While tetrahedral elements are very effective in dealing with complex geometry, excessive numerical diffusion often affects results. Thus, prismatic or hexahedral elements are preferable in regions where turbulence structures are important. A second order reconstruction methodology is used since an investigation of a higher order method based upon Lele's compact scheme has shown this to be impractical on general unstructured meshes. The convective fluxes are treated with the Roe scheme that has been modified by introducing a variable scaling to the dissipation matrix to obtain a nearly second order accurate centred scheme in statistically smooth flow, whilst retaining the high resolution TVD behaviour across a shock discontinuity. The code has been parallelised using MPI to ensure portability. The base numerical scheme has been validated for steady flow computations over complex geometries using inviscid and RANS forms of the governing equations. The extension of the numerical scheme to unsteady turbulent flows and the complete LES code have been validated for the interaction of a shock with a laminar mixing layer, a Mach 0.9 turbulent round jet and a fully developed turbulent pipe flow. The mixing layer and round jet computations indicate that, for similar mesh resolution of the shear layer, the present code exhibits results comparable to previously published work using a higher order scheme on a structured mesh. The unstructured meshes have a significantly smaller total number of nodes since tetrahedral elements are used to fill to the far field region. The pipe flow results show that the present code is capable of producing the correct flow features. Finally, the code has been applied to the LES computation of the impingement of a highly under-expanded jet that produces plate shock oscillation. Comparison with other workers' experiments indicates good qualitative agreement for the major features of the flow. However, in this preliminary computation the computed frequency is somewhat lower than that of experimental measurements.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements instationnaires de deux fluides visqueux non miscibles, séparés par une interface mobile. Plus particulièrement des écoulements sans choc constitués d'une phase gazeuse et d'une phase liquide sont considérés. Pour modéliser de tels écoulements, une approche dans laquelle le gaz est décrit par les équations de Navier-Stokes compressible et le liquide par les équations de Navier-Stokes incompressible est proposée. C'est le couplage de ces deux modèles qui constitue l'originalité et l'enjeu principal de de cette thèse. Pour traiter cette difficulté majeure, une méthode globale (i.e. la même dans chaque phase) et simple à mettre en oeuvre est élaborée. L'utilisation des équations de Navier-Stokes formulées de façon unifiée pour les inconnues primitives (pression, vitesse et température) constitue le point de départ pour la construction de notre méthode qui repose sur les composants suivants: une méthode d'éléments finis stabilisés pour la discrétisation spatiale des équations de Navier-Stokes; une approche Level Set pour représenter précisément l'interface dont l'équation de transport a été résolue par une méthode de type Galerkin Discontinu; et des grandeurs moyennes pour traiter les discontinuités à l'interface. Le bon comportement de notre approche est illustré sur différents tests mono et bi-dimensionnels. / In this work, we are interested in the numerical simulation of instationnary viscous flows of two immiscible fluids, separated by a mobile interface. In particular, flows without shock composed of a gas phase and a liquid phase are considered. In order to modelize such flows, an approach in which the gaz is described by compressible Navier-Stokes equations and the liquid by incompressible Navier-Stokes équations is proposed. The coupling between these two models is the originality and the stake of this thesis. To treat this important difficulty, a global (i.e. the same for each phase) and simple method is elaborated. In our procedure we propose, using the Navier-Stokes equations formulated in set of primitives unknowns (pressure, velocity and temperature), to elaborate a strategy that relies on the follow components: the stabilized finite element method to discretize spatially the Navier-Stokes equations; the Level Set method for tracking the interface precisely with a discontinuous Galerkin method to solve the associated transport equation; and some averaged quantities to treat the discontinuities at the interface. The good behaviour of this approach is performed on both one and two spatial dimensions.