La combustion prévaporisée prémélangée pauvre est une piste de choix pour réduire les émissions polluantes des moteurs d'avions mais peut conduire à l'apparition d'instabilités thermo-acoustiques. Afin d'améliorer la stabilité de telles flammes, l'étagement du combustible consiste à contrôler la distribution spatiale du carburant. Une telle procédure s'accompagne cependant d'une complexité accrue du système pouvant déboucher sur des phénomènes inattendus.Un brûleur à l'échelle de laboratoire alimenté par du dodécane liquide est utilisé dans cette thèse. Le combustible est injecté dans deux étages séparés, permettant ainsi de contrôler sa distribution. Cette particularité permet l'observation de différentes formes de flammes et notamment de points bistables pour lesquels deux flammes différentes peuvent exister malgré des conditions opératoires identiques.L'utilisation de diagnostics optiques à haute cadence (diffusion de Mie des gouttes de combustible et émission spontanée de la flamme) est couplée à des méthodes de post-traitement avancées comme la Décomposition en Modes Dynamiques. Ainsi, des mécanismes pilotant la stabilisation des flammes ainsi que leurs changements de forme sont proposés. Ils mettent notamment en lumière les interactions entre l'écoulement gazeux, les gouttes de combustible et la flamme. / A promising way to reduce jet engines pollutant emissions is the use of lean premixed prevaporized combustion but it tends to trigger thermo-acoustic instabilities. To improve the stability of these flames, a procedure called staging consists in splitting the fuel injection to control its spatial distribution. This however leads to an increased complexity and unexpected phenomena can occur.In the present work, a model gas turbine combustor fed with liquid dodecane is used. It is equipped with two fuel injection stages to control the fuel distribution in the burner. Different flame stabilizations can be observed and a bistable case where two flame shapes can exist for the same operating conditions is highlighted.High-speed optical diagnostics (fuel droplets Mie scatering and chemiluminescence measurements) are coupled with advanced post-processing methods like Dynamic Mode Decomposition. The results enable to propose mechanisms leading to flame stabilization and flame shape transitions. They show a strong interplay between the gaseous flow, the fuel droplets and the flame itself.

La simulation aux grandes échelles est devenue un outil d’analyse incontournable pour l’étude des écoulements turbulents dans des géométries complexes. Cependant, à cause de l’augmentation constante des ressources de calcul, le traitement des grandes quantités de données générées par les simulations hautement résolues est devenu un véritable défi qu’il n’est plus possible de relever avec des outils traditionnels. En mécanique des fluides numérique, cette problématique émergente soulève les mêmes questions que celles communément rencontrées en informatique avec des données massives. A ce sujet, certaines méthodes ont déjà été développées telles que le partitionnement et l’ordonnancement des données ou bien encore le traitement en parallèle mais restent insuffisantes pour les simulations numériques modernes. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux formalismes permettant de contourner le problème de volume de données en vue des futurs calculs exaflopiques que l’informatique devrait atteindre en 2020. A cette fin, une méthode massivement parallèle de co-traitement, adaptée au formalisme non-structuré, a été développée afin d’extraire les grandes structures des écoulements turbulents. Son principe consiste à introduire une série de grilles de plus en plus grossières réduisant ainsi la quantité de données à traiter tout en gardant intactes les structures cohérentes d’intérêt. Les données sont transférées d’une grille à une autre grâce à l’utilisation de filtres et de méthodes d’interpolation d’ordre élevé. L’efficacité de cette méthodologie a pu être démontrée en appliquant des techniques de décomposition modale lors de la simulation 3D d’une pale de turbine turbulente sur une grille de plusieurs milliards d’éléments. En outre, cette capacité à pouvoir gérer plusieurs niveaux de grilles au sein d’une simulation a été utilisée par la suite pour la mise en place de calculs basés sur une stratégie multi-niveaux. L’objectif de cette méthode est d’évaluer au cours du calcul les erreurs numériques et celles liées à la modélisation en simulant simultanément la même configuration pour deux résolutions différentes. Cette estimation de l’erreur est précieuse car elle permet de générer des grilles optimisées à travers la construction d’une mesure objective de la qualité des grilles. Ainsi, cette méthodologie de multi-résolution tente de limiter le coût de calcul de la simulation en minimisant les erreurs de modélisation en sous-maille, et a été appliquée avec succès à la simulation d’un écoulement turbulent autour d’un cylindre. / Large-Eddy Simulation (LES) has become a major tool for the analysis of highly turbulent flows in complex geometries. However, due to the steadily increase of computational resources, the amount of data generated by well-resolved numerical simulations is such that it has become very challenging to manage them with traditional data processing tools. In Computational Fluid Dynamics (CFD), this emerging problematic leads to the same "Big Data" challenges as in the computer science field. Some techniques have already been developed such as data partitioning and ordering or parallel processing but still remain insufficient for modern numerical simulations. Hence, the objective of this work is to propose new processing formalisms to circumvent the data volume issue for the future 2020 exa-scale computing objectives. To this aim, a massively parallel co-processing method, suited for complex geometries, was developed in order to extract large-scale features in turbulent flows. The principle of the method is to introduce a series of coarser nested grids to reduce the amount of data while keeping the large scales of interest. Data is transferred from one grid level to another using high-order filters and accurate interpolation techniques. This method enabled to apply modal decomposition techniques to a billion-cell LES of a 3D turbulent turbine blade, thus demonstrating its effectiveness. The capability of performing calculations on several embedded grid levels was then used to devise the multi-resolution LES (MR-LES). The aim of the method is to evaluate the modeling and numerical errors during an LES by conducting the same simulation on two different mesh resolutions, simultaneously. This error estimation is highly valuable as it allows to generate optimal grids through the building of an objective grid quality measure. MR-LES intents to limit the computational cost of the simulation while minimizing the sub-grid scale modeling errors. This novel framework was applied successfully to the simulation of a turbulent flow around a 3D cylinder.

Le contrôle d'écoulements turbulents est un enjeu majeur en aérodynamique. Cependant, la présence d'un grand nombre de degrés de libertés et d'une dynamique complexe rend délicat la modélisation dynamique de ces écoulements qui est pourtant nécessaire à la conception d'un contrôle efficace. Au cours de cette thèse, différentes directions ont été suivies afin de développer des modèles réduits dans des configurations réalistes d'écoulements et d'utiliser ces modèles pour le contrôle.Premièrement, la décomposition en modes dynamiques (DMD), et certaines de ses variantes, ont été exploitées en tant que base réduite afin d'extraire au mieux le comportement dynamique de l'écoulement. Par la suite, nous nous sommes intéressés à l'assimilation de données 4D-Var qui permet de combiner des informations inhomogènes provenant d'un modèle dynamique, d'observations et de connaissances a priori du système. Nous avons ainsi élaboré des modèles réduits POD et DMD d'un écoulement turbulent autour d'un cylindre à partir de données expérimentales PIV. Finalement, nous avons considéré le contrôle d'écoulement dans un contexte d'interaction fluide/structure. Après avoir montré que les mouvements de solides immergés dans le fluide pouvaient être représentés comme une contrainte supplémentaire dans le modèle réduit, nous avons stabilisé un écoulement de sillage de cylindre par oscillation verticale. / Control of turbulent flows is still today a challenge in aerodynamics. Indeed, the presence of a high number of active degrees of freedom and of a complex dynamics leads to the need of strong modelling efforts for an efficient control design. During this PhD, various directions have been followed in order to develop reduced-order models of flows in realistic situations and to use it for control. First, dynamic mode decomposition (DMD), and some of its variants, have been exploited as reduced basis for extracting at best the dynamical behaviour of the flow. Thereafter, we were interested in 4D-variational data assimilation which combines inhomogeneous informations coming from a dynamical model, observations and an a priori knowledge of the system. POD and DMD reduced-order models of a turbulent cylinder wake flow have been successfully derived using data assimilation of PIV measurements. Finally, we considered flow control in a fluid-structure interaction context. After showing that the immersed body motion can be represented as an additional constraint in the reduced-order model, we stabilized a cylinder wake flow by vertical oscillations.

Lors d’un vol hypersonique (Mach 6, 20 km d’altitude) la couche limite se développant sur l’avant-corps d’un véhicule hypersonique est laminaire. Cet état cause un désamorçage du moteur (statoréacteur) assurant la propulsion du véhicule. Pour pallier ce problème, il faut forcer la transition de la couche limite á l’aide d’un dispositif de contrôle dont l’effet est permanent (passif) ou modulable (actif) pendant le vol. Dans ce travail, nous analysons l’efficacité d’un dispositif actif d’injection d’air á la paroi pour forcer la transition de la couche limite sur un avant-corps générique. L’interaction jet d’air/couche limite est simulée numériquement avec une approche aux grandes échelles (LES). Une étude paramétrique sur la pression d’injection permet de quantifier l’efficacité du jet á déstabiliser la couche limite. L’influence des conditions de vol (altitude, Mach) sur la transition est également étudiée. Une analyse des résultats de simulation par Décomposition en Modes Dynamiques (DMD) est menée pour comprendre quels sont les modes dynamiques responsables de la transition et les mécanismes sous-jacents. Des essais dans la soufflerie silencieuse de l’université de Purdue (BAM6QT) ont été effectués pour tester expérimentalement l’efficacité des dispositifs passifs (rugosité isolée en forme de losange) et actifs (mono-injection d’air) pour faire transitionner la couche limite. Une peinture thermo-sensible et des capteurs de pression (PCB, Kulite) ont été utilisés pour déterminer la nature de la couche limite. Les résultats de ce travail montrent qu’une injection sonique suffit pour forcer la couche limite. On observe des essais, que pour une même hauteur de pénétration, les rugosités isolées sont moins efficaces que les jets (mono injection) pour déstabiliser la couche limite. / During a hypersonic flight (Mach 6, 20 km altitude), the boundary layer developing on the forebody of a vehicle is laminar. This state may destabilize the scramjet engine propelling the vehicle. To overcome this problem during the flight, the boundary layer transition has to be forced using a control device whose effect is fixed (passive) or adjustable (active). In this work, we analyze the efficiency of a jet in crossflow in forcing the boundary layer transition on a generic forebody. The flow is computed with a Large Eddy Simulations (LES) approach. A parametric study of the injection pressure allows the efficiency of the jet in tripping the boundary layer to be quantified. The influence of flight conditions (Mach, altitude) on the transition is also studied. Dynamic Mode Decomposition (DMD) is applied to the simulation results to determine the transition leading to dynamic modes and to understand underlying transition mechanisms. Experiments in the Purdue University quiet wind tunnel (BAM6QT) were performed to quantify the efficiency of a passive transition device (diamond roughnesses) and an active transition device (single air jet) in tripping the boundary layer. A thermo-sensitive paint and pressure transducers (Kulite, PCB) were used to determine the state of the boundary layer on the generic forebody. Experimental and numerical results show a sonic injection is sufficient to induce transition. We observe from the experiments that for the same penetration height, a single roughness is less efficient than a single air jet in destabilizing the boundary layer.