Nous nous sommes intéressés dans la présente thèse à l’étude de l’écoulement gravitaire de nappesliquides non guidées qui s’écoulent verticalement dans l’air ambiant. Après une synthèse bibliographique,nous avons réalisé une double étude, expérimentale et numérique, en considérant des liquidesde viscosités différentes (allant de 1 à 50 fois celle de l’eau) et de tension superficielle proche de cellede l’eau. Le nombre de Reynolds Rel du liquide a varié de quelques unités à quelques milliers alorsque le nombre de Weber du liquide allait approximativement de 0.1 à 10. Le dispositif expérimentalque nous avons mis en place nous a permis de créer et d’étudier les formes géométriques des nappesliquides. Nous avons employé une méthode expérimentale originale pour mesurer le champ d’épaisseurdes nappes. Nous avons mené, parallèlement aux expériences, des simulations numériques 2D et 3Dinstationnaires et diphasiques (VOF), utilisant le calcul parallèle. Nous avons trouvé que les nappesexpérimentales et numériques deviennent plus courtes (verticalement) et moins épaisses lorsque le débitdiminue. Expérimentalement, lorsque le débit du liquide devient suffisamment faible, des filamentsliquides commencent à apparaître à coté d’une nappe moins large qu’auparavant. Dans le cas desnappes d’eau, cette transition de régime d’écoulement a été précédée de l’apparition systématique detrous dans la partie inférieure des nappes. Pour les autres liquides newtoniens plus visqueux (solutionsaqueuses de glycérine), l’apparition des filaments liquides a été précédée d’une déstabilisation des bourreletsqui délimitent la partie plane des nappes. Nous avons étendu par la suite l’étude expérimentaleà celle de fluides au comportement rhéologique plus complexe en utilisant un liquide non newtonienrhéofluidifiant. Nous avons montré pour ce fluide rhéofluidifiant que le débit associé à la transition versle régime des filaments diminue en comparaison avec celui associé à un liquide newtonien de viscositésimilaire. Cela nous a conduit à suggérer que la présence des propriétés rhéofluidifiantes des nappesliquides peut représenter une solution pour les applications de "coating" pour lesquelles on cherche àproduire des nappes stables et sans percement dans des configurations d’écoulement de faibles débits. / In this thesis, unguided plane liquid sheets flowing vertically by gravity in an ambient air atmosphereare studied experimentally and numerically. First of all a litterature survey clearly identified themain issues regarding the dynamics and modelling of such flows. Subsequently, different liquids exhibitinga wide range of viscosity (1 to 50 times that of water) and a surface tension close to that of waterwere selected. The liquid flow regimes were characterized by a Reynolds number Rel ranging from afew units to a few thousand while the Weber number Wel was varied between 0.1 to 10. A dedicatedexperimental system was designed and operated to study the relevant sheet features (geometry, thickness)by means of an original optical method. In parallel, finite volume based 2D and 3D simulationsof the flows were undertaken. All rely on the volume of fluid method (VOF) combined with adaptivemeshing. The experimental and numerical sheets became shorter (vertically) and thinner as the massflow rate decreased. Experimentally, when the mass flow rate of the liquid becomes sufficiently low,liquid threads begin to appear next to a narrower sheet than before. In the case of water, this flowregime transition was preceded by the systematic appearance of holes in the lower part of the sheets.For the other more viscous Newtonian liquids (mixtures of water and glycerin), the appearance of theliquid threads was preceded by a destabilization of the rims which delimited the flat part of the sheets.The experimental study was then extended to fluids featuring more complex rheological behavior e.g.by the use of a non-Newtonian shear-thinning fluid. For such a fluid, it was shown that the criticalmass flow rate associated with the transition towards the threads regime was lower than its Newtoniancounterpart of similar viscosity. It is suggested that the presence of shear-thinning properties in liquidsheets may represent a solution for "coating" applications for which stable and non-pierced curtainsin flow configurations of low mass flow rates are targeted.

Cette thèse porte sur l'étude numérique des écoulements fluide-particules rencontrés dans l'industrie. Ces travaux se situent dans le cadre de la compréhension des phénomènes qui se déroulent dans des tambours tournants et réacteurs à lit fixe en présence de particules de forme non convexe. En effet, la forme des particules influence de manière importante la dynamique de ces milieux. A cet effet, nous nous sommes servis de la plateforme numérique parallèle Grans3D pour la dynamique des milieux granulaires et PeliGRIFF pour les écoulements multiphasiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle stratégie numérique qui permet de prendre en compte des particules de forme arbitrairement non convexe dans le solveur Grains3D. Elle consiste à décomposer une forme non convexe en plusieurs formes convexes quelconques. Nous avons nommé cette méthode « glued-convex ». Le modèle a été validé avec succès sur des résultats théoriques et expérimentaux de tambours tournants en présence de particules en forme de croix. Nous avons aussi utilisé le modèle pour simuler le chargement de réacteurs à lits fixes puis des lois de corrélation sur les taux de vide ont été déduites de nos résultats numériques. Dans ces travaux, nous avons aussi testé les performances parallèles de nos outils sur des simulations numériques à grande échelle de divers systèmes de particules convexes. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'extension du solveur PeliGRIFF à pouvoir prendre en compte la présence de particules multilobées (non convexes) dans des écoulements monophasiques. Une approche du type Simulation Numérique Directe, basée sur les Multiplicateurs de Lagrange Distribués / Domaine Fictif (DLM/FD), a alors été adoptée pour résoudre l'écoulement autour des particules. Une série d'études de convergence spatiale a été faite basée sur diverses configurations et divers régimes. Enfin, ces outils ont été utilisés pour simuler des écoulements au travers de lits fixes de particules de forme multi-lobée dans le but d'étudier l'influence de la forme des particules sur l'hydrodynamique dans ces lits. Les résultats ont montré une consistance avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. / Non convex granular media are involved in many industrial processes as, e.g., particle calcination/drying in rotating drums or solid catalyst particles in chemical reactors. In the case of optimizing the shape of catalysts, the experimental discrimination of new shapes based on packing density and pressure drop proved to be difficult due to the limited control of size distribution and loading procedure. There is therefore a strong interest in developing numerical tools to predict the dynamics of granular media made of particles of arbitrary shape and to simulate the flow of a fluid (either liquid or gas) around these particles. Non-convex particles are even more challenging than convex particles due to the potential multiplicity of contact points between two solid bodies. In this work, we implement new numerical strategies in our home made high-fidelity parallel numerical tools: Grains3D for granular dynamics of solid particles and PeliGRIFF for reactive fluid/solid flows. The first part of this work consists in extending the modelling capabilities of Grains3D from convex to non-convex particles based on the decomposition of a non-convex shape into a set of convex particles. We validate our numerical model with existing analytical solutions and experimental data on a rotating drum filled with 2D cross particle shapes. We also use Grains3D to study the loading of semi-periodic small size reactors with trilobic and quadralobic particles. The second part of this work consists in extending the modelling capabilities of PeliGRIFF to handle poly-lobed (and hence non-convex) particles. Our Particle Resolved Simulation (PRS) method is based on a Distributed Lagrange Multiplier / Fictitious Domain (DLM/FD) formulation combined with a Finite Volume / Staggered Grid (FV/SG) discretization scheme. Due to the lack of analytical solutions and experimental data, we assess the accuracy of our PRS method by examining the space convergence of the computed solution in assorted flow configurations such as the flow through a periodic array of poly-lobed particles and the flow in a small size packed bed reactor. Our simulation results are overall consistent with previous experimental work.

The spectral-element method (SEM) is used to study wall-bounded turbulent flowsin moderately complex geometries. The first part of the thesis is devoted to simulations of canonical flow cases, such as temporal K-type transitionand turbulent channel flow, to investigate general resolution requirements and computational efficiency of the numerical code nek5000. Large-eddy simulation (LES) is further performed of a plane asymmetric diffuser flow with an opening angle of 8.5 degrees, featuring turbulent flow separation. Good agreement with numerical studies of Herbst (2007) is obtained, and it is concluded that the use of a high-order method is advantageous for flows featuring pressure-induced separation. Moreover, it is shown, both a priori on simpler model problems and a posteriori using the full Navier--Stokes equations, that the numerical instability associated with SEM at high Reynolds numbers is cured either by employing over-integration (dealiasing) or a filter-based stabilisation, thus rendering simulations of moderate to high Reynolds number flows possible. The second part of the thesis is devoted to the first direct numerical simulation (DNS) of a truly three-dimensional, turbulent and separated diffuser flow at Re = 10 000 (based on bulk velocity and inflow-duct height), experimentally investigated by Cherry et al. (2008). The massively parallel capabilities of the spectral-element method are exploited by running the simulations on up to 32 768 processors. Very good agreement with experimental mean flow data is obtained and it is thus shown that well-resolved simulations of complex turbulent flows with high accuracy are possible at realistic Reynolds numberseven in complicated geometries. An explanation for the discovered asymmetry of the mean separated flow is provided and itis demonstrated that a large-scale quasi-periodic motion is present in the diffuser. In addition, a new diagnostic measure, based on the maximum vorticity stretching component in every spatial point, is designed and tested in a number of turbulent and transitional flows. Finally, Koopman mode decomposition is performed of a minimal channel flow and compared to classical proper orthogonal decomposition (POD). / QC 20111206

In this study, which is numerical in nature, direct numerical simulation (DNS) of the pipe flow is performed. For the DNS a solenoidal spectral method is employed, this involves the expansion of the velocity using divergence free functions which also satisfy the prescribed boundary conditions, and a subsequent projection of the N-S equations onto the corresponding dual space. The solenoidal functions are formulated in Legendre polynomial space, which results in more favorable forms for the inner product integrals arising from the Petrov-Galerkin scheme employed. The developed numerical scheme is also used to investigate the effects of spanwise oscillations and phase randomization on turbulence statistics, and drag, in turbulent incompressible pipe flow for low to moderate Reynolds numbers (i.e. $mathrm{Re} sim 5000$) ).

Two codes have been developed and implemented for use on massively parallelsuper computers to simulate two-dimensional and quasi-geostrophic turbulence.The codes have been found to scale well with increasing resolution and width ofthe simulations. This has allowed for the highest resolution simulations of twodimensionaland quasi-geostrophic turbulence so far reported in the literature.The direct numerical simulations have focused on the statistical characteristicsof turbulent cascades of energy and enstrophy, the role of coherent vorticesand departures from universal scaling laws, theoretized more than 40 yearsago. In particular, the investigations have concerned the enstrophy and energycascades in forced and decaying two-dimensional turbulence. Furthermore, theapplicability of Charney’s hypotheses on quasi-geostrophic turbulence has beentested. The results have shed light on the flow evolution at very large Reynoldsnumbers. The most important results are the robustness of the enstrophycascade in forced and decaying two-dimensional turbulence, the sensitivity toan infrared Reynolds number in the spectral scaling of the energy spectrumin the inverse energy cascade range, and the validation of Charney’s predictionson the dynamics of quasi-geostrophic turbulence. It has also been shownthat the scaling of the energy spectrum in the enstrophy cascade is insensitiveto intermittency in higher order statistics, but that corrections apply to the”universal” Batchelor-Kraichnan constant, as a consequence of large-scale dissipationanomalies following a classical remark by Landau (Landau & Lifshitz1987). Another finding is that the inverse energy cascade is maintained bynonlocal triad interactions, which is in contradiction with the classical localityassumption. / QC 20101029

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

L'approche de simulation numérique directe est utilisée pour la simulation d'un écoulement en canal pleinement turbulent afin d'étudier l'influence des grandes échelles de l'écoulement ainsi que la dynamique du transport des contraintes de Reynolds et de la vorticité. Les simulations sont réalisées sur un domaine de calcul de grande taille afin de pouvoir capturer l'intégralité des grandes structures de l'écoulement, et portent sur une gamme relativement étendue de nombres de Reynolds (Reτ =180, 395, 590 et 1100) allant des écoulements faiblement turbulents à des écoulements modérément turbulents. L'invariance remarquable des fluctuations de vorticité normale est expliquée à travers une analyse spectrale de la vorticité. L'étude des différents termes du transport de l'intensité turbulente de la vorticité révèle par ailleurs que le pic de production de la vorticité transverse est situé à proximité immédiate de la paroi et pourrait ouvrir la voie à des stratégies de réduction de la traînée basées sur la réduction de la vorticité transverse. Le transport des contraintes de Reynolds dans la couche interne et dans la couche de recouvrement est également étudié. A proximité des parois, la dépendance des termes de transport avec le nombre de Reynolds dans les échelles internes montre que ces dernières ne suffisent pas à caractériser la dynamique des contraintes de Reynolds dans cette zone. Cette insuffisance des échelles internes nous a amenés à nous intéresser plus particulièrement au processus de production à travers les statistiques de la production conditionnées par le passage par niveau des fluctuations de la vitesse normale ou longitudinale. Cette étude nous a permis d'identifier les fluctuations qui contribuent le plus à la production et celles qui sont à l'origine de la dépendance avec le nombre de Reynolds. / The direct numerical simulations of a fully turbulent channel flow are investigated to study the large scales effects on the flow quantities such as the Reynolds stresses and vorticity transport processes. Large computational domains are used so as to cover the largest scales of the flow. The simulations are performed in a wide range of Reynolds numbers (Reτ=180, 395, 590 and 1100) going from weakly to moderately high Reynolds number turbulent flows. The invariance of the wall-normal vorticity fluctuations scaled in wall variables in the inner layer versus the Reynolds number is analyzed using a spectral analysis. The vorticity transport equations are investigated in detail, presumably for the first time. The transport mechanism of the Reynolds shear stresses are subsequently analyzed in the inner layer and the overlapping zone. In the wall layer, different terms of the Reynolds stresses transport expressed in inner scales depend on the Reynolds number. This scaling failure lead us to focus on the statistics of the production when the streamwise or normal velocity fluctuations cross a given level, through the conditional Palm statistics. The main aim is to identify those amplitudes of the fluctuations that contribute more to the production and those which are responsible for the production Reynolds dependence.

Em diversos escoamentos sobre superfícies há a presença de protuberâncias, como por exemplo rebites, parafusos e juntas. Estas protuberâncias podem influenciar a camada limite, acelerando a transição do escoamento do estado laminar para o estado turbulento. Em alguns casos isto pode ser indesejável, já que o escoamento turbulento implica necessariamente em uma força de atrito maior do que aquela referente ao escoamento laminar. Existem alguns aspectos neste tipo de escoamento que ainda não estão bem compreendidos. O objetivo deste trabalho é estudar a influência de uma rugosidade isolada no escoamento sobre uma superfície. Este estudo contribui para se entender o que ocorre em casos de maior complexidade. O estudo é de natureza computacional, em que se utiliza simulação numérica direta das equações de Navier-Stokes. A técnica de fronteiras imersas é utilizada para representar a rugosidade no escoamento sobre a superfície. O código numérico é verificado por meio do método de soluções manufaturadas. Comparações entre resultados experimentais, da teoria de estabilidade linear e numéricos também são utilizados para a validação do código. Resultados obtidos com diferentes alturas de rugosidade e variações no gradiente de pressão permitiram analisar a influência de elemento rugoso tridimensional em escoamentos de camada limite. / The presence of protuberances on surfaces, for example, rivets, screws and gaskets, can influence the boundary layer by accelerating the transition from laminar flow to turbulent flow. In some cases this may be undesirable, since the turbulent flow involves frictional forces greater than the ones at the laminar regime. There are some aspects of the flow in the boundary layer perturbed by a single roughness element that are not well understood. The aim of this work is to study the influence of an isolated roughness on the boundary layer. This study is a step towards to the understanding of what can happen in more complex cases. The nature of this study is computational, therefore a Direct Numerical Simulation code is used. The immersed boundary method is used to represent the roughness in the flow on the surface. The numerical code is verified via theMethod ofManufactured Solutions. Comparisons between experimental data, Linear Stability Theory and numerical results are also used for the validation of the code. Results obtained with different roughness heights and variations in the pressure gradient allowed the analysis of the influence of a three-dimensional roughness element in boundary layer flows.

Cette thèse porte sur la caractérisation numérique et la modélisation stochastique de l’accélération du fluide pour l’écoulement en canal à grand nombre de Reynolds. La motivation concerne l’observation et l’analyse des effets de l’intermittence liés aux interactions à longue portée à travers le canal. Dans la première partie, l’accélération est étudiée par simulation numérique directe pour trois différents nombres de Reynolds (180, 590 et 1000). La lognormalité de la norme de l’accélération est observée quelle que soit la distance à la paroi. Un profil universel de la norme de l’accélération est également recherché par analyse dimensionnelle. La seconde partie présente une modélisation stochastique de l’accélération basée sur la décomposition norme/orientation. Le modèle stochastique pour la norme s’appuie sur un processus de fragmentation afin de représenter les interactions à longue portée à travers le canal. Pour l’orientation, l’évolution vers l’isotropie lorsque la distance à la paroi augmente (observée par la DNS) est reproduite grâce à un modèle de marche aléatoire sur une sphère. Ces modèles ont été appliqués à l’approche LES-SSAM (Stochastic Subgrid Acceleration Model) introduite par Sabel’nikov, Chtab et Gorokhovski. Nos calculs montrent que les estimations de la vitesse moyenne, du spectre d’énergie, des contraintes de l’écoulement et de la non-gaussianité des statistiques de l’accélération peuvent être améliorées de façon significative par rapport à la LES classique. L’intérêt de l’approche LES-SSAM, donnant un accès vers la structure intermittente de sous-maille, est illustré dans la dernière partie, par l’étude du transport de particules inertielles ponctuelles par l’écoulement de canal. Cette étude commence par l’analyse par DNS de l’influence des structures de paroi sur la dynamique des particules / The main objective of this thesis is to observe numerically and to analyze the effects of intermittency in a high Reynolds number turbulent channel flow. To this end, the thesis is focused on characterization and stochastic modelling of the fluid acceleration in such a flow, with emphasis on long-range interactions across the channel. In the first part, the acceleration is studied using DNS for three Reynolds numbers (180, 590 et1000). It is observed that the norm of acceleration is log-normal whatever the wall distance is. The universal form of scaling law for the acceleration is proposed by dimensional analysis. In the second part, the acceleration is simulated stochastically, assuming the norm/orientation decomposition. The stochastic model for the norm is based on the fragmentation process in order to represent the long-range interactions across the channel. The orientation is simulated by random walk on a sphere in order to reproduce the relaxation towards isotropy with increasing the wall distance. This was observed preliminary in our DNS. These models were applied in the framework of LES-SSAM approach (Stochastic Subgrid AccelerationModel), which was introduced by Sabel’nikov, Chtab and Gorokhovski and assessed in the case of the box turbulence. Our computations showed that the mean velocity, the energy spectra, the viscous and turbulent stresses, as well as the non-gaussianity of acceleration statistics can be considerably improved in comparison with standard LES. The advantage of the LES-SSAM approach, which accounts for intermittency on subgrid scales, is demonstrated in the last part of this thesis. Here the transport of inertial point wise particles was studied by DNS and by LES-SSAM. The influence of wall structures on the particle’s dynamics is analyzed.

Tato numerická studie je zaměřená na axisymetrickou pulzní trysku při zachování relativně nízkých Reynoldsových čísel a její fyzikální podstatu, která dosud nebyla zcela vysvětlena. Hlavním cílem práce bylo prozkoumat a zhodnotit vliv přidání periodického komponentu rychlosti ke stacionární složce rychlosti. Nejdříve byl řešen stacionární případ, poté byla do simulace přidána pulzace a byla vytvořena nestacionární simulace. Numerické řešení stacionárního případu bylo ověřeno pomocí asymptotického řešení, které předložil Hermann Schlichting [44]. Přesnost tohoto analytické řešení byla opravena na základě experimentálních poznatků Andradeho a Tsiena [1]. Pomocí této korekce je zmenšena oblast singularity řešení v blízkosti počátku proudění. Z matematického pohledu se v podstatě jedná korekcí prvního řádu, což bylo dokázáno Revueltou a spol [36]. Samotné analytické řešení bylo vytvořeno v MATLABu zatímco pro numerické řešení byl použit software Ansys Fluent. Při numerické simulaci byly Navier-Stokesovi rovnice integrovány ve své plné formě za pomoci algoritmu založeném na tzv. rovnici korekce tlaku. Pulzační tryska byla poté řešena pro různé parametry tak, aby bylo možné zhodnotit vliv jednotlivých parametrů na evoluci takto modulovaného proudu. Nakonec byla posouzena možná aplikace pulzních trysek v průmyslu s ohledem na možnost snížení emisí v průběhu spalovacího procesu.