Cette thèse est une contribution à l'étude de la dynamique et du contrôle des oscillations grande-échelle qui se développent en régime subsonique dans le sillage d'un corps de révolution modélisant le corps central d'un lanceur. Pour plusieurs configurations (disque, sphère, culot franc), la transition stationnaire/instationnaire est caractérisée par une étude de stabilité de l'écoulement axisymétrique à faible nombre de Reynolds. On montre tout d'abord que les oscillations sont liées à une instabilité absolue du sillage proche. On utilise ensuite une approche globale de la stabilité, mieux adaptée aux écoulements non parallèles. Une unique séquence de bifurcation est mise en évidence pour cette classe d'écoulements, impliquant un mode stationnaire et un mode oscillant à basse fréquence. Une analyse basée sur la théorie des formes normales montre qu'au seuil d'apparition des instationnarités, la fréquence et l'organisation spatiale de l'écoulement sont fixées par l'interaction non linéaire de ces modes. On montre également qu'augmenter la compressibilité affaiblit la production des perturbations et augmente leur transport, ce qui induit une stabilisation de l'écoulement. Une analyse de sensibilité des valeurs propres à un forçage stationnaire permet ensuite de développer une approche systématique du contrôle en boucle ouverte en régime compressible. Cette approche est appliquée au culot franc, ce qui constitue un premier pas dans la perspective d'un contrôle de l'écoulement en configuration industrielle. Diverses méthodes ont été analysées, notamment l'introduction d'un! corps secondaire, un dépôt d'énergie ou un! souffla ge au culot («base bleed»).

La thèse constitue une juxtaposition de plusieurs contributions originales à lélaboration et lanalyse de modèles numériques capables de décrire une vaste gamme découlements à surface libre ainsi que les phénomènes de transport associés. Deux axes principaux sous-tendent les recherches entreprises. Il sagit, dune part, dune contribution à létude de modèles visant à reproduire adéquatement les interactions du fluide avec divers constituants transportés, tels que de lair entraîné, un polluant ou des sédiments. Cette phase du travail inclut également la caractérisation et la prédiction du comportement de lécoulement en présence dune topographie mobile ou érodable, y compris dans le cas dun barrage en remblai subissant une surverse. Dautre part, partant du constat quune modélisation fidèle des processus de transport, notamment hydrosédimentaires, passe inévitablement par un raffinement du calcul hydrodynamique proprement dit, une partie des travaux effectués dans le cadre de cette thèse est spécifiquement orientée vers un enrichissement de la connaissance des champs hydrodynamiques au sein du modèle.

Cette thèse étudie essentiellement des phénomènes touchant aux domaines aéronautique et spatial. Elle traite par simulations numériques des écoulements dans les tuyères de moteur-fusée, les écoulements d'arrière-corps d'avions, et les écoulements supersoniques en présence d'interactions onde de choc/couche limite. La motivation principale de ce travail a été de comprendre les différents facteurs qui gouvernent ces écoulements. Ce travail, soutenu par le groupe SNECMA, est consacré plus particulièrement à l'étude et à la modélisation des phénomènes en proche paroi en utilisant le code industriel N3S-Natur. L'objectif visé est d'améliorer les chaînes de conception et de développement industriels (RANS) et de développer de nouvelles méthodes de calcul (LES/DES) pour une meilleure maîtrise des systèmes énergétiques. Ainsi, les modèles mis au point dans cette étude ont été d'abord validés sur une variété d'écoulement simple (couche limite compressible, jet supersonique,...) avant d'être appliqués aux écoulements complexes (tuyères avec film de refroidissement, arrière-corps 3D, interaction visqueuse et décollement tridimensionnel). Une partie de l‘étude a été consacrée aux phénomènes transitoires d'amorçage rapide des tuyères propulsives. En ce qui concerne les aspects instationnaires, il a été montré, à travers l'étude d'une interaction onde de choc/couche limite, que la DES (Detached Eddy Simulation), tout comme la LES (Large Eddy Simulation), constitue un outil pertinent, permettant une prédiction fine des caractéristiques moyennes et fluctuantes des écoulements supersoniques décollés. Les résultats obtenus dans ce travail confirment la portée et l'intérêt scientifiques des études en aérodynamique supersonique.

L'objectif de ce travail consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition), qui est une méthode de réduction de modèle où la solution est recherchée sous forme séparée, à la résolution des équations de Navier-Stokes. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée à la résolution d'équations modèles disposant d'une solution analytique. L' équation de diffusion stationnaire 2D et 3D, l'équation de diffusion instationnaire 2D et les équations de Burgers et Stokes sont traitées. Nous montrons que dans tous ces cas la méthode PGD permet de retrouver les solutions analytiques avec une précision équivalente au modèle standard. Nous mettons également en évidence la supériorité de la PGD par rapport au modèle standard en terme de temps de calcul. En effet, dans tous ces cas, laPGD se montre beaucoup plus rapide que le solveur standard (plusieurs dizaine de fois). La résolution des équations de Navier-Stokes isothermes et anisothermes est ensuite effectuée par une discrétisation volumes finis sur un maillage décalé où le couplage vitesse-pression a été géré à l'aide d'un schéma de prédiction-correction. Dans ce cas une décomposition PGD sur les variables d'espaces uniquement a été choisie. Pour les écoulements incompressibles 2D stationnaire ou instationnaire, de type cavité entrainée et/ou différentiellement chauffé, les résultats obtenus par résolution PGD sont similaires à ceux du solveur standard avec un gain de temps significatif (la PGD est une dizaine de fois plus rapide que le solveur standard). Enfin ce travail introduit une première approche de la résolution des équations de transferts par méthode PGD en formulation spectrale. Sur les différents problèmes traités, à savoir l'équation de diffusion stationnaire, l'équation de Darcy et les équations de Navier-Sokes, la PGD a montré une précision aussi bonne que le solveur standard. Un gain de temps a été observé pour le cas de l'équation de Poisson, par contre, concernant le problème de Darcy ou les équations de Navier-Stokes les performances de la PGD en terme de temps de calcul peuvent encore être améliorées.

Nous étudions l'effet thermo-électrique et les phénomènes qui en résultent, forces et les courants thermoélectriques (TEC) sous l'action d'un champ magnétique externe imposé lors de la solidification d'alliages métalliques. Nous avons utilisé des simulations numériques, des observations directes et des examens de laboratoire. L'interaction entre les courants thermo-électriques et le champ magnétique externe lors de la solidification se produit des forces électromagnétiques et donc un écoulement du métal liquide. Le résultat est nommé effet magnétique thermoélectrique (TEME). Les formulations de TEC, les forces et les équations gouvernant les écoulements TEM sont donnés. Afin de mieux prouver l'existence de la TEME, des expériences par méthode d'imagerie à rayons X menées au synchrtron ont été utilisées pour observer in-situ et en temps réel l'action directe des forces et les mouvements TEM pendant la solidification directionnelle des alliages Al-Cu. Nous avons montré la cohérence raisonnable entre les calculs analytiques et des simulations numériques qui ont exécuté avec les mêmes conditions de traitement. En outre, la capacité des écoulements thermo-électriques à influer sur la microstructure lors de la solidification directionnelle sont expérimentalement évaluées dans les autres cas en réalité. La solidification directionnelle d'une seule phase de formation des alliages Al-Cu sous divers champs magnétiques montre que les écoulements TEM sont capables de modifier la forme de l'interface liquide-solide conduisant à des morphologies différentes. L'effet le plus intense se produit dans différents champs magnétiques pour différentes morphologies, en effet, le champ magnétique élevé est nécessaire pour la morphologie a une plus petite longueur typique. Ceci est en accord avec le comportement des vitesses de TEM qui varient avec les champs magnétiques imposés ainsi que les différentes échelles de longueur typique. Cette variation est confirmée par des simulations numériques 3D. Nous montrons que les dendrites primaires et à l'avant de la phase eutectique, peuvent être modifiés par les mouvements TEM et les forces de TEM dans le solide pour améliorer la croissance de la phase de Al2Cu facettes primaire pendant la solidification des Al-40wt%Cu hypereutectiques. Le mécanisme de renforcement de la croissance de la phase facettes Al2Cu est confirmé par la transmission électronique observation au microscope, et la raison de la formation de la structure de croissance de couple de Al-26wt% Cu alliages est vérifiée par le test de l'analyse thermique différentielle. Ainsi, nous pouvons affirmer que le champ magnétique élevé facilite la formation de la structure de la croissance de couple pour hypoeutectiques alliages Al-Cu, et favorise la croissance de la phase Al2Cu primaire pour hypereutectiques Al-Cu alliages.

Cette thèse est dédiée à l’étude des contacts lubrifiés tore-plan sous diverses conditions. Ces contacts se situent à l’interface entre l’extrémité torique des rouleaux et le collet de la bague dans les roulements à rouleaux. La première complexité de cette étude provient de la géométrie particulière des solides concernés. La deuxième est générée par la cinématique complexe qui règne dans ces contacts. Afin de comprendre les mécanismes physiques à l’œuvre, une approche duale (expérimentale et numérique) est adoptée. Le banc d’essai Jérotrib permet une première étude basée sur l’hypothèse que le contact élastohydrodynamique tore-plan est similaire à un contact elliptique équivalent. Grâce à une méthode d’interférométrie optique en lumière blanche qui a été adaptée aux spécificités du contact en question, des mesures précises de l’épaisseur de film ont été effectuées dans un nombre significatif de conditions. Sur cette base, un modèle numérique thermo-élastohydrodynamique a été validé avec précision. Ce dernier a permis d’étudier les écoulements de fluide à l’entrée du contact afin de mettre en évidence leur influence sur le champ d’épaisseur de film. Le modèle numérique a ensuite été amélioré afin de prendre en compte la vraie forme des solides. Il a été validé en épaisseur de film par le banc d’essai Tribogyr, dans des conditions similaires à celles rencontrées dans les vrais roulements. Il a été montré que le cisaillement du fluide est responsable de l’échauffement des solides, qui diminue par suite l’épaisseur de film : ceci souligne la nécessité de modéliser cet échauffement global pour prédire la séparation des surfaces. Par ailleurs, lors de l’étude, le champ de pression et d’épaisseur de film ont perdu leurs symétries à cause de la cinématique et de la forme des solides. Toutefois, le comportement du contact est resté similaire à celui d’un contact elliptique, en dehors de certains cas limites. / This thesis is dedicated to the study of torus on plane contacts under various operating conditions. They can be found at the interface between the torus roller-end and the flange in roller bearings. The first challenge of this thesis is to deal with unusual mating geometries. The other challenge is the presence of a complex kinematic which operates in these contacts. In order to further develop the understanding of such a contact, a dual approach (experimental and numerical) is adopted. The Jérotrib test-rig enables a first study, by considering that the élastohydrodynamic torus on plane contact can be modelled by an elliptical equivalent contact. Thanks to a differential colorimetric interferometry method which was improved and adapted during the thesis, precise film thickness measurements are carried out under a rather wide range of operating conditions. A thermo-elastohydrodynamic numerical model is developed and validated by comparing its results to the ones of the test-rig. A numerical study on film forming is then proposed and the role of the contact ellipticity is investigated. The numerical model is improved in order to take into account the actual shape of the solids. A film thickness validation of the model is proposed, thanks to measurements performed on the Tribogyr test-rig. The operating conditions are very similar to the one encountered in actual bearings, and the mating solids have representative geometries: it is an actual torus-on-plane contact. It is demonstrated that the lubricant shearing is responsible for the solids temperature rise, which in its turn, reduces the film thickness. It appears mandatory to be able to predict this global warming of the bodies. It is also demonstrated that the pressure and film thickness distributions lose their symmetry because of the spinning kinematic and the solids shape. However, the behaviour of the torus-on-plane contact appears very similar to the one of an elliptical equivalent contact, apart from some limit cases.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude d'un modèle de transport de sédiments en nous plaçant sous deux angles d'approche différents. L'un concerne la modélisation numérique du problème et propose une méthode de résolution numérique basée sur un solveur de Riemann approché pour le système de Saint-Venant-Exner qui reste un des systèmes les plus répandus pour traiter le transport sédimentaire par charriage. Ce dernier repose sur un couplage du modèle hydraulique de Saint-Venant et du modèle morphodynamique d'Exner. Le point essentiel de la méthode proposée se situe au niveau du traitement du couplage de ce système. En effet, il existe deux stratégies; la première consiste à découpler la résolution de la partie fluide de la partie solide et les faire interagir à des instants donnés alors que la seconde considère une résolution couplée du système en mettant à jour conjointement les grandeurs hydrauliques et solides aux mêmes instants. Se posera alors la question du choix de la stratégie de résolution pour laquelle nous apporterons des éléments de réponses en comparant les deux approches. L'autre se concentre sur la mise en place d'une méthodologie pour l'étude des incertitudes liées au même modèle. Pour ce faire, nous proposons une formulation stochastique du système de Saint-Venant-Exner et nous cherchons à caractériser la variabilité des sorties par rapport aux paramètres d'entrée naturellement aléatoires. Cette première étude révélera la nécessité de revenir à un système de Saint-Venant avec un fond bruité pour étudier la sensibilité des grandeurs hydrauliques par rapport aux perturbations topographiques. / In this thesis, we are interested on the study of a sediment transport model through two different approaches. One of them concerns the numerical modelling of the problem and proposes a numerical problem-solving method based on an approximate Riemann solver for the Saint-Venant-Exner system which is one of the most common model to deal with sedimentary bed-load transport. This last one is based on a coupling between the hydraulic model of Saint-Venant and the morphodynamic model of Exner. The key point of the proposed method is the treatment of the coupling issue. Indeed, there exists two strategies; the first one consists on decoupling the resolution of the fluid part from the solid part and making them interact at fixed times whereas the second one considers a coupled approach to solve the system by jointly updating the hydraulic and solid quantities at same times. We then raise the issue of the choice of the strategy for which we suggest answers by comparing both approaches. The other one focuses on the development of a methodology to study the uncertainties related to the model previously mentioned. To this end, we propose a stochastic formulation of the Saint-Venant-Exner system and we look for characterizing the variabilities of the outputs in relation to the naturally random input parameters. This first study reveals the need for a return to the Saint-Venant system with a perturbed bed to understand the sensitivity of the hydraulic quantities on the topographical perturbations.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d’une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l’IVK, se place dans un contexte d’amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d’hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l’environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd’hui dans le milieu industriel à l’aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l’approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d’écoulements. Les travaux de cette thèse s’intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l’écoulement du circuit de refroidissement interne d’une pale de turbine. Pour simplifier l’analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s’intéresse à l’étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d’écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d’une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l’analyse de l’écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l’écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n’est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l’approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d’importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée. / This PhD dissertation, conducted as part of a CIFRE research project between TURBOMECA and CERFACS in partnership with the VKI, deals with improving performance of axial turbines from helicopter engines. One of the most critical design points of such engines is the control of the high pressure turbine blade lifetime which face the high temperatures from the combustor. Today, industrial numerical aerothermal predictions of the flows around the blade (in the vein and in its cooling system) are performed with the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Thanks to the increasing computational power, Large Eddy Simulation (LES) becomes affordable to offer further flow predictions. Therefore, this thesis focuses on the capabilities of the LES to estimate the flow in turbine blade internal cooling channels. To simplify this analysis where several physical phenomenon are present, the problem is described in three parts with increasing complexity. The first part addresses simplified typical geometries of cooling channel (U-bend and ribbed channel) in a static configuration. Considering the flow regime, a wall-resolved approach using a hybrid unstructured mesh is proposed in view of the application on an industrial case. The second part extends the study of the ribbed channel in rotation using an inertial reference frame. LES provides mean and unsteady results in good agreement with the available experimental data and previous works, for the flow dynamic and the heat transfer. Finally, the third part presents the application of the method to an industrial case with conjugate heat transfer between a complex cooling channel and the blade. This last section is not present in the public manuscrit for confidential reasons. Results of the use of the wall-resolved approach in rotation in an inertial frame of reference are compared to RANS predictions and show the potential of the method with high local differences.

L'étude concerne les couches limites turbulentes dans le cas d'écoulements à surface libre sur fond rugueux homogène. Afin de réaliser cette étude, deux dispositifs de mesure PIV par stéréoscopie (PIV 2D-3C) ont été mis en place avec comme double objectif de fournir les lignes directrices au design d'un système stéréoscopique PIV in situ et d'étudier l'influence de la faible submersion des éléments rugueux sur la structure universelle de la couche limite sur fond rugueux, i.e. pour des submersions h/D comprises entre 0,33 et 0,66 (avec h la hauteur des rugosités et D la hauteur d'eau). Pour le premier objectif, le dispositif de mesure a permis un accès optique facilité par un point de vue incliné des caméras à la zone proche des rugosités dans des conditions naturelles d'écoulement (turbidité et éclairement naturels). Les mesures de vitesse ont été faites dans un canal hydraulique de petite dimension (12 m x 0,5 m x 0,25 m) rempli d'hémisphères positionnées en quinconce. Une étude paramétrique de l'influence de l'inclinaison des caméras ainsi que de la turbidité de l'eau sur la qualité des mesures de vitesse a été entreprise suivie par une nouvelle méthodologie basée sur l'analyse de l'intensité lumineuse dans le système. Il a été montré que l'écoulement est correctement résolu jusqu'à une turbidité d'environ 25 NTU avec un angle d'inclinaison par rapport au plan vertical de mesure de 25°. Pour le second objectif, les investigations expérimentales ont été réalisées dans une veine hydraulique de plus grande dimension (26 m x 1,10 m x 0,50 m), dont le fond rugueux est constitué par des cubes en PVC de 2 cm de côté comme dans l'étude de Florens et al. (2013). Les résultats mettent en évidence que l'étendue de la sous-couche rugueuse augmente avec la submersion pour finalement occuper toute la colonne d'eau dans le cas de la plus faible submersion (h/D=0,66). Malgré cela, une loi logarithmique est tout de même observée, et ce, quelle que soit la submersion étudiée. / This work deals with turbulent boundary layers in open-channel flows over rough homogeneous beds. The objectives of this work are, first, to provide some guidance for the design of an efficient in situ stereoscopic PIV measurements system (SPIV), and, second, to assess the effect of the relative submergence on the universal turbulent boundary layer structure for very high relative submergence ratios, i:e: 0.33 < h/D <0.66 (where h is the roughness height and D the water depth). For the first objective, a stereoscopic PIV configuration was set-up with steeply inclined camera viewpoints in order to improve the image quality and the optical access into the bed canopy under naturally occurring turbid conditions. Velocity measurements were undertaken in a 12 m x 0.5 m x 0.25 m open-channel flume filled with staggered hemispheres as surrogates for bed river peebles. A parametric study was then carried out to both analyze how the turbidity and camera angle impact the quality of PIV measurements. An innovative light intensity-based methodology was developed and applied to perform data analysis. The latter shows good PIV results up to 25 NTU with an optimal camera angle with respect to the vertical PIV measurements plane of 25. The SPIV measurements for the second objective were performed in a 26-m-long, 1.10-m-wide and 0.50-m-deep steep open channel filled with 2-cm cubes as in Florens et al. (2013). The results show that the extent of the roughness sublayer increases with the relative submergence to fill the entire water column for the highest relative submergence investigated. Despite this, the logarithmic law is still observed even for the highest relative submergence studied (h/D=0.66).

Cette thèse porte sur l’étude des écoulements de Taylor (ou poche/bouchon) gazliquide en microcanal. Ces écoulements où les effets de tension de surface sont prépondérants ont été étudiées expérimentalement et numériquement pour des géométries rectangulaires avec divers rapports d’aspects. Une première partie expérimentale a consisté à caractériser la formation de bulles (taille, fréquence) en fonction des conditions opératoires, des propriétés des fluides (notamment à travers le nombre capillaire) et du mode de mise en contact des fluides. La dynamique de l’écoulement établi a par la suite été étudiée à l’aide du code JADIM. La simulation de ces écoulements dominés par la tension de surface a nécessité de lever les limitations liées à la prise en compte de la force capillaire. En effet des courants parasites numériques sont créés à proximité de l’interface lors de la simulation d’écoulements capillaires. Une méthode Level Set a été implémentée et comparée à la méthode Volume of Fluid d’origine en termes de courants parasites. Des simulations numériques 3D ont permis l’étude des effets du nombre capillaire et de la géométrie sur la dynamique des bulles de Taylor (vitesse, pression et formes de bulles). Les effets inertiels souvent négligés ont été considérés et leur influence, notamment sur les sauts de pression à l’interface, a été mise en évidence. Le mélange dans le bouchon liquide a également été étudié. / This thesis focuses on the hydrodynamics of gas-liquid Taylor flow (or slug flow) in microchannels. These flows, which are generally dominated by surface tension forces, have been investigated in rectangular channels of various cross-sectional aspect ratios by means of both experimental visualizations and numerical simulations. The first experimental part aims at characterizing the bubble generation process (bubble length and frequency of break-up) depending on the operating conditions, the fluid properties, as well as the junction where both fluids merge. Numerical simulations of fully developed Taylor flow have been carried out with the JADIM code. The computation of such surface tension dominated flows requires an accurate calculation of the surface tension force. Some limitations of the Volume of Fluid method have been highlighted and a Level Set method has been developed in order to improve the calculation of capillary effects. Both methods have been compared in detail in terms of spurious currents. 3D numerical simulations have been performed and the influence of the capillary number, as well as the effects of geometry have been highlighted. Inertial effects have been taken into account and their influence on the pressure drop has been shown to be non-negligible. Mixing in the liquid slug has also been studied.