La simulation numérique de l’écoulement des fluides et du transfert dechaleur dans les phénomènes multi-échelles est encore très difficile avecles méthodes numériques conventionnelles, e.g. la méthode de Volumes Finis(FVM) etc. Récemment développée pour simuler les écoulements desfluides, le transfert de chaleur et des phénomènes physiques complexes, laméthode de Lattice Boltzmann (LBM) est basée sur la théorie cinétiquedu fluide, qui possède de nombreuse caractéristiques distinctives. Afind’élargir le champ d’application de LBM, cette thèse doctorale a mené destravaux de recherches systématiques sur la combinaison entre LBM et lesméthodes macroscopiques et sur les modèles thermiques et la simulation dela turbulence en utilisant LBM. Les principales contributions de cette thèsesont: 1. Un couplage multi-échelles LBM-FVM est construit pour les écoulementsdu fluide instationnaire et un opérateur de reconstruction g´en´erale entreLBM et FVM est proposé pour le transfert de l’information; 2. Un modèle thermique 3D de LBM est développé pour les écoulements compressibles thermiques à faible nombre de Mach, et un modèle de LBM entièrement compressible avec factorisation symétrique est proposé pour simuler les écoulements fortement compressibles; 3. Un schéma asymptotique de volumes finis LBM et un schéma de LBM basé sur propagation fractionnaire et collision à demi-étape sont proposés pour simuler les écoulements subsoniques à grande vitesse et transsoniques; 4. La simulation des grandes échelles (LES) turbulentes est effectuée et étudiée dans le cadre de LBM thermique. Un modèle de paroi utilisant LBM thermique est développé pour un écoulement à nombre de Reynolds élevé. / The simulation of fluid flows and heat transfer of multiscale phenomena orprocesses is one of the most challenging domains from the theoretical aswell as the numerical modeling point of view. It is difficult to model andsimulate multiscale problems using conventional computational fluid dynamicsmethods. As an approach based on the mesoscopic kinetic equationfor fluids and has many distinctive features, the lattice Boltzmann method(LBM) is a recently developed method for simulating fluid flows, heat transferand complicated physical phenomena. However, the applications of latticeBoltzmann method in actual multiscale problem are still in explorationstage. In order to enlarge the application scope of lattice Boltzmann methodfor multiscale simulation, the present work has conducted systematic researchon combination of LBM and macroscopic methods, thermal lattice Boltzmann models and turbulence simulation using LBM. The major contributions of this dissertation are summarized as follows: 1. A multiscale coupling LBM-FVM is constructed for unsteady fluid flows and a general reconstruction operator between LBM and FVMis proposed for information transfer. 2. A three-dimensional thermal lattice Boltzmann model is developed for thermal compressible flows with variable density in low Machnumber limit. Further more, a fully compressible lattice Boltzmann model with factorization symmetry is proposed for simulating high compressible flow. 3. An asymptotic preserving finite volume scheme LBM and a fractional propagation half step collision LBM are proposed for simulating high subsonic and transonic flows. 4. Large eddy simulation for turbulence is studied in framework of thermallattice Boltzmann method. Wall modeled LES using thermalLBM is developed for high Reynolds number flow.

Motivée par les contraintes économiques et les exigences environnementales, l'industrie du transport tente de réduire ses dépenses énergétiques. Elle concentre notamment ses efforts sur la traînée de frottement. Bien que d'origine visqueuse, celle-ci est fortement amplifiée par les mouvements turbulents. La capacité à manipuler les fluctuations turbulentes, complexes et chaotiques, offre alors des perspectives de gain énergétique substantiel, mais nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques. Parmi les stratégies de contrôle les plus prometteuses, l'utilisation de revêtements rainurés, nommés riblets, est étudiée dans ce mémoire. Bien que leur capacité de réduction de frottement soit connue depuis plusieurs décennies, les mécanismes par lesquels ils interagissent avec la turbulence restent à préciser. À ces fins, une méthode pour leur simulation numérique est mise au point. En redéfinissant la position de l'origine virtuelle, c'est-à-dire de la paroi plane équivalente, une forte similitude est établie entre les écoulements contrôlé et canonique. D'un point de vue applicatif, cela permet notamment de quantifier les performances de réduction de traînée atteignables à haut nombre de Reynolds. Enfin, le potentiel a priori prometteur des riblets tridimensionnels est exploré. En s'appuyant sur les rares résultats précurseurs de la littérature, il s'agit de proposer une géométrie industriellement réalisable optimale en termes de réduction de traînée. Pour chacune des géométries novatrices testées, les simulations révèlent avec finesse que les éventuels bénéfices sur le frottement sont systématiquement surpassés par l'influence délétère des efforts de pression. / Economical constrains and environmental requirements lead the transportation industry to progress towards energy expenditure reduction. Efforts are especially focused on the skin-friction drag. Friction drag, while due to viscosity, is greatly amplified by turbulent motions. The ability to manipulate the complex and chaotic near-wall turbulent fluctuations thus offers prospects for substantial energy saving, but also requires a solid understanding of the physical phenomena.Among the most promising control strategies, the present manuscript focuses on riblet-covered surfaces. Even though their drag-reducing capability has been observed from decades, the mechanisms by which they interact with the near-wall turbulent motions still need to be clarified. Towards these ends, a numerical method for ensuring their proper simulation is developed. The virtual origin—interpreted as the equivalent flat wall location—is redefined, which highlights a strong similarity between the controlled and the canonical flows. As a practical interest, this similarity enables an improved evaluation of the drag reduction capabilities achievable at high Reynolds numbers.Additionally, the promising potential for three-dimensional riblets is examined. Based on the scattered precursory results of the literature, we intend to come up with a design which demonstrates optimal drag reduction capabilities under the constraint of industrial feasibility. For each of the prospected innovative designs, the numerical simulations accurately reveal that the potential profit on skin-friction is consistently exceeded by the harmful influence of pressure stresses.

La réduction des émissions de dioxyde de carbone et de polluants réglementés (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules...) dans les moteurs à allumage commandé est possible via l'apport de nouvelles technologies comme le downsizing, l'injection directe, la suralimentation, etc... Toutefois, les gains apportés par ces technologies, qui complexifient grandement le groupe motopropulseur, sont réduits du fait qu'elles induisent aussi une augmentation de l'intensité de certains phénomènes tels que les variations cycliques de la combustion (VCC) ou les combustions anormales. La compréhension de ces phénomènes est une clé dans l'amélioration des futurs moteurs à essence. L'objectif principal de cette thèse est de permettre la modélisation des phénomènes transitoires et acycliques dans des moteurs à structure de plus en plus complexe grâce au développement, à la validation puis à l'application d'une méthode de couplage entre la simulation aux grandes échelles (SGE ou LES pour Large-Eddy Simulation en anglais) et la simulation système. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer qu'il est possible de simuler une configuration moteur et d'en étudier les comportements transitoires en 3D tout en prenant en compte la dynamique de tous les composants du moteur. Les simulations obtenues par cette approche pour le moteur du projet ANR SGEmac ont été comparées avec succès aux résultats expérimentaux et à des simulations tridimensionnelles : ces résultats constituent la dernière étape de validation du couplage et démontrent sa capacité à simuler des systèmes moteurs complets. Les codes couplés développés sont ensuite appliqués à l'étude des transitoires de charge et de régime pour le moteur du projet ANR ASTRIDE. La comparaison simulation/expérience montre que le solveur couplé permet bien de remplir les objectifs fixés de simulation des VCC et des transitoires. / The decrease of greenhouse gases and pollutant emissions (nitrous oxides, carbon oxides, particles...) for spark ignited engines goes through the development of new technologies such as direct injection, turbocharging, downsizing, etc. However, the benefits of these technologies, which complexify the engines, are limited by the phenomena they intensify such as Cyclic Combustion Variability (CCV) and abnormal combustions. A thorough understanding of these phenomena is a cornerstone for the improvement of future engines. The aim of this work is to predict acyclic and transient phenomena in increasingly complex engines through the development, the validation and the use of a coupling method between Large-Eddy Simulation (LES) and system simulation. This thesis has demonstrated that simulating a complete industrial engine in 3D with LES to study its transient behavior is possible. The methodology developed in the present work was used to study the engine of the national research agency project SGEmac and a good agreement was obtained between the experiments and the tridimensional simulations. These results are the last validation step of the coupling method and demonstrate the capacity of the coupled solver to simulate the whole engine. The coupling method is then applied to study engine load and regime transients for the national research agency project ASTRIDE. The comparison between simulations and experiments show that the coupled solver can simulate CCV and transients, thus fulfilling its initial goal.

Les vibrations induites par l'écoulement dans le coeur du REP peuvent provoquer une usure par frottement des crayons combustibles par friction au niveau des contacts entre la cellule de grille et les crayons des assemblages combustibles. Cela peut entraîner des dommages irréversibles de la gaine du crayon combustible et compromettre la première barrière de sûreté du réacteur. Assurer l'intégrité de la gaine est une préoccupation majeure dans la sûreté du réacteur. Cependant, les spectres d'excitation des forces fluides agissant sur les crayons ne sont pas bien connus. Le but de cette thèse est d'utiliser des éléments géométriques simples pour reproduire des cellules de grilles d'un REP. SGE ont été effectuées sur une conduite annulaire avec différents maillages en utilisant le code TrioCFD. Une étude de sensibilité de maillage a été réalisée afin de proposer un maillage reproduisant correctement les résultats dans la littérature. Ces informations de résolution de maillage ont été utilisées lors de la réalisation des simulations en utilisant divers obstacles géométriques intérieurs à la conduite, i.e., des ailettes de mélange, une grille circulaire et une combinaison de grille carrée et d'ailettes de mélange. Un maillage hybride a été utilisé dans le cas des ailettes de mélange et dans le cas de cellule de grille carrée. Les caractéristiques hydrauliques ainsi que la pression pariétale ont été analysées dans chaque cas. Il apparaît que la grille carrée est une combinaison approximative du cas des ailettes de mélange et du cas de la grille circulaire. Les simulations ont été comparés avec des mesures réalisées au CEA / Flow-induced vibrations in the pressurized water reactor core can cause fretting wear in the fuel rods. Due to friction, wear occurs at the contact locations between the spacer grid and the fuel rod. This may compromise the first safety barrier of the nuclear reactor by damaging the fuel rod cladding. In order to ensure the integrity of the cladding, it is necessary to know the random fluctuating forces acting on the rods. However, the spectra for these fluid forces are not well known. The goal of this thesis is to use simple geometrical elements to check the reproducibility of realistic PWR spacer grids. As a first step, LES were performed on annular pipe for different mesh refinements using the CFD code TrioCFD. A mesh sensitivity study was performed to propose a good mesh for reproducing standard literature results. This information on mesh resolution was used when carrying out simulations using various geometric obstacles inside the pipe-mixing vanes, circular spacer grid and a combination of square spacer grid with mixing vanes. Structured mesh was generated for the annular pipe case and circular grid case. An innovative hybrid mesh was used for the two remaining cases of the mixing vanes and the square grid; keeping unstructured mesh around the obstacles and structured mesh in the rest of the domain. Both hydraulic and wall pressure characteristics were analyzed for each case. The results for the square grid case were found to be an approximate combination of the mixing vane case and circular grid case. Simulation results were compared with experiments performed at CEA Cadarache. Some preliminary comparisons were also made with classical empirical models.

Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail. / This work proposes a modeling as generic as possible of the combustion in automotive engines in the framework of large-eddy simulation. A first study addresses the closure of the non resolved transport term for the premixed flame. Then, a coupling between the models pcm-fpi and ecfm-les is proposed and validated to account for the detailed chemistry effects in the premixed flame modeling. This work is extended adding specific models for spark-ignition and auto-ignition, still integrating detailed chemistry effects. This work is ended by computations of abnormal combustions occurring in spark-ignition engines.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

La combustion stratifiée, qui consiste à brûler un mélange carburant/oxydant inhomogène, et la combustion diluée, consistant à ajouter une quantité limitée de gaz brûlés, sont deux technologies utilisées dans les moteurs à piston pour réduire leur consommation. Cette thèse est dédiée à l’étude de l’allumage dans ces deux types de milieux en régimes laminaire et turbulent. Un nouveau schéma cinétique pour la combustion propane/air a été dérivé et combiné à deux approches de modélisation différentes : la chimie complexe et une approche de chimie tabulée de type FPI. Dans le cas laminaire, les deux approches de modélisation donnent des résultats similaires et un modèle simple a mis en évidence l’importance de la dynamique des gaz frais et des gaz brûlés sur le développement du noyau. Dans le cas turbulent, plusieurs techniques d’analyse ont montré la dépendance de la vitesse absolue de la flamme au champ de vitesse moyen et la décorrélation des fluctuations locales de richesse. / Stratified combustion, which consists in burning an inhomogeneous fuel/air mixture, and diluted combustion, which consists in adding a limited quantity of burnt gases, are two technologies used in internal combustion engines to reduce fuel consumption. This Ph.D is devoted to the study of ignition in these two types of combustion in laminar and turbulent regimes. A new kinetic scheme for propane/air combustion has been derived and combined to two modeling approaches: finite-rate chemistry and an FPI tabulated chemistry approach. In the laminar case, both approaches give similar results and a simplified model has highlighted the importance of fresh and burnt gases dynamics on the kernel development. In the turbulent case, several techniques of analysis have shown the dependency of absolute flame speed on the mean fluid velocity and the lack of correlation to the local equivalence ratio.

L’urbanisation croissante fait émerger des enjeux sociétaux et environnementaux relatifs à la pollution atmosphérique et au microclimat urbain. La compréhension des phénomènes physiques de transport de quantité de mouvement, de chaleur et de masse entre la canopée urbaine et la couche limite atmosphérique est primordiale pour évaluer et anticiper les impacts négatifs de l’urbanisation. Les processus turbulents spécifiques à la couche limite urbaine sont étudiés par une approche de simulation des grandes échelles, dans une configuration urbaine représentée par un arrangement de cubes en quinconce. Le modèle de sous-maille de type Smagorinsky dynamique est implémenté pour mieux prendre en compte l’hétérogénéité de l’écoulement et les retours d’énergie des petites vers les grandes structures. Le nombre de Reynolds basé sur la hauteur du domaine et la vitesse de l’écoulement libre est de 50000. L’écoulement est résolu dans les sous-couches visqueuses et le maillage est raffiné dans la canopée. Le domaine est composé de 28 millions de cellules. Les résultats sont comparés à la littérature et aux données récentes obtenues dans la soufflerie du LHEEA. Chaque contribution au bilan d’énergie cinétique turbulente est calculée directement en tout point. Cette information, rare dans la littérature, permet d’étudier les processus dans la sous couche rugueuse. Grâce à ces résultats 3D, l’organisation complexe de l’écoulement moyen (recirculations, vorticité, points singuliers) est analysée en relation avec la production de turbulence. Enfin, une simulation où les obstacles sont remplacés par une force de traînée équivalente est réalisée à des fins d’évaluation de cette approche. / The rapid development of urbanization raises social and environmental challenges related to air pollution and urban climate. Understanding the physical processes of momentum, heat, and mass exchanges between the urban canopy and the atmospheric boundary-layer is a key to assess,predict and prevent negative impacts of urbanization. The turbulent processes occurring in the urban boundary-layer are investigated using computational fluid dynamics (CFD). The unsteady flow over an urban-like canopy modelled by a staggered arrangement of cubes is simulated using large eddy simulation (LES). Considering the highspatial and temporal in homogeneity of the flow, a dynamic Smagorinsky subgrid-scale model is implemented in the code to allow energyback scatter from small to large scales. The Reynolds number based on the domain height and free-stream velocity is 50000. The near-wall viscous sub-layers are resolved and the grid is refined in the canopy resulting in about 28 million grid cells. LES results are assessed by comparison with literature and data recently acquired in the wind tunnel of the LHEEA. The turbulent kinetic energy budget in which all contributions are independently computed is investigated. These rarely available data are used to analyse the turbulent processes in the urban canopy. By taking advantage of the three-dimensionality of the simulated flow, the complex 3D time-averaged organization of the flow (recirculation, vorticesor singular points) is analyzed in relation with production of turbulence. Finally a drag approach where obstacles are replaced by an equivalent drag force is implemented in the same domain and results are compared to obstacle-resolved data.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d’aérothermochimie CEDRE de l’ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l’hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d’entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l’écoulement au sein d’une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l’évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l’approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l’utilisation d’un modèle de chimie réduite s’avère particulièrement appropriée pour prédire l’émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l’on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d’écoulements complexes sont proposées, fondées sur l’utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l’aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA. / In order to simulate major pollutant formation inside realistic aeronautical combustion chambers, a detailed chemistry reduction technique (FPI), based on the construction of databases from elementary laminar premixed flame calculations, is adapted and coupled to the ONERA household CFD code : CEDRE. After a short validation of this model based on the numerical simulation of simplified laminar flames, the chemistry turbulence interactions are modeled under the laminar flamelet hypothesis, by assuming the shape of the FPI progress variable PDFs using beta functions. This comprehensive approach is then applied to the numerical simulation of the flow inside a realistic geometry :the PRECCINSTA combustion chamber. This well-known configuration has enabled the evaluation of the model’s abilities within an industrial framework using numerical/experimental results comparisons. It has especially allowed to test an extension of the model to partially premixed combution. Furthermore, the use of a tabulated chemistry model turns out to be particularly appropriate to predict pollutant species formation such as CO. However, when considering the formation of nitrogen oxides,FPI cannot be applied directly because of the slow dynamics of the chemical processes involved. Toovercome these limitations, two approaches allowing NO production modeling within complexe flowsare proposed, derived from the use of the tabulated data. The capacities of these models are finally analysed using computations performed on the PRECCINSTA chamber.

La distillation est un procédé industriel de séparation de phases qui fait typiquement intervenir un écoulement diphasique caractérisé par un film liquide laminaire ou faiblement turbulent s'écoulant par gravité et cisaillé à contre-courant par un courant gazeux turbulent. Afin de comprendre la dynamique de ce genre d'écoulements, nous avons développé un modèle numérique de simulation d'écoulements diphasiques prenant en compte la présence éventuelle des structures turbulentes. Ce modèle s'appuie sur un couplage entre les méthodologies Volume of Fluid sans étape de reconstruction pour le suivi d'interface et la simulation des grandes échelles pour le traitement de la turbulence. Les contraintes de sous-maille sont évaluées par une approche dynamique mixte, ce qui permet au modèle de s'adapter aux caractéristiques locales de la turbulence et de fonctionner même dans des zones laminaires. Le modèle développé est ensuite testé en simulant différentes configuration d'écoulements de films liquides cisaillés ou non par un courant gazeux. / Distillation is an industrial process of phase separation which involves a two-phase flow characterized by a laminar or weakly turbulent gravity- riven liquid film sheared by a countercurrent turbulent gas stream. To understand the dynamics of such flows, we developed a numerical technique aimed at computing incompressible turbulent two-phase flows. A large eddy simulation (LES) approach based on a dynamic mixed model is used to compute turbulence while the two-phase nature of the flow is described through a Volume of Fluid (VOF) approach with no interface reconstruction step. The use of a dynamic mixed approach for modelling the subgrid stresses allows the developed model to self-adapt to local characteristics of turbulence, so that it also works in laminar flows. The whole methodology is then applied to the computation of different configurations of liquid films sheared or not by a gas stream.