Cette thèse est consacrée à la simulation d'écoulements turbulents, incompressibles ou à faible nombre de Mach pour des applications touchant à la sûreté nucléaire. En particulier, nous nous concentrons sur le développement et l'analyse mathématique de schémas numériques performants pour la méthode dite de Simulation des Grandes Echelles. Ces schémas sont basés sur des méthodes à pas fractionnaires de type correction de pression et des éléments finis non conformes de bas degré. Deux arguments semblent essentiels à la construction de tels schémas: le contrôle de l'énergie cinétique et la précision pour des écoulements à convection dominante. Concernant la discrétisation en temps, nous proposons un schéma de type Crank-Nicolson et nous montrons qu'il satisfait un contrôle de l'énergie cinétique. Ce schéma présente de plus l'avantage d'être peu dissipatif numériquement (résidu d'ordre deux en temps). Concernant le défaut de précision de la discrétisation par l'élément fini de Rannacher-Turek, nous envisageons deux approches. La première consiste à construire un schéma pénalisé contraignant les degrés de liberté tangents aux faces des cellules à s'écrire comme combinaison linéaire des degrés de liberté normaux alentour. La deuxième approche repose sur l'enrichissement de l'espace discret d'approximation pour la pression. Enfin, différents tests numériques sont présentés en dimensions deux et trois et pour des maillages généraux, afin d'illustrer les capacités des schémas étudiés et de confronter les résultats théoriques et expérimentaux. / This thesis is devoted to the simulation of incompressible or low Mach turbulent flows, for nuclear safety applications. In particular, we focus on the development and analysis of performing numerical schemes for the Large Eddy Simulation technique. These schemes are based on fractional step methods of pressure correction type and on nonconforming low degree finite elements. Two requirements seems essential to build such schemes, namely a control of kinetic energy and the accuracy for convection dominated flows. Concerning the time marching algorithm, we propose a Crank-Nicolson like scheme for which we prove a kinetic energy control. This scheme has the advantage to be numerically low dissipative (numerical dissipation residual is second order in time). Concerning the low accracy of the Rannacher-Turek discretization, two approaches are investigated in this work. The first one consists in building a penalized scheme constraining the velocity degrees of freedom tangent to the faces to be written as a linear combination of the normal ones. The second approach relies on the enrichment of the pressure approximation discrete space. Finally, various numerical tests are presented in both two and three dimensions and for general meshes, to illustrate the capacity of the schemes and compare theoretical and experimental results.

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements gaz-particules, comme les turbines aéronautiques et les réacteurs a lit fluidisé de l'industrie chimique. La prédiction des propriétés de la phase dispersée, est essentielle à l'amélioration et la conception des dispositifs conformément aux nouvelles normes européennes des émissions polluantes. L'objectif de cette these est de développer le formalisme Euler- Lagrange dans un solveur parallèle et non-structuré pour la simulation aux grandes échelles pour ce type d'écoulements. Ce travail est motivé par l'augmentation rapide de la puissance de calcul des machines massivement parallèles qui ouvre une nouvelle voie pour des simulations qui étaient prohibitives il y a une décennie. Une attention particulière a été portée aux structures de données afin de conserver une certaine simplicité et la portabilité du code sur des differentes! architectures. Les développements sont validés pour deux configurations : un cas académique de turbulence homogène isotrope décroissante et un calcul polydisperse d'un jet turbulent recirculant chargé en particules. L'équilibrage de charges de particules est mis en évidence comme une solution prometteuse pour les simulations diphasiques Lagrangiennes afin d'améliorer les performances des calculs lorsque le déséquilibrage est trop important. / Particle-laden flows occur in industrial applications ranging from droplets in gas turbines tofluidized bed in chemical industry. Prediction of the dispersed phase properties such as concentration and dynamics are crucial for the design of more efficient devices that meet the new pollutant regulations of the European community. The objective of this thesis is to develop an Euler-Lagrange formulation on a parallel and unstructured solver for large- eddy simulation. This work is motivated by the rapid increase in computing power which opens a new way for simulations that were prohibitive one decade ago. Special attention is taken to keep data structure simplicity and code portability. Developments are validated in two configurations : an academic test of a decaying homogeneous isotropic turbulence and a polydisperse two-phase flow of a confined bluff body. The use of load-balancing capabilities is highlighted as a promising solut! ion in Lagrangian two-phase flow simulations to improve performance when strong imbalance of the dispersed phase is present

Les écoulements décollés sont fortement instationnaires, l'objectif de cette thèse a été de localiser et d'identifier les phénomènes à la source de ces instationnarités et de comprendre les processus physiques permettant le transfert de l'information de ces zones sources au reste de l'écoulement. Pour ce faire une analyse des résultats issus de simulations numériques a été réalisée. En étudiant la corrélation et la cohérence entre les positions de choc et les fluctuations de pression, l'interaction a pu être séparée en plusieurs parties distinctes. A l'aide de la théorie des caractéristiques définissant les directions et les cinématiques de propagation de l'information, les liens spatio-temporels entre ces différentes régions ont pu être déterminés. Les résultats de ces études couplés avec ceux issus des expériences ont montré clairement que les phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone de recirculation existant en aval du choc de décollement gouvernent la dynamique de la totalité de l'interaction, aussi bien à basse fréquence qu'à moyenne fréquence. Ainsi les mouvements de choc apparaissent comme le miroir des phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone décollée. Une représentation équivalente en fluide non visqueux permettant une description du comportement instationnaire de l'interaction a aussi été proposée. / Separated flow are often strongly unsteady; the aim of this thesis is to localize and identify the sources of the unsteadiness and to understand the physical phenomena governing the information transfer from these source zones to the rest of the flow. To do this, data used for this analysis have been obtained from numerical simulations (LES). Both cross-correlation and coherence between shock motion and pressure fluctuations have shown that the interaction can be split in several distinct zones. The theory of characteristics is used to define the information paths and the propagation velocities, so that the space-time links between these regions have been determined. Both numerical and experimental studies have clearly shown that phenomena present within the recirculation buble govern the whole of the interaction, at low and intermediate frequencies. Indeed the shock motions appears as the mirror of phenomena present in the separated zone. An inviscid equivalent scenario has been proposed to represent the interaction.

Les matériaux absorbants acoustiques, qui sont d’un intérêt stratégique en aéronautique pour la diminution passive du bruit des réacteurs d’avion, conduisent à une physique complexe où l’écoulement turbulent, des ondes acoustiques, et l’absorbant interagissent. Cette thèse porte sur la simulation de cette interaction dans le problème modèle d’un écoulement de canal turbulent avec des parois impédantes, par le biais de simulations numériques aux grandes échelles implicites, dans un contexte de calcul haute performance.Une étude est d’abord faite des grandes échelles dans un canal turbulent avec des parois rigides, en s’intéressant plus particulièrement à l’effet d’une faible compressibilité (Mach <3) sur les caractéristiques de ces échelles.Un canal turbulent avec une paroi de type impédance est ensuite simulé, avec une condition habituelle de périodicité dans le sens de l’écoulement. On observe que pour des faibles valeurs de la résistance et des fréquences de résonance basses, l’écoulement est instable, ce qui engendre une onde le long de l’absorbant, qui modifie la turbulence et augmente la trainée.Enfin, on se tourne vers une simulation de canal spatial en levant la condition de périodicité dans la direction de l’écoulement, ce qui permet d’introduire une onde acoustique en entrée de domaine. L’atténuation de l’onde dans l’écoulement turbulent est étudiée avec des parois rigides, puis un absorbant acoustique est introduit. Dans cette configuration plus réaliste, il est confirmé que l’écoulement peut devenir instable au bord amont de l’absorbant, ce qui empêche l’atténuation de l’onde acoustique incidente. / Acoustic liners are a key technology in aeronautics for the passive reduction of the noise generated by aircraft engines. They are employed in a complex flow scenario in which the acoustic waves, the turbulent flow, and the acoustic liner are interacting.During this thesis, in a context of high performance computing, a compressible Navier-Stokes solver has been developed to perform implicit large eddy simulations of a model problem of this interaction: a turbulent plane channel flow with one wall modeled as an impedance condition.As a preliminary step the wall-turbulence in rigid channel flows and associated large-scale motions are investigated. A straightforward algorithm to detect these flow features is developed and the effect of compressibility on the flow structures and their contribution to the drag are studied. Then, the interaction between the acoustic liner and turbulent flow is investigated assuming periodicity in the streamwise direction. It is shown that low resistance and low resonance frequency tend to trigger flow instability, which modifies the conventional wall-turbulence and also results in drag increase.Finally, the simulation of a spatial channel flow was addressed. In this case no periodicity is assumed and an acoustic wave can be injected at the inlet of the domain. The effect of turbulence on sound attenuation is studied without liner, before a liner is introduced on a part of the channel bottom wall. In this more realistic case, it is confirmed that low resistance acoustic liners trigger an instability at the leading edge of the liner, resulting in drag increase and excess noise generation.

Le procédé de craquage thermique est un procédé industriel sensible aux conditions de température et de pression. L’utilisation de réacteurs aux parois nervurées est une méthode permettant d’améliorer la sélectivité chimique du procédé en augmentant considérablement les transferts de chaleur. Cependant, cette méthode induit une augmentation des pertes de charge dans le réacteur, ce qui est dommageable pour le rendement chimique et doit être quantifié. En raison de la complexité de l’écoulement turbulent et de la cinétique chimique, le gain réel offert par ces géométries en termes de sélectivité chimique est toutefois mal connu et difficile à estimer, d’autant plus que des mesures expérimentales détaillées sont très rares et difficiles à mener. L’objectif de ce travail est double: d’une part évaluer le gain réel des parois nervurées sur le rendement chimique; d’autre part proposer de nouveaux designs de réacteurs offrant une sélectivité chimique optimale. Ceci est rendu possible par l’approche de simulation numérique aux grandes échelles (LES), qui est utilisée pour étudier l’écoulement réactif à l’intérieur de diverses géométries de réacteurs. Le code AVBP, qui résout les équations de Navier Stokes compressibles pour les écoulements turbulents, est utilisé pour simuler le procédé grâce à une méthodologie numérique adaptée. En particulier, les effets des pertes de charge et du transfert thermique sur la conversion chimique sont comparés pour un réacteur lisse et un réacteur nervuré afin de quantifier l’impact de la rugosité de paroi dans des conditions d’utilisation industrielles. Une méthodologie d’optimisation du design des réacteurs, basée sur plusieurs simulations numériques et les processus Gaussiens, est finalement mise au point et utilisée pour aboutir à un design de réacteur de craquage thermique innovant, maximisant le rendement chimique / Thermal cracking is an industrial process sensitive to both temperature and pressure operating conditions. The use of internally ribbed reactors is a passive method to enhance the chemical selectivity of the process, thanks to a significant increase of heat transfer. However, this method also induces an increase in pressure loss, which is damageable to the chemical yield and must be quantified. Because of the complexity of turbulence and chemical kinetics, and as detailed experimental measurements are difficult to conduct, the real advantage of such geometries in terms of selectivity is however poorly known and difficult to assess. This work aims both at evaluating the real benefits of internally ribbed reactors in terms of chemical yields and at proposing innovative and optimized reactor designs. This is made possible using the Large Eddy Simulation (LES) approach, which allows to study in detail the reactive flow inside several reactor geometries. The AVBP code, which solves the Navier-Stokes compressible equations for turbulent flows, is used in order to simulate thermal cracking thanks to a dedicated numerical methodology. In particular, the effect of pressure loss and heat transfer on chemical conversion is compared for both a smooth and a ribbed reactor in order to conclude about the impact of wall roughness in industrial operating conditions. An optimization methodology, based on series of LES and Gaussian process, is finally developed and an innovative reactor design for thermal cracking applications, which maximizes the chemical yield, is proposed

Des bâtiments de grande hauteur sont construits avec un poids et un amortissement structurel de plus en plus faibles en lien avec l'évolution des techniques de construction et des matériaux. La connaissance des charges de vent dynamiques est un enjeu important pour la conception des grands bâtiments afin de garantir leur sécurité structurelle. L'objectif de cette thèse est d’évaluer la capacité de la simulation numérique des grandes échelles (LES) à prédire les charges de vent sur les structures et d’étudier l'influence des conditions d’entrée d’une simulation LES sur ces charges. Des expériences ont été menées à échelle réduite dans la soufflerie atmosphérique NSA du CSTB afin de documenter l’écoulement atmosphérique modélisé, de caractériser son interaction avec un bâtiment et les charges de vent statiques et dynamiques résultantes. Le sillage du bâtiment a été caractérisé grâce à des mesures PIV. Les efforts globaux et les pressions locales ont été mesurés par une balance et des prises de pression à haute fréquence. Ces expériences en soufflerie ont permis de développer un générateur de conditions amont (GCA) pour la simulation LES, visant à reproduire les principales caractéristiques de la turbulence dans la couche limite. La base de données constituée a également permis de qualifier les résultats des simulations LES réalisées avec le code OpenFOAM dans la configuration de l’expérience. L’utilisation du nouveau GCA et d’un générateur dégradé qui ne respecte pas toutes les caractéristiques de l'écoulement a permis de montrer la nécessité de bien reproduire les caractéristiques du vent incident pour accéder aux charges dynamiques sur le bâtiment. / High-rise buildings are built with increasingly low weight and structural damping in relation to the evolution of construction techniques and materials. The understanding of dynamic wind loads is an important issue for the design of high-rise buildings in order to guarantee their structural safety. The objective of the present work is to assess the ability of large eddy simulation (LES) to predict wind loads on structures and to investigate the influence of the inflow boundary conditions of a LES simulation on these loads. Experiments were carried out at a small scale in the NSA atmospheric wind tunnel of CSTB to document the modeled atmospheric boundary layer, to characterize its interaction with a building and the resulting static and dynamic wind loads. The wake flow around the building has been characterized by PIV measurements. Global and local wind loads were measured by a high frequency force balance and high frequency pressure taps. These wind tunnel experiments allowed for the development of an inflow turbulence generator for the LES simulation,which was aimed at reproducing the main characteristics of turbulence in the boundary layer. The database also made it possible to assess the quality of the results of the LES simulations carried out with the OpenFOAM code in the same configuration as the experiment. The use of both the new turbulence generator and a degraded one that does not account for all the characteristics of the flow has made it possible to show the necessity to reproduce the characteristics of the upstream wind flow in order to access the dynamic wind loads on the building.

Le phénomène connu sous l'appellation "méandrement" (ou meandering) désigne les variations aléatoires de la trajectoire du sillage aérodynamique d'une éolienne. Ce phénomène est responsable de contraintes mécaniques particulières sur les éoliennes positionnées dans le sillage d'autres éoliennes et joue donc rôle dans la conception et dans la prévision de production des parcs éoliens.Ce travail propose d'étudier le méandrement par des moyens expérimentaux et numériques. La problématique est traitée en deux parties, la première portant sur la modélisation de l'écoulement de couche limite atmosphérique, avec une attention particulière portée à la modélisation des grandes échelles de la turbulence atmosphérique. La seconde partie porte sur l'étude du sillage d'un disque actuateur soumis à un écoulement atmosphérique. Chacune de ces parties comporte un volet expérimental et un volet numérique. La modélisation numérique instationnaire de l'écoulement atmosphérique fait intervenir une technique de génération stochastique de champs de vitesse turbulente avec évolution temporelle, spécialement développée au cours de la présente thèse et à laquelle un chapitre spécifique est dédié.L'un des principaux résultats est que le méandrement du sillage est fortement corrélé avec les grandes échelles de la turbulence atmosphérique. / The phenomenon known as meandering describes the unsteady trajectory variations of the wake of a wind turbine. This phenomenon is responsible for specific mechanical stresses on turbines positioned in the wake of other turbines. As such, this phenomenon must be accounted for in the design and operation of wind turbine plants.This work uses numerical fluid simulation and wind tunnel testing in order to study the meandering of the wake of a wind turbine. The subject is discussed in two parts. The first part discusses the modeling of the atmospheric boundary layer, with a focus on the large scales of the atmospheric turbulence. The second part is a study of the behavior of the wake of an actuator disc model in atmospheric wind conditions.Both parts include experimental and numerical work. The numerical simulation of the atmospheric boundary layer involves the generation of synthetic turbulent velocity time series by mean of a stochastic technique developed during this thesis, to which a chapter is dedicated.One of the main results of this work is that the meandering is highly correlated with the large scales of the atmospheric turbulence.

Les transformations qui conservent l'ensemble des solutions des équations de Navier-Stokes (NS) sont appelées les symétries de NS. Elles forment un groupe de Lie dénommé groupe de symétrie de NS. Ce groupe jouent un rôle important dans la description de la physique des équations (loi de conservation, loi de paroi, ...). Ainsi, les modèles de turbulence devraient être invariant sous l'action de ce groupe. Dans la première partie de la thèse, on effectue alors une analyse de quelques modèles de sous-maille courants sous l'angle des symétries, puis, on construit une classe de modèles de sous-maille qui, d'une part, respectent le groupe de symétrie de NS et, d'autre part, sont conformes au second principe de la thermodynamique. Un modèle très simple de la classe est alors testé et validé numériquement. L'analyse et la construction de modèles sont également étendues au cas de la convection thermique. Dans la seconde partie de la thèse, on explore la possibilité d'intégrer la LES (simulation des grandes échelles) dans un algorithme de la famille MAN (méthode asymptotique numérique). La MAN est une technique numérique de perturbation, qui consiste à calculer la solution sous forme d'une série entière. Dans un premier temps, on construit et on teste un algorithme associant la MAN et la LES, avec l'aide d'une technique d'homotopie. Face aux limites de ce premier algorithme, on étudie dans un second temps l'utilisation d'un autre algorithme où on effectue un développement en série temporelle. Pour augmenter le domaine de validité de la série obtenue, ou bien pour calculer une solution analytique à partir de la série lorsque celle-ci diverge, on propose d'effectuer la méthode de resommation de Borel-Laplace. Dans les exemples numériques, on applique cette méthode à des modèles réduits issus des équations de Navier-Stokes.

Le développement de nouvelles technologies pour le transport aérien moins polluant est de plus en plus basé sur la simulation numérique, qui nécessite alors une description fiable de la chimie. Pour la plupart des carburants, la description de la combustion nécessite des mécanismes détaillés mais leur utilisation dans une simulation numérique de combustion turbulente est limitée par le coût calcul. Des mécanismes cinétiques réduits et des méthodes de tabulation ont été proposés pour surmonter ce problème. Ces descriptions chimiques simplifiées ayant été développées dans le cadre de configurations laminaires, cette thèse propose de les évaluer dans des configurations turbulentes: une DNS de flamme prémélangée méthane/air de type Bunsen et une LES d'un brûleur expérimental. Les mécanismes sont analysés en termes de structure de flamme, paramètres de flamme globaux, longuer de flamme, prediction des concentrations en espèces majoritaires et des émissions polluantes. Une méthodologie pour évaluer a priori la capacité d'un mécanisme à prédire correctement des phénomènes chimiques tridimensionnels est proposée en se basant sur les résultats de flammes laminaires monodimensionnelles non étirées et étirées. Il ressort que, d'une part, pour construire un mécanisme réduit, il est nécessaire de faire un compromis entre coût calcul, robustesse et qualité des résultats. D'autre part, la qualité des résultats de DNS et LES de configurations tridimensionnelles turbulentes peut être anticipée par une analyse du comportement des schémas réduits dans des configurations simplifiées de flammes monodimensionnelles laminaires non étirées et étirées.

La difficulté principale de réaliser la simulation numérique d'un écoulement turbulent à haut nombre de Reynolds est de préserver la capture des effets instationnaires sans induire un coût de calcul prohibitif. Nous avons, tout d'abord, exhibé les principaux défauts des simulations des grandes échelles avec un modèle de paroi standard dans une configuration de canal plan bi-périodique dans un contexte de maillage grossier. Dans ce cadre, nous avons proposé deux approches basées sur une stratégie de couplage RANS/LES pour corriger pour corriger ces défauts. La première repose sur l'application du modèle de paroi TBLE à une simulations des grandes échelles, qui consiste à résoudre des équations de couche limite simplifiées et instationnaires avec une modélisation de type RANS dans la zone proche paroi. La seconde consiste à réaliser simultanément un calcul RANS et une simulation des grandes échelles dont le champ filtré moyen sera corrigé grâce au calcul RANS par l'intermédiaire d'un terme de forçage. Ces différentes méthodes de modélisations ont été implémentéesdanns le code de calcul TRIO_U du CEA Grenoble. Les configurations étudiées sont le canal plan bi-périodique et un écoulement pariétal dans une matrice d'obstacles cubiques. Les deux approches fournissent des résultats encourageants et permettent d'effectuer des simulations instationnaires à un coût numérique réduit.