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

Une méthode de frontières immergées est développée pour la simulation d'écoulements compressibles et validée au travers de cas-tests spécifiques (réflexion d'ondes acoustiques et quantification de la conservation de la masse dans des canaux inclinés). La simulation aux grandes échelles (LES) d'une cavité transsonique est ensuite présentée. Le bouclage aéro-acoustique, très sensible aux conditions aux limites, est reproduit avec précision par la LES dans le cas où les parois sont immergées dans un maillage structurée. La comparaison des stratégies de modélisation de sous-maille pour cet écoulement transsonique et l'adaptation des filtres en présence de frontières immergées sont également discutées. Le rôle, souvent sous-estimé, du schéma de viscosité artificiel, est quantifié.Dans la dernière partie du manuscrit, des études sont réalisées pour aider au dimensionnement d'un nouveau concept de chambre de combustion où la flamme est stabilisée par la recirculation de gaz brûlés dans une cavité (chambre TVC pour Trapped Vortex Combustor). La modélisation de la combustion turbulente est basée sur une chimie tabulée, couplée à une fonction densité de probabilité présumée (PCM-FPI). L'étude de la dynamique de la flamme est réalisée pour diverses conditions de fonctionnement (débit de l'écoulement principal et présence ou non d'un swirl). Les spécificités de mise en œuvre de la simulation d'un écoulement de ce type sont discutées et un soin particulier est apporté au traitement de la condition de sortie, qui constitue un point sensible de la chaîne de modélisation. Les phénomènes d'instabilités et de retour de la flamme sont mis en évidence ainsi que les modifications à apporter au dispositif afin de minimiser ces effets. L'existence d'un cycle limite acoustique est souligné et une formule permettant d'anticiper le niveau des fluctuations de pression est proposée et validée. Une correction au modèle PCM-FPI est présentée afin de préserver la vitesse de flamme et d'assurer une reproduction plus précise de la dynamique de flamme.

Cette thèse est consacrée à l'amélioration des capacités de prédiction des émissions polluantes (CO, NOx . . . ) des foyers de combustion de turboréacteurs. L'étude, exclusivement numérique, repose sur des simulations aux grandes échelles (ou LES pour Large-Eddy Simulation) basées sur des méthodes de tabulation de la chimie détaillée. L'approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) a été étendue à la chimie des oxydes d'azote via la modification de la variable d'avancement. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire (Cabra, Sandia) sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et de champs d'espèces chimiques sont confrontés aux mesures expérimentales. Le rôle du formaldéhyde comme marqueur de la zone réactionnelle est illustré à l'aide de calculs de flammes laminaires puis confirmé par un calcul 3D LES. Une analyse des spécificités de l'implantation de ce type de modèle sur des machines à architecture massivement parallèle est ensuite menée. Diverses modifications de la structure de la table et des méthodes d'interpolation sont réalisées, servant de base à une étude de sensibilité de maillage appliquée à la flamme Sandia D. Les difficultés relatives à la prédiction du NO dans les flammes turbulentes sont exposées : divers modèles de sous-maille sont alors employés et comparés.

Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (" sprays ") sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d'un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d'air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d'un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d'injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d'un modèle de spray par l'approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d'échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d'injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar.

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.

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.

Cette thèse se concentre sur le développement d'une méthode précise et efficace pour la simulation des grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. Une approche de la LES basée sur la méthode variationnelle multi-échelles (VMS) est considérée. La VMS applique aux équations de la dynamique des fluides une séparation d'échelles a priori sans recours à des hypothèses sur les conditions aux limites ou sur l'uniformité du maillage. Afin d'assurer effectivement une séparation d'échelles dans l'espace des nombres d'onde associé, nous choisissons d'utiliser les ondelettes de deuxième génération (SGW), une base polynomiale qui présente des propriétés de localisation spatiale-fréquence optimales. A partir de la séparation d'échelles ainsi réalisée, l'action du modèle sous-maille est limitée à un intervalle de nombres d'onde proche de la coupure spectrale. Cette approche VMS-LES basée sur les ondelettes est désignée par WAVVMS-LES. Elle est incorporée dans un solveur d'ordre élevé pour la simulation des écoulements incompressibles sur la base d'une méthode de Galerkin discontinue (DG-FEM) stabilisée pour la pression. La méthode est évaluée par réalisation de LES sur des maillages fortement sous-résolus pour le cas test du tourbillon de Taylor-Green 3D à deux nombres de Reynolds différents. / This thesis focuses on the development of an accurate and efficient method for performing Large-Eddy Simulation (LES) of turbulent flows. An LES approach based upon the Variational Multiscale (VMS) method is considered. VMS produces an a priori scale-separation of the governing equations, in a manner which makes no assumptions on the boundary conditions and mesh uniformity. In order to ensure that scale-separation in wavenumber is achieved, we have chosen to make use of the Second Generation Wavelets (SGW), a polynomial basis which exhibits optimal space-frequency localisation properties. Once scale-separation has been achieved, the action of the subgrid model is restricted to the wavenumber band closest to the cutoff. We call this approach wavelet-based VMS-LES (WAV-VMS-LES). This approach has been incorporated within the framework of a high-order incompressible flow solver based upon pressure-stabilised discontinuous Galerkin FEM (DG-FEM). The method has been assessed by performing highly under-resolved LES upon the 3D Taylor-Green Vortex test case at two different Reynolds numbers.

La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié. / The reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to includeinto the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practiceon the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve thedescription of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experimentskeep arising even though uncertainties are taken into account. The present workapplies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive SpectralProjection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertaininlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflowconditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulentquantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance ofquantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify inthis way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a gridconvergence approach, are such the discrepancies between computation and experimentcannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurationsunder study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations areverified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids(since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows understudy, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Takinginto account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy forthe Francis turbine distributor under study.

Dans ce travail, des méthodes de diagnostics et des techniques de développement de modèles sous-maille sont proposées pour la simulation des grandes échelles (SGE) du mélange turbulent. Plusieurs modèles sous-maille issus de ces stratégies sont ainsi présentés pour illustrer ces méthodes.Le principe de la SGE est de résoudre les grandes échelles de l'écoulement responsables des transferts principaux et de modéliser l'action des petites échelles de l'écoulement sur les échelles résolues. Au cours de ce travail, nous nous sommes appuyés sur le classement des modèles sous-maille en deux catégories. Les modèles "fonctionnels" qui s'attachent à reproduire les transferts énergétiques entre les échelles résolues et les échelles modélisées et les modèles "structurels" qui cherchent à bien reproduire le terme sous-maille. Le premier enjeu important a été d'évaluer la performance des modèles sous-maille en prenant en compte leur comportement à la fois fonctionnel (capacité à reproduire les transferts d'énergie) et structurel (capacité à reproduire le terme sous-maille exact). Des diagnosctics des modèles sous-maille ont pu être conduits avec l'utilisation de la notion d'estimateur optimal ce qui permet de connaitre le potentiel d'amélioration structurelle des modèles. Ces principes ont dans un premier temps servi au développement d'une première famille de modèles sous-maille algébrique appelée DRGM pour "Dynamic Regularized Gradient Model". Cette famille de modèles s'appuie sur le diagnostic structurel des termes issus de la régularisation des modèles de la famille du gradient. D'après les tests menés, cette nouvelle famille de modèle structurel a de meilleures performances fonctionnelles et structurelles que les modèles de la famille du gradient. L'amélioration des performances fonctionnelles consiste à supprimer la prédiction excessive de transferts inverses d'énergie (backscatter) observés dans les modèles de la famille du gradient. Cela permet ainsi de supprimer le comportement instable classiquement observé pour cette famille de modèles. La suite de ce travail propose ensuite d'utiliser l'estimateur optimal directement comme modèle sous-maille. Comme l'estimateur optimal fournit le modèle ayant la meilleure performance structurelle pour un jeu de variables donné, nous avons recherché le jeu de variable optimisant cette performance. Puisque ce jeu comporte un nombre élevé de variables, nous avons utilisé les fonctions d'approximation de type réseaux de neurones pour estimer cet estimateur optimal. Ce travail a mené au nouveau modèle substitut ANNM pour "Artificial Neural Network Model". Ces fonctions de substitution se construisent à partir de bases de données servant à émuler les termes exacts nécessaire à la détermination de l'estimateur optimal. Les tests de ce modèle ont montré qu'il avait de très bonnes perfomances pour des configurations de simulation peu éloignées de la base de données servant à son apprentissage, mais qu'il pouvait manquer d'universalité. Pour lever ce dernier verrou, nous avons proposé une utilisation hybride des modèles algébriques et des modèles de substitution à base de réseaux de neurones. La base de cette nouvelle famille de modèles ACM pour "Adaptative Coefficient Model" s'appuie sur les décompositions vectorielles et tensorielles des termes sous-maille exacts. Ces décompositions nécessitent le calcul de coefficients dynamiques qui sont modélisés par les réseaux de neurones. Ces réseaux bénéficient d'une méthode d'apprentissage permettant d'optimiser directement les performances structurelles et fonctionnelles des modèles ACM. Ces modèles hybrides allient l'universalité des modèles algébriques avec la performance élevée mais spécialisée des fonctions de substitution. Le résultat conduit à des modèles plus universels que l'ANNM. / This work develops subgrid model techniques and proposes methods of diagnosis for Large Eddy Simulation (LES) of turbulent mixing.Several models from these strategies are thus presented to illustrate these methods.The principle of LES is to solve the largest scales of the turbulent flow responsible for major transfers and to model the action of small scales of flowon the resolved scales. Formally, this operation leads to filter equations describing turbulent mixing. Subgrid terms then appear and must bemodeled to close the equations. In this work, we rely on the classification of subgrid models into two categories. "Functional" models whichreproduces the energy transfers between the resolved scales and modeled scales and "Structural" models that seek to reproduce the exact subgrid termitself. The first major challenge is to evaluate the performance of subgrid models taking into account their functional behavior (ability to reproduce theenergy transfers) and structural behaviour (ability to reproduce the term subgrid exactly). Diagnostics of subgrid models have been enabled with theuse of the optimal estimator theory which allows the potential of structural improvement of the model to be evaluated.These methods were initially involved for the development of a first family of models called algebraic subgrid $DRGM$ for "Dynamic Regularized GradientModel". This family of models is based on the structural diagnostic of terms given by the regularization of the gradient model family.According to the tests performed, this new structural model's family has better functional and structural performance than original model's family of thegradient. The improved functional performance is due to the vanishing of inverse energy transfer (backscatter) observed in models of thegradient family. This allows the removal of the unstable behavior typically observed for this family of models.In this work, we then propose the use of the optimal estimator directly as a subgrid scale model. Since the optimal estimator provides the modelwith the best structural performance for a given set of variables, we looked for the set of variables which optimize that performance. Since this set of variablesis large, we use surrogate functions of artificial neural networks type to estimate the optimal estimator. This leads to the "Artificial Neural Network Model"(ANNM). These alternative functions are built from databases in order to emulate the exact terms needed to determine the optimal estimator. The tests of this modelshow that he it has very good performance for simulation configurations not very far from its database used for learning, so these findings may fail thetest of universality.To overcome this difficulty, we propose a hybrid method using an algebraic model and a surrogate model based on artificial neural networks. Thebasis of this new model family $ACM$ for "Adaptive Coefficient Model" is based on vector and tensor decomposition of the exact subgrid terms. Thesedecompositions require the calculation of dynamic coefficients which are modeled by artificial neural networks. These networks have a learning method designedto directlyoptimize the structural and functional performances of $ACM$. These hybrids models combine the universality of algebraic model with high performance butvery specialized performance of surrogate models. The result give models which are more universal than ANNM.

Le contexte de cette étude est l’optimisation de la combustion turbulente prémélangée de syngaz pour la production propre d’énergie. Un brûleur CH4/air de type bec Bunsen avec forçage turbulent multi-échelles produit par un système de trois grilles, est simulé numériquement par différentes techniques de simulation des grandes échelles (SGE), et les résultats sont comparés à l’expérience. On a développé et appliqué une formulation bas-Mach du solveur Navier-Stokes basé sur différents schémas numériques, allant des différences finies centrées d’ordre 4 à des versions avancées des schémas WENO d’ordre 5. La méthodologie est évaluée sur une série de cas-tests classiques (flamme laminaire 1D prémélangée, turbulence homogène et isotrope en auto-amortissement), et sur des simulations 2D de la flamme turbulente prémélangée expérimentale. Les SGE implicites (ILES), i.e. sans aucune modélisation sous-maille, et explicites avec le modèle de flamme épaissie et un modèle de plissement sous-maille nouvellement élaboré (TFLES), sont appliquées à la simulation 3D du brûleur expérimental. Les résultats montrent que l’approche TFLES avec un schéma d’ordre élevé à faible dissipation numérique prédit correctement la longueur de la flamme et la densité de surface de flamme. La SGE implicite avec un schéma WENO avancé produit une flamme trop courte mais réaliste à condition que la taille de la maille soit de l’ordre de l’épaisseur de flamme laminaire. La représentation des interactions flamme/turbulence est néanmoins très différente entre TFLES et ILES. / The context of this study is the optimization of premixed turbulent combustion of syngas for clean energy production. A Bunsen-type CH4/air turbulent premixed burner with a multi-scale grid generator is simulated with different Large Eddy Simulation (LES) strategies and compared to experimental results. A low-Mach formulation of a compressible Navier-Stokes solver based on different numerical methods, ranging from 4th order central finite difference to 5th order advanced WENO schemes, is developed and applied. Classical test cases (1D laminar premixed flame, decaying HIT), and 2D simulations of the turbulent premixed flame are performed to assess the numerical methodology. Implicit LES (ILES), i.e. LES without any explicit subgrid modeling, and explicit LES with the Thickened Flame model and subgrid scale flame wrinkling modelling (TFLES) are applied to simulate numerically the 3D experimental burner. Results show that TFLES with a high-order low dissipation scheme predicts quite well the experimental flame length and flame surface density. ILES with advanced WENO schemes produces a slightly shorter although realistic flame provided the grid spacing is of order of the laminar flame thickness. The representation of flame/turbulence interactions in TFLES and ILES are however quite different.