Ce travail porte sur l’évaluation de la méthode ZDES pour la simulation de jets propulsifs. L’analyse se concentre sur le positionnement des cellules de chocs et le développement des couches de mélange d’une tuyère double-flux avec plug externe, typique des moteurs d’avions modernes. Les champs statistiques sont comparés aux résultats expérimentaux et discutés en termes de grandeurs moyennes, fluctuantes et dans le domaine fréquentiel. L’intérêt d’utiliser un schéma spatial peu dissipatif ainsi qu’une échelle de longueur sous-maille basée sur la vorticité locale est mis en évidence, notamment pour le dévelopement de la couche de mélange interne, et le mode 2 ("automatique") de la ZDES a démontré un comportement similaire au mode 1 ("manuel") dans les couches de mélange. Par ailleurs, la technique Random Flow Generation (RFG) mise en oeuvre afin de reproduire la turbulence amont existant au coeur des jets primaire et secondaire a permis d’accélérer la transition RANS-LES dans les deux couches de mélanges, plus conformément à l’expérience. La transition est d’autant plus rapide que le taux de turbulence est élevé et l’échelle de la turbulence injectée est petite. Le positionnement des cellules de choc est également amélioré, soulignant l’importance de prendre en compte la turbulence amont dans les simulations de jets. / In this thesis, the ZDES method is assessed for the simulation of propulsive jets. This work focuses on the shock-cell positioning and the mixing layer development of a dual-stream nozzle configuration with an external plug, typical of modern aircraft engines. Reynolds averaged data are discussed in terms of mean and fluctuating quantities as well as in the frequency domain and compared with experimental data. First, the advantage of using a low dissipative spatial scheme as well as a subgrid length scale based on the local vorticity is demonstrated, especially for the development of the core mixing layer. Besides, the "automatic" mode of ZDES (mode 2) is found to provide similar mixing layers as the user defined mode.Then, the use of the Random Flow Generation (RFG) technique at the inlet boundaries of the core and fan channels in order to reproduce the turbulence rate at the center of the nozzle ducts is shown to accelerate the RANS-to-LES transition in both external and internal mixing layers, which is in better agreement with the experimental results. The transition length is further reduced when the injected turbulent ratio is higher, but also when the injected turbulent length scale is smaller. Of interest, the shock-cell positioning in the fan jet is also improved using RFG, which emphasizes the importance of accounting for upstream turbulence for this type of simulations.

Dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents, les approche hybrides RANS/LES ont reçu récemment beaucoup d'attention car ils combinent le coût de calcul raisonnable du RANS et la précision de la LES.Parmi elles, le TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) est une approche hybride RANS/LES temporelle qui surmonte les inconsistances du raccordement continu du RANS et de la LES grâce à un formalisme de filtrage temporel. Cependant, le modèle TPITM est relativement difficile à mettre en œuvre et, en particulier, nécessite l'utilisation d'une correction dynamique, contrairement à d'autres approches, notamment la DES (Detached Eddy Simulation).Cette thèse propose alors une approche hybride RANS/LES similaire à la DES, mais basée sur un filtrage temporel, déduite du modèle TPITM par équivalence, c'est-à-dire en imposant la même partition entre énergies résolue et modélisée. Ce modèle HTLES (Hybrid Temporal LES) combine les caractéristiques de la DES (facilité de mise en œuvre) et du TPITM (formalisme consistant, justification théorique des coefficients).Après calibration en turbulence homogène, l'approche est appliquée à des cas d'écoulements autour de cylindres carrés puis rectangulaires. La modélisation des tensions de sous-filtre est une adaptation au contexte hybride du modèle RANS k-wSST.

La capacité de simuler la dynamique de la couche limite turbulente représente aujourd'hui un enjeu important pour la prévision de l'aérodynamique instationnaire et de l'aéroacoustique des aéronefs et des véhicules terrestres. Aussi, les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une méthode originale de simulation de la dynamique des écoulements turbulents pariétaux, à haut nombre de Reynolds, sur des géométries curvilignes. L'approche ZDES, dans son mode " Wall Modelled Large Eddy Simulation ", est ici retenue. Dans un premier temps, une méthode de réactivation turbulente, par combinaison de l'injection de turbulence synthétique et de l'application de termes de forçage, est développée afin de permettre une résolution WMLES locale des régions d'intérêt au sein d'une simulation majoritairement RANS. Puis l'étude des interactions entre la physique et la méthode de résolution numérique (ZDES), sur le cas d'une couche limite turbulente sans gradient de pression en développement spatial jusqu'à Re13 000, a conduit à une généralisation des conditions d'emploi du mode WMLES de la ZDES. Des post-traitements instationnaires avancés ont permis de démontrer la capacité de la méthode à simuler la dynamique particulière de la zone externe à ces grands nombres de Reynolds. Enfin, les différentes méthodes développées au cours de cette étude ont été appliquées à la simulation d'une manche à air coudée de section rectangulaire. Cette nouvelle méthode a permis de simuler avec succès la dynamique multi-échelles de cet écoulement et des distorsions dynamiques associées, pour un coût environ 50 fois inférieur à celui d'une approche LES classique

Dans le domaine de la modélisation des écoulements turbulents, les approche hybrides RANS/LES ont reçu récemment beaucoup d’attention car ils combinent le coût de calcul raisonnable du RANS et la précision de la LES.Parmi elles, le TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) est une approche hybride RANS/LES temporelle qui surmonte les inconsistances du raccordement continu du RANS et de la LES grâce à un formalisme de filtrage temporel. Cependant, le modèle TPITM est relativement difficile à mettre en œuvre et, en particulier, nécessite l’utilisation d’une correction dynamique, contrairement à d’autres approches, notamment la DES (Detached Eddy Simulation).Cette thèse propose alors une approche hybride RANS/LES similaire à la DES, mais basée sur un filtrage temporel, déduite du modèle TPITM par équivalence, c’est-à-dire en imposant la même partition entre énergies résolue et modélisée. Ce modèle HTLES (Hybrid Temporal LES) combine les caractéristiques de la DES (facilité de mise en œuvre) et du TPITM (formalisme consistant, justification théorique des coefficients).Après calibration en turbulence homogène, l’approche est appliquée à des cas d’écoulements autour de cylindres carrés puis rectangulaires. La modélisation des tensions de sous-filtre est une adaptation au contexte hybride du modèle RANS k-wSST. / In the field of modelling of turbulent flows, hybrid RANS/LES approaches have recently received a considerable attention due to the combination of the computational cost of RANS and the accuracy of LES.Among them, TPITM (Temporal Partially Integrated Transport Model) is a hybrid RANS/Temporal LES approach that overcomes the inconsistency of the continuous bridging of RANS and LES by using a temporal filtering formalism. However, TPITIM is relatively difficult to implement and, in particular, requires a dynamic correction, contrary to other approaches, in particular DES (Detached Eddy Simulation).The present thesis then proposes a hybrid RANS/LES approach similar to DES, but based on temporal filtering, derived from TPITM using an equivalence criterion, i. e., imposing the same partition of among resolved and modeled energies. This HTLES approach (Hybrid Temporal LES) combines the characteristics of DES (ease of implementation) and of TPITM (consistent formalism, theoretical justification of the coefficients).

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des prévisions aérothermiques qui suscite un intérêt croissant de la part des industriels aéronautiques. Elle consiste à évaluer l'apport des méthodes URANS avancées de type SAS dans la prévision des flux de chaleur turbulents et pariétaux pour des écoulements turbulents chauffés. Elle vise également à situer ces approches par rapport à des modèles URANS classiques de type DRSM et à des méthodes hybrides RANS/LES comme la ZDES. Nous avons dans un premier temps proposé une extension de l'approche SAS à un modèle DRSM afin d'obtenir une meilleure restitution des tensions de Reynolds résolues et modélisées. Ce nouveau modèle SAS-DRSM a été implanté dans le code Navier-Stokes elsA de l'ONERA. Nous avons ensuite évalué l'ensemble des approches SAS disponibles avec ce code sur la prévision de deux écoulements aérothermiques rencontrés sur avion dans un compartiment de moteur. Ces études numériques ont montré que les approches SAS améliorent la représentation des écoulements par rapport aux modèles URANS classiques. Elles aboutissent à des écoulements fortement tridimensionnels présentant de nombreuses structures turbulentes. Ces structures induisent un mélange turbulent plus important et permettent alors une meilleure prévision du flux de chaleur pariétal. Par ailleurs, nos travaux ont permis de situer plus clairement les approches de type SAS comme des méthodes plus précises que les méthodes URANS classiques sans augmentation importante de mise en œuvre ou de coût de calcul. Les modèles SAS ne permettent pas de résoudre les plus petites structures caractéristiques du mouvement turbulent par rapport à la ZDES qui montre ici des prévisions supérieures. Le modèle SAS-DRSM offre néanmoins la meilleure alternative de type SAS. Enfin, l'étude du flux de chaleur turbulent semble retrouver le fait que l'hypothèse de nombre de Prandtl turbulent constant classique des modèles URANS n'est pas valable dans toutes les zones de l'écoulement.

Cette thèse est principalement dédiée à la simulation des écoulements massivement décollés dans le domaine spatial. Nous avons restreint notre étude aux écoulements d'arrière-corps, pour lesquels ces décollements sont imposés par des changements brutaux de la géométrie. Dans le domaine spatial, le caractère fortement compressible des écoulements rencontrés impose l'utilisation de schémas numériques robustes. D'un autre coté, la simulation fine de la turbulence impose des schémas d'ordre élevé et peu dissipatifs. Ces deux spécifications, apparemment contradictoires, doivent pourtant coexister au sein d'une même simulation. Les modèles de turbulence ainsi que les schémas de discrétisation sont indissociables et leur couplage doit impérativement être considéré. Les schémas numériques doivent garder leur précision formelle dans des géométries complexes et des maillages très irréguliers imposés par le contexte industriel. Cette étude analyse le schéma de discrétisation utilisé dans le code de calcul FLUSEPA développé par Airbus Defence & Space. Ce schéma est robuste et précis pour des écoulements avec chocs et il présente une faible sensibilité au maillage (l'ordre 3 étant conservé même sur des maillages fortement perturbés). Malheureusement, le schéma possède une trop faible résolvabilité liée à un niveau de dissipation trop élevé pour envisager des simulations hybrides RANS/LES. Pour pallier à cet inconvénient, nous nous sommes penchés vers une solution basée sur un recentrage conditionnel et local : dans les zones dominées par des structures tourbillonnaires, une fonction analytique assure un recentrage local lorsque la stabilité numérique le permet. Cette condition de stabilité assure le couplage entre le schéma et le modèle. De cette manière, les viscosités laminaire et tourbillonnaire sont les seules à jouer un rôle dans les régions dominées par la vorticité et servent aussi à stabiliser le schéma numérique. Cette étude présente de plus une comparaison qualitative et quantitative de plusieurs modèles hybrides RANS/LES, à égalité de maillage et de schéma utilisés Pour cela, un certain nombre d'améliorations (notamment de leur capacité à résoudre les instabilités de Kelvin-Helmohlotz sans retard), proposées dans la littérature ou bien introduites dans cette thèse, sont prises en compte. Les applications numériques étudiées concernent des géométries allant de la marche descendante au lanceur spatial complet à échelle réduite. / This thesis is mainly dedicated to the simulation of massively separated flows in the space domain. We restricted our study to afterbody flows, where the separation is imposed by abrupt geometry changes. In the space domain, highly compressible flows require the use of robust numerical schemes. On the other hand, the simulation of turbulence imposes high-order low dissipative numerical schemes. These two specifications, apparently contradictory, must coexist within the same simulation. The coupling between turbulence models and discretization schemes is of the utmost importance and must be considered. Numerical schemes should keep their formal accuracy on complex geometries and on very irregular meshes imposed by the industrial context. In this research, we analyze the discretization scheme implemented in the FLUSEPA solver, developed by Airbus Defence & Space. Such a scheme is robust and accurate for flows with shocks and exhibits a low sensitivity to the grid (the third order of accuracy being ensured, even on highly irregular grids). Unfortunately, the scheme possesses a too low resolvability related to a too high numerical dissipation for RANS/LES simulations. To circumvent this problem, we considered a conditional and local re-centering strategy: in regions dominated by vortical structures, an analytic function provides local re-centering when a numerical stability condition is satisfied. This stability condition ensures the coupling between the numerical scheme and the model. In this way, only the turbulent and the laminar viscosities play a role in regions dominated by vorticity, and also allow to stabilize the numerical scheme. This study provides also a qualitative and quantitative assessment of several hybrid RANS/LES models, using the same grids and discretization scheme. For this purpose some recent improvements (improving their ability to trigger the Kelvin-Helmohlotz instabilities without delay), proposed in the litterature or suggested in this work, are taken into account. Numerical applications include geometrical configurations ranging from a backward facing step to realistic launcher configurations.

Mieux comprendre les spécificités de la dynamique des couches limites à grand nombre de Reynolds malgré les contraintes métrologiques et son coût de simulation numérique est crucial. A titre d'exemple, cette dynamique peut déterminer plus de la moitié de la traînée d'un avion en croisière. Décrire la turbulence pariétale peut guider la résolution numérique d'une partie des fluctuations à un coût maîtrisé par des stratégies WMLES (simulation des grandes échelles avec modèle de paroi). Les présentes analyses physiques de couches limites turbulentes incompressibles à gradient de pression nul et à grand nombre de Reynolds s'appuient sur des simulations numériques avancées. Après validation d'une base de données, le frottement moyen pariétal est décomposé selon l'identité FIK (Fukagata et al. (2002)), dont l'application malgré le développement spatial est discutée. Une analyse spectrale montre que les grandes échelles (\lambda_x > \delta) contribuent à environ la moitié du frottement vers Re_\theta = 10^4. Les limitations de l'identité FIK motivent la dérivation d'une décomposition physique de la génération du frottement dont le comportement asymptotique est alors relié à la production d'énergie cinétique turbulente dans la zone logarithmique. Pour mieux reconstruire les spectres spatiaux, une nouvelle méthode d'estimation de la vitesse de convection turbulente en fonction de la longueur d'onde des fluctuations, adaptée au développement spatial et à des signaux temporels de durée finie, est dérivée, interprétée et évaluée à Re_\theta = 13000. Certaines des conclusions éclairent des modifications d'une stratégie WMLES, le mode III de la méthode ZDES. / Better understanding the specificities of the dynamics of high-Reynolds number boundary layers despite metrological constraints and its numerical simulation cost is crucial. For instance, this dynamics can determine more than half of the drag of a cruising aircraft. Describing wall turbulence can guide the numerical resolution of some of the fluctuations at a limited cost by WMLES strategies (wall-modelled large eddy simulation). The present physical analyses of zero-pressure gradient incompressible turbulent boundary layers at high Reynolds number rely on advanced numerical simulations. After validating a database, mean skin friction is decomposed by means of the FIK identity (Fukagata et al. (2002)), whose application despite the spatial growth is discussed. A spectral analysis shows that the large scales (\lambda_x > \delta) contribute approximately half of the friction near Re_\theta = 10^4. The limitations of the FIK identity motivate the derivation of a physical decomposition of the generation of friction whose asymptotic behaviour is then related to turbulent kinetic energy production in the logarithmic layer. In order to better reconstruct spatial spectra, a new method to estimate the turbulent convection velocity as a function of the wavelength of the fluctuations, adapted to spatial growth and to temporal signals of finite duration, is derived, interpreted, and assessed at Re_\theta = 13000. Some of the conclusions enlighten modifications to a WMLES strategy, mode III of the ZDES method.

L'objectif de ce travail est de prendre en compte les instationnarités naturelles à grande échelle dans les écoulements décollés et à un coût plus faible que la LES, tout en s'intéressant à la modélisation des effets de paroi par des modèles statistiques au second ordre. S'inspirant des approches de Durbin, le modèle à pondération elliptique EB-RSM reproduit l'effet non-local de blocage, en résolvant une équation différentielle sur le terme de pression. La limite à deux composantes de la turbulence est bien prédite en canal. Ce modèle est appliqué à la marche descendante, dans une approche URANS. Nous avons montré que les erreurs numériques peuvent être suffisantes pour exciter le mode le plus instable de la couche cisaillée, et aboutir à une solution instationnaire. La solution est stationnaire quand on raffine le maillage, rendant l'URANS peu fiable. Récemment, Schiestel \& Dejoan ont proposé le modèle hybride non-zonal PITM. Le coefficient $C_{\e_2}$ de l'équation de la dissipation devient fonction de la coupure dans le spectre, et la valeur $C_{\e_1}=3/2$ est déduite par ces auteurs. Nous avons donné une formulation plus générale où la valeur de $C_{\e_1}$ est quelconque. Pour offrir un formalisme plus cohérent aux modèles hybrides non-zonaux dans les écoulements de paroi, une approche basée sur un filtrage temporel est proposée. Enfin, l'adaptation du modèle EB-RSM dans un cadre hybride a été réalisée. Les résultats en canal sont encourageants : la transition continue d'un modèle RANS en proche paroi à une LES au centre du canal est mise en évidence. Le transfert d'énergie des échelles modélisées vers celles résolues est bien reproduit quand on raffine le maillage.