We explore the effects of rotation on convective carbon, oxygen, and silicon shell burning during the late stages of evolution in a 20 M-circle dot star. Using the Modules for Experiments in Stellar Astrophysics we construct one-dimensional (1D) stellar models both with no rotation and with an initial rigid rotation of 50% of critical. At different points during the evolution, we map the 1D models into 2D and follow the multidimensional evolution using the FLASH compressible hydrodynamics code for many convective turnover times until a quasi-steady state is reached. We characterize the strength and scale of convective motions via decomposition of the momentum density into vector spherical harmonics. We find that rotation influences the total power in solenoidal modes, with a slightly larger impact for carbon and oxygen shell burning than for silicon shell burning. Including rotation in 1D stellar evolution models alters the structure of the star in a manner that has a significant impact on the character of multidimensional convection. Adding modest amounts of rotation to a stellar model that ignores rotation during the evolutionary stage, however, has little impact on the character of the resulting convection. Since the spatial scale and strength of convection present at the point of core collapse directly influence the supernova mechanism, our results suggest that rotation could play an important role in setting the stage for massive stellar explosions.

Stellar models provide a vital basis for many aspects of astronomy and astrophysics. Recent advances in observational astronomy - through asteroseismology, precision photometry, high-resolution spectroscopy, and large-scale surveys - are placing stellar models under greater quantitative scrutiny than ever. The model limitations are being exposed and the next generation of stellar models is needed as soon as possible. The current uncertainties in the models propagate to the later phases of stellar evolution, hindering our understanding of stellar populations and chemical evolution. Here we give a brief overview of the evolution, importance, and substantial uncertainties of core helium burning stars in particular and then briefly discuss a range of methods, both theoretical and observational, that we are using to advance the modelling. (C) 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Low mass, self-gravitating accretion disks admit quasi-steady, "gravito-turbulent" states in which cooling balances turbulent viscous heating. However, numerical simulations show that gravito-turbulence cannot be sustained beyond dynamical timescales when the cooling rate or corresponding turbulent viscosity is too large. The result is disk fragmentation. We motivate and quantify an interpretation of disk fragmentation as the inability to maintain gravito-turbulence due to formal secondary instabilities driven by: (1) cooling, which reduces pressure support; and/or (2) viscosity, which reduces rotational support. We analyze the axisymmetric gravitational stability of viscous, non-adiabatic accretion disks with internal heating, external irradiation, and cooling in the shearing box approximation. We consider parameterized cooling functions in 2D and 3D disks, as well as radiative diffusion in 3D. We show that generally there is no critical cooling rate/viscosity below which the disk is formally stable, although interesting limits appear for unstable modes with lengthscales on the order of the disk thickness. We apply this new linear theory to protoplanetary disks subject to gravito-turbulence modeled as an effective viscosity, and cooling regulated by dust opacity. We find that viscosity renders the disk beyond similar to 60 au dynamically unstable on radial lengthscales a few times the local disk thickness. This is coincident with the empirical condition for disk fragmentation based on a maximum sustainable stress. We suggest turbulent stresses can play an active role in realistic disk fragmentation by removing rotational stabilization against self-gravity, and that the observed transition in behavior from gravito-turbulent to fragmenting may reflect instability of the gravito-turbulent state itself.

This study presents a numerical investigation of a generic horizontal axis cross-flow marine turbine. The numerical tool used is the commercial Computational Fluid Dynamics package ANSYS FLUENT 12.0. The numerical model, using the SST k-w turbulence model, is validated against static, dynamic pitching blade and rotating turbine data. The work embodies two main investigations. The first is concerned with the influence of turbine solidity (ratio of net blade chord to circumference) on turbine performance, and the second with the influence of blockage (ratio of device frontal area to channel crosssection area) and free surface deformation on the hydrodynamics of energy extraction in a constrained channel. Turbine solidity was investigated by simulating flows through two-, three- and four-bladed turbines, resulting in solidities of 0.019, 0.029 and 0.038, respectively. The investigation was conducted for two Reynolds numbers, Re = O(10^5) & O(10^6), to reflect laboratory and field scales. Increasing the number of blades from two to four led to an increase in the maximum power coefficient from 0.43 to 0.53 for the lower Re and from 0.49 to 0.56 for the higher Re computations. Furthermore, the power curve was found to shift to a lower range of tip speed ratios when increasing solidity. The effects of flow confinement and free surface deformation were investigated by simulating flows through a three-bladed turbine with solidity 0.125 at Re = O(10^6) for channels that resulted in cross-stream blockages of 12.5% to 50%. Increasing the blockage led to a substantial increase in the power and basin efficiency; when approximating the free surface as a rigid lid, the highest power coefficient and basin efficiency computed were 1.18 and 0.54, respectively. Comparisons between the corresponding rigid lid and free surface simulations, where Froude number, Fr = 0.082, rendered similar results at the lower blockages, but at the highest blockage an increase in power and basin efficiency of up to 7% for the free surface simulations over that achieved with a rigid lid boundary condition. For the free surface simulations with Fr = 0.082, the energy extraction resulted in a drop in water depth of up to 0.7%. An increase in Fr from 0.082 to 0.131 resulted in an increase maximum power of 3%, but a drop in basin efficiency of 21%.

Alterations along the Mississippi River, such as dams and levees, have greatly reduced the amount of freshwater and sediment that reaches the Louisiana coastal area. Several freshwater and sediment diversions have been proposed to combat the associated land loss problem. To aid in this restoration effort a 1-D numerical model was calibrated, validated, and used to predict the response of the river to certain stimuli, such as proposed diversions, channel closures, channel modifications, and relative sea level rise. This study utilized HEC-RAS 4.0, a 1-D mobile-bed numerical model, which was calibrated using a discharge hydrograph at Tarbert Landing and a stage hydrograph at the Gulf of Mexico, to calculate the hydrodynamics of the river. The model showed that RSLR will decrease the capacity of the Lower Mississippi River to carry bed material. The stage at Carrollton Gage is not significantly impacted by large scale diversions

Cette thèse porte sur la propagation d'incertitudes et la résolution de problème inverse et leur accélération par Chaos Polynomial. L'objectif est de faire un état de l'art et une analyse numérique des méthodes spectrales de type Chaos Polynomial, d'en comprendre les avantages et les inconvénients afin de l'appliquer à l'étude probabiliste d'instabilités hydrodynamiques dans des expériences de tubes à choc de type Richtmyer-Meshkov. Le second chapitre fait un état de l'art illustré sur plusieurs exemples des méthodes de type Chaos Polynomial. Nous y effectuons son analyse numérique et mettons en évidence la possibilité d'améliorer la méthode, notamment sur des solutions irrégulières (en ayant en tête les difficultés liées aux problèmes hydrodynamiques), en introduisant le Chaos Polynomial généralisé itératif. Ce chapitre comporte également l'analyse numérique complète de cette nouvelle méthode. Le chapitre 3 a fait l'objet d'une publication dans Communication in Computational Physics, celle-ci a récemment été acceptée. Il fait l'état de l'art des méthodes d'inversion probabilistes et focalise sur l'inférence bayesienne. Il traite enfin de la possibilité d'accélérer la convergence de cette inférence en utilisant les méthodes spectrales décrites au chapitre précédent. La convergence théorique de la méthode d'accélération est démontrée et illustrée sur différents cas-test. Nous appliquons les méthodes et algorithmes des deux chapitres précédents à un problème complexe et ambitieux, un écoulement de gaz compressible physiquement instable (configuration tube à choc de Richtmyer-Meshkov) avec une analyse poussée des phénomènes physico-numériques en jeu. Enfin en annexe, nous présentons quelques pistes de recherche supplémentaires rapidement abordées au cours de cette thèse. / This thesis deals with uncertainty propagation and the resolution of inverse problems together with their respective acceleration via Polynomial Chaos. The object of this work is to present a state of the art and a numerical analysis of this stochastic spectral method, in order to understand its pros and cons when tackling the probabilistic study of hydrodynamical instabilities in Richtmyer-Meshkov shock tube experiments. The first chapter is introductory and allows understanding the stakes of being able to accurately take into account uncertainties in compressible gas dynamics simulations. The second chapter is both an illustrative state of the art on generalized Polynomial Chaos and a full numerical analysis of the method keeping in mind the final application on hydrodynamical problems developping shocks and discontinuous solutions. In this chapter, we introduce a new method, naming iterative generalized Polynomial Chaos, which ensures a gain with respect to generalized Polynomial Chaos, especially with non smooth solutions. Chapter three is closely related to an accepted publication in Communication in Computational Physics. It deals with stochastic inverse problems and introduces bayesian inference. It also emphasizes the possibility of accelerating the bayesian inference thanks to iterative generalized Polynomial Chaos described in the previous chapter. Theoretical convergence is established and illustrated on several test-cases. The last chapter consists in the application of the above materials to a complex and ambitious compressible gas dynamics problem (Richtmyer-Meshkov shock tube configuration) together with a deepened study of the physico-numerical phenomenon at stake. Finally, in the appendix, we also present some interesting research paths we quickly tackled during this thesis.

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

La zone côtière marseillaise présente de forts contrastes. Elle est soumise à de nombreux apports en nutriments et matière organique par le Rhône, les rejets urbains (Marseille) et l'atmosphère. L'objectif de ce travail était de développer, valider et utiliser un modèle tridimensionnel couplé physique-biogéochimique afin d'étudier la réponse de l'écosystème aux différents forçages hydrodynamiques (upwelling, tourbillon anticyclonique marseillais, intrusion du Courant Nord...) et notamment la modulation des apports naturels et anthropiques associés. Le développement du modèle a permis de mettre en évidence la nécessité de bien représenter l'hydrodynamique et les rejets terrestres plutôt que d'augmenter la complexité du modèle biogéochimique dans cette zone côtière. L'étude des simulations réalistes, d'images satellites et de mesures issues de campagnes en mer a fourni des informations sur les caractéristiques spatiales et temporelles de la zone côtière. Cette zone présente des variations saisonnières très marquées, ainsi qu'une forte variabilité journalière due à une succession de forçages hydrodynamiques et terrestres très intenses et de courte durée. Les informations acquises au cours de cette thèse, notamment grâce au calcul de bilans de matière, ont permis de proposer une hiérarchisation de l'impact des évènements étudiés sur la biogéochimie à l'échelle de la baie de Marseille et de la zone côtière. Finalement, les forçages hydrodynamiques ont comme principal effet d'exporter les perturbations anthropiques et terrigènes au large ce qui permet de maintenir l'état oligotrophique dans une majeure partie de la zone côtière, hormis à proximité de l'embouchure du Rhône. / Marseille coastal zone is a contrasted area which is submitted to many inputs of nutrients and organic matter by the Rhone, by discharges from the Marseille city and the atmosphere. The objective of this study was to develop, validate and use a 3D coupled physical/biogeochemical model to study the impact of different hydrodynamic forcings (upwelling, anticyclonic eddy (ME), intrusion of the Northern Current ...) on the ecosystem, in particular the modulation of natural and anthropogenic inputs by these forcings. In this coastal zone, model development highlighted that improving the accuracy of hydrodynamics and terrestrial input was more benefit rather than complicating the biogeochemical model. Comparison with field measurements showed that even if the model have some defaults, it reproduces well enough chlorophyll-a and nutrients. The study of realistic simulations, satellite images and sea campaigns measurements provided information on the spatial and temporal characteristics of this coastal zone. This area is characterized by seasonal variations, but also by a strong daily variability due to very intense and short-lived hydrodynamic and terrestrial forcings. The information acquired during this thesis, including through the use of mass budgets, allowed to propose a hierarchy of the impacts on the biogeochemistry of the studied events occurring across the Bay of Marseilles and the coastal zone. Finally, hydrodynamic forcings appeared to mainly export the anthropogenic and terrigenous inputs offshore which maintained the oligotrophic state in most of the coastal zone, except near the mouth of the Rhone River.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces. / We report hydrodynamic experiments illustrating the creation, stability and rupture of either liquid/liquid or liquid/gas interfaces. First, we investigate the fragmentation of deformable objects, such as drops and bubbles, against a rectangular obstacle or at the entry node of an asymmetric loop placed in a microfluidic channel. In the second part of this work, we report experiments conducted with bubbles and thin-liquid films either made with soapy water or highly viscous fluids. After having described a few minimal surfaces sought by a soap film at equilibrium, we study a variety of mechanisms that yield the formation of bubbles and interfacial bubbles. In both parts, our investigations are conducted by systematically varying the parameters (hydrodynamic, physicochemical and geometric) controlling each experiment. We interpret microfluidic results with simple physical arguments based on the electro-hydraulic analogy at low Reynolds numbers. Experimental findings on bubbles are rationalized mostly using dimensional analysis and scaling laws.

La thèse s'intéresse aux deux écoulements présents en aviron, autour du bateau et de la palette, et aux interactions avec le système bateau-avirons-rameur. Le premier est inhabituel en hydrodynamique, à cause du cavalement important et des mouvements secondaires. La complexité du second provient de l'instationnarité et de la déformation de la surface libre. L'objectif consiste à mettre en oeuvre des méthodes numériques performantes et précises puis à les valider pour, à plus long terme, les réutiliser à des fins d'analyse et d’optimisation de la performance en aviron.Ces simulations instationnaires à surface libre sont coûteuses en ressources pour les codes RANS. Un algorithme de sub-cycling a été développé et validé sur plusieurs cas test, diminuant les temps CPU d'un facteur 3 à 4, sans perte de précision. Il est compatible avec la déformation et le raffinement automatique de maillage. Deux bases de données expérimentales sont exploitées pour chaque écoulement afin de valider le cadre de simulation. Pour celui autour de la palette, une campagne in situ et une autre en laboratoire sont utilisées. Dans les deux cas, les profils d'efforts sont bien capturés, compte tenu des incertitudes cumulées liées à la mesure indirecte de la cinématique de la palette par rapport à l'eau. Pour le skiff en configuration instationnaire, les efforts fluctuants sont bien capturés, en amplitude et en phase, pour des fréquences typiques. Des écarts inattendus (de l'ordre de 10%) sont constatés sur la valeur moyenne et restent pour le moment sans réponse probante. La structure d'une co-simulation entre les résolutions des écoulements et celle de la dynamique du système multicorps est initiée. / The thesis focuses on the two flows occurring in rowing,around the boat and the blade, and on interactions with theboat-oars-rower system. The first flow is unusual in hydrodynamics because of the large surge and secondary motions. The complexity of the second one comes from the unsteadiness and the free surface deformation. The goal is to set up efficient and accurate numerical methods to reproduce these flows and then to validate them for the purpose of analysis and optimisation of the performance in rowing.Those unsteady computations with free surface are cost lyin resources for RANS codes. A sub-cycling algorithm was developed and validated on several test cases, allowing to decrease the CPU time by a factor of 3 to 4, without loss of accuracy. It is compatible with mesh deformation and automatic grid refinement. Two experimental databases are exploited for each flow in order to validate the frame of simulation. For the flow around the blade, an in-situ campaign and a more controlled one conducted in laboratory, are used. In both cases, the profiles of the efforts are well captured, considering the cumulative uncertainties linked to the indirect measurement of the blade kinematics relative to the water. For the skiff in unsteady state, the fluctuating forces are well captured, in terms of amplitudes and phases, for typical frequencies. Unexpected errors (around10%) are observed for the mean value and remain unexplained for now. The structure of a co-simulation between the resolutions of the flows and the resolution of the dynamics of the multibody system is initiated.