Atmospheric boundary layer flows are characterized by the coexistence of a broad range of scales. These scales cover from synoptic- (100-5000 km) and meso-scales (1-100 km) up to three-dimensional micro-scale turbulence (less than a few kilometers). This multiscale nature inherent to atmospheric flows clearly determines the behaviour of the atmospheric boundary layer, whose structure and evolution are of major importance for the wind energy community. This PhD thesis is focused on the development of a numerical methodology that allows to include contribution from all the above mentioned scales, with the purpose of improving the representation of boundary layer processes. The multiscale numerical methodology is developed based on a numerical weather prediction (NWP) model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model.<p><p>Prior to the development of the multiscale numerical methodology, one-year of sonic anemometer and wind LiDAR measurements from the FINO1 offshore platform are analyzed. A comprehensive database of offshore measurements in the lowest 250 m of the boundary layer is developed after quality data check and correction for flow distortion effects by the measurement mast, allowing the characterization of the offshore conditions at FINO1. Spectral analysis of high frequency sonic anemometer measurements is used to estimate a robust averaing time for the turbulent fluxes that minimizes non-universal contributions from mesoscale structures but captures the contribution from boundary layer turbulence, employing the Ogive function concept. A stability classification of the measurements is carried out based on the Obukhov length. Results compare well to other surface layer observational studies while vertical wind speed profiles exhibit the expected stability-dependency.<p><p>Although NWP models have been extensively used for weather forecasting purposes, a comprehensive analysis of its suitability to meet the wind energy requirements needs to be carried out. The applicability of the WRF mesoscale model to reproduce offshore boundary layer characteristics is evaluated and validated against field measurements from FINO1. The ability of six planetary boundary layer (PBL) parameterizations to account for stability effects is analyzed. Overall, PBL parameterizations are rather accurate in reproducing the vertical structure of the boundary layer for convective and neutral stabilities. However, difficulties are found under stable stratifications, due to the general tendency of PBL formulations to be overdiffusive and therefore, not capable to develope the strong vertical gradients found in the observations. A low-level jet and a very shallow boundary layer cases are simulated to provide further insights into the limits of the parameterizations.<p><p>Large-eddy simulations (LES) based on averaged conditions from a convective episode at FINO1 are conducted to understand the mechanisms of transition and equilibration that occur in turbulent one-way nested simulations. The nonlinear backscatter and anisotropy subgrid scale model with a prognostic turbulent kinetic energy equation is found to be capable of providing similar results when performing one-way nested large-eddy simulations to a reference stand-alone domain using periodic lateral boundary conditions. A good agreement is obtained in terms of velocity shear and turbulent fluxes of heat and momentum, while velocity variances are overestimated. A considerable streamwise fetch is needed following each domain transition for appropriate energy levels to be reached at high wavelengths and for the solution to reach quasi-stationary results. A pile-up of energy is observed at low wavelengths on the first nested domain, mitigated by the inclusion of a second nested domain with higher resolution that allows the development of an appropriate turbulent energy cascade.<p><p>As the final step towards developing the multiscale capabilities of WRF, the specific problem of the transition from meso- to micro-scales in atmospheric models is addressed. The challenge is to generate turbulence on inner LES domain from smooth mesoscale inflow. Several new methods are proposed to trigger the development of turbulent features. The inclusion of adequate potential temperature perturbations near the inflow boundaries of the LES domain results in a very good agreement of mean velocity profiles, variances and turbulent fluxes, as well as velocity spectra, when compared to periodic stand-alone simulations. This perturbation method allows an efficient generation of fully developed turbulence and is tested under a broad range of atmospheric stabilities: convective, neutral and stable conditions, showing successful results in all the regimes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La simulation de la combustion turbulente connait un nouvel essor avec l'introduction de la Simulation aux Grandes Échelles (SGE) qui permet de prédire l'évolution in stationnaire de l'écoulement réactif turbulent. Dans ce contexte la prise en compte du rayonnement soulève des questions d'ordre a la fois fondamental et pratique. En effet les processus physiques du rayonnement et de la combustion sont de nature radicalement différente : la combustion est contrôlée par des échanges locaux sur une durée finie, alors que le rayonnement est instantané et fait intervenir des échanges a distance. En premier lieu il convient de s'interroger sur l'impact de la modélisation SGE de la combustion turbulente sur le rayonnement. Cette question est traitée dans le cadre plus général de l'interaction rayonnement-turbulence. A partir d'études théoriques et numériques, il est montre que cette interaction est faible et qu'une solution SGE peut être directement utilisée pour un calcul radiatif, sans modélisation supplémentaire. Il s'agit ensuite de mettre en place de façon pratique le couplage in stationnaire rayonnement-combustion turbulente. Un point clé est la réduction du temps de calcul pour le rayonnement, et diverses stratégies sont proposées. En particulier un nouveau modèle spectral est introduit, utilisant une technique de tabulation et garantissant un niveau de précision suffisant. Le temps de calcul radiatif a ainsi été réduit de deux ordres de grandeur, permettant la réalisation d'un calcul couple sur une configuration de flamme pré-melangée turbulente. / Simulation of turbulent combustion has gained high potential with the Large Eddy Simulation (LES) approach, allowing to predict unsteady turbulent reactive flows. In this context, taking into account radiation rises new fundamental and practical questions. Indeed the physics involved in radiation and in combustion are completely different : combustion is controlled by local exchanges and finite times whereas radiation is instantaneous and is based on non-local exchanges. In a first step, the impact of LES modelling of turbulent combustion on radiation is regarded. This question is treated in the more general frame of the turbulence-radiation interaction. From theoretical and numerical studies, it is shown that this interaction is weak in the LES context so that LES solutions can be directly coupled to radiative calculations, without further modelling. Then the unsteady coupling of radiation and turbulent combustion is realised. A key point is the reduction of calculation time of radiation, and several strategies are proposed. In particular a new global spectral model is introduced, using a tabulation technique and ensuring a sufficient level of accuracy. The radiative time calculation is finally decreased by two orders of magnitude, enabling the realization of a coupled calculation of a turbulent premixed flame

This thesis makes contributions towards the development of two different small-scale sensing systems which show promise for measurements in fluid mechanics. Well-resolved turbulent Wall Shear Stress (WSS) measurements could provide a basis for realistic computational models of near-wall turbulent flow in aerodynamic design. In aerodynamics field applications, they could provide indication of flow direction and regions of separation, enabling inputs for flight control or active control of wind-turbine blades to reduce shock and fatigue loading due to separated flow regions. Traditional thermal WSS sensors consist of a single microscale hot-film, flush-mounted with the surface and maintained at constant temperature. Their potential for fast response to small fluctuations may not be realized, as heat transfer through the substrate creates heat-exchange with fluid, leading to loss of spatial and temporal resolution. The guard-heated thermal WSS sensor is a design introduced to block this loss of resolution. A numerical flow-field with a range of length and time and scales was generated to study the response of both guard-heated and conventional single-element thermal WSS sensors. A conjugate heat transfer solution including substrate heat conduction and flow convection, provides spatiotemporal data on both the actual and the “measured” WSS fluctuations calculated from the heat transfer rates experienced due to the WSS field. For a single-element sensor in air, we found that the heat transfer through the substrate was up to six times larger than direct heat transfer from the hot-film to the fluid. The resulting loss of resolution in the single-element sensor can be largely recovered by using the guard-heated design. Spectra for calculated WSS from heat transfer response show that high frequencies are considerably better resolved in guard-heated sensors than in the single element sensor. Nanoresonators are nanowires (NWs) excited into mechanical vibration at a resonance frequency, with a change in spectral width created by gas damping from the environment, or a shift in the resonance peak frequency created by added mass. They enable a wide range of applications, from sensors to study rarefied gas flow friction to the detection of early-stage cancer. The extraordinary sensitivity of nanoresonators for disease molecule detection has been demonstrated with a few NWs, but the high cost of traditional electron-beam lithography patterning, have inhibited practical applications requiring large arrays of sensors. Field-directed assembly techniques under development in our laboratory enable a large number of devices at low cost. Electro-deposition of metals in templates yields high-quality single nanowires, but undesired clumps must be removed. This calls for separation (extraction) of single nanowires. In this work, single nanowires are extracted by using the sedimentation behavior of particles. Based on numerical and experimental analyses, the optimum time and region for extracting samples with the highest fraction of single nanowires ratio was found. We show that it is possible to take samples free of large clumps of nanowires and decrease the ratio of undesired particles to single nanowires by over one order of magnitude. / Graduate

Ce mémoire de thèse traite de l’analyse, l’intensification et l’optimisation du transfert thermique convectif dans les échangeurs à plaques et ailettes à pas décalés utilisés notamment dans le domaine automobile comme refroidisseurs d’air de suralimentation. Deux approches complémentaires sont abordées dans cette étude : des simulations numériques visant à l’analyse fine locale des caractéristiques de l’écoulement et des mécanismes de transfert, et une modélisation de type nodale permettant une caractérisation globale des performances thermo-aérauliques. Sur la gamme de Reynolds considérée différentes modélisations de la turbulence sont mises en œuvre et comparées. Ainsi des simulations aux grandes échelles (LES) permettent de qualifier des simulations de type RANS classiquement utilisées jusque-là : de fortes différences tant au niveau structuration de l’écoulement qu’au niveau performances globales sont ainsi mises en évidence selon le régime d’écoulement considéré. La mise au point d’un modèle nodal est ensuite abordée dans le but de mener des optimisations de géométries d’échangeurs non-conventionnels à pas décalés. Les différents scénarii d’optimisation considérés montrent l’intérêt de cette approche autorisant l’évaluation d’un nombre élevé de configurations géométriques. Dans une dernière partie une nouvelle géométrie innovante permettant de générer des tourbillons longitudinaux sur ce type d’ailettes est proposée et étudiée. / This thesis deals with the analysis, intensification and optimization of convective heat transfer in offset strip fins (OSF) heat exchangers used, for example, in the automotive field as water-cooled charge air coolers. Two complementary approaches are carried out in this study: CFD simulations to perform local fine analysis of the flow characteristics and transfer mechanisms, and a nodal type modeling allowing calculation of global aerothermal performance. Over the range of Reynolds numbers considered, different turbulence modeling approaches are implemented and compared: Large Eddy Simulations (LES) and RANS simulations which are usually used. The qualification of the RANS models shows that strong differences, both in the flow structure and at the overall performance evaluation level, may beobserved, depending on the flow regime considered. Then the development of a nodal model is presented. It aims at carrying out rapid optimization of geometries of unconventional OSF heat exchangers. The various optimization scenarios considered show the interest of this approach allowing the evaluation of a large number of geometric configurations. In a last part, an innovative new geometry that generates longitudinal vortices on this type of fins is proposed and studied.

Les écoulements diphasiques turbulents sont présents dans de nombreux systèmes industriels (moteur à piston, turbines à gaz, moteurs fusée...). La compréhension fine de telles configurations s'avèrent de nos jours nécessaire pour limiter notamment les émissions de polluants et de gaz à effet de serre, et la consommation des énergies fossiles. Nous nous intéressons ici à la simulation aux grandes échelles des écoulements diphasiques turbulents, permettant de capturer une large partie du spectre de la turbulence, et ainsi être capable de prédire des phénomènes instables ou transitoires. La phase dispersée est ici modélisée par une approche eulérienne, en raison de ses avantages dans le contexte du calcul haute performance. Le travail de cette thèse a consisté à étendre le formalisme eulérien existant dans le code AVBP à la simulation de sprays polydisperses dans des écoulements turbulents. Pour cela, le Formalisme Eulérien Mésoscopique (FEM) a été couplé à une approche Multi-fluide. Cette nouvelle approche, intitulée Formalisme Eulérien Mésoscopique Multi-fluide (FEMM), a été évaluée sur des cas simples canoniques, permettant de bien caractériser le comportement autant en terme de dynamique turbulente que d'effets polydisperses. Les stratégies numériques disponibles dans le code de calcul AVBP sont aussi analysées, afin d'en cerner les limites pour la simulation eulérienne d'une phase liquide. Ce nouveau formalisme est finalement appliqué à la configuration aéronautique MERCATO, pour laquelle on dispose de résultats numériques obtenus avec d'autres approches (FEM et approche lagrangienne), et de résultats expérimentaux. Un accord satisfaisant avec l'expérience est montré pour toutes les approches, même si le FEM, monodisperse, obtient de moins bon résultats en terme de fluctuations. D'autres résultats expérimentaux s'avèrent nécessaires pour évaluer les approches et déterminer quelle est la plus prédictive pour cette configuration, notamment concernant la fraction massique de kerosene, autant en phase liquide qu'en phase gazeuse. / Turbulent two-phase flows are encountered in several industrial devices (piston engine, gas turbine, rocket engine...). A fine understanding of such configurations is mandatory to face problems of pollutant emissions, greenhouse gas, and fossil fuel rarefaction. The Large Eddy Simulation seems to be a good candidate. This kind of simulation captures a wide part of turbulence spectrum, and thus allows to predict instabilities and transient phenomena. The dispersed phase is simulated using an Eulerian approach, which seems to be more suitable than lagrangian methods for High Performance Computing. The present work consists in the extension to polydisperse flows of the existing eulerian formalism in the AVBP code. The Mesoscopic Eulerian Formalism (MEF) is coupled with the Multifluid approach. This new formalism, called Multifluid Mesoscopic Eulerian Formalism, is evaluated on simple test cases, showing the ability of such approach to capture turbulent and polydisperse effects. Numerical strategies available in AVBP are also evaluated, in order to emphasize on their limiting aspects for the eulerian simulation of a dispersed phase. The new formalism is finally applied to the simulation of the aeronautical configuration called MERCATO. Several experimental results are available, as well as numerical results using FEM and lagrangian approach. Results show a good agreement between experiments and numerical results, even if FEM results are worse concerning the fluctuations. New experimental results are necessary to determine which is the best approach, especially in terms of liquid and gas kerosene mass fraction.

Este trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de um método numérico para simulação das grandes escalas de escoamentos turbulentos tridimensionais utilizando uma modelagem de turbulência baseada em filtragem temporal (denominada TLES - Temporal Large Eddy Simulation). O método desenvolvido combina discretizações temporais com ordem de mínima precisão 2 (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), um método de projeção de ordem 2, com discretizações espaciais também de ordem 2 obtidas pelo método de volumes finitos. Esta metodologia foi empregada na simulação de problemas teste turbulentos como o canal e a cavidade impulsionada, sendo este último resultado simulado pela primeira vez com modelagem TLES. Os resultados mostram uma excelente concordância quando comparado com resultados de simulações diretas (DNS) e dados experimentais, superando resultados clássicos obtidos com formulação LES com filtragem espacial. / The main objective of this work is to develop a numerical method for large eddy simulation of tridimensional turbulent flows using a model based on temporal filtering (TLES - Temporal Large Eddy Simulation). The developed method combines at least 2nd order temporal discretizations (Adams-Bashforth, QUICK, Runge-Kutta), a 2nd order projection method, and 2nd order spatial discretizations obtained by the finite volume method. This methodology was employed to the simulation of turbulent benchmark problems such as channel and lid-driven cavity flows. The latter is simulated for the first time using a TLES turbulence modelling. Results show excellent agreement when compared to Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental data, with better results than classical results produced by standard LES formulation with spatial filtering.

L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min. / Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one.

La Simulation aux Grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non prémélangés de chambres de combustion modèles. - La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. - L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air/carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. - Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'a pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme. / Large Eddy Simulation (LES) is considered as the next generation tool for the development of turbomachinery combustion chambers. In this specific context, reactive flows are of very complex nature and, as a validation goal, LES needs to prove its capabilities on academic configurations. This dissertation aims at demonstrating LES capabilities for the simulation of non-premixed reactive flows that can be found in swirled academic combustion chambers. - LES is first applied to a turbulent reacting configuration with a perfect premixing assumption. Chemical kinetics, turbulent combustion models and their internal parameters are studied. For this flow condition, each model shows his advantages and disadvantages. - Then, the perfect premixed hypothesis is removed, allowing the evaluation of mixing, thermal losses and acoustic boundary conditions for this swirled injector. - Finally, a non premixed combustion chamber is simulated with the dynamically thickened flame model, which was not developped for this kind of reactive flow. However, results are encouraging and demonstrate that the flame localisation is well represented by LES.

Les turbines à gaz doivent satisfaire des normes d'émission polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d'air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement gazeux. La Simulation aux Grandes Échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est de développer des modèles phénoménologiques décrivant la phase liquide notamment le film et son atomisation en bout de lèvre d'injecteur, dans un contexte SGE. Ces modèles sont validés ou calibrés sur l'expérience académique réalisée par l'Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) de l'université technologique de Karlsruhe (KIT), et appliqués dans une configuration réelle de moteur d'hélicoptère. Dans un premier temps, le film liquide mince est décrit par une approche Lagrangienne. Les particules de film représentent un volume élémentaire de liquide adhérent à la paroi. L'équation du mouvement est donnée par l'intégration des équations de Saint-Venant sur l'épaisseur du film. La dynamique du film est donnée par le gradient de pression longitudinal, le cisaillement interfacial du gaz et la gravité. Dans un second temps, l'atomisation du film est caractérisée par la distribution de taille de gouttes du spray généré. Celle-ci est décrite par une distribution de Rosin-Rammler dont les coefficients sont paramétrés par la vitesse du gaz, la tension superficielle du liquide et l'épaisseur de la lèvre de l'injecteur. Les constantes de ce modèle, baptisé PAMELA, sont calibrées sur l'expérience du KIT-ITS. La simulation de l'expérience KIT-ITS permet de valider le modèle de film, de vérifier la robustesse du modèle PAMELA, et de comparer qualitativement l'angle du spray généré. L'application de ces modèles dans une configuration réelle partiellement instrumentée permet de valider PAMELA sans modification de ses constantes, et d'étudier leur impact sur la structure de flamme, comparé aux méthodes traditionnelles d'injection liquide. / Aeronautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flow field. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objectives of this thesis is to develop phenomenological models describing the liquid phase, in particular the film and its atomization at the injector atomizing lips, in the context of LES. These models are validated or calibrated on the academic experiment performed at Institut für Thermische Strömungsmaschinen (ITS) from the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and applied to a helicopter engine real configuration. In a first step, the thin liquid film is described by a Lagangian approach. Film particles represent an elementary volume of liquid at the wall surface. The equation of motion is given by integrating the Saint-Venant equations over the film thickness. The film dynamics derives from the pressure gradient, the interfacial shear and gravity. In a second step, the film breakup is characterized by the drop size distribution of the spray. The former one is described by a Rosin-Rammler distribution, whose coefficients depend on the gas velocity, the liquid surface tension and the atomizing edge thickness of the injector. The model, labelled PAMELA, is calibrated from the KIT-ITS experiment. The simulation of the KIT-ITS experiment allows to validate the film model, to check PAMELA robustness, and to compare qualitatively the spray angle. The application of these models in a real configuration allows to check PAMELA robustness without constants modification, and to study their impact on the flame structure, in comparison with usual methods of liquid injection.

De nos jours, la simulation des écoulements diphasiques a de plus en plus d’importance dans les chambres de combustion aéronautiques en tant qu’un des éléments requis pour analyser et maîtriser le processus complet de combustion, afin d’améliorer la performance du moteur et de mieux prédire les émissions polluantes. Dans les applications industrielles, la modélisation du combustible liquide trouvé en aval de l’injecteur sous forme de brouillard de gouttes polydisperse, appelé spray, est de préférence faite à l’aide de méthodes Eulériennes. Ce choix s’explique par les avantages qu’offrent ces méthodes par rapport aux méthodes Lagrangiennes, notamment la convergence statistique intrinsèque, le couplage aisé avec la phase gazeuse ainsi que l’efficacité pour le calcul haute performance. Dans la présente thèse, on utilise une approche Eulérienne basée sur une fermeture au niveau cinétique de type distribution Gaussienne Anisotrope (AG). L’AG résout des moments de vitesse jusqu’au deuxième ordre et permet de capter les croisements des trajectoires (PTC) à petite échelle de manière statistique. Le système d’équations obtenu est hyperbolique, le problème est bien-posé et satisfait les conditions de réalisabilité. L’AG est comparé au modèle monocinétique (MK) d’ordre 1 en vitesse. Il est approprié pour la description des particules faiblement inertielles. Il mène à un système faiblement hyperbolique qui peut générer des singularités. Plusieurs schémas numériques, utilisés pour résoudre les systèmes hyperboliques et faible- ment hyperboliques, sont évalués. Ces schémas sont classifiés selon leur capacité à traiter les singularités naturellement présentes dans les modèles Eulériens, sans perdre l’ordre global de la méthode ni rompre les conditions de réalisabilité. L’AG est testé sur un champ turbulent 3D chargé de particules dans des simulations numériques directes. Le code ASPHODELE est utilisé pour la phase gazeuse et l’AG est implémenté dans le code MUSES3D pour le spray. Les résultats sont comparés aux de simulations Lagrangiennes de référence et aux modèle MK. L’AG est validé pour des gouttes modérément inertielles à travers des résultats qualitatifs et quantitatifs. Il s’avère prometteur pour les applications complexes comprenant des PTC à petite échelle. Finalement, l’AG est étendu à la simulation aux grandes échelles nécessaire dans les cas réels turbulents dans le domaine industriel en se basant sur un filtrage au niveau cinétique. Cette stratégie aide à garantir les conditions de réalisabilités. Des résultats préliminaires sont évalués en 2D pour tester la sensibilité des résultats LES sur les paramètres des modèles de fermetures de sous mailles. / In aeronautical combustion chambers, the ability to simulate two-phase flows gains increasing importance nowadays since it is one of the elements needed for the full understanding and prediction of the combustion process. This matter is motivated by the objective of improving the engine performance and better predicting the pollutant emissions. On the industrial scale, the description of the fuel spray found downstream of the injector is preferably done through Eulerian methods. This is due to the intrinsic statistical convergence of these methods, their natural coupling to the gas phase and their efficiency in terms of High Performance Computing compared to Lagrangian methods. In this thesis, the use of Kinetic-Based Moment Method with an Anisotropic Gaussian (AG) closure is investigated. By solving all velocity moments up to second order, this model reproduces statistically the main features of small scale Particles Trajectories Crossing (PTC). The resulting hyperbolic system of equations is mathematically well-posed and satisfies the realizability properties. This model is compared to the first order model in the KBMM hierarchy, the monokinetic model MK which is suitable of low inertia particles. The latter leads to a weakly hyperbolic system that can generate δ-shocks. Several schemes are compared for the resolution of the hyperbolic and weakly hyperbolic system of equations. These methods are assessed based on their ability to handle the naturally en- countered singularities due to the moment closures, especially without globally degenerating to lower order or violating the realizability constraints. The AG is evaluated for the Direct Numerical Simulation of 3D turbulent particle-laden flows by using ASPHODELE solver for the gas phase, and MUSES3D solver for the Eulerian spray in which the new model is implemented. The results are compared to the reference Lagrangian simulation as well as the MK results. Through the qualitative and quantitative results, the AG is found to be a predictive method for the description of moderately inertial particles and is a good candidate for complex simulations in realistic configurations where small scale PTC occurs. Finally, within the framework of industrial turbulence simulations a fully kinetic Large Eddy Simulation formalism is derived based on the AG model. This strategy of directly applying the filter on the kinetic level is helpful to devise realizability conditions. Preliminary results for the AG-LES model are evaluated in 2D, in order to investigate the sensitivity of the LES result on the subgrid closures.