Numerical solutions based on explicit filtered LES for computing turbulent flow field, of free round jets and impinging round jet on cuboidal cavities, are presented and discussed in this dissertation work. One-parameter fourth-order explicit filter is implemented to account for sub-grid scale effects. Compact difference schemes proposed by Hixon & Turkel involving only bidiagonal matrices is used to evaluate spatial derivatives. Compact schemes with overall fourth order accuracy and eight order accuracy are used in simulating free and impinging jets respectively. Simulations of free round jets are used for validating LES approach. 6 simulations of free round jet, in three levels of computational grids at three different Reynolds number, are performed to understand the effects of Reynolds number and turbulent length scales. Energy in the smaller length scales are found to be higher for higher Reynolds number. Potential core collapse is found to occur at shorter distance for high Reynolds number jets. Accurate computation of smaller length scales of turbulence is found to be essential for high Reynolds number flows. LES of subsonic impinging jets are performed on cuboidal cavities to understand the physical phenomenon. High intensity, low frequency sounds are captured, in the presence of cavity, as reported by other research works. Lip-thickness is found to have an effect on the intensity of sound produced. Matching of Jet shear layer roll up frequency with cavity’s natural frequency to produce resonance phenomenon is attempted and observations are presented.

Ce travail de recherche concerne l’interaction entre une couche limite atmosphérique et une canopée (représentant un couvert forestier). J’ai étudié le problème complexe de production et d’évolution de grosses structures turbulentes au dessus de couverts homogènes et hétérogènes, moyennement denses. J’ai abordé ce problème en mettant en œuvre les outils de la simulation numérique des grosses structures (LES) et du calcul haute performance (HPC). Les résultats numériques obtenus, reproduisent correctement les principales caractéristiques de cet écoulement, telles qu’elles sont rapportées dans la littérature : la formation d’une première génération de structures cohérentes en rouleaux, orientées transversalement par rapport à la direction de l’écoulement principal, puis la réorganisation et la déformation de ces structures qui évoluent vers une forme en fer à cheval. Les résultats obtenus au dessus d’un couvert discontinu (représentant une clairière ou une coupure de combustible dans une forêt), ont été comparés avec des données expérimentales collectées dans une soufflerie. Ceux-ci confirment l’existence d’un niveau élevé de turbulence au sein même du couvert végétal à une distance égale à 8 fois la hauteur de canopée. Cette zone, (appelée « Enhance Gust Zone » dans la littérature), est par ailleurs caractérisée par l’existence d’un pic local du facteur de dissymétrie (« skewness factor »).Le transport d’un contaminant passif émis par le feuillage a été également étudié, dans deux configurations, en supposant que la concentration à la surface du feuillage pouvait être considérée comme constante (source infinie) ou variable (source finie) en fonction du temps. Les résultats montrent un impact significatif de cette hypothèse sur la dynamique et le niveau des concentrations relevées dans l’atmosphère. / The work is dedicated to the investigation of the interaction between an Atmospheric Boundary Layer and a canopy (representing a forest cover). We have focused our attention to the complex problem of the generation and transformation of turbulent vortices over homogeneous, heterogeneous and sparse canopy. This problem has been studied using Large Eddy Simulation (LES) approach and High Performance Computing (HPC) technique.The numerical results reproduced correctly all the main characteristics of this flow, as reported in the literature: the formation of a first generation of coherent structures aligned transversally with the wind flow direction, the reorganization and the deformation of these vortex tubes into horse-shoe structures. The results obtained with the introduction of a discontinuity in the canopy (reproducing a clearing or a fuel break in a forest) are compared with the experimental data collected in a wind tunnel. In this case, the results confirmed the existence of a strong turbulence activity inside the canopy at a distance equal to 8 times the height of the canopy, referenced in the literature as the Enhance Gust Zone (EGZ) characterized by a local peak of the skewness factor. Then, the process of passive scalar transport from a forest canopy into a clear atmosphere is studied for two cases, i.e., when the concentration held by the forest canopy is either constant or variable. While this difference has little influence on the concentration patterns, results show that it has an important influence on the concentration magnitude as well as on the dynamics of the total concentration in the atmosphere.

Le travail de cette thèse est consacré à la simulation aux grandes échelles (LES) et à la modélisationde la combustion supersonique, dont l’application est rencontrée dans les moteurs detype scramjet. Dans ce contexte, une étude LES appliquée au cas d’une flamme supersoniquehydrogène-air (flamme de Cheng) a été effectuée sur trois niveaux de raffinements de maillage.Les résultats en termes de profils moyens et fluctuations de composition et de température sontconfrontés aux mesures expérimentales, et l’impact du raffinement de maillage est établi. Parailleurs, à partir des données issues de cette étude LES, une modélisation de la combustionturbulente dans un milieu fortement compressible est proposée sur la base d’une approche tabuléede la chimie. Une analyse temporelle des interactions choc/flamme a ensuite été menée,permettant de mettre en évidence la présence de structures transitoires ayant une influence surles processus de stabilisation de la flamme. / This PhD study is focused on the large eddy simulation (LES) and on the modelisation of supersonic combustion as encountered in scramjet types engines. In this context, a LES study was performed for an hydrogen-air supersonic flame (Cheng’s flame) with three mesh refinement levels. The results obtained for mean and fluctuations of composition and temperature are compared to experimental measurements, and the impact of the grid resolution is established. Moreover, a modelisation of turbulent combustion in highly compressible flows is proposed based of tabulated chemistry approach. An analysis of the dynamics of shock/flame interaction was then conducted, and the presence of transient structures, which impact the flame stabilisation processes, was emphasized.

Modern space geodetic techniques are required to provide measurements of millimetre-level accuracy. A new fundamental space geodetic observatory for South Africa has been proposed. It will house state-of-the-art equipment in a location that guarantees optimal scientific output. Lunar Laser Ranging (LLR) is one of the space geodetic techniques to be hosted on-site. This technique requires optical (or so-called astronomical) seeing conditions, which allow for the propagation of a laser beam through the atmosphere without excessive beam degradation. The seeing must be at ~ 1 arc second resolution level for LLR to deliver usable ranging data. To establish the LLR system at the most suitable site and most suitable on-site location, site characterisation should include a description of the optical seeing conditions. Atmospheric turbulence in the planetary boundary layer (PBL) contributes significantly to the degradation of optical seeing quality. To evaluate astronomical seeing conditions at a site, a two-sided approach is considered – on the one hand, the use of a turbulence-resolving numerical model, the Large Eddy Simulation NERSC (Nansen Environmental and Remote Sensing Centre) Improved Code (LESNIC) to simulate seeing results, while, on the other hand, obtaining quantitative seeing measurements with a seeing monitor that has been developed in-house. / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2012. / Geography, Geoinformatics and Meteorology / MSc / Unrestricted

Dans un contexte mondial où l’accès à l’énergie est un problème de premier plan, l’exploitation des courants de marée avec des hydroliennes revête un intérêt certain. Les écoulements dans les zones à fort potentiel énergétique propices à l’installation d’hydroliennes sont souvent fortement turbulents. Or la turbulence ambiante impacte fortement l’hydrodynamique avoisinante et le fonctionnement de la turbine. Une prédiction fine de la turbulence et du sillage est fondamentale pour l'optimisation d'une ferme d'hydroliennes. Un modèle de simulation de l'écoulement autour de la turbine doit donc être précis et tenir compte de la turbulence ambiante. Un outil basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM) est utilisé à ces fins, en association avec une approche de simulation des grandes échelles (LES). La LBM est une méthode instationnaire de modélisation d’écoulement fluide. Une méthode de génération de turbulence synthétique est implémentée afin de prendre en compte la turbulence ambiante des sites hydroliens. Les géométries complexes, potentiellement en mouvement, sont modélisées avec la méthode des frontières immergées (IBM). La mise en place d’un modèle de paroi est réalisée afin de réduire le cout en calcul du modèle. Ces outils sont ensuite utilisés pour modéliser en LBM-LES une hydrolienne dans un environnement turbulent. Les calculs, réalisés à deux taux de turbulence différents, sont comparés avec des résultats expérimentaux et des résultats NS-LES. Les modélisations LBM-LES sont ensuite utilisées pour analyser le sillage de l'hydrolienne. Il est notamment observé qu'un faible taux de turbulence impacte de manière significative la propagation des tourbillons de bout de pale. / In a global context where access to energy is a major problem, the exploitation of tidal currents with tidal turbines is of particular interest. Flows in areas with high energy potential suitable for the installation of tidal turbines are often highly turbulent. However, the ambient turbulence has a strong impact on the surrounding hydrodynamics and the turbine operation. A precise prediction of turbulence and wake is fundamental to the optimization of a tidal farm. A numerical model of the flow around the turbine must therefore be accurate and take into account the ambient turbulence. A tool based on the Lattice Boltzmann Method (LBM) is used for this purpose, in combination with a Large Eddy Simulation (LES) approach. The LBM is an unsteady method for modelling fluid flows. A synthetic turbulence method is implemented to take into account the ambient turbulence of tidal sites. Complex geometries, potentially in motion, are modelled using the Immersed Boundary Method (IBM). The implementation of a wall model is carried out in order to reduce the cost of the simulations. These tools are then used to model a turbine in a turbulent environment. The calculations, performed at two different turbulence rates, are compared with experimental and NS-LES results. The LBM-LES models are then used to analyze the wake of the turbine. In particular, it is observed that a low turbulence rate has a significant impact on the propagation of tip-vortices.

Les courants marins sont aujourd’hui considérés comme une source d’énergie renouvelable prometteuse. De nombreux projets internationaux consistent à installer différents types de convertisseurs d’énergie des courants marins. La caractérisation des ressources marines est alors essentielle pour optimiser cette production d’énergie. En particulier, les zones à fort potentiel hydrolien sont sujettes à une turbulence multi-échelles, allant de petits tourbillons capables de solliciter les pales en fatigue aux gros tourbillons pouvant perturber la production de la turbine. Une meilleure connaissance de la génération de ces tourbillons et de leur propagation est essentielle. C’est l’objet du projet ANR/FEM THYMOTE (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) avec comme site d’étude le Raz Blanchard : l’un des sites les plus prometteurs d’Europe. L’une des questions posées concerne la capacité des grandes structures morphologiques du fond marin à produire des tourbillons. La méthode utilisée est l’emploi d’un modèle régional 3D pour couvrir la zone occupée par ces reliefs.Les modèles régionaux tels que TELEMAC-3D utilisent une fermeture turbulente de type URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes), avec par exemple le modèle $k-\varepsilon$. Cette approche ne permet pas une description fine des instationnarités de la turbulence. Cependant, grâce à l’augmentation des performances de calcul, la méthode Large Eddy Simulation (LES) devient envisageable. Celle-ci s’appuie sur un filtrage de l’écoulement, et consiste à simuler uniquement les plus grandes échelles de turbulence. Les plus petites, elles, sont modélisées. Le code TELEMAC-3D a été modifié durant cette thèse de manière à introduire cette fermeture turbulente. Le code développé permet de simuler des écoulements à surface libre en tenant compte d'une large gamme d'échelles allant de la turbulence à la propagation de la marée. Le code TELEMAC-LES a été validé sur la base de résultats expérimentaux issus de la littérature. Il est ensuite utilisé pour étudier les écoulements turbulents dans le Raz Blanchard grâce à une stratégie par emboîtement. La méthode LES permet alors une description fine de la turbulence de ces milieux, conduisant à l’identification de structures tourbillonnaires énergétiques, et donc la définition des zones les plus appropriées pour l’installation d'hydroliennes. / Nowadays tidal currents are considered a promising renewable energy source. Many worldwide projects involve the installation of different types of marine current energy converters. The characterisation of marine resources is therefore essential to increase efficiency of energy production. Areas with high hydroturbine potential are particularly subject to multi-scale turbulence, ranging from small vortices able to cause large fatigue loads, to large vortices capable of disrupting turbine production. A better knowledge of the generation of these eddies and their propagation is essential. This is the purpose of the ANR/FEM THYMOTE project (Turbulence, Hydrolienne, Modélisation, Observations et TEsts en bassin) studying one of the most promising sites in Europe: the Alderney Race. One of the questions raised concerns the ability of large morphological structures on the seabed to produce eddies. The adopted method uses a 3D regional model to cover the area occupied by these bedforms.Regional models such as TELEMAC-3D use a turbulent URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes) closure, with for example the $k-\varepsilon$. This approach does not allow a detailed description of the instability of turbulence. However, thanks to the increase in computing resources, the large scale method (LES) becomes feasible. This is based on flow filtering, and consists of simulating only the largest turbulence scales, whereas the smaller ones are modeled. The TELEMAC-3D code was modified during this thesis in order to introduce this turbulent closure. The code developed allows free surface flows to be simulated over a wide range of scales from turbulence to tidal propagation. The TELEMAC-LES code has been validated on the basis of experimental results from the literature. It is then used to study turbulent flows in the Alderney Race using a nesting strategy. The LES method allows a detailed description of the turbulence of these environments. It finally leads to the identification of energetic vortex structures, and thus the definition the most appropriate zones for the installation of tidal turbines.

abstract: Autonomic closure is a recently-proposed subgrid closure methodology for large eddy simulation (LES) that replaces the prescribed subgrid models used in traditional LES closure with highly generalized representations of subgrid terms and solution of a local system identification problem that allows the simulation itself to determine the local relation between each subgrid term and the resolved variables at every point and time. The present study demonstrates, for the first time, practical LES based on fully dynamic implementation of autonomic closure for the subgrid stress and the subgrid scalar flux. It leverages the inherent computational efficiency of tensorally-correct generalized representations in terms of parametric quantities, and uses the fundamental representation theory of Smith (1971) to develop complete and minimal tensorally-correct representations for the subgrid stress and scalar flux. It then assesses the accuracy of these representations via a priori tests, and compares with the corresponding accuracy from nonparametric representations and from traditional prescribed subgrid models. It then assesses the computational stability of autonomic closure with these tensorally-correct parametric representations, via forward simulations with a high-order pseudo-spectral code, including the extent to which any added stabilization is needed to ensure computational stability, and compares with the added stabilization needed in traditional closure with prescribed subgrid models. Further, it conducts a posteriori tests based on forward simulations of turbulent conserved scalar mixing with the same pseudo-spectral code, in which velocity and scalar statistics from autonomic closure with these representations are compared with corresponding statistics from traditional closure using prescribed models, and with corresponding statistics of filtered fields from direct numerical simulation (DNS). These comparisons show substantially greater accuracy from autonomic closure than from traditional closure. This study demonstrates that fully dynamic autonomic closure is a practical approach for LES that requires accuracy even at the smallest resolved scales. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Aerospace Engineering 2020

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22770号 / 工博第4769号 / 新制||工||1746(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 / (主査)教授 黒瀬 良一, 教授 中部 主敬, 教授 岩井 裕 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l’implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d’atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d’atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d’abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l’atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d’ultérieurs travaux. / The recent limitations imposed by ICAO-CAEP, regulating NOx emissions, are leading to the implementation of lean burn concept in the aero-engine framework. From a design perspective, a depth insight on lean burn combustion is required and Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a useful tool for this purpose. Several interacting phenomena are involved and various modelling strategies, with huge differences in terms of computational costs, are available. Nevertheless, up to now few numerical tools are able to account for the effects of liquid fuel preparation inside reactive computations. Spray boundary conditions are normally determined thanks to correlative approaches that are not able to cover the wide range of operating conditions and geometrical characteristics of aero-engine burners. However, as highlighted in the first part of the dissertation, where several literature test cases are analysed through numerical calculations, the impact of liquid preparation can be extremely important. Considerations based on correlative approaches may be therefore unreliable. More trustworthy predictive methods focused on fuel atomization are required. This research activity is therefore aimed at developing a general numerical tool, to be used in an industrial design process, capable of modelling the liquid phase from its injection till the generation of a dispersed spray subject to evaporation. The ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization) model, which is based on an Eulerian approach in the dense region and a Lagrangian one in the dilute zone, has been chosen to this end. The solver is able to deal with pure liquid up to the generation of a dispersed phase and to account for the breakup process through the introduction of the liquid-gas interface density. However, several limitations of such method arise considering its application in a highly swirled reactive environment like an aero-engine burner. Therefore, particular attention has been here devoted first to the study of the turbulent liquid flux term, inside the liquid volume fraction equation. This quantity is of paramount importance for a swirled flow-field, with high slip velocities between phases. A completely innovative modelling framework together with a new second order closure for this variable is proposed and validated on a literature jet in crossflow test case. Then, to handle a reactive environment, a novel evaporation model is integrated in the code and assessed against experimental results. Finally, an alternative way to derive the Drop Size Distribution (DSD) in ELSA context for the lagrangian injection is presented and assessed by means of Direct Numerical Simulations. Ultimately, this work introduces an innovative framework towards a uni- fied description of spray combustion in CFD investigations. The proposed approach should lead to a comprehensive description of fuel evolution in the injector region and to a proper characterization of the subsequent reacting flow-field. Several improvable aspects are also highlighted, pointing the way for further enhancements.