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

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

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

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

La circulation atmosphérique en Afrique de l'Ouest est caractérisée par des vents de sud-ouest (mousson) pendant la saison humide et par des vents de nord-est (harmattan) pendant la saison sèche. Cette alternance des saisons est due aux variations de pression liée à l'état des surfaces (rugosité, albédo, végétation) en réaction au forçage solaire. Ces mêmes états de surface génèrent une variabilité de flux turbulents de surface et des circulations secondaires qui rendent complexes les analyses des mesures effectuées sur place en vue de documenter les interactions surface-atmosphère. La modélisation fine échelle (LES) couramment utilisée dans l'étude de la couche limite atmosphérique est requise pour pouvoir palier à ces difficultés en raison de sa capacité à prendre en compte les flux turbulents en 3D et sur topographie complexe. Notre site d'étude est le bassin versant d'ARA située au Nord du Bénin dans un contexte Soudanien avec des propriétés de surface variables. Une analyse climatique est effectuée sur la base des observations de radiosondage, de radar UHF et de stations au sol afin d'extraire des données composites représentatives des saisons sèche et humide. Ces données composites ont servi par la suite à forcer le modèle Méso-NH dans sa version LES. Pour pouvoir caractériser les échelles de longueur des flux turbulents de surface relatives aux saisons sèche et humide, les données standard de forçage de surface de Méso-NH que sont le relief GTOPO30 (1km de résolution) et la végétation ECOCLIMAP (1km de résolution) ont été respectivement remplacer par le SRTM (90m de résolution) et les données de SPOT/HRV (20m de résolution) reéchantillonné à 90m de résolution. A l'aide d'outils statistiques comme la variographie 2D et le suivi Lagrangien, il ressort que la variabilité spatiale de la chaleur sensible H est gouvernée par le couple vent-relief tandis que celle de la chaleur latente E est difficile à mettre en lien sur végétation hétérogène (SPOT/HRV) en saison sèche. En saison humide, la variabilité spatiale du champ H dépend du vent tandis que celle du champ E dépend de la végétation. Cette étude révèle dans tous les cas que les échelles caractéristiques de ces deux champs diffèrent dans les mêmes conditions de forçage de surface et atmosphérique. / West Africa atmosphere circulation is characterized by south-westerly wind (monsoon regime) during the wet season and north-easterly wind (harmattan regime) during the dry season. This alternation of wind regime is due to surface pressure variability linked to surface heterogeneities. Surface heterogeneities generate surface flux variability, secondary circulation and make complex analysis when trying to document surface-atmosphere feedbacks. LES modelling usually used for boundary-layer studies due to its potential to take into account 3D turbulence over complex topography, is used here to overcome these difficulties. Our site of interest is located in north of Benin characterized by Soudanian climate and heterogeneous surface properties. Climate analysis are first performed with radiosoundings, UHF radar, and EC station data in order to extract composite profile representing dry and wet season.. These composite profiles are then used to force atmosphere part of the Méso-NH LES model. To characterize turbulent fluxes length scales relative to dry and wet season, standard surface forcing data with Méso-NH like GTOPO30 orography (1km ) and ECOCLIMAP vegetation (1km) are respectively replaced by SRTM (90m) and SPOT/HRV vegetation data (20m) resampled to 90m. Along with statistical tools like 2D variography and Lagrangian, we notice that during dry season on heterogeneous vegetation, sensible heat flux H is more driven by wind and orography while we not able to discuss the latent heat flux E case. During wet season with the same surface forcing, it appears that H is driven by wind while E is more dependent to vegetation variability. Our study concludes in all case that H and E are not characterized by the same length scale.

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

O objetivo deste trabalho é estudar, dentro da Engenharia do Vento Computacional (EVC), a dispersão de poluentes em zonas urbanas, empregando-se um modelo numérico baseado em técnicas da Dinâmica dos Fluidos Computacional para escoamentos incompressíveis, não isotérmicos e com transporte de massa. Um esquema explícito de dois passos é usado para a discretização temporal das equações governantes, considerando expansões em séries de Taylor de segunda ordem para as derivadas no tempo. O processo de discretização espacial é realizado através da aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF), onde hexaedros de oito nós com um ponto de integração são utilizados. A turbulência é tratada numericamente através da Simulação de Grandes Escalas (LES) e os modelos clássico e dinâmico de Smagorinsky são empregados na modelagem das escalas inferiores à resolução da malha. Efeitos de temperatura sobre o escoamento são considerados na forma de forças de flutuação presentes na equação de balanço de momentum, as quais são calculadas a partir da aproximação de Boussinesq. Técnicas de paralelização em memória compartilhada (OpenMP) são também usadas a fim de melhorar a eficiência computacional do presente modelo para problemas com grande número de elementos. Exemplos clássicos de Dinâmica de Fluidos e Fenômenos de Transporte são inicialmente analisados para teste das ferramentas numéricas implementadas. Problemas de dispersão de poluentes com e sem a inclusão dos efeitos de temperatura são abordados para configurações geométricas bi e tridimensionais de street canyons, representando a unidade geométrica básica encontrada em centros urbanos de grandes cidades. / The main goal of the present work is to study the pollutant dispersion in urban areas using a numerical model based on techniques developed by Computational Fluid Dynamics, where applications of Computational Wind Engineering (CWE) are analyzed considering incompressible flows with heat and mass transport. A two-step explicit scheme is adopted for the time discretization of the governing equations considering second order Taylor series expansions of the time derivative terms. Spatial discretization is performed by applying the Finite Element Method (FEM), where eight-node hexahedral elements with one-point quadrature are utilized. Turbulence is numerically analyzed by using Large Eddy Simulation (LES) with the classical and dynamic Smagorinsky’s models for subgrid scale modeling. Thermal effects on the flow field are taken into account through buoyancy forces acting on the momentum balance equation, which are calculated considering the Boussinesq approximation. Shared memory parallelization techniques (OpenMP) are also employed in order to improve computational efficiency for problems with large number of elements. Classic examples of Fluid Dynamics and Transport Phenomena are first analyzed to verify the numerical tools implemented. Problems involving pollutant dispersion with and without the inclusion of thermal effects are investigated for two and three-dimensional geometric configurations of street canyons, which represent the basic geometric unit observed in urban centers of large cities.

O experimento Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, realizado no ano de 2000 pelo Laboratório Nacional norte-americano para as Energias Renováveis (NREL) no túnel de vento Ames da NASA, foi reproduzido numericamente neste trabalho. O objetivo é o estudo das características da esteira aerodinâmica produzida pela turbina eólica de duas pás e 10 metros de diâmetro, operando à velocidade de rotação constante de 72 RPM, sujeita a uma velocidade de corrente livre do vento uniforme de 9 m/s, em um túnel de vento cuja seção de testes mede 36,6 m de largura por 24,4 m de altura e o comprimento mede 170 m. Para isso, foi utilizado o programa comercial ANSYS FLUENT versão 13.0, baseado no Método dos Volumes Finitos para a solução numérica das Equações de Navier-Stokes em regime transiente em conjunto com a Simulação de Grandes Escalas (SGE) para resolver a turbulência. As geometrias de todos os componentes da máquina foram criadas em software CAD. Um domínio móvel em forma de disco, contendo as pás do rotor e o hub da máquina, foi criado separadamente, e posteriormente inserido no domínio principal, estático, usando a ferramenta Moving Mesh disponível no software FLUENT. Ambos os domínios foram preenchidos por malhas compostas por tetraedros. Dados provenientes das simulações numéricas foram comparados aos dados experimentais de velocidade fornecidos por dois anemômetros sônicos instalados 5,8 m à jusante do rotor, ao que foi verificada boa concordância, com diferenças da ordem de 1% para o anemômetro 1 e 6% para o anemômetro 2. Resultados de velocidade na linha de centro do túnel e perfis de velocidade à jusante foram comparados com recente estudo numérico, e revelam diferenças importantes entre dados obtidos pela SGE, principalmente no que se refere à detecção de picos e flutuações relacionados às escalas turbulentas, e dados obtidos através da modelagem clássica da turbulência, RANS. As perturbações ultrapassaram a marca dos 10 diâmetros à jusante e atingiram o final do domínio localizado a 15 diâmetros. A esteira não apresentou simetria axial, e o ponto de maior redução na velocidade do escoamento foi detectado fora da linha de centro do rotor. / The Unsteady Aerodynamics Experiment Phase VI, which has been carried out in 2000 by the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) at the NASA Ames wind tunnel, has been numerically reproduced. The purpose of this work is to study the characteristics of the wind wake produced by the 10 meter two bladed wind turbine, operating at a constant rotational speed of 72 RPM, subject to a free stream wind velocity of 9 m/s, inside a wind tunnel in which dimensions are 36.6 m in width, 24.4 m in height and length of 170 m. To achieve that, the ANSYS FLUENT version 13.0 commercial code, based in the Finite Volume Method to numerically solve the Navier-Stokes equations in transient state, has been used, together with the Large Eddy Simulation (LES) to characterize the turbulence. Geometries of all the machine components have been created in CAD software. A disc shaped moving domain, containing the blades and hub, has been created separately, and later inserted into the main, static domain, using the Moving Mesh tool available in the software. Both domains have been filled with meshes composed by tetrahedra. Data collected at the numerical simulations have been compared to experimental wind speed data provided by two sonic anemometers installed 5.8 m downstream from the rotor, for which a good agreement has been found, with differences of approximately 1% to the anemometer 1 and 6% to the anemometer 2. Results of wind velocity at the tunnel centerline and velocity profiles downstream have been compared with recent numerical study, and show important differences between data obtained by LES, especially with regard to the detection of peaks and fluctuations related to the turbulent scales, and data obtained by the classic turbulence modeling, RANS. Disturbances have passed the 10 diameter mark and reached the end at the domain located at 15 diameters. The wake did not show axial symmetry and the point of maximum reduction in the flow speed was detected outside the rotor centerline.

La conception des turbines à gaz est aujourd'hui contrainte par des normes d'émissions de plus en plus draconiennes, couplées à l'urgente nécessité d'économiser les ressources en carburant fossile. Les choix technologiques adoptés pour répondre à ces exigences entraînent parfois l'apparition d'instabilités de combustion. Dans les chambres de combustion annulaires, ces instabilités prennent souvent la forme de modes azimutaux. Prédire ces modes reste un défi à l'heure actuelle et impose de considérer la totalité de la géométrie annulaire, ce qui n'est rendu possible, dans le domaine de la simulation numérique en mécanique des fluides, que par l'avènement très récent des supercalculateurs massivement parallèles. Dans ce travail de thèse, les modes azimutaux pouvant apparaître dans les chambres de combustion annulaires sont abordés avec plusieurs approches: un modèle analytique 1D, un solveur acoustique de Helmholtz 3D et enfin des Simulations aux Grandes Echelles. Combiner ces méthodes permet une meilleure compréhension de la structure de ces modes et peut amener à considérer des solutions innovantes pour concevoir des chambres inconditionnellement stables. / Increasingly stringent regulations and the need to tackle rising fuel prices have placed great emphasis on the design of aeronautical gas turbines. This drive towards innovation has resulted sometimes in new concepts being prone to combustion instabilities. Combustion instabilities arise from the coupling of acoustics and combustion. In the particular field of annular combustion chambers, these instabilities often take the form of azimuthal modes. To predict these modes, one must consider the full combustion chamber, which, in the numerical simulation domain, remained out of reach until very recently and the development of massively parallel computers. In this work, azimuthal modes that may develop in annular combustors are studied with different numerical approaches: a low order model, a 3D Helmholtz solver and Large Eddy Simulations. Combining these methods allows a better understanding of the structure of the instabilities and may provide guidelines to build intrinsically stable combustion chambers.

Cette thèse se focalise sur la compréhension et la prédiction des instabilités de combustion dans les systèmes à haute pression. Elle s'oriente autour de la simulation numérique d’un banc d'essai, opéré à l'université de Purdue, comprenant un injecteur caractéristique des moteurs-fusées et dont les propriétés acoustiques peuvent varier à l'aide d’un tube d'injection mobile. Une méthode d'initialisation et d'allumage pour les calculs LES de chambres de combustions terminées par une tuyère est présentée. Un point de fonctionnement instable est choisi pour étudier le mécanisme de l'instabilité. Les simulations sont comparées aux résultats expérimentaux en terme de fréquence et structure du mode instable. La fonction de transfert de flamme est calculée à l'aide du modèle n − τ puis implémentée dans un solveur acoustique (ne résolvant que les perturbations acoustiques à partir de l'équation de Helmholtz en écoulement réactif). Différents modèles d'impédance de tuyère, extraits de la littérature, sont comparés et leurs impacts sur les résultats de stabilité sont analysés. Le théorème d’impédance translatée est implémenté dans le solveur acoustique pour analyser, à faible coût de calcul, l’influence de la variation de la longueur du tube d'injection. Des écarts entre les fréquences prédites et celles trouvées expérimentalement subsistent mais la carte de stabilité de l’expérience est bien reproduite. / This thesis focuses on the understanding and the prediction of combustion instability in high-pressure devices. A model rocket combustor, tested experimentally at Purdue University, with continuously variable acoustic properties, thanks to a variable-length injector tube, is simulated. A method to initialize and ignite Large-Eddy-Simulation (LES) calculation of combustion chamber surrounded by nozzle is proposed. An unstable operating point is then chosen to investigate the mechanism of the instability. The simulations are compared to experimental results in terms of frequency and mode structure. The flame transfer function is calculated using the n − τ model to feed an acoustic solver which solves only the acoustic perturbation using a Helmholtz equation in reacting flows. The importance of the modeling of the nozzles impedance is studied through the main theories in the literature. The impedance translation theorem is implemented in the acoustic solver to analyze at low cost the influence of the variation of the injector tube. Despite differences in frequency of the instability, the stability map of the experiment is well reproduced.