Pratiquement toutes les chambres de combustion présentent des instabilités. Par conséquent, il est nécessaire de mieux les comprendre afin de les contrôler. Une possibilité est de simuler l’écoulement réactif à l’intérieur d’une chambre de combustion grâce à la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cependant la SGE est très coûteuse en terme de capacité de calcul. Une autre possibilité est de réduire la complexité du problème à une simple équation d’onde thermoacoustique (équation dite de Helmholtz), qui peut être résolue en fréquence comme un problème aux valeurs propres. Le couplage entre l’acoustique et la flamme est alors prise en compte au travers des modèles appropriés. Le principal problème de cette méthode est qu’elle repose sur l’hypothèse d’un nombre de Mach nul. Tous les phénomènes liés à l’écoulement moyen sont donc négligés. La présente thèse propose une nouvelle stratégie pour prendre en compte certains effets de l’écoulement dans un contexte à Mach nul. Dans une première partie, la manière la plus judicieuse d’imposer un élément présentant un écoulement très rapide est étudiée. La seconde partie se focalise sur le couplage entre l’acoustique et les hétérogénéités de température qui sont générées par la flamme et naturellement convectées par l’écoulement moyen. Ce phénomène est important car il est responsable du bruit indirect de combustion qui peut conduire à une instabilité thermoacoustique. Un nouveau type de condition limite (DECBC) est proposé afin de prendre en compte ce mécanisme dans un contexte de résolution de l’équation de Helmholtz à Mach nul. Dans la dernière partie, une chambre de combustion aéronautique présentant une instabilité mixte acoustique/entropique est étudiée. Le bénéfice des méthodes développées dans la présente thèse est testé et comparé à des calculs avec la SGE. Il est montré que les calculs avec un solveur de Helmholtz peuvent reproduire une instabilité de combustion complexe, et que cet outil s’avère avoir le potentiel pour prédire les instabilités afin de concevoir de nouvelles chambres de combustion. / Virtually all combustion chambers are subject to instabilities. Consequently there is a need to better understand them so as to control them. A possibility is to simulate the reactive flow within a combustor with the Large-Eddy Simulation (LES) method. However LES results come at a tremendous computational cost. Another route is to reduce the complexity of the problem to a simple thermoacoustic Helmholtz wave equation, which can be solved in the frequency domain as an eigenvalue problem. The coupling between the flame and the acoustics is then taken into account via proper models. The main drawback of this latter methodology is that it relies on the zero-Mach number assumption. Hence all phenomena inherent to mean flow effects are neglected. The present thesis aims to provide a novel strategy to introduce back some mean flow effects within the zero-Mach number framework. In a first part, the proper way to impose high-speed elements such as a turbine is investigated. The second part focuses on the coupling between acoustics and temperature heterogeneities that are naturally generated at the flame and convected downstream by the flow. Such phenomenon is important because it is responsible for indirect combustion noise that may drive a thermoacoustic instability. A Delayed Entropy Coupled Boundary Condition (DECBC) is then derived in order to account for this latter mechanism in the framework of a Helmholtz solver where the baseline flow is assumed at rest. In the last part, a realistic aero-engine combustor that features a mixed acoustic/entropy instability is studied. The methodology developed in the present thesis is tested and compared to LES computations. It is shown that computations with the Helmholtz solver can reproduce a complex combustion instability, and that this latter methodology is a potential tool to design new combustors so as to predict and avoid combustion instabilities.

L'augmentation globale du trafic aérien mondial est susceptible de fortement augmenter les nuisances sonores induites autour des aéroports. De fait, des initiatives à diverses échelles sont prises afin de réduire le bruit des aéronefs. Le "bruit de cellule" de l'avion (airframe noise) est un contributeur majeur du bruit total en phase d'approche, dont environ un tiers est émis par le train d'atterrissage. La simulation aux grandes échelles (LES) des équations de Navier-Stokes compressibles a été identifiée comme une candidate pour la prédiction du bruit de train d'atterrissage. Elle permet de résoudre l'écoulement intrinsèquement instationnaire autour du train, et de capturer les différentes échelles des structures turbulentes mise en jeu dans le sillage. En outre, une approche non-structurée est retenue afin de traiter des géométries réalistes et complexes de trains d'atterrissage. Répondant à ces critères, le logiciel AVBP est choisi pour de telles simulations. Une analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings est ensuite utilisée pour propager les sources acoustiques en champ lointain. La détermination des paramètres de simulation optimaux ainsi qu'une validation du code sont effectuées sur le cas académique du "barreau-profil" réalisé à l'Ecole Centrale de Lyon. Un bon accord des résultats aérodynamiques et acoustiques est observé avec la base de donnée expérimentale ainsi qu'avec d'autres résultats numériques. Une analyse des sources acoustiques a également été mise en oeuvre, mettant en évidence une contribution significative du cylindre aux angles rasants ainsi que des phénomènes interférentiels entre les émissions du cylindre et du profil, constructifs ou destructifs selon l'angle d'observation. Le code AVBP est ensuite utilisé pour la simulation des écoulements autour des trois trains simplifiés de la base de donnée LAGOON, supportée par Airbus. Un bon accord est globalement obtenu pour les résultats aérodynamiques et acoustiques pour les trois géométries de train, et les tendances des résultats expérimentaux lors de le complexification de la géométrie sont retrouvés à l'aide de la LES. Une étude des sources acoustique est ensuite réalisée. Les contributions respectives de chaque élément des trains sont identifiées, et une attention particulière est portée sur les tons de cavité. La structure de ces derniers est clairement mise en évidence à l'aide d'un solveur des équations d'Helmholtz (AVSP), expliquant également l'absence de tons pour les micros en survol. Les effets de l'ajout d'éléments supplémentaires pour les deux dernières configurations de train sont également étudiés, et il est montré en particulier qu'un bruit d'interaction, similaire à celui observé dans le cas "barreau-profil", entre le sillage de la barre de traction et l'essieu du train explique la prédominance d'un ton supplémentaire dans les spectres en champ lointain sur les tons de cavité. / Global air traffic growth is most likely to increase the community noise around airports. Consequently, several initiatives have been taken to reduce aircraft noise. Airframe noise has been identified as a major contributor to aircraft noise at approach, and one third is emitted by the landing gear. Compressible Large Eddy Simulation (LES) is a promising candidate for landing gear noise prediction. It is able to solve the unsteady flow around the landing gear, and also to capture the broad range of turbulent structures in the wake. Unstructured meshing approach has been selected to handle industrial-like and complex landing gear geometries. The AVBP software fulfills these criteria, and thus has been chosen to conduct the simulations. A Ffowcs-Williams and Hawkings analogy is also used to propagate the noise sources to the far-field. The best practices determination and the code validation are carried out on the academic "rodairfoil" configuration, which has been experimentally studied at Ecole Centrale de Lyon. A good agreement is observed between the numerical aerodynamic and acoustic results and the experimental database, as well with the other numerical simulations from the literature. A noise source analysis is also carried out, showing a significant contribution of the rod at grazing angles, as well as interferences between the rod and airfoil contributions, either being constructives or destructives depending on the observation angle. Then, the AVBP code is used to simulate unsteady flows around the three landing gear configurations of the LAGOON database, supported by Airbus. A good agreement is found for the aerodynamic and acoustic results for the three geometries, and experimental results tendencies are retrieved with LES while increasing the landing gear complexity. A noise source analysis leads to the identification of the noise source contributions of each landing gear element. A special attention is also paid on the cavity modes. Their structure, exhibited with a Helmholtz equation solver (AVSP), explains the absence of tone in the flyover direction. For the second and third geometries, it is also shown that interactions between the tow bar wake and the axle, similarly to the ones observed in the rod-airfoil benchmark, lead to an additional tone in the far-field spectra, which prevails on the initial cavity modes.

Pour améliorer le rendement des moteurs essence, une méthode efficace est le downsizing qui consiste en la diminution de la cylindrée moteur compensée par l’ajout d’un compresseur pour maintenir la puissance. Lorsque le niveau de downsizing est trop important les fortes pression et températures rencontrées favorisent l’apparition de phénomènes d’auto-allumage de type cliquetis ou rumble néfastes pour l’intégrité du moteur. Ce type de phénomène, aujourd’hui encore mal compris, constitue une limite à l’utilisation du downsizing. Dans cette thèse la Simulation aux Grandes Echelles est utilisée pour étudier ce type de combustion dite anormale. L’objectif est de proposer une méthodologie numérique capable de reproduire leurs apparitions pour en étudier les mécanismes. L’auto-allumage est un mode de combustion sensible aux variations des conditions thermodynamiques locales. Des méthodes numériques précises et des modèles appropriés, en particulier pour la thermique paroi doivent donc être utilisés. La première partie de ce manuscrit présente la méthodologie numérique proposée et en particulier deux aspects développés lors de cette thèse: un modèle d’auto-allumage qui permet de reproduire le délai d’auto-allumage des gaz frais avec un schéma cinétique réduit et une méthodologie de couplage entre la chambre de combustion et la culasse permettant de définir des champs de températures paroi réalistes. La seconde partie de ce manuscrit présente les résultats de deux études numériques reproduisant certains points de fonctionnement d’un moteur expérimental. La première étude est réalisée à l’aide de modèles de combustion de la littérature et vise à reproduire le comportement expérimental pour diverses variations paramétriques influant sur la combustion. La seconde étude est réalisée à l’aide des modèles développés dans cette thèse afin d’étudier l’impact de la thermique paroi dans les mécanismes d’apparition des combustions anormales. / In order to improve the efficiency of gasoline engines, one efficient solution resides in engine downsizing which consists in the diminution of the engine size with the adjunction of a compressor to keep the power output. When the downsizing level is important, the high pressure and temperature levels promote auto-ignition phenomena such as knocking or rumble that can damage the engine. This kind of combustion, still misunderstood, is a limit to further use downsizing. In this thesis, Large Eddy Simulation is used to study this kind of abnormal combustions. The objective is to propose a numerical methodology able to reproduce its apparition and to understand its mechanisms. Auto-ignition is a combustion regime very sensitive to the variations of local thermodynamic conditions. Precise numerical methods and appropriate models, especially for thermal boundary conditions must be used. The first part of this manuscript presents the proposed numerical methodology and in particular two aspects implemented during this thesis: an auto-ignition model that permits to reproduce auto-ignition delays with reduced kinetic schemes and a coupling methodology between combustion chamber and cylinder head in order to obtain realistic temperature fields for the boundary conditions. The second part of this manuscript presents the results of two numerical studies that reproduce some operating points from an experimental engine database. The first study is performed using combustion models from the literature and aims at reproducing experimental behavior for various parametric variations impacting the combustion. The second study is performed thanks to the numerical models implanted in this thesis in order to evaluate the impact of the thermal boundary conditions on the mechanisms leading to abnormal combustions.

Nous nous intéressons dans cette thèse au développement et à la mise en oeuvre de schémas numériques Volumes Finis d’ordre élevé pour des maillages non-structurés. Il s’agit de mettre en place les ingrédients numériques pour réaliser des simulations aux grandes échelles avec le code numérique elsA. Les schémas numériques proposés sont basés sur une approche directionnelle, afin de limiter le coût CPU et de réduire la molécule de points. La partie convective du schéma numérique doit être d’ordre élevé. L’ordre élevé est obtenu en utilisant différents gradients sur un stencil prédéféni utilisant 4 cellules. Deux gradients sont utilisés pour la partie convective : le gradient GreenGauss et le gradient “UIG”. Pour la partie diffusive, le gradient “UIG” est utilisé. Ce gradient a été développé durant la thèse et permet d’avoir un gradient moyen d’ordre 2 sur chaque interface. Ce gradient a été étudié et validé sur différents cas-tests. Les schémas numériques d’ordre élevé ont été analysés théoriquement avec des analyses d’ordre et de stabilité. Il a été montré que ces schémas peuvent atteindre l’ordre 5 sur des hexaèdres et l’ordre 3 sur des triangles équilatéraux. Suite à cette analyse, les différents schémas ont été d’abord testés en 1D sur un cas classique d’advection, puis ont été validés sur le cas de convection du vortex isentropique. / This study will present the development and results of high-order Finite Volume schemes for unstructured grids. The goal is to prepare numerical tools to perform Large Eddy Simulations with the indutrial solver elsA. These numerical schemes are based on a directional approach in order to limitate the CPU cost and reduce the stencil. The convective part of the scheme needs to be high order and this is obtained by the use of gradients on a four-cell stencil. Two gradients are used for the convective part, the Green-Gauss gradient and the “UIG” gradient. For the diffusive part, the “UIG” gradient is used. It was developped during this study and allows to recover a secondorder accurate scheme. This gradient was validated theorically and numerically on some test cases. High order numerical schemes were studied theorically with order and frequency analysis. It was shown that these schemes are fifth-order accurate on regular hexaedral elements and third-order accurate on equilateral triangles. Following this analysis, these schemes were tested in 1D on an advection test case and were then validated on the convection of an isentropic vortex.

Ce travail de recherche s’intéresse au problème de la stabilisation de flammes, et du transfert de chaleur résultant, dans les moteurs fusées cryogéniques. La stabilisation de flamme dans un moteur fusée est un phénomène critique, et toute instabilité peut conduire à des dégâts importants, voire à la destruction du lanceur et des satellites embarqués. Les moteurs (Vulcain 2 et Vinci) qui équipent Ariane 5, et la future Ariane 6, utilisent le couple hydrogène / oxygène, dont la grande impulsion spécifique permet, en minimisant la masse des ergols par rapport à la masse de la charge, une meilleure performance du lanceur. Pour réduire le volume de stockage, les ergols sont refroidis à des températures très basses de l’ordre de quelques dizaines de Kelvin. Ils alimentent une flamme dont la température maximale peut atteindre 3500K, générant de très forts gradients de température dans le fluide, et des flux de chaleur extrêmes dans les parties solides de l’injecteur. Pour prédire les flux de chaleur entre la flamme, l’injecteur et les ergols froids, l’approche de Simulation aux Grandes Echelles (SGE), pour reproduire l’écoulement réactif turbulent instationnaire, est couplée au calcul de thermique du solide dans l’injecteur. Cette approche est d’abord validée par comparaison à une expérience en conditions ambiantes, menée au Laboratoire EM2C (Paris). L’interaction flamme-paroi en présence de transfert de chaleur, qui est un mécanisme de base de la stabilisation de flamme, est ensuite étudiée pour différents niveaux de pression. Finalement une configuration représentative d’un injecteur coaxial de moteur fusée est simulée pour étudier la structure et les mécanismes de stabilisation de la flamme, ainsi que les flux de chaleur reçus par l’injecteur, en vue d’évaluer la fatigue thermique du système. / This research work deals with the problem of the flame stabilization in the context of high pressure liquid rocket engines. Flame stabilization in a rocket engine is a critical feature. An instability can lead to important damages of the engine or the destruction of the launcher and the satellite. The engines (Vulcain 2 and Vinci) of the Ariane 5, and the future Ariane 6, use the hydrogen/oxygen propellants. One characteristic of this couple is its high specific impulse. The launcher performance is linked to the ratio of the payload to the total mass of propellants. For volume reasons the propellants are stored at low temperature of the order of a few tens of Kelvin. When injected in the combustion chamber, their combustion releases a huge amount of heat leading to temperature of 3500K. In order to predict the heat transfer between the flame, the solid injector and the cold propellants the Large Eddy Simulation, which allows to capture the unsteady features of the flow, is used in association with a thermal solver for the injector. This approach is validated with a low pressure experiment conducted at Centrale Paris, then a basic 1D configuration allows to understand the phenomena of high pressure flame-wall interaction. Finally a configuration representative of a coaxial rocket engine injector allows to evaluate the structure and the stabilization mechanisms of a cryogenic flame, the heat flux and the temperature of the injector.

Afin de répondre aux enjeux environnementaux, les fabricants de turbine à gaz ont mis au point de nouveaux concepts de chambre de combustion plus propres et moins consommateurs. Ces technologies sont cependant plus sensibles aux instabilités de combustion, un couplage entre acoustique et flamme pouvant conduire à des niveaux dangereux de fluctuations de pression et de dégagement de chaleur. Les solveurs de Helmholtz sont une méthode numérique efficace pour prédire ces instabilités de combustion. Ils reposent sur la description d'un fluide non visqueux au repos, dont le comportement acoustique est régi par une équation d'Helmholtz thermoacoustique, résolue dans le domaine fréquentiel comme un problème aux valeurs propres. Le couplage flamme/acoustique est modélisé par une fonction de transfert du premier ordre entre les perturbations de dégagement de chaleur et la vitesse acoustique en un point de référence. Bien que performants, les solveurs de Helmholtz négligent l'interaction entre acoustique et vorticité aux coins, car celle-ci dépend d'effets visqueux. Cette interaction pourrait fortement amortir l'acoustique d'une chambre de combustion et la négliger revient à faire des prédictions trop pessimistes voire erronées. Par conséquent, une méthodologie a été mise au point afin d'inclure dans un solveur de Helmholtz l'effet d'interactions complexes entre acoustique et écoulement. Ces interactions étant compactes, elles sont modélisées par des matrices 2x2 et ajoutées au solveur comme des paires de conditions limites : les conditions limites de matrice. Grâce à cette méthodologie, les fréquences et modes d'une configuration académique non-réactive sont correctement calculées en présence de deux éléments où une telle interaction est forte: un orifice et un tourbilloneur. Afin d'être applicable aux chambres industrielles, deux extensions sont nécessaires. Premièrement, les surfaces de matrices doivent pouvoir être non-planes, afin de s'adapter aux géométries industrielles complexes. Pour cela, une procédure d'ajustement a été mise en place. La matrice est mesurée sur des surfaces planes et des transformations nondissipatives lui sont appliquées afin de la déplacer sur les surfaces non planes. Ces transformations peuvent être déterminées analytiquement ou calculées avec un solveur de propagation acoustique. Le deuxième point concerne le point de référence du modèle de flamme. En effet, celui-ci est souvent choisi à l'intérieur de l'injecteur ce qui pose problème si celui-ci est retiré du domaine de calcul et remplacé par sa matrice. Dans cette thèse, le point de référence est remplacé par une surface de référence. La méthodologie étendue est validée sur des configurations académiques puis appliquée à une chambre annulaire de Safran. Cette nouvelle méthodologie permet de constater que l'interaction écoulement/acoustique au niveau des trous de dilution et des injecteurs joue un effet important sur la stabilité de la chambre mais aussi sur la structure des modes. Les premiers résultats avec une surface de référence pour la flamme sont encourageants. / Environmental concerns have motivated turbine engine manufacturers to create new combustor designs with reduced fuel consumption and pollutant emissions. These designs are however more sensitive to a mechanism known as combustion instabilities, a coupling between flame and acoustics that can generate dangerous levels of heat release and pressure fluctuations. Combustion instabilities can be predicted at an attractive cost by Helmholtz solvers. These solvers describe the acoustic behavior of an inviscid fluid at rest with a thermoacoustic Helmholtz equation, that can be solved in the frequency domain as an eigenvalue problem. The flame/acoustics coupling is modeled, often with a first order transfer function relating heat release fluctuations to the acoustic velocity at a reference point. One limitation of Helmholtz solvers is that they cannot account for the interaction between acoustics and vorticity at sharp edges. Indeed, this interaction relies on viscous processes at the tip of the edge and is suspected to play a strong damping role in a combustor. Neglecting it results in overly pessimistic stability predictions but can also affect the spatial structure of the unstable modes. In this thesis, a methodology was developed to include the effect of complex flow-acoustic interactions into a Helmholtz solver. It takes advantage of the compactness of these interactions and models them as 2-port matrices, introduced in the Helmholtz solver as a pair of coupled boundary conditions: the Matrix Boundary Conditions. This methodology correctly predicts the frequencies and mode shapes of a nonreactive academic configuration with either an orifice or a swirler, two elements where flowacoustic interactions are important. For industrial combustors, the matrix methodology must be extended for two reasons. First, industrial geometries are complex, and the Matrix Boundary Conditions must be applied to non-plane surfaces. This limitation is overcome thanks to an adjustment procedure. The matrix data on non-plane surfaces is obtained from the well-defined data on plane surfaces, by applying non-dissipative transformations determined either analytically or from an acoustics propagation solver. Second, the reference point of the flame/acoustics model is often chosen inside the injector and a new reference location must be defined if the injector is removed and replaced by its equivalent matrix. In this work, the reference point is replaced by a reference surface, chosen as the upstream matrix surface of the injector. The extended matrix methodology is successfully validated on academic configurations. It is then applied to study the stability of an annular combustor from Safran. Compared to standard Helmholtz computations, it is found that complex flow-acoustic features at dilution holes and injectors play an important role on the combustor stability and mode shapes. First encouraging results are obtained with surfacebased flame models.

La conception de nouveaux moteurs impose de respecter des normes de sécurité concernant les performances d'allumage et de ré-allumage en conditions critiques. Des campagnes d'essais étant onéreuses, les industriels cherchent donc à disposer d'outils numériques fiables. Afin d'améliorer la simulation des écoulements, le caractère multicomposant du carburant doit être pris en compte. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de l'évaporation d'un brouillard de gouttes sur un écoulement réactif. Pour cela, une étude de la propagation d'une flamme laminaire 1D est réalisée à l'aide d'un code de calcul multiphysique (CEDRE). Un train continu de gouttes monodisperse est injecté, les gouttes étant mono ou bicomposant. L'influence de la dynamique d'évaporation sur la combustion est étudiée. Deux cinétiques chimiques réduites multicomposant sont comparées. La composition, le diamètre et la richesse initiale des gouttes ont un impact sur la structure de flamme, la vitesse de flamme et la composition des gaz brûlés. Ensuite, l'effet de l'évaporation est étudié en phase d'allumage pour un brouillard de gouttes polydisperses monocomposant avec un modèle de noyau d'allumage local. L’écoulement instationnaire non-réactif dans un secteur de chambre industriel (MERCATO) est calculé avec une approche LES. Le caractère instationnaire, voire périodique, de la phase dispersée est mis en évidence en certains points de l'écoulement. Les résultats, associés au modèle d'allumage et à des critères, sont utilisées pour réaliser une carte de probabilité d'allumage. Des essais de calcul d'allumage complet de la chambre sont réalisés. Les résultats indiquent une surestimation des termes sources liés à l'évaporation de la phase dispersée et à la combustion. / The design of new aircraft engines needs in particular to comply with safety standards for the performance of stabilized combustion and ignition or re-ignition under critical conditions. Experimental campaigns are expensive, so numerical tools are needed. To improve the accuracy of the models used to simulate flow, the multicomponent nature of the fuel must be taken into account, whether it is kerosene or alternative fuel. The objective of this thesis is to study the influence of a droplet mist vaporization on a reactive flow. For this, an academic study of the propagation of a 1D laminar flame is performed using a CFD code {CEDRE). A continuous stream of monodisperse droplets is injected, the droplets being mono or bicomponent. The influence of the dynamics of evaporation on combustion is particularly studied. Two reduced multicomponent chemical kinetics are compared. The composition, the diameter and the initial equivalent ratio of droplets have an impact on the structure of the flame, the flame speed and composition of the burnt gases. A local ignition kernel model is applied to study the influence ofvaporization on ignition in the case of monocomponent, polydisperse droplets. Experimental data are available for a monosector combustion chamber (MERCATO) so the non-reactive unsteady flow is simulated with a LES approach. The unsteady, sometimes periodic, nature of the dispersed phase is highlighted in some points of the flow. A ignition model is applied to instantaneous flow fields and criteria are analysed to realise an ignition probability map which validates the approach. Finally, ignition of a combustion chamber is tested. The results point out an overestimation of source terms related to the evaporation of the dispersed phase and combustion.

A interação turbulência-radiação (TRI, do inglês Turbulence-Radiation Interaction) resulta do acoplamento altamente não linear entre flutuações da intensidade de radiação e flutuações da temperatura e da composição química do meio, e tem-se demonstrado experimentalmente, teoricamente e numericamente que este é um fenômeno relevante em diversas aplicações envolvendo altas temperaturas, especialmente em problemas reativos. Neste trabalho, o TRI é analisado em um escoamento interno não reativo de um gás participante que se desenvolve em um duto de seção transversal quadrada, para diferentes intensidades de turbulência do escoamento e considerando duas espécies distintas para a composição do fluido de trabalho (dióxido de carbono e vapor de água). O objetivo central é avaliar como a inclusão ou não da variação espectral das propriedades radiativas do meio no cálculo influencia a magnitude do TRI. Isso é feito através de simulações numéricas no código de dinâmica dos fluidos computacional Fire Dynamics Simulator (FDS), que resolve, através do método dos volumes finitos, as equações fundamentais que regem o problema – isto é, os balanços de massa, de quantidade de movimento e de energia e a equação de estado – em uma formulação adequada para baixos números de Mach, utilizando um algoritmo de solução explícito e de segunda ordem no tempo e no espaço. A turbulência é modelada através da simulação de grandes escalas (LES, do inglês Large Eddy Simulation), empregando-se o modelo de Smagorinsky dinâmico para o fechamento dos termos submalha; para a radiação térmica, o método dos volumes finitos é utilizado na discretização da equação da transferência radiativa e os modelos do gás cinza e da soma-ponderada-de-gases-cinza (WSGG, do inglês Weighted-Sum-of-Gray-Gases) são implementados como forma de desconsiderar e de incluir a dependência espectral das propriedades radiativas, respectivamente. A magnitude do TRI sobre o problema é avaliada através de diferenças entre as médias temporais dos fluxos de calor superficiais e do termo fonte radiativo obtidas em cálculos que consideram os efeitos do fenômeno e cálculos que os negligenciam. Em geral, a interação turbulência-radiação mostrou ser pouco importante em todos os casos considerados, o que concorda com resultados de outros estudos sobre o tema em escoamento não reativos. Com o modelo WSGG, as contribuições do fenômeno foram maiores do que com a hipótese do gás cinza, evidenciando que a inclusão da variação espectral na solução do problema radiativo tem um impacto sobre a magnitude dos efeitos do TRI. Além disso, é feita uma discussão, em parte inédita no contexto do TRI, sobre diferentes metodologias para a análise do fenômeno. Finalmente, é proposto um fator de correção para o termo fonte radiativo médio no modelo WSGG, que é validado através de sua implementação nos casos simulados. Em estudos futuros, uma análise de sensibilidade sobre os termos constituintes desse fator de correção pode levar a um melhor entendimento de como as flutuações de temperatura se correlacionam com o fenômeno da interação turbulência-radiação. / Turbulence-radiation interaction (TRI) results from the highly non-linear coupling between fluctuations of radiation intensity and fluctuations of temperature and chemical composition of the medium, and its relevance in a number of high-temperature problems, especially when chemical reactions are included, has been demonstrated experimentally, theoretically, and numerically. In the present study, the TRI is analyzed in a channel flow of a non-reactive participating gas for different turbulence intensities of the flow at the inlet and considering two distinct species for the medium composition (carbon dioxide and water vapor). The central objective is to evaluate how the inclusion or not of the spectral variation of the radiative properties of a participating gas in the radiative transfer calculations affects the turbulence-radiation interaction. With this purpose, numerical simulations are performed using the computational fluid dynamics Fortranbased code Fire Dynamics Simulator, that employs the finite volume method to solve a form of the fundamental equations – i.e., the mass, momentum and energy balances and the state equation – appropriate for low Mach number flows, through an explicit second-order (both in time and in space) core algorithm. Turbulence is modeled by the large eddy simulation approach (LES), using the dynamic Smagorinsky model to close the subgrid-scale terms; for the thermal radiation part of the problem, the finite volume method is used for the discretization of the radiative transfer equation and the gray gas and weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) models are implemented as a way to omit and consider the spectral dependence of the radiative properties, respectively. The TRI magnitude in the problem is evaluated by differences between values for the time-averaged heat fluxes at the wall (convective and radiative) and for the time-averaged radiative heat source calculated accounting for and neglecting the turbulence-radiation interaction effects. In general, TRI had little importance over all the considered cases, a conclusion that agrees with results of previous studies. When using the WSGG model, the contributions of the phenomenon were greater that with the gray gas hypothesis, demonstrating that the inclusion of the spectral variance in the solution of the radiative problem has an impact in the TRI effects. Furthermore, this paper presents a discussion, partly unprecedented in the context of the turbulence-radiation interaction, about the different methodologies that can be used for the TRI analysis. Finally, a correction factor is proposed for the time-averaged radiative heat source in the WSGG model, which is then validated by its implementation in the simulated cases. In future studies, a sensibility analysis on the terms that compose this factor can lead to a better understanding of how fluctuations of temperature correlate with the turbulence-radiation interaction phenomenon.

O presente trabalho tem como objetivo estudar escoamentos de tornados e sua ação sobre corpos imersos empregando ferramentas numéricas da Engenharia do Vento Computacional (EVC). Os tornados constituem-se atualmente em uma das causas de desastres naturais no Brasil, especialmente nas regiões sul e sudeste do país, como também em alguns países vizinhos. Os efeitos gerados são geralmente localizados e de curta duração, podendo ser devastadores dependendo da escala do tornado. Tais características dificultam a realização de estudos detalhados a partir de eventos reais, o que levou ao desenvolvimento de modelos experimentais e numéricos. A abordagem numérica é utilizada neste trabalho para a simulação de tornados, a qual se baseia nas equações de Navier-Stokes e na equação de conservação de massa, considerando a hipótese de pseudo-compressibilidade e condições isotérmicas. Para escoamentos com turbulência utiliza-se a Simulação Direta de Grandes Escalas com o modelo clássico de Smagorinsky para as escalas inferiores à resolução da malha (Large Eddy Simulation ou LES em inglês). A discretização das equações fundamentais do escoamento se realiza com um esquema explícito de dois passos de Taylor-Galerkin, onde o Método dos Elementos Finitos é empregado na discretização espacial utilizando-se o elemento hexaédrico trilinear isoparamétrico com um ponto de integração e controle de modos espúrios Na presença de corpos imersos que se movem para simular os deslocamentos dos tornados, o escoamento é descrito cinematicamente através de uma formulação Arbitrária Lagrangeana-Euleriana (ALE) que inclui um esquema de movimento de malha. Tornados são reproduzidos através da simulação numérica de dispositivos experimentais e do Modelo de Vórtice Combinado de Rankine (RCVM). Exemplos clássicos da Dinâmica dos Fluidos Computacional são apresentados inicialmente para a verificação das ferramentas numéricas implementadas. Finalmente, problemas envolvendo tornados móveis e estacionários são analisados, incluindo sua ação sobre corpos imersos. Nos modelos baseados em experimentos, a variação da relação de redemoinho determinou os diferentes padrões de escoamento observados no laboratório. Nos exemplos de modelo de vórtice, quando o tornado impactou o corpo imerso gerou picos de forças em todas as direções e, após a passar pelo mesmo, produziu uma alteração significativa na estrutura do vórtice. / Analyses of tornado flows and its action on immersed bodies using numerical tools of Computational Wind Engineering (CWE) are the main aims of the present work. Tornadoes are currently one of the causes of natural disasters in Brazil, occurring more frequently in the southern and southeastern regions of the country, as well as in some neighboring countries. Effects are usually localized, presenting a short time interval, which can be devastating depending on the scale of the tornado. These characteristics difficult to carry out detailed studies based on real events, leading to the development of experimental and numerical models. The numerical approach is used in this work for the simulation of tornadoes, which is based on the Navier-Stokes equations and the mass conservation equation, considering the hypothesis of pseudo-compressibility and isothermal conditions. For turbulent flows, Large Eddy Simulation (LES) is used with the classical Smagorinsky model for sub-grid scales Discretization is performed the explicit two-step Taylor-Galerkin scheme, where the Finite Element Method is used in spatial discretization using isoparametric trilinear hexahedral elements with one-point quadrature and hourglass control. In the presence of immersed bodies that are moving in order to simulate translating tornadoes, the flow is kinematically described through a Lagrangian-Eulerian Arbitrary (ALE) formulation, which includes a mesh motion scheme. Tornadoes are reproduced using numerical simulation of experimental devices and the Rankine Combined Vortex Model (RCVM). Classical examples of Computational Fluid Dynamics are presented initially for the verification of the numerical tools implemented here. Finally, problems involving moving and stationary tornadoes are analyzed, including their actions on immersed bodies. For models based on experiments, the variation of the swirl ratio determined the different flow patterns observed in the laboratory. In the vortex model examples, when the tornado impacted on the immersed body, peaks of forces were generated in all directions and, after passing over it, a significant change in the structure of the vortex was produced.

abstract: This thesis focuses on an improved understanding of the dynamics at different length scales of wind farms in an atmospheric boundary layer (ABL) using a series of visualization studies and Fourier, wavelet based spectral analysis using high fidelity large eddy simulation (LES). For this purpose, a robust LES based neutral ABL model at very high Reynolds number has been developed using a high order spectral element method which has been validated against the previous literature. This ABL methodology has been used as a building block to drive large wind turbine arrays or wind farms residing inside the boundary layer as documented in the subsequent work. Studies conducted in the thesis involving massive periodic wind farms with neutral ABL have indicated towards the presence of large scale coherent structures that contribute to the power generated by the wind turbines via downdraft mechanisms which are also responsible for the modulation of near wall dynamics. This key idea about the modulation of large scales have seen a lot of promise in the application of flow past vertically staggered wind farms with turbines at different scales. Eventually, studies involving wind farms have been progressively evolved in a framework of inflow-outflow where the turbulent inflow is being fed from the precursor ABL using a spectral interpolation technique. This methodology has been used to enhance the understanding related to the multiscale physics of wind farm ABL interaction, where phenomenon like the growth of the inner layer, and wake impingement effects in the subsequent rows of wind turbines are important owing to the streamwise heterogeneity of the flow. Finally, the presence of realistic geophysical effects in the turbulent inflow have been investigated that influence the flow past the wind turbine arrays. Some of the geophysical effects that have been considered include the presence of the Coriolis forces as well as the temporal variation of mean wind magnitude and direction that might occur due to mesoscale dynamics. This study has been compared against field experimental results which provides an important step towards understanding the capability of the mean data driven LES methodology in predicting realistic flow structures. / Dissertation/Thesis / Turbulent flow past a large periodic wind farm / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2018