This thesis focused on investigating flow, coherent structures, and mechanisms leading to scour around a series of three submerged groynes in a high curvature (radius of curvature (R)/channel width (B)=1.5) channel bend using a Large Eddy Simulation Numerical (LES) model. Flow was investigated during both an initial and a later stage of scour. The results showed that the groynes appeared effective in keeping the main core of high streamwise velocity away from the outer bank wall in the region where they were installed, although high potential still existed for local scour around the groynes. During the initial stage of scour, horseshoe vortices (HVs) showed the greatest propensity to induce scour immediately upstream of the groyne tips. During the later stage of scour, the HV in front of the first upstream groyne (G1) induced very high mean pressure fluctuations on the outer bank wall. Scour was also of very great concern around the tip of G1 due to severe mean bed pressure fluctuations. Downstream of the groyne field, the presence of a counter-rotating outer bank cell was capable of endangering the stability of the outer bank. The second focus of this thesis was to investigate flow in a 135° channel bend using both Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and LES numerical models. The RANS study examined the effects of curvature ratio (R/B), and aspect ratio (B/H, where H is the inlet flow depth), on secondary circulation strength, and bed shear stresses. The study revealed that a decrease in R/B was associated with an increase in secondary circulation strength and peak bed shear stress. A change in B/H also substantially affected cross stream circulation strength. The LES study was conducted in a 135° (R/B = 1.5) bend flume with a fixed bed corresponding to near equilibrium scour conditions, and the results were compared to a similar high curvature 193° bend numerical study. Inner bank vortices and shear layers were present in both cases although their characteristics were substantially different. Distributions of boundary friction velocities, and turbulence were also quite different for each case.

Le développement des énergies renouvelables passe par l’exploitation de nouvelles sources d’énergie. La filière hydrolienne, dédiée à la récupération de l’énergie des courants de marée, est proche de l’industrialisation. Cependant, les conditions hydrodynamiques turbulentes des sites hydroliens sont encore mal connues. Cette thèse propose d’examiner à l’échelle locale l’effet des rugosités du fond marin sur la génération de tourbillons hautement énergétiques par la simulation numérique en mécanique des fluides de type méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode est particulièrement adaptée à la simulation d’écoulements instationnaires sur un domaine de simulation complexe. Dans un premier temps, les phénomènes physiques de détachements tourbillonnaires sur des macro-rugosités canoniques sont décrits. L’appariement de structures tourbillonnaires est mis en évidence dans le processus de formation de tourbillons hautement énergétiques. Dans un deuxième temps, la simulation permet d’observer de tels phénomènes dans le cas d’écoulements environnementaux intégrant une bathymétrie réelle. Ces simulations, validées par rapport à des mesures in situ, mènent à une meilleure compréhension des effets du fond marin sur la turbulence en milieu hydrolien. En particulier, l’importance des failles géologiques dans la génération de turbulence dans la zone d’étude est mise en évidence. / Renewable energy development calls for exploitation of new energy resources. Tidal stream power harvesting is now close to the industrialisation step. Still, turbulent hydrodynamic conditions at tidal sites are not well understood. This thesis aims to investigate the local scale effect of sea bottom roughnesses on energetic vortex generation with computational fluid simulations using the lattice Boltzmann method. This method is highly indicated for unsteady flow simulations of complex domains. First, the physical phenomena involved in vortex emission around canonical macroroughnesses are described. Vortex merging is identified in the generation process of energetic vortices. Then, such physical events are reproduced in the case of environmental flow simulations using a real seabed morphology. These simulations are validated on in situ measured data, and lead to a better understanding of the sea bottom effect on tidal stream site turbulence. They demonstrate the role of geological faults on the local turbulence.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21582号 / 理博第4489号 / 新制||理||1644(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)准教授 竹見 哲也, 准教授 石岡 圭一, 教授 秋友 和典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail. / This work proposes a modeling as generic as possible of the combustion in automotive engines in the framework of large-eddy simulation. A first study addresses the closure of the non resolved transport term for the premixed flame. Then, a coupling between the models pcm-fpi and ecfm-les is proposed and validated to account for the detailed chemistry effects in the premixed flame modeling. This work is extended adding specific models for spark-ignition and auto-ignition, still integrating detailed chemistry effects. This work is ended by computations of abnormal combustions occurring in spark-ignition engines.

Cette thèse est consacrée à l’amélioration des capacités de prédiction des émissions d’oxydes d’azote (NO et NO2) des foyers de combustion aéronautiques. Les travaux, exclusivement numériques, consistent d’abord dans une étude de la cinétique chimique responsable des émissions polluantes. Cetteétude conduit à l’écriture d’un modèle, nommé NOMANI (pour Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), basé sur l’approche PCM-FPI (pour Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) avec une variable de progrès additionnelle afin calculer l’avancement de la chimie azotée une fois la chimie carbonée à l’équilibre. Différentes validations sur des configurations laminaires simples puis des flammes de laboratoire de Sandia sont présentées. Les résultats en terme de structure de flamme et d'émission de monoxyde d’azote sont confrontés aux mesures expérimentales. Le dernier volet de ces travaux, disponible uniquement dans la version confidentielle du manuscrit, consiste dans le développement d’un modèle de prédiction de polluants associé au modèle TF-LES (pour Thickening Flame for Large Eddy Simulation). Le modèle développé est ensuite appliqué à des calculs d’une chambre de combustion aéronautique. / This thesis is focused on the prediction capabilities of nitrogen oxides (NO and NO2) for numerical tools applied to aeronautical combustion chambers. The modeling work is based on a study of the chemical kinetic that produced the pollutant emissions. This study leads to a model, called NOMANI (Nitrogen Oxide emission model with one-dimensional MANIfold), based on PCM-FPI (Presumed Conditional Moments - Flame Prolongation of ILDM) with an additional progress variable to compute the NO evolution once the carbon chemistry is at the equilibrium. Several benchmarks and test-cases (laminar and turbulent flames) are gathered in this study : Sandia flame have been computed and satisfactory comparisons with measurements are obtained. The last part of this work, only available in the confidential version of the manuscript, is the development of a model to predict pollutant associated with the model TF-LES (for Thickening Flame for Large Eddy Simulation). This model is then applied to computations of a aeronautical combustion chambers.

La combustion stratifiée, qui consiste à brûler un mélange carburant/oxydant inhomogène, et la combustion diluée, consistant à ajouter une quantité limitée de gaz brûlés, sont deux technologies utilisées dans les moteurs à piston pour réduire leur consommation. Cette thèse est dédiée à l’étude de l’allumage dans ces deux types de milieux en régimes laminaire et turbulent. Un nouveau schéma cinétique pour la combustion propane/air a été dérivé et combiné à deux approches de modélisation différentes : la chimie complexe et une approche de chimie tabulée de type FPI. Dans le cas laminaire, les deux approches de modélisation donnent des résultats similaires et un modèle simple a mis en évidence l’importance de la dynamique des gaz frais et des gaz brûlés sur le développement du noyau. Dans le cas turbulent, plusieurs techniques d’analyse ont montré la dépendance de la vitesse absolue de la flamme au champ de vitesse moyen et la décorrélation des fluctuations locales de richesse. / Stratified combustion, which consists in burning an inhomogeneous fuel/air mixture, and diluted combustion, which consists in adding a limited quantity of burnt gases, are two technologies used in internal combustion engines to reduce fuel consumption. This Ph.D is devoted to the study of ignition in these two types of combustion in laminar and turbulent regimes. A new kinetic scheme for propane/air combustion has been derived and combined to two modeling approaches: finite-rate chemistry and an FPI tabulated chemistry approach. In the laminar case, both approaches give similar results and a simplified model has highlighted the importance of fresh and burnt gases dynamics on the kernel development. In the turbulent case, several techniques of analysis have shown the dependency of absolute flame speed on the mean fluid velocity and the lack of correlation to the local equivalence ratio.

Cette thèse, initiée par un programme de coopération franco-britannique entre la DGA et la DSTL, est consacrée à l’étude des phénomènes de décollement de jet au sein des tuyères propulsives sur-détendu. L’aérothermodynamique des systèmes propulsifs (missile, avion supersonique ou lanceur) est un des domaines de la mécanique des fluides où des progrès décisifs restent à réaliser pour améliorer les performances des ensembles moteurs, en terme de bilan de poussée, de stabilité, de fiabilité et de réduction de nuisances (bruit, émission de polluants, etc.). Les conditions de vols et la complexité des phénomènes caractéristiques n’étant pas reproductibles sur bancs d’essais à l’aide des outils expérimentaux actuelles, l’utilisation de simulation numérique permettrait une étude approfondie et précise des phénomènes mis en jeu. Le besoin d’informations concernant l’instationnarité de l’écoulement s’affirmant de plus en plus, notamment sur les phénomènes basse fréquence dû aux décollements de jets, l’utilisation des simulations numériques aux grandes échelles (LES) permettrait de faire face au coût prohibitif des simulations directes (DNS). Les tuyères sur-détendu souffrent de charges latérales, caractérisées par des forces instationnaires orthogonales à la direction de l’écoulement. Ils sont causés par le décollement de la couche limite se développant le long de la paroi, provoquant des excursions de chocs importants, parfois asymétrique. Ces phénomènes instationnaires ont déjà été observés expérimentalement et numériquement. Ces instationnarités émergent d’une combinaison de phénomène complexe, tels que les interactions choc/couche limite sur la paroi de la tuyère, les couches de mélange décollées ou les zones de recirculation en aval du décollement, toutes produisant des modes énergétiques à différente fréquence caractéristique et tout particulièrement dans la plage de basse fréquence. Capturer le phénomène de décollement est un véritable défi dû à la nécessité de résoudre plusieurs échelles spatiales et temporelles. L’utilisation des simulations directes (DNS) ou résolu proche paroi (WR-LES) devient difficile compte tenu des ressources en calcul numérique actuelles. Pour parer ce problème, l’utilisation d’une stratégie de modélisation proche paroi est nécessaire. Le modèle de paroi développé par Kawai & Larsson (2013) est intégré à la simulation LES, combiné au modèle de viscosité de Duprat et al. (2011) afin de tenir compte des gradients de pression rencontré tout au long de la tuyère. Le développement d’un code curviligne a également permis de réduire le coût de calcul des simulations cylindriques en utilisant un maillage raffiné proche paroi. Les résultats obtenus à partir des simulations modélisés (WM-LES) permettent de bien mettre en évidence les phénomènes d’instationnarité menant au problème de charge latérale. Le coût de calcul étant réduit de 40 fois comparé à une simulation résolu proche paroi WR-LES, la production d’une base de donnée basse fréquence devient possible. La comparaison des calculs modélisés aux calculs résolus et aux données expérimentales confirme la bonne implémentation du modèle pour des simulations LES de tuyère propulsive. La caractérisation des différents phénomènes est faite à l’aide d’analyses spectrales effectuées sur la base de donnée permettant de mettre en avant le phénomène basse fréquence rencontré dans les tuyères sur-détendu. / The present thesis, sponsored by a Franco-British cooperation program between the DGA and the DSTL, is devoted to the study of separation phenomenon in over-expanded nozzle. The aerothermodynamic of propulsion systems (missile, supersonic aircraft or launcher) is one the fields of fluid mechanics where important progress remains to be made in order to improve the performance of the engine, in terms of thrust, stability, reliability and pollutant (noise reduction, pollutant emissions, etc.). Since the flight conditions and the complexity of the characteristic phenomena are not reproducible on experimental benches, the use of numerical simulation would allow a thorough and precise study of the phenomena involved. The instationnarity observed in the separation of the boundary layer is becoming a main concern nowadays, especially the low-frequency phenomenon observed in some experiments, the use of large scale simulations (LES) would fit perfectly the computational power allocated on supercomputer compared to the prohibitive cost of direct simulations (DNS). Over-expanded nozzles are known to suffer from side loads, characterized by undesired unsteady forces orthogonal to the flow direction. They are caused by boundary-layer separation that causes significant and asymmetrical shock excursions within the nozzle. These phenomena have been studied experimentally and numerically. They emerge from a combination of complex unsteady flow phenomena, not yet fully understood, such as shock/boundary-layer interactions at the nozzle walls, detached mixing layers, and large regions of recirculating flow, all producing energetic motions at frequencies one or two orders of magnitudes lower than the characteristic frequency of the incoming turbulence. Capturing the phenomenon is a real challenge due to the need to resolve at least four decades of time scales, from the energetic scales of the incoming turbulence. This makes both direct (DNS) and wall-resolved large-eddy simulations (WR-LES) rather impractical. Instead, a wall-modelled LES (WM-LES) strategy is employed here, following the approach of Kawai & Larsson (2013) together with the eddy-viscosity modification of Duprat et al. (2011) so as to account for pressure gradients. The WM-LES is found to accurately reproduce the flow topology, as well as the spectral content obtained by a reference WR-LES. The development of a curvilinear code has allowed us to decrease the cost of computation of the simulations by using a stretched mesh close to the wall. The results obtained from the wall-modeled simulations (WM-LES) allowed us to capture and study the phenomena of instationnarity leading to the problem of side-loads. The WM-LES being about 40 times cheaper, the low-frequency motions may be statistically converged, enabling the study of the very low frequencies. The comparison of the modeled simulations with the resolved simulations and the experimental data confirms the good implementation of the model for LES computations of over-expanded nozzle flow. The characterization of the different phenomena is done through spectral analyses, carried out on the LES database allowing the highlight of the low-frequency phenomenon encountered in the over-expanded nozzle flow.

La simulation aux grandes échelles est devenue un outil d’analyse incontournable pour l’étude des écoulements turbulents dans des géométries complexes. Cependant, à cause de l’augmentation constante des ressources de calcul, le traitement des grandes quantités de données générées par les simulations hautement résolues est devenu un véritable défi qu’il n’est plus possible de relever avec des outils traditionnels. En mécanique des fluides numérique, cette problématique émergente soulève les mêmes questions que celles communément rencontrées en informatique avec des données massives. A ce sujet, certaines méthodes ont déjà été développées telles que le partitionnement et l’ordonnancement des données ou bien encore le traitement en parallèle mais restent insuffisantes pour les simulations numériques modernes. Ainsi, l’objectif de cette thèse est de proposer de nouveaux formalismes permettant de contourner le problème de volume de données en vue des futurs calculs exaflopiques que l’informatique devrait atteindre en 2020. A cette fin, une méthode massivement parallèle de co-traitement, adaptée au formalisme non-structuré, a été développée afin d’extraire les grandes structures des écoulements turbulents. Son principe consiste à introduire une série de grilles de plus en plus grossières réduisant ainsi la quantité de données à traiter tout en gardant intactes les structures cohérentes d’intérêt. Les données sont transférées d’une grille à une autre grâce à l’utilisation de filtres et de méthodes d’interpolation d’ordre élevé. L’efficacité de cette méthodologie a pu être démontrée en appliquant des techniques de décomposition modale lors de la simulation 3D d’une pale de turbine turbulente sur une grille de plusieurs milliards d’éléments. En outre, cette capacité à pouvoir gérer plusieurs niveaux de grilles au sein d’une simulation a été utilisée par la suite pour la mise en place de calculs basés sur une stratégie multi-niveaux. L’objectif de cette méthode est d’évaluer au cours du calcul les erreurs numériques et celles liées à la modélisation en simulant simultanément la même configuration pour deux résolutions différentes. Cette estimation de l’erreur est précieuse car elle permet de générer des grilles optimisées à travers la construction d’une mesure objective de la qualité des grilles. Ainsi, cette méthodologie de multi-résolution tente de limiter le coût de calcul de la simulation en minimisant les erreurs de modélisation en sous-maille, et a été appliquée avec succès à la simulation d’un écoulement turbulent autour d’un cylindre. / Large-Eddy Simulation (LES) has become a major tool for the analysis of highly turbulent flows in complex geometries. However, due to the steadily increase of computational resources, the amount of data generated by well-resolved numerical simulations is such that it has become very challenging to manage them with traditional data processing tools. In Computational Fluid Dynamics (CFD), this emerging problematic leads to the same "Big Data" challenges as in the computer science field. Some techniques have already been developed such as data partitioning and ordering or parallel processing but still remain insufficient for modern numerical simulations. Hence, the objective of this work is to propose new processing formalisms to circumvent the data volume issue for the future 2020 exa-scale computing objectives. To this aim, a massively parallel co-processing method, suited for complex geometries, was developed in order to extract large-scale features in turbulent flows. The principle of the method is to introduce a series of coarser nested grids to reduce the amount of data while keeping the large scales of interest. Data is transferred from one grid level to another using high-order filters and accurate interpolation techniques. This method enabled to apply modal decomposition techniques to a billion-cell LES of a 3D turbulent turbine blade, thus demonstrating its effectiveness. The capability of performing calculations on several embedded grid levels was then used to devise the multi-resolution LES (MR-LES). The aim of the method is to evaluate the modeling and numerical errors during an LES by conducting the same simulation on two different mesh resolutions, simultaneously. This error estimation is highly valuable as it allows to generate optimal grids through the building of an objective grid quality measure. MR-LES intents to limit the computational cost of the simulation while minimizing the sub-grid scale modeling errors. This novel framework was applied successfully to the simulation of a turbulent flow around a 3D cylinder.

The Charles University Large-eddy Microscale Model (CLMM) and its application are presented. It is a numerical model for simulation of turbulent flow and dispersion in the planetary boundary layer. CLMM solves the incompressible Navier-Stokes equations in the Boussinesq approximation and describes turbulence using the large eddy simulation. Three applications of the model are presented. In the first case, the model is applied to the stable boundary layer over a flat terrain. The second case presents the simulations of stably stratified flows over obstacles. The last case deals with the dispersion of a hazardous material within an urban canopy. It was performed in the frame of the COST Action ES1006 and uses the Michelstadt flow and dispersion dataset for model validation.

The contribution compares results of Large Eddy Simulations of the cavitating flow in a model oil hydraulic spool valve using an Euler-Euler and a one-way coupled Euler- Lagrange model. The impact of the choice of the empirical constants in the Kunz cavitation model is demonstrated. Provided these are chosen appropriately the approach can yield reasonable agreement with the corresponding experiment. The one-way Euler-Lagrange model yields less agreement. It is demonstrated that this is due to the lack of realistic volumetric coupling, rarely accounted for in this type of method. First results of such an algorithm are presented featuring substantially more realism.