L’objectif de cette thèse est d’analyser et d’acquérir de nouvelles connaissances sur le comportement de la dynamique de petites échelles des écoulements turbulents et de proposer un nouveau modèle sous-maille non linéaire pour la simulation des grandes échelles de la turbulence. De cette façon, la présente thèse est subdivisée en trois parties principales. Le premier sujet concerne l’analyse des incertitudes statistiques associées aux données de simulation numérique directe pour des écoulements turbulents en canal plan, fournissant une nouvelle quantification physique de ces erreurs. Dans cette analyse, l’erreur de vitesse moyenne est estimée en prenant en compte le tenseur de contrainte de Reynolds et en utilisant l’équation de forces moyennes. Cette analyse est effectuée afin de vérifier la qualité des données statistiques provenant de la simulation numérique directe appliquée dans le présent travail. Deuxièmement, pour comprendre la physique contenue dans l’ensemble du spectre de nombre d’ondes des écoulements turbulents, une analyse du bilan d’énergie cinétique turbulente dans un écoulement de canal plan turbulent complètement développé est réalisée. L’analyse est centrée sur l’influence du nombre de Reynolds sur la cascade spectrale d’énergie et la cascade d’énergie correspondante dans l’espace physique en présence d’inhomogénéité et d’anisotropie. Finalement, nous présentons un nouveau modèle sous-maille non linéaire, conçu pour la simulation des grandes échelles de la turbulence, basé sur un ensemble de tenseurs objectifs. Dans le modèle de fermeture proposé, le tenseur de contrainte à l’échelle sous-maille est fonction du tenseur de la vitesse de déformation et du tenseur de non-persistance de contraintes, où les deux sont des entités cinématiques locales et objectives. Le tenseur non-persistance de contraintes représente la capacité locale du fluide à ne pas être constamment étiré. Pour vérifier la cohérence du modèle proposé, de tests a priori et a posteriori sont effectués en simulant différents écoulements turbulents délimités par de parois. Des comparaisons avec le tenseur de contrainte exact à l’échelle de sous-maille et de données expérimentales ont révélé que l’inclusion de termes non linéaires dans le modèle sous-maille peut conduire à de meilleurs résultats, montrant le potentiel important de la base tensorielle proposée. / The purpose of the present work is to analyze and to provide an enhancement of the knowledge about the subgrid-scale behavior and to propose novel nonlinear subgrid-scale models for large eddy simulations of turbulent fluid flows. In this way, the present thesis is subdivided into three main parts. The first topic is an analysis of the statistical uncertainties associated with direct numerical simulation data for turbulent channel flow, showing a novel physicallybased quantification of these errors. In this analysis, the mean velocity error is estimated by considering the Reynolds stress tensor, and using the balance of mean force equation. This analysis is performed in order to verify the quality of the statistical data coming from the direct numerical simulation applied in the present work. Secondly, seeking to understand the contained physics in the whole wavenumber spectrum of turbulent flows, an analysis of the spectral turbulent kinetic energy budget in fully developed turbulent plane channel flow is performed. The analysis is focused on the influence of the Reynolds number on the spectral cascade of energy and the corresponding energy cascade in physical space in the presence of inhomogeneity and anisotropy. Finally, a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation based on a set of objective tensors is presented. In the proposed closure model, the modeled subgrid-scale stress tensor is a function of the resolved rate-of-strain tensor and the resolved non-persistence-of-straining tensor, where both are local and objective kinematic entities. The non-persistence-of-straining tensor represents the local ability of the fluid to avoid being persistently stretched. To check the consistency of the proposed model, a priori and a posteriori tests are performed by simulating different wall-bounded turbulent flows. Comparisons with the exact subgrid-scale stress tensor and experimental data revealed that the inclusion of nonlinear terms on the subgrid-scale model can significantly increase the accuracy of the results, showing the great potential of the proposed tensorial base.

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Ce mémoire de maîtrise en milieu industriel présente les travaux réalisés chez Maya Heat Transfer Technologies afin d'implémenter la technique de la simulation des grandes échelles dans le solveur de dynamique des fluides parallèle NIECE. Les modèles de sous-maille [sic] algébriques de Smagorinsky, WALE (Wale Adapting Local Eddy-Viscosity) et le modèle de Vreman ont été retenus et validés.Ce projet de maîtrise se divise [entre] quatre volets. La première partie présente l'implémentation et l'analyse d'un nouveau schéma de discrétisation spatial et temporel dans le contexte d'un algorithme de résolution des équations de Navier-Stokes par une approche mixte [de] volumes éléments finis sur maillage non structuré. Une étude comparative sur la stabilité, la diffusion et [la] dipersion [sic] numérique des nouveaux schémas et ceux déjà existants dans le code permet d'identifier le schéma centré de second ordre en espace, couplé au schéma de Crank-Nicolson en temps comme un compromis adéquat pour la simulation des grandes échelles dans un contexte industriel. Le second volet détaille les résulats [i.e. résultats] de la simulation de la décroissance d'une turbulence homogène isotrope. La décroissance des spectres d'énergie est présentée pour chacun des modèles de sous-maille, puis comparée à la solution sans modèle. L'effet du raffinement du maillage est investigué.Ce volet détaille également l'implémentation et la validation de l'algorithme permettant l'initialisation d'une turbulence isotrope incompressible. Une discussion sur les formulations analytiques des spectres d'énergie de Passot-Pouquet et de von Karman-Pao est finalement présentée. Le problème de la répresentation [i.e. représentation] de l'écoulement à l'entrée du domaine de calcul est ensuite abordé.Ce troisième volet détaille la méthode de génération de turbulence, appelée méthode des tourbillons synthétiques, servant à générer un champ de vitesse cohérent et représentatif d'une turbulence réelle. Une étude de l'influence des paramètres numériques de la méthode permet de dériver un critère automatique de sélection pour l'utilisateur. Pour terminer, une étude comparative de la méthode des tourbillons synthétiques à une méthode d'injection aléatoire est présentée. En dernier lieu, la réalisation du cas de validation du canal plan périodique permet d'investiguer la capacité du code à simuler les propriétés d'une turbulence cisaillée. Les résultats des modèles de sous-maille sont comparés au cas sans modèle de turbulence. L'effet du raffinement du maillage est étudié sur trois différentes grilles. Les statistiques de premier ordre (profil de vitesse moyenne) et les satistiques [i.e. statistiques] de second ordre (profils des composantes du tenseur de Reynolds) sont détaillées et analysées. Finalement, la contribution de l'énergie cinétique résolue et de l'énergie de sous-maille permet de quantifier la contribution des modèles de turbulence sur la solution.

Ce travail a pour objectif de proposer des méthodes pour améliorer la compréhension des processus d'évolution de la Loire moyenne sur quelques décennies. L'analyse des évolutions morphologiques est réalisée en découpant le secteur d'étude en tronçons géomorphologiquement homogènes. Une diminution de la pente et une réduction de la largeur de la bande active entre 1955 et 1996 sont observées. Suite à l'arrêt des extractions (1996), les ajustements se poursuivent de façon plus modérés. Des simplifications géométriques et hydrologiques sont ensuite introduites dans un modèle de trans- port solide unidimensionnel (RubarBE) afin d'être comparées aux résultats obtenus avec la géométrie détaillée et la chronique de débit complète. La géométrie simplifiée permet une modélisation des évo- lutions du lit pertinente tout en réduisant le temps de calcul ; la simplification des chroniques de débit illustre la sensibilité des modèles numériques hydro-sédimentaires à l'hydrologie. Enfin, l'ap- plication des simplifications sur l'ensemble de la Loire moyenne sur la période 1996-2006 confirme les tendances observées par l'analyse des données.

L'évolution des polluants dans l'atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l'ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l'air. En particulier, les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l'air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles, deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu'une approche statistique de réduction d'échelle. Couplage de modèles L'une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu'il s'agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d'un panache émis par une cheminée est très inférieure à l'échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous-maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l'échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L'impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs passifs à l'échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l'échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l'incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l'influence de la résolution du maillage eulérien. Réduction d'échelle statistique Une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d'échelle. Il s'agit de corriger l'erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l'échelle de représentativité d'une station de mesure est souvent inférieure à l'échelle traitée par le modèle (échelle d'une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s'agit d'utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d'améliorer les prévisions aux stations. L'utilisation d'un ensemble de modèles permet de prendre en compte l'incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu'une technique nouvelle appelée "composantes principales ajustées". Les résultats sont présentés pour l'ozone à l'échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain).

L'étude de la plasticité des monocristaux présente un réel intérêt pour la compréhension de la déformation des métaux pendant leur mise en forme. Parmi les causes possibles de la plasticité des monocristaux CFC, le glissement de dislocations est le mécanisme de déformation prépondérant. L'analyse de leurs mouvements (à l'origine de la déformation), de leur accumulation et de leurs interactions (à l'origine de l'écrouissage) est alors nécessaire si l'on souhaite établir des modélisations macroscopiques du comportement mécanique qui aient un sens physique. Une technique d'analyse pertinente est la simulation par la Dynamique des Dislocations Discrètes (DDD), permettant la simulation de la plasticité directement à l'échelle de la dislocation. Ce code, permet de remplacer les techniques expérimentales comme la Microscopie Electronique en Transmission, en donnant accès à la répartition hétérogène des contraintes qui règnent au sein des microstructures de dislocations et qui conditionnent complètement le comportement mécanique. Dans cette thèse, les analyses réalisées en DDD donnent un réel éclairage sur les variables d'état nécessaires à la caractérisation d'une microstructure de dislocations, et à la description mathématiquement de son état physique. Cela permet d'établir une modélisation riche de la plasticité cristalline, apte à rendre compte d'effets d'écrouissage isotropes et cinématiques complexes. La modélisation proposée est adaptée à simuler une large gamme d'amplitudes de déformations plastiques, allant de la fatigue à grand nombre de cycles (ep = 10-5) jusqu'à la traction monotone (ep >100 %) sans nécessité de recalage de paramètres.

Le trafic routier contribue à la pollution atmosphérique aussi bien à proximité des voies avec des polluants tels que le dioxyde d'azote (NO2), les particules (PM) et certains composés organiques volatils (COV) qu'à des échelles spatiales plus grandes (pollution de fond urbaine et régionale) avec des polluants formés dans l'atmosphère tels que l'ozone (O3) et la fraction secondaire des particules. Étant donné les interactions entre pollution de proximité et pollution de fond, il est souhaitable de combiner en un seul outil de calcul des modèles à échelles locale et régionale. Cette méthode de modélisation multi-échelles a été largement utilisée pour simuler l'impact des émissions de cheminées (sources ponctuelles) avec des modèles de panache traités en sous-maille d'un modèle eulérien tri-dimensionnel. Cependant, une telle méthode n'est pas applicable à un réseau routier en raison des temps de calcul prohibitifs associés à la discrétisation d'une source linéique en un ensemble de sources ponctuelles. Par conséquent, une nouvelle méthode de modélisation multi-échelles a été développée, qui traite les panaches émis par des sources linéiques en sous-maille d'un modèle eulérien. Tout d'abord, une formulation améliorée d'un modèle gaussien de panache linéique a été développée. Ce nouveau modèle à ensuite fait l'objet d'une évaluation détaillée avec des mesures en proximité de routes ainsi qu'avec d'autres modèles gaussiens. La combinaison de ce modèle gaussien et d'un modèle eulérien (Polair3D) a été implémentée dans la plate-forme de modélisation Polyphemus. Les performances (temps de calcul et précision) du nouveau modèle de panache en sous-maille ont été évaluées et comparées aux performances des modèles gaussien et eulérien seuls. Ce modèle multi-échelles traite la chimie des oxydes d'azote (NOx) et des principaux COV. Le traitement multi-échelles a un effet important sur les concentrations de certains polluants en termes de pollutions de proximité et de fond urbain / Roadway traffic contributes to atmospheric pollution near roads, with pollutants such as nitrogen dioxide (NO2), particles (PM) along with some volatile organic compounds (VOC), as well as at larger spatial scales (urban and regional background pollution) with pollutants formed in the atmosphere such as ozone (O3) and the secondary fraction of PM. Because of interactions between local and background pollutants, it is desirable to combine into a single computational tool, regional and local scale models. This multi-scale modeling method has been widely used to simulate the impact of chimney emissions (point sources) with a sub-grid treatment of plume or puff models instead within a 3-dimensional Eulerian model. However, such a method is not applicable to a road network because of the prohibitive computations associated with the line source discretization into a set of point sources. Thus, a new multi-scale modeling method was developed, which treats the plumes emitted from line sources as sub-grid components of an Eulerian model. First, an improved formulation of a Gaussian plume model for line sources was developed. This new model was then subject to a detailed evaluation with near roadway measurements along with other Gaussian models. The incorporation of the Gaussian plume model into an Eulerian model (Polair3D) was implemented as part of the modeling platform Polyphemus. The performance (computational effectiveness and precision) of the new multi-scale model (Plume-in-Grid) was evaluated and compared to those of a stand-alone Gaussian and Eulerian models. The multi-scale model treats nitrogen oxide (NOx) chemistry along with major VOC. The multi-scale treatment has an important effect on the concentration of some pollutants in terms of local and urban background pollution

Cette thèse étudie une large gamme de processus liés au cycle de l'eau. La sensibilité du cycle hydrologique global à la représentation de l'hydrologie du sol est analysée à l'aide d'un Modèle de Circulation Générale (MCG). Trois directions sont explorées : l'influence d'un terme de drainage, celle de la capacité en eau du sol, et celle de la variabilité sous-maille de l'hydrologie continentale, à travers une paramétrisation distribuée du ruissellement. La sensibilité de la branche atmosphérique du cycle hydrologique dépend de l'amplitude et du signe des variations d'évaporation continentale moyennes induites par les paramétrisations étudiées. Elle dépend aussi de la distribution spatiale et temporelle de ces variations. Cette distribution est particulièrement sensible à l'hydrologie du sol dans les tropiques, où elle entraine des modifications importantes de la circulation de Hadley-Walker et de la mousson indienne associée. Les paramétrisations de l'hydrologie du sol n'ont cependant qu'une influence très faible sur la convergence d'humidité moyenne sur les continents, en regard de la surestimation systématique de cette grandeur dans le MCG. La seconde partie de cette thèse présente le développement d'un Modèle de Transport Latéral de l'eau dans les grands bassins versants, le MTL, et son application pour simuler le débit de 14 grands fleuves, à partir de l'écoulement total journalier simulé par un MCG. Le MTL permet de reproduire de manière satisfaisante le retard entre le maximum de l'écoulement total sur un bassin et le maximum du débit à l'aval du bassin, si l'on tient compte des différences entre les précipitations simulées et observées, et des simplifications de l'hydrologie du sol dans le MCG.

On étudie un aspect du problème général d'obtention des maillages de type éléments finis. On cherche à améliorer un maillage existant sans changer la topologie actuelle des tétraèdres. On propose des méthodes générales et algorithmiques d'optimisation classique de type méthodes de sous-gradient. On applique ces méthodes à des cas d'école et à des cas réels

Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l'écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d'aube, est l'origine de pertes d'énergie, d'instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l'emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l'influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L'écoulement en régime sous-critique autour d'un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu'une turbulence intense, tout comme l'écoulement de jeu. Les simulations permettent l'obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d'extraction du champ moyen montre que l'adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l'analyse d'un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d'aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d'aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l'emploi d'un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d'aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l'aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n'est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques.