La compréhension des phénoménes turbulents représente un des problèmes majeurs actuels. Bien que les équations qui décrivent ces phénomènes soient bien connues (les équations de Navier-Stokes), leur résolution analytique ou numérique reste limitée à des écoulements en géométries simples et à des nombres de Reynolds faibles. La méthode de Simulation des Grandes Echelles (LES) est bien adaptée pour la prédiction des écoulements turbulents, sans faire appel à des moyens informatiques prohibitifs. Cette méthode consiste à ne calculer que les grandes structures d'un écoulement turbulent, l'influence des petites structures étant prise en compte via un modèle de turbulence. Trois principaux objectifs ont déterminé l'orientation de ce travail: l'étude théorique du modèle de Smagorinsky, le développement de modèles de turbulence et l'étude numérique du comportement de quelques modèles sous-maille dans deux configurations: la reconnection des deux tubes de vorticité et la turbulence homogène et isotrope. Sur la base de résultats théoriques dus à P. Constantin et Ch. Fefferman, on s'intéresse à une variante sélective du modèle de Smagorinsky et à un modèle anisotrope sélectif. Nous évaluons les forces et les faiblesses de ces modèles par des comparaisons avec des résultats obtenus par des simulations numériques directes ou utilisant d'autres modèles (le modèle de Smagorinsky classique et un modèle de type différentiel).

Cette thèse traite des transferts pariétaux dans les écoulements turbulents supersoniques via la simulation des grandes échelles turbulentes. Des couches limites adiabatique et refroidie évoluant à Mach M∞ = 2 et à Reynolds Re0 ≈ 2600 sont considérées. Les simulations numériques utilisent un schéma split-centered d’ordre élevé pour la discrétisation des flux convectifs. Les résultats obtenus sont comparés aux simulations numériques directes (DNS) disponibles dans la littérature. Plusieurs modèles de sous-maille ont été testés et validés. Il a été montré que ces modèles exigent un minimum de raffinement de maillage afin de capturer les structures les plus énergétiques présentes en proche paroi. Les modèles montrent des performances différentes pour la distribution de la température à la paroi. Pour le cas d’une paroi refroidie, les fluctuations de température totale ne sont pas négligeables dans la région proche-paroi. Et l’anticorrélation (u’, T’) se basant sur l’hypothèse de Morkovin n’est pas satisfaite. / This work deals with spatially-evolving supersonic turbulent boundary layers over adiabatic and cold walls at M∞ = 2 and up to Re0 ≈ 2600 using 3 different SGS models. The numerical methodology is based on high-order split-centered scheme to discretize the convective fluxes of the Navier-Stokes equations . For the adiabatic case, it is demonstrated that all SGS models require a comparable minimum grid-refinement in order to capture accurately the near-wall-turbulence. Overall, the models exhibit correct behavior when predictiong the dynamic properties, but show different performances for the temperature distribution in the near-wall region. For the isothermal case, it is found that the compressibility effects are not enhanced due to the wall cooling. As expected, the total temperature fluctuations are not negligible in the near-wall region. The study shows that the anti-correlation linking both velocity and temperature fields, derived from the Morkovin's hypothesis, is not satisfied.

L'objectif de cette étude est d'analyser l'écoulement traversant le récepteur solaire haute température de la centrale PEGASE. Cet écoulement est turbulent et soumis à un très fort gradient de température. Nous utilisons la simulation des grandes échelles thermiques appliquée aux équations bas-Mach pour étudier l'écoulement turbulent dans une géométrie de canal plan bi-périodique avec températures imposées aux parois. Pour cette étude, nous avons réalisé des simulations pour deux nombres de Reynolds turbulents différents (Re_tau m = 180 et Re _taum = 395) et pour quatre rapports de température (T2=T1 = 1 ; 1; 04 ; 2 et 5). Après avoir validé notre modèle, nous avons réalisé une étude sur la modélisation sous-maille thermique qui conclut sur la nécessité d'utiliser un modèle sous-maille thermique dynamique pour un écoulement ayant une forte intensité turbulente soumis à un très fort gradient de température. Nous analysons l'influence du gradient de température sur les différents profils de vitesse et de température ainsi que sur les spectres d'énergie. Augmenter le gradient de température crée une dissymétrie de tous les profils. Une relaminarisation du côté chaud est visible. On remarque une nouvelle répartition des fluctuations à travers le canal ainsi que de l'énergie en fonction de la taille des échelles. Une création de fluctuations de vitesse et de température a également été mise évidence du côté froid et du côté chaud du canal. Ces effets sont dus, à la fois à une variation de la viscosité cinématique (effet direct de la température) et à une interaction entre les champs turbulents dynamique et thermique.