L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d’augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales. / The influence of radiative transfer on natural convection flows in cavities is studied numerically in turbulent regimes. The study considers DNS and LES approaches for the convection problem and discrete ordinate method (MOD) to solve the radiative problem combined with the SLW real gas model. The studied configuration is based on an experimental differentially heated cavity in air located at the Pprime Institut with a vertical aspect ratio of 4, for Rayleigh numbers ranging from 1,5x109 to 1,2x1011. The first part of the study focuses on hybrid MPI + OpenMP parallelization of the DOM. The methods developed show performance improvements of 13 to 1600% compared to the classical wavefront method. Then, a study of convection-wall radiation coupling is achieved through a flow sensitivity study to walls emissivities for different values of the Rayleigh number. Then, the gas radiation is added, and its impact is measured through a variation of the relative humidity of the dry air + steam. The results are compared to the case of a convectively adiabatic cavity (i.e. zero convective flux at the passive walls). Radiative transfers have the effect of reducing the central thermal stratification and increase the overall dynamics of the flow. The emissivity of the passive walls drives the location of the laminar-turbulent transition on the active walls and the central thermal stratification, while the gas radiation seems to impact the boundary layers of the horizontal walls.

Ce travail concerne l’étude d’écoulements incompressibles soumis à la rotation avec un solveur haute précision dans des géométries semi-complexes. La technique numérique mise en œuvre combine des schémas compacts, une méthode de projection multi domaine directe et un traitement efficace de la singularité à l’axe basé sur des conditions de parité dans l’espace de Fourier. Le solveur a été parallélisé avec une approche hybride MPI-OpenMP pour réduire les temps de calcul. Dans un premier temps, les précisions spatiales et temporelles de la méthode numérique et la scalabilité du solveur ont été vérifiées. La capacité du solveur à traiter des écoulements plus complexes a été évaluée en considérant des écoulements de type éclatement tourbillonnaire et un écoulement turbulent en conduite cylindrique. Dans un second temps, plusieurs écoulements typiques des machines tournantes ont été étudiés. Le premier écoulement est un écoulement turbulent incompressible isotherme dans un étage simplifié d’un compresseur haute pression d’une turbine à gaz. Les simulations menées ont mises en évidence l’effet de la rotation sur l’écoulement, notamment sur les instabilités se développant le long des parois et sur les différentes structures cohérentes. Le second cas traité est un écoulement turbulent de jet impactant un disque en rotation avec un fort confinement et transfert thermique. Une attention particulière a été portée sur les champs hydrodynamiques et thermique le long du rotor. Enfin, une étude préliminaire d’un jet turbulent impactant un disque fixe d’épaisseur non nulle dans une configuration moins contrainte avec prise en compte du couplage conduction-convection a été réalisée. / This work deals with the study of rotating incompressible flows with a high accurate solver in semi complex geometries. The numerical method used in this work combines compact schemes, a direct multidomain projection method and an efficient axis treatment based on parity conditions in Fourier space. The use of cylindrical coordinates introduces this mathematical singularity. In order to reduce the calculation time, the solver was parallelized with an hybrid MPI-OpenMP parallelization. First, the spatial and temporal accuracies of the numerical method and the scalability of the solver were checked. Then, the capability of the algorithm to deal with more complex flows was verified. Vortex breakdown flows and turbulent pipe flow were studied. In the second step, typical flows of turbomachineries and rotating systems were considered. The first flow was an incompressible isothermal turbulent flow in a high pressure compressor of gas turbine. The different simulations highlighted the rotation effects on the flows, especially on the instabilities appearing along the walls and the coherent structures. The second considered flow was a turbulent impinging jet on a rotating disk with heat transfer in a small aspect ratio cavity. The hydrodynamic fields and heat transfer near the rotor were analyzed in detail. Finally, a preliminary investigation of an impinging jet on a non-rotating disk in a larger aspect ratio cavity with a coupling between conduction and convection transfer was carried out.

L'amélioration du code Emedge3D (code de bord électromagnétique) est abordée sous plusieurs axes. Premier axe, des innovations sur les méthodes numériques ont été mises en oeuvre. L'avantage des méthodes de type semi-implicite est décrit, leur stabilité inconditionnelle permet l'augmentation du pas de temps, et donc la diminution du nombre d'itérations temporelles requises pour une simulation. Les avantages de la montée en ordre en espace et en temps sont détaillés. Deuxième axe, des réponses sont proposées pour la parallélisation du code. Le cadre de cette étude est proche du problème général d'advection-diffusion non linéaire. Les parties coûteuses ont tout d'abord été optimisées séquentiellement puis fait l'objet d'une parallélisation OpenMP. Pour la partie du code la plus sensible aux contraintes de bande passante mémoire, une solution parallèle MPI sur machine à mémoire distribuée est décrite et analysée. Une bonne extensibilité est observée jusque 384 cœurs. Cette thèse s'inscrit dans le projet interdisciplinaire ANR E2T2 (CEA/IRFM, Université Aix-Marseille/PIIM, Université Strasbourg/Icube). / The main goal of this work is to significantly reduce the computational cost of the scientific application Emedge3D, simulating the edge of tokamaks. Improvements to this code are made on two axes. First, innovations on numerical methods have been implemented. The advantage of semi-implicit time schemes are described. Their inconditional stability allows to consider larger timestep values, and hence to lower the number of temporal iteration required for a simulation. The benefits of a high order (time and space) are also presented. Second, solutions to the parallelization of the code are proposed. This study addresses the more general non linear advection-diffusion problem. The hot spots of the application have been sequentially optimized and parallelized with OpenMP. Then, a hybrid MPI OpenMP parallel algorithm for the memory bound part of the code is described and analyzed. Good scalings are observed up to 384 cores. This Ph. D. thesis is part of the interdisciplinary project ANR E2T2 (CEA/IRFM, University of Aix-Marseille/PIIM, University of Strasbourg/ICube).