Natural stream systems contain a variety of flow geometries which contain flow separation, turbulent shear layers, and recirculation zones. This work focuses on streams with dead zones. Characterized by slower flow and recirculation, dead zones are naturally occurring cutouts in stream banks. These dead zones play an important role in stream nutrient retention and solute transport. Previous experimental work has focused on idealized dead zone geometries studied in laboratory flumes. This work explores the capabilities of computational fluid dynamics (CFD) to investigate the scaling relationships between flow parameters of idealized geometries and the time scales of transport. The stream geometry can be split into two main regions, the main stream flow and the dead zone. Geometric parameters of the dead zone as well as the bulk stream velocity were varied to determine a scaling relationship for the transport time scales. These flow geometries are simulated using the RANS turbulence model with the standard k-ω closure. The standard first order dead zone model is expanded to a two region model to accommodate the multiple time scales observed in the simulation results. While this model currently has limited predictive capability, it provides physical insight into the functional dependence of the dead zone time scales. LES is used to evaluate the performance of the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence model and to describe the anisotropic turbulence characteristics. The differences between the time averaged flow field for Large Eddy Simulation (LES) and RANS was determined to have a significant impact on passive scalar transport. / Graduation date: 2012

La simulation numérique d'écoulements turbulents dans les systèmes de refroi- dissement de joints de pompes hydrauliques demande à considérer des domaines de calcul très étendus et des temps d'intégration très longs. La modélisation hybride RANS/LES zo- nale pourrait permettre de reproduire, dans un temps de calcul acceptable industriellement, l'ensemble des phénomènes thermiques et dynamiques en présence. L'approche consiste à faire interagir une simulation des grandes échelles (LES), représentant finement les phé- nomènes instationnaires de la turbulence dans certaines régions critiques de l'écoulement, avec l'approche statistique (RANS), moins coûteuse numériquement et dont la mise en oeuvre dans le reste du domaine permet de rendre compte des variations globales imposées à l'écoulement (injection d'eau froide dans de l'eau chaude, rotation de l'arbre et de la roue, etc...). Dans cette optique, une étude détaillée des modélisations adaptées aux écoulements en rotation est réalisée, suivant les deux approches RANS et LES. De nombreux modèles de turbulence sont comparés sur un cas test de canal en rotation. Le couplage zonal aux faces de bord par la méthode des structures turbulentes synthétiques (SEM) est étudié et une méthode innovante de couplage volumique par force de rappel (Forçage Linéaire Ani- sotrope) sur une zone de recouvrement RANS/LES est proposée. Ces deux méthodes sont étendues pour la première fois à la thermique. Les simulations hybrides RANS/LES zonales présentées, sur des cas test de canal fixe, en rotation ou en convection forcée, montrent la faisabilité de telles modélisations pour des applications industrielles.

Separated flows about single and multi-element airfoils are featured in many scenarios of practical interest, including: stall of fixed wing aircraft, dynamic stall of rotorcraft blades, and stall of compressor and turbine elements within jet engines. In each case, static and/or dynamic stall can lead to losses in performance. More importantly, modeling and analysis tools for stalled flows are relatively poorly evolved and designs must completely avoid stall due to a lack of understanding. The underlying argument is that advancements are necessary to facilitate understanding of and applications involving static and dynamic stall. The state-of-the-art in modeling stall involves numerical solutions to the governing equations of fluids. These tools often either lack fidelity or are prohibitively expensive. Ever-increasing computational power will likely lead to increased application of numerical solutions. The focus of this thesis is improvements in numerical modeling of stall, the need of which arises from poorly evolved analysis tools and the spread of numerical approaches. Technical barriers have included ensuring unsteady flow field and vorticity reproduction, transition modeling, non-linear effects such as viscosity, and convergence of predictions. Contributions to static and dynamic stall analysis have been been made. A hybrid Reynolds-Averaged Navier-Stokes/Large-Eddy-Simulation turbulence technique was demonstrated to predict the unsteadiness and acoustics within a cavity with accuracy approaching Large-Eddy-Simulation. Practices to model separated flows were developed and applied to stalled airfoils. Convergence was characterized to allow computational resources to be focused only as needed. Techniques were established for estimation of integrated coefficients, onset of stall, and reattachment from unconverged data. Separation and stall onset were governed by turbulent transport, while the location of reattachment depended on the mean flow. Application of these methodologies to oscillating flapped airfoils revealed flow through the gap was dominated by the flap angle for low angles of attack. Lag between the aerodynamic response and input flap scheduling was associated with increased oscillation frequency and airfoil/flap gap size. Massively separated flow structures were also examined.

La capacité de simuler la dynamique de la couche limite turbulente représente aujourd'hui un enjeu important pour la prévision de l'aérodynamique instationnaire et de l'aéroacoustique des aéronefs et des véhicules terrestres. Aussi, les travaux présentés dans ce manuscrit proposent une méthode originale de simulation de la dynamique des écoulements turbulents pariétaux, à haut nombre de Reynolds, sur des géométries curvilignes. L'approche ZDES, dans son mode " Wall Modelled Large Eddy Simulation ", est ici retenue. Dans un premier temps, une méthode de réactivation turbulente, par combinaison de l'injection de turbulence synthétique et de l'application de termes de forçage, est développée afin de permettre une résolution WMLES locale des régions d'intérêt au sein d'une simulation majoritairement RANS. Puis l'étude des interactions entre la physique et la méthode de résolution numérique (ZDES), sur le cas d'une couche limite turbulente sans gradient de pression en développement spatial jusqu'à Re13 000, a conduit à une généralisation des conditions d'emploi du mode WMLES de la ZDES. Des post-traitements instationnaires avancés ont permis de démontrer la capacité de la méthode à simuler la dynamique particulière de la zone externe à ces grands nombres de Reynolds. Enfin, les différentes méthodes développées au cours de cette étude ont été appliquées à la simulation d'une manche à air coudée de section rectangulaire. Cette nouvelle méthode a permis de simuler avec succès la dynamique multi-échelles de cet écoulement et des distorsions dynamiques associées, pour un coût environ 50 fois inférieur à celui d'une approche LES classique

A cause de sa température élevée, le jet propulsif d'un avion de combat est une source de rayonnement infrarouge qui rend l'appareil très vulnérable. Ce rayonnement peut toutefois être réduit en accélérant le mélange du jet avec l'atmosphère. <br />Cette thèse est consacrée à la simulation numérique d'un jet propulsif réaliste contrôlé par des injections radiales et à l'analyse physique des mécanismes d'augmentation de son mélange. <br />Deux types de simulations, RANS et ZDES, ont été réalisés sur la base du modèle de Spalart-Allmaras. Dans le modèle ZDES, une nouvelle longueur caractéristique de maille est formulée et améliore sensiblement la prévision de la région initiale du jet. Globalement, les simulations ZDES restituent fidèlement le champ moyen du jet supersonique sans et avec contrôle, aussi bien les cellules de détente/compression que la diffusion turbulente. <br />L'analyse physique est dédiée à la compréhension d'une part des mécanismes compressibles concentrées au coeur du jet et d'autre part des mécanismes tourbillonnaires périphériques ainsi qu'à l'évaluation de leurs rôles respectifs dans l'augmentation du mélange. Il en ressort que l'augmentation du mélange est exclusivement due aux mécanismes tourbillonnaires. Une étude paramétrique fournit des indications pour concevoir un mélangeur efficace. L'analyse des tourbillons focalisée sur le régime lointain quasi-bidimensionnel souligne leur dynamique moyenne et fait apparaître l'action des fluctuations turbulentes sur leur taux de dégénérescence. Enfin, deux régimes de contrôle sont identifiés et associés aux pénétrations respectivement quasi-stationnaire et intermittente des jets secondaires.

Langmuir turbulence in the upper ocean is generated by the interaction between the wind-driven shear current and the Stokes drift velocity induced by surface gravity waves. In homogenous (neutrally stratified) shallow water, the largest scales of Langmuir turbulence are characterized by full-depth Langmuir circulation (LC). LC consists of parallel counter-rotating vortices aligned roughly in the direction of the wind. In shallow coastal shelves, LC has been observed engulfing the entire water column, interacting with the boundary layer and serving as an important mechanism for sediment re-suspension. In this research, large-eddy simulations (LES) of Langmuir turbulence with full-depth LC in a wind-driven shear current have revealed deviations from classical log-layer dynamics in the surface and bottom of the water column. For example, mixing due to full-depth LC induces a large wake region eroding the classical bottom (bed) log-law velocity profile. Meanwhile, near the surface, Stokes drift shear serves to intensify small scale eddies leading to enhanced mixing and disruption of the surface velocity log-law. The modified surface and bottom log-layer dynamics induced by Langmuir turbulence and full-depth LC have important implications on Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations (RANSS) of the general coastal ocean circulation. Turbulence models in RANSS are typically calibrated under the assumption of log-layer dynamics, which could potentially be invalid during occurrence of Langmuir turbulence and associated full-depth LC. A K-Profile Parameterization (KPP) of the Reynolds shear stress in RANSS is introduced capturing the basic mechanisms by which shallow water Langmuir turbulence and full-depth LC impact the mean flow. Single water column RANS simulations with the new parameterization are presented showing good agreement with LES

A computational approach to analyze the hydrodynamic performance of a hydrofoil or a marine propeller undergoing unsteady motion has been developed. In order to simulate heave and pitch motion of a hydrofoil, an unsteady boundary element method based modeling is performed. The wake of the hydrofoil is modeled by a continuous dipole sheet and determined in time by applying a force-free condition on its surface. An explicit vortex core model is adapted in this model to capture the rolling up shape and to avoid instability due to roll-up deformation of the wake. The numerical results of the developed model are compared with analytical results and those from the commercial Reynolds-Averaged Navier-Stokes solver (ANSYS/FLUENT). The results show close level of agreement with each other. The problem of flow around a marine propeller performing surge, roll and heave motion in an unbounded fluid is formulated and solved using both a vortex-lattice method and a boundary element method. A fully unsteady wake alignment algorithm is implemented into the vortex-lattice method in order to satisfy the force-free condition on the propeller wake surface. Finally, a comparative study of transient propeller forces on a propeller blade obtained from BEM and VLM (with or without fully aligned wake) is carried out and results are presented. In some cases, results from the presented methods are compared with those from RANS or other numerical methods available in the literature. / text

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des énergies renouvelables au sein du programme HARVEST du laboratoire LEGI, qui consiste à développer un concept d'hydrolienne de type Darrieus. L'hydrolienne peut être équipée d'un dispositif appelé carénage afin de transformer une portion plus grande de l'énergie cinétique contenue dans le courant d'eau en électricité. Les travaux présentés se sont focalisés sur ces systèmes de carénage, autour de trois axes : l'explication du principe de fonctionnement hydrodynamique du carénage, la quantification des performances de l'hydrolienne carénée et la mise en évidence des grandeurs géométriques clés du carénage permettant d'améliorer ou d'optimiser la performance du système. Toutes les études ont été réalisées à l'aide des calculs RANS 2D et des données expérimentales mises à disposition et, comparées aux résultats obtenus pour une hydrolienne non-carénée.

Le décrochage est un phénomène aérodynamique instationnaire susceptible d'apparaître sur de nombreux profils aérodynamiques. Il résulte d'un décollement important de l'écoulement vis-à-vis de la paroi de l'aile et dégrade considérablement les performances de vol. Sur certains profils de pales d'hélicoptères, d'éoliennes ou de rotors, ce phénomène se produit dans des conditions d'utilisation normales et justifie la recherche de méthodes de modélisation accessibles industriellement. Le décrochage est initié au bord d'attaque par l'apparition d'une petite région de recirculation de fluide appelée bulbe de décollement laminaire où l'écoulement transitionne de l'état laminaire vers l'état turbulent. Ce phénomène encore mal connu met en jeu transition et écoulements hors équilibre auxquels les outils de modélisation RANS habituellement employés ne sont pas adaptés. Dans cette étude, un bulbe transitionnel typique d'un écoulement de bord d'attaque de pale d'hélicoptère (profil OA209 à un nombre de Reynolds Rec∞=1.8x106 et 15° d'incidence) est isolé sur une plaque plane. Une simulation DNS de cet écoulement est réalisée à l'aide du logiciel FUNk de l'ONERA afin de servir de base de données pour l'amélioration des modèles RANS. L'évolution des bilans de l'équation de transport de l'énergie cinétique turbulente ainsi que les principales hypothèses RANS (isotropie de la turbulence, Boussinesq, équilibre production/dissipation) sont analysées. Une étude des principaux modèles RANS développés dans le logiciel elsA de l'ONERA est ensuite réalisée en pondérant les grandeurs turbulentes par une fonction de transition reproduisant l'intermittence de la turbulence. Le modèle k-ω de Wilcox couplé à une fonction de transition optimisée a donné les résultats les plus proches de la DNS et a donc été l'objet d'une analyse plus approfondie, notamment une évaluation des principales équations bilans et une application de ce modèle et de sa méthode de transition à un cas de transition naturelle de plaque plane.

Doctor of Philosophy(PhD) / This body of research uses numerical and experimental investigative techniques to further the understanding of autoignition. Hydrogen/nitrogen and methane/air fuel configurations of turbulent lifted flames in a vitiated coflow burner are used as model flames for this investigation. Characterisation was undertaken to understand the impact of controlling parameters and the overall behaviour of the flames, and to provide a body of data for modelling comparisons. Modelling of the flames was conducted using the PDF-RANS technique with detailed chemistry incorporated using In-situ Adaptive Tabulation (ISAT) within the commercial CFD package, FLUENT 6.2. From these investigations, two numerical indicators for autoignition were developed: convection-reaction balance in the species transport budget at the mean flame base; and the build-up of ignition precursors prior to key ignition species. These indicators were tested in well defined autoignition and premixed flame cases, and subsequently used with the calculated turbulent lifted flames to identify if these are stabilised through autoignition. Based on learnings from the modelling, a quantitative, high-resolution simultaneous imaging experiment was designed to investigate the correlations of an ignition precursor (formaldehyde: CH2O) with a key flame radical (OH) and temperature. Rayleigh scattering was used to measure temperature, while Laser Induced Fluorescence (LIF) was used to measure OH and CH2O concentrations. The high resolution in the Rayleigh imaging permitted the extraction of temperature gradient data, and the product of the OH and CH2O images was shown to be a valid and useful proxy for peak heat release rate in autoigniting and transient flames. The experimental data confirmed the presence of formaldehyde as a precursor for autoignition in methane flames and led to the identification of other indicators. Sequenced images of CH2O, OH and temperature show clearly that formaldehyde exists before OH and peaks when autoignition occurs, as confirmed by images of heat release. The CH2O peaks decrease later while those of OH remain almost unchanged in the reaction zone.