La réfrigération magnétique (RM) constitue une technologie à fort potentiel en efficacité énergétique. Toutefois, son rendement demeure difficile à quantifier à cause des phénomènes magnétohydrodynamiques complexes qui surviennent au coeur du régénérateur ferromagnétique poreux. Les modèles existants de régénérateur sont unidimensionnels et effectifs. Leur simplicité excessive explique l'écart entre les données expérimentales extraites de prototypes et les résultats générés. Le modelé de régénérateur poreux présenté préconise une approche numérique directe appliqué sur un domaine tridimensionnel. Ce dernier est formé de canaux interstitiels définis par des agencements structurés de particules ferromagnétiques de Gd. Le fluide qui s'écoule dans les canaux régénère le solide ayant subi une variation de température induite par l'effet magnétocalorique (EMC). En somme, la résolution souple des équations de conservation, de mouvement et d'énergies est effectuée en considérant les propriétés du Gd (EMC, capacité calorifique) comme variables. La simulation d'un cycle de RM nécessite l'application d'astuces numériques spécifiques. La validité du modèle est évaluée à l'aide de données expérimentales et de comparaisons avec les résultats existants. Un montage expérimental a été construit ; des granules de Gd consolidés sont incluses dans un boîtier disposé dans le pôle d'un électroaimant dont la commutation induit l'EMC. Entre autres, des thermocouples insérés au centre de la structure poreuse permettent de mesurer le gradient de température le long du régénérateur. Les résultats générés par le modèle sont cohérents dans leur limite. Le bilan global d'énergie est respecté à 99.5%. Des corrélations de Nu et f spécifiques au régénérateur structure sont formulés. Les écarts de celles-ci avec les corrélations existantes et les données expérimentales indiquent qu'un raffinement du modèle est requis. En somme, le remplacement de la géométrie structuré par un milieu poreux aléatoire de faible densité (MPAFD) de large section doterait le modèle d'un réalisme accru.

Cette étude est à l’intersection de deux problématiques que sont (i) la description des structures cohérentes d’une couche limite turbulente et (ii) les méthodes numériques adaptées pour le calcul haute performance de ces écoulements. Les principaux objectifs sont de caractériser les grandes structures de la turbulence et de développer de nouveaux outils numériques pour la simulation de couches limites turbulentes. Une nouvelle simulation numérique directe de couche limite turbulente de plaque plane est réalisée avec le code Incompact3d. Une relation entre les structures cohérentes attachées à la paroi et le spectre d'énergie dans une couche limite turbulente est établie et comparée à une étude antérieure basée sur des résultats expérimentaux. Une application particulière de la méthode de squelettisation est proposée pour établir des statistiques plus précises des structures cohérentes de la turbulence. Les statistiques des structures grandes échelles de vitesse longitudinale (LSM) et les différents composantes des tensions de Reynolds turbulent instantanées (quadrants) sont comparées. Dans un second temps, un nouveau module de tests est implémenté dans le solveur Navier-Stokes incompressible développé en interne. La performance de ce nouveau code est analysée. Les problèmes de stabilité à nombre de Reynolds élevé sont abordés et certaines solutions sont proposées. / This work lies at the intersection of two problems concerning turbulence (i) the description of coherent structures of turbulent boundary layer flow and (ii) the numerical methods for high-performance computing of these flows. The main objectives are to analyze coherent structures and to develop new numerical tools to be used in turbulence research with a special focus on the turbulent boundary layers. A new direct numerical simulation of a turbulent boundary layer flow over a flat plate is conducted with the code Incompact3d. A relationship between attached flow structures and the streamwise energy spectra in a turbulent boundary layer has been established similarly to an earlier experimental study. A novel application of the skeletonization method is proposed to obtain detailed statistics of coherent structures. Statistics of large-scale motions (LSM) and Reynolds Shear Stress quadrant structures are compared. In the second part, a new test-suite is implemented to the in-house incompressible Navier-Stokes solver. Performance of the code is analyzed. The stability problems at high Reynolds numbers are addressed and some solutions are proposed.

Sur fond de crise pétrolière, il devient crucial pour les industries de transport, civiles ou militaires, de réduire la consommation de carburant de leurs véhicules. Aussi. la réduction de leur traînée de frottement laisse espérer des gains énergétiques substantiels. Notamment à l'origine de cette force, la contrainte pariétale dans les couches limites turbulentes résulte de phénomènes dynamiques complexes difficilement observables et peu prévisibles. Il s'agit de structures tourbillonnaires cohérentes. dont les tailles et temps caractéristiques sont encore difficilement atteignables dans les applications industrielles. Pour mieux prévoir les gains potentiels et en vue d'une future démonstration expérimentale. des simulations numériques de leur contrôle au moyen d'un micro système d'actionnement original sont présentées dans ce mémoire. L'accent a été mis sur le réalisme de la modélisation. Ces travaux ont d'abord permis un diagnostic des techniques de simulation des couches limites spatiales et ont abouti à une amélioration des conditions d'entrée turbulentes et au développement d'une méthode performante de génération synthétique de turbulence. Des stratégies de contrôle ont ensuite été proposées, qui permettent d'accroître la faisabilité pratique des mécanismes associés au contrôle en opposition, bien connus de la littérature. La mise en œuvre de cette dernière stratégie au moyen d'un microsystème distribué réaliste a finalement permis de caractériser ses performances réelles. Les mécanismes d'interaction entre turbulence et actionneur sont précisément décrits. L'identification de facteurs de rendement permet alors d'orienter les futurs travaux à ce sujet. / The rising cost of oil leads most of transportation firms to work towards reducing the fuel consumption of their vehicles. ln aeronautical applications, they mainly focus on viscous drag reduction. which gives hope to considerable power savings. The approach followed in the present work aims at manipulating the turbulent features responsible for the friction force. Located in the turbulent part of boundary layers. they consist in coherent vortices. whose characteristic time and space scales are costly to reach experimentally and numerically. This work postulates that only a high level of realism could help to predict accurately the performance of coherent vortices-based drag control methods. It is therefore taken into account at three stages of the design of our flow control simulation. which are the choice of the Reynolds number, the control algorithm and the actuating system. First of all, the simulation of high Reynolds number spatial boundary layers is often limited by computing capacities. Thanks to an optimization of existing inflow boundary conditions, current work helps to reduce CPU cost and widens the field of reachable flow conditions. Secondly, two improvements of the well-known oppositiol control have been proposed to allow its experimental adaptation. They are assessed using large-eddy simulation (LES) at a reasonable cost. Finally, a realistic MEMS is mode lied and used to manipulate the fine turbulent structures in the vicinity of the wall. Real influence on drag as well as precise interaction mechanisms are described using direct numerical simulation (DNS). Efficiency parameters are identified and possible ways of improvement are indicated.

Cette thèse s’intéresse à la turbulence incompressible homogène et anisotrope, et plus particulièrement à l’effet d’une rotation solide et d’un champ magnétique uniforme et stationnaire. En plus des simulations numériques directes (DNS), nous présentons également un modèle synthétique de turbulence (Kinematic Simulation ou KS) construit à partir d’une superposition de modes de Fourier, et au sein duquel la dynamique linéaire (basée sur la Rapid Distorsion Theory) peut être incluse. Dans un premier temps, l’effet de la rotation solide est étudié avec un effort particulier porté sur les corrélations en deux-temps. Une comparaison entre DNS et KS est proposée dans le cas isotrope comme dans le cas en rotation. Dans le contexte aéroacoustique, on montre dans quelle mesure la rotation modifie l’émission acoustique d’une turbulence homogène. L’effet d’un champ magnétique est ensuite considéré et l’anisotropie de l’écoulement est étudiée en fonction du nombre de Reynolds magnétique. Il est montré dans quelle mesure la turbulence magnétohydrodynamique quasi-statique est similaire à la turbulence “deux-dimensions trois-composantes” du fait de la dissipation Joule anisotrope et comment l’écoulement restaure son isotropie lorsque le nombre de Reynolds magnétique croît. Enfin, l’effet couplé d’une rotation et d’un champ magnétique est considéré. Les propriétés énergétiques ainsi que l’anisotropie sont étudiés et une étude paramétrique en fonction du nombre d’Elsasser est proposée. / This thesis focuses on incompressible homogeneous anisotropic turbulence, with a particuliar interest on the effect of a solid-body rotation and a uniform steady magnetic field. In addition to Direct Numerical Simulations (DNS), we also propose a stochastic model of anisotropic turbulence (Kinematic Simulation or KS) based on a superposition of Fourier modes, in which linear dynamics (based on Rapid Distorsion Theory) is included. First, the effect of a solid body rotation is studied and we focus on two-time velocity correlations. Comparisons between KS and DNS are presented in the isotropic and rotating cases. We then apply these results to aeroacoutics and show how the rotation modifies the acoustic emission of homogeneous turbulence. Secondly, we focus on the effect of an imposed magnetic field and we describe the anisotropy of the flow in function of the magnetic Reynolds number. The quasi-static magnetohydrodynamic turbulence is very similar to the so-called 2D-3C turbulence due to anisotropic Joule dissipation and we show how the isotropy is restored as the magnetic Reynolds numbers increases. Finally, we consider the coupled effect of rotation and magnetic field. Energetic properties and anisotropy are studied and a dependance of the results on the Elsasser number is also proposed.

La propagation des incendies à l’échelle de locaux et de villes est un enjeu majeur. Elle est notamment conditionnée par l’inflammation des matériaux dans les locaux attenants au sinistre. Cette dernière résulte de l’allumage du mélange gazeux combustible issu de la décomposition thermique de la phase condensée.Deux types d’inflammation sont définis dans la littérature : l’inflammation pilotée par la présence d’une source d’allumage, et l’auto-inflammation, résultant de l’emballement de la réaction dans la phase gazeuse. L’auto-inflammation joue un rôle majeur dans le contexte d’une propagation de local à local. Toutefois, ce processus n’a été que très peu étudié expérimentalement du fait de sa complexité et seules des analyses théoriques sont aujourd’hui disponibles concernant les phénomènes en jeu.L’enjeu de la présente étude est de caractériser les régimes d’autoallumage en fonction de différentes typologies de solide (comportement thermique et cinétique), afin de mieux comprendre leurs processus et leurs conditions d’occurrence. Cette compréhension fine permet alors de développer des modèles plus globaux de propagation pour une considération déterministe du risque incendie à l’échelle urbaine.Le caractère bref et local de l’auto-inflammation impose le choix d’une méthode de résolution complète des écoulements, des transferts et de la chimie. La Simulation Numérique Directe (DNS) a donc été sélectionnée afin de capter ces phénomènes, avec l’introduction d’une cinétique fine et non infiniment rapide de la décomposition thermique et de la combustion. / Fire propagation on the scale of buildings and cities is a major stake. It is conditioned by the ignition of solid fuels in rooms adjacent to the one where the disaster originally takes place. The ignition is so piloted by the initiation of the combustion reaction of the gaseous mixture stemming from the thermal decomposition of the condensed phase induced by heat transfer.Two types of ignition are defined in the literature: piloted-ignition related to the presence of a hot spot and auto-ignition resulting from the thermal runaway within the gas phase. The auto-ignition plays a major role in the context of fire spread between rooms. However, this process has been very little experimentally studied, because of its complexity, and only theoretical analyses were lead concerning the phenomena which take place during solid fuels auto ignition.The aim of the present study is to characterize auto-ignition regimes according to various solid typologies (regarding to thermal and kinetic behaviour) in order to understand better their processes and their occurrence conditions. Thereby, this fine understanding allows to develop global models of fire spread for a deterministic consideration of the fire hazards at urban scale.The brief and local character of the auto-ignition requires the choice of a complete resolution for flows, transfers and chemistry. Thus, the Direct Numerical Simulation (DNS) was selected to capture the phenomena, with the introduction of a fine and non-infinitely fast chemistry of thermal decomposition and combustion.

La turbulence tridimensionnelle se caractérise par sa capacité à transférer de l'énergie des grandes vers les petites échelles où elle est finalement dissipée. Lorsqu'elle se produit dans un plasma non-collisionnel comme le vent solaire, une modélisation cinétique semble a priori nécessaire. Toutefois, la complexité d'une telle approche limite les développements théoriques et condamne les expériences numériques à se restreindre à des nombres de Reynolds peu élevés. Dans quelles mesures un modèle mono-fluide comme la MHD Hall permet-il de rendre compte des phénomènes observés dans le vent solaire aux échelles sub-ioniques ? C'est la problématique à laquelle s'est attaquée cette thèse. L'idée directrice de ce travail est de tirer profit de la relative simplicité des modèles fluides et de la puissance algorithmique des méthodes pseudo-spectrales pour aborder la turbulence du vent solaire par des simulations numériques directes tridimensionnelles massivement parallèles à grands nombres de Reynolds. Ces simulations numériques ont permis de mettre en évidence l'existence d'une brisure spontanée de symétrie chirale en turbulence MHD Hall incompressible, ainsi que l'existence d'un nouveau régime appelé ion MHD (IMHD). Un modèle phénoménologique a été proposé pour rendre compte de ces résultats et de nouvelles prédictions ont été faites, puis confirmées numériquement. Enfin, l'étude de l'effet d'un fort champ magnétique uniforme sur la dynamique turbulente a permis de confirmer pour la première fois une ancienne conjecture. L'inertie des électrons a ensuite été prise en compte toujours dans un modèle fluide. Par une approche hydrodynamique classique, une loi universelle a été obtenue pour les fonctions de structure d'ordre trois. L'ensemble de ces résultats est qualitativement en accord avec les mesures in situ du vent solaire et remet en cause le paradigme selon lequel les raidissements successifs du spectre des fluctuations magnétiques sont provoqués nécessairement par des phénomènes d'origine cinétique. De manière plus générale, cette thèse soulève des questions fondamentales sur les processus non-collisionnels de dissipation dans les plasmas turbulents.

Après plus de 50 ans de recherche, l'intérêt de la simulation des grandes échelles pour la simulation des écoulements instationnaires a été largement démontré et cette méthode est aujourd'hui utilisée pour une grande variété d'applications industrielles. Plusieurs classes de modèles sous-maille ont été proposées dont celle très connue des modèles de viscosité sous-maille souvent préférée pour sa simplicité et sa robustesse. Leur formulation comporte un coefficient qui doit être ajusté pour chaque type d'écoulement et qui a été analysé pour des géométries simples. L'objectif de ce travail est de réaliser des analyses a-priori de ces modèles dans un canal plan et un canal convergent-divergent à relativement grand nombre de Reynolds. Les influences du type de filtre et de la largeur du filtre sont systématiquement abordées pour chacune des statistiques. Le transfert d'énergie sous-maille et la dissipation sous-maille sont tout d'abord étudiés. Ensuite, les coefficients des modèles Smagorinsky, Smagorinsky dynamique, WALE et du modèle Sigma nouvellement proposé sont estimés a-priori. Il est démontré que les coefficients des quatre modèles sont non-homogènes dans le domaine de simulation et sont largement affectés par le gradient de pression adverse, principalement dans la zone de recirculation. Enfin, les corrélations entre les quantités exactes et leurs équivalents modélisés sont examinées. Les résultats montrent un faible niveau de prédiction des modèles sous-maille et une grande variabilité des quantités modélisées dans les régions de fort gradient de pression adverse. Ceci peut expliquer les difficultés pour obtenir de bons résultats LES dans une telle configuration

Le travail porte sur la modélisation de l'auto-inflammation et de la combustion dans les moteurs Diesel. L'accent est mis sur la prise en compte des effets induits par la turbulence. Seule l'injection de carburant gazeux est considérée. Le mélange turbulent est identifié comme un des paramètres important contrôlant l'auto-inflammation dans les moteurs Diesel alors que les effets turbulents sont en général négligés par les modèles utilisés actuellement dans les codes de calcul moteur. Un nouveau modèle est proposé, dont le développement s'est appuyé sur des résultats de simulations numériques directes (DNS). Il prend en compte le mélange turbulent au travers de la dissipation scalaire et de pdf présumées de la fraction de mélange et d'une variable de progrès de la réaction chimique. Le modèle est validé à plusieurs niveaux. Tout d'abord, il est comparé aux DNS pour des cas de mélange simple. Puis, sa version moyennée est implantée dans le code de calcul KIVA2-MB où son comportement est testé en mono-dimensionnel et comparé à d'autres formulations. Enfin, le modèle est validé par comparaison avec une expérience dédiée d'injection de méthane dans une cellule pressurisée remplie d'air chauffé et permettant l'utilisation de diagnostics optiques.

L'injection liquide est un processus important dans beaucoup d'applications industrielles et plus spécifiquement au sein des moteurs à combustion. Beaucoup de méthodes RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ont été développées, dans le cas de l'atomisation, aussi bien en utilisant le formalisme Lagrangien que Eulérien. Cependant, les simulations LES (Large Eddy Simulation) sont connues pour être plus précises et mieux représenter les phénomènes physiques dans le cas monophasique. Développer la LES pour le cas diphasique est donc naturellement une étape nécessaire à franchir. Cependant, la simulation de l'atomisation requiert un traitement spécial de l'interface. Deux cas limites sont traités dans la littérature : - L'interface peut être bien capturée par le maillage. A ces endroits la LES doit rejoindre les résultats de méthodes classiques utilisées en DNS comme les méthodes VOF ou level-set. Ceci est une approche nécessaire proche injecteur. - Le maillage ne permet plus de suivre fidèlement l'interface, lors de la création de plissements inférieurs à la taille d'une maille. Dans ce cas le calcul doit reproduire les résultats d'une LES considérant des structures et des gouttes inférieures à la taille de la maille. Cette approche est nécessaire loin de l'injecteur dans la zone dispersée. C'est dans ce cadre que le travail réalisé durant cette thèse s'articule : Le développement d'un modèle LES d'atomisation capable de passer continument d'une méthode à l'autre. La mise en œuvre de ce modèle a permis d'obtenir des résultats dans une configuration proche de l'injection Diesel, qui sont alors comparés à une base de données DNS.

Ce mémoire synthétise les travaux réalisés sur le thème des instabilités propagatives et l'éclatement tourbillonnaire observé dans des installations expérimentales telles que les souffleries à catapulte ou les bassins hydrodynamiques, dont le but est de caractériser le sillage tourbillonnaire d'avions de transport. Il comprend une synthèse bibliographique, une exploitation des campagnes d'essais réalisées dans la soufflerie B20 à l'ONERA Lille, une présentation du code de calcul FLUDILES de Simulation Numérique Directe, une modélisation des perturbations d'un tourbillon de Lamb-Oseen et la validation des calculs DNS sur la théorie de stabilité linéaire, ainsi qu'une étude numérique et théorique de la dynamique non linéaire d'un tourbillon de Lamb-Oseen par la DNS.