Le syngas est un mélange gazeux de CO et H2 qui constitue un intermédiaire important dans l'industrie pétrochimique. Plusieurs approches sont utilisées pour le produire. L'oxydation partielle non catalytique (POX) et le reformage à la vapeur (SMR) en font partie. Le reformage auto thermique du méthane (ATR) combine quant à lui ces deux procédés au sein d'un même réacteur. L'amélioration du rendement global du procédé ATR requiert une meilleure caractérisation du comportement des gaz au sein de la chambre. La simulation numérique apparaît comme un outil efficace pour y parvenir. Pour réduire le coût CPU, c'est généralement l'approche RANS (Reynolds Average Numerical Simulation) qui est privilégiée pour la simulation complète de la chambre. Cette approche repose sur l'utilisation de modèles, parmi lesquels le modèle de combustion turbulente, qui a pour objectif de représenter les interactions entre la turbulence et la réaction chimique au sein du mélange. Plusieurs stratégies ont été proposées pour le calculer, qui bénéficient globalement d'une large expérience pour les systèmes classiques mettant en jeu la combustion. Cependant, les flammes observées dans les réacteurs ATR présentent des propriétés assez différentes de ces configurations classiques. La validité des modèles de combustion turbulente classiques doit donc y être vérifiée. L'objectif de cette thèse est de répondre à ce besoin, en testant la validité de différents modèles de combustion turbulente. La première partie du travail a consisté à analyser les propriétés des flammes CH4/O2 enrichies en vapeur d'eau à haute pression, et a notamment permis le développement d'une méthode d'évaluation des temps caractéristiques d'un système chimique. Dans un deuxième temps, une expérience numérique à l'aide d'un code DNS a été réalisée, afin de servir de référence pour tester a priori sur des configurations ATR plusieurs modèles RANS de combustion turbulente couramment utilisés dans le milieu industriel.

Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d'inclusions d'oxydes métalliques (de l'ordre de 10 µm de diamètre) en suspension dans l'acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l'interface acier liquide/paroi solide et l'interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l'interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l'aide d'un suivi lagrangien où le poids, la poussée d'Archimède, la force d'accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l'équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l'écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l'éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d'Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l'interception directe. Notons cependant que la contribution de l'interception directe croît avec l'intensité turbulente de l'écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l'interface acier liquide/laitier, l'écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l'échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l'interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l'interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L'évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l'aide d'un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d'alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d'alumine est contrôlé par la sédimentation. En l'absence d'effet gravitaire, le dépôt d'inclusions est contrôlé par l'interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l'interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l'absence d'effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée.

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.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs.

Cette étude est consacrée à l'analyse des écoulements réactifs supersoniques cisailléset, plus particulièrement, des couches de mélange compressibles pouvant se développerdans les moteurs ramjet et scramjet. Des méthodes numériques appropriées ont été implémentéeset vérifiées pour aboutir au développement d'un code de calcul numériquemassivement parallèle, appelé CREAMS (compressible reactive multi-species solver). Cedernier a été spécialement conçu pour conduire des simulations numériques haute précision(simulations numériques directes ou DNS) de ce type d'écoulements. Une attentionparticulière a été portée à la description des termes de transport moléculaire et des termessources chimiques de façon à considérer la description physique la plus fidèle possible desmélanges des gaz réactifs à haute vitesse, au sein desquelles les temps caractéristiqueschimiques et de mélange aux petites échelles sont susceptibles d'être du même ordre degrandeur. Les simulations des couches de mélange bidimensionnelles et tridimensionnelles,inertes et réactives, confirment l'importance des effets associés à la compressibilité et autaux de dégagement de chaleur. Les résultats ainsi obtenus diffèrent en certains points deceux issus d'autres simulations qui introduisaient certaines hypothèses simplificatrices :développement temporel, emploi d'une chimie globale ou encore lois de transport simplifiées.En revanche, ils reproduisent certains tendances déjà observées dans un certainnombre d'études expérimentales conduites dans des conditions similaires.

Nous étudions par simulation numérique le transport et le dépôt turbulent d’inclusions d’oxydes métalliques (de l’ordre de 10 µm de diamètre) en suspension dans l’acier liquide. Deux surfaces de dépôt sont envisagées : l’interface acier liquide/paroi solide et l’interface métal liquide/laitier. Dans les deux cas, nous nous focalisons sur la couche limite adjacente à l’interface. Le comportement des inclusions en suspension est examiné à l’aide d’un suivi lagrangien où le poids, la poussée d’Archimède, la force d’accélération en volume, la force de masse ajoutée et la force de traînée sont prises en compte dans l’équation de la dynamique. Dans le cas de la paroi solide, nous nous appuyons sur une représentation schématique de l’écoulement du métal liquide dans la sous-couche visqueuse et dans la zone tampon, où les structures turbulentes qui apportent le liquide à la paroi (sweeps) ou l’éjectent (bursts) sont décrites analytiquement (modèle d’Ahmadi). Les simulations numériques montrent que les mécanismes principaux de dépôt des inclusions sont la sédimentation et dans une moindre mesure l’interception directe. Notons cependant que la contribution de l’interception directe croît avec l’intensité turbulente de l’écoulement et peut devenir prépondérante pour les vitesses de frottement les plus élevées (au-delà de 0,1 m.s-1). Les effets inertiels ont, quant à eux, une contribution négligeable sur le dépôt des inclusions (contrairement au cas des aérosols). Enfin, la prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la paroi solide conduit à une diminution significative de la vitesse de dépôt des inclusions. Dans le cas de l’interface acier liquide/laitier, l’écoulement du métal liquide est calculé par simulation numérique directe (DNS) à l’échelle de la couche de surface. La turbulence, générée à distance de l’interface par un forçage aléatoire, diffuse vers l’interface métal liquide/laitier modélisée comme une surface libre indéformable. L’évolution des inclusions en suspension est obtenue par un suivi lagrangien à l’aide d’un couplage one-way. Le nombre de Reynolds de surface des simulations varie de 68 à 235. Le diamètre des inclusions varie de 10-5m à 5.10-5m et le rapport entre la densité des inclusions et la densité du métal varie de 0,5 (inclusions d’alumine) à 1 (inclusions fictives). Il apparaît que le dépôt des inclusions d’alumine est contrôlé par la sédimentation. En l’absence d’effet gravitaire, le dépôt d’inclusions est contrôlé par l’interception directe et dépend fortement du nombre de Reynolds de surface. Dans ce dernier cas, nous montrons que la vitesse de dépôt adimensionnée par la vitesse de Kolmogorov de surface est proportionnelle au diamètre des inclusions adimensionné par la longueur de Kolmogorov de surface. La prise en compte des interactions hydrodynamiques entre les inclusions et la surface libre conduit à une diminution de moitié de la contribution de l’interception directe mais affecte peu la contribution gravitationnelle. En outre, en l’absence d’effet gravitaire, la linéarité entre la vitesse de dépôt adimensionnée et le diamètre des inclusions adimensionné est conservée. / The deposition of metallic oxide inclusions (of about 10 µm in diameter) suspended in liquid steel is studied by numerical simulation. Two types of deposition surface are investigated, i.e., the liquid steel/solid wall interface and the liquid steel/liquid slag interface. In both cases, we focus on the boundary layer adjacent to the interface. The inclusion behavior is examined thanks to Lagrangian particle tracking: Newton’s second law governing inclusion motion includes the buoyancy force, the pressure gradient force, the added mass force and the steady drag force.For the liquid steel/solid wall interface, the inclusion behavior is analyzed in the buffer layer and in the viscous layer. These layers are described according to Ahmadi’s model, which provides a kinematic representation of the turbulent structures responsible for deposition, i.e., the sweeps and the bursts of liquid. The numerical simulations show that the deposition is mainly controlled by sedimentation. However, since the direct interception contribution increases with the turbulence intensity, direct interception becomes dominant for the highest values of the friction velocity (greater than 0.1 m.s-1). When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the solid surface are taken into account, the deposition velocity is significantly reduced. Finally, it should be noted that the inertial forces have a negligible effect on the inclusion deposition velocity. For the liquid steel/liquid slag interface, the inclusion turbulent deposition is investigated using direct numerical simulation of the liquid flow combined with Lagrangian particle tracking under conditions of one-way coupling. The interface is modeled as a non-deformable free-slip surface. Unsheared turbulence is generated by random forcing in a finite-height region parallel to the free-slip surface. In between, the turbulence diffuses toward the free surface. The Reynolds number at the interface varies from 68 to 235. The inclusion diameter varies from 10-5m to 5.10-5m and the particle to liquid density ratio from 0.5 (alumina inclusions) to 1 (fictitious inclusions). It appears that the deposition of alumina inclusions is controlled by sedimentation whereas direct interception is the only deposition mechanism for non-buoyant inclusions. In the latter case, the deposition velocity strongly depends on the surface Reynolds number. It is shown that the deposition velocity made dimensionless by the free surface characteristic velocity scales as the inclusion diameter made dimensionless by the Kolmogorov length scale calculated at the free surface. When the hydrodynamic interactions between the inclusions and the free surface are taken into account, the direct interception contribution of the deposition velocity is significantly reduced (about half of the value without hydrodynamic retardation) but the scaling law is conserved.

Cette étude est consacrée à l’analyse des écoulements réactifs supersoniques cisailléset, plus particulièrement, des couches de mélange compressibles pouvant se développerdans les moteurs ramjet et scramjet. Des méthodes numériques appropriées ont été implémentéeset vérifiées pour aboutir au développement d’un code de calcul numériquemassivement parallèle, appelé CREAMS (compressible reactive multi-species solver). Cedernier a été spécialement conçu pour conduire des simulations numériques haute précision(simulations numériques directes ou DNS) de ce type d’écoulements. Une attentionparticulière a été portée à la description des termes de transport moléculaire et des termessources chimiques de façon à considérer la description physique la plus fidèle possible desmélanges des gaz réactifs à haute vitesse, au sein desquelles les temps caractéristiqueschimiques et de mélange aux petites échelles sont susceptibles d’être du même ordre degrandeur. Les simulations des couches de mélange bidimensionnelles et tridimensionnelles,inertes et réactives, confirment l’importance des effets associés à la compressibilité et autaux de dégagement de chaleur. Les résultats ainsi obtenus diffèrent en certains points deceux issus d’autres simulations qui introduisaient certaines hypothèses simplificatrices :développement temporel, emploi d’une chimie globale ou encore lois de transport simplifiées.En revanche, ils reproduisent certains tendances déjà observées dans un certainnombre d’études expérimentales conduites dans des conditions similaires. / This study is devoted to the analysis of supersonic reactive shear flows and, in particular,compressible mixing layers that can develop inside the ramjet and scramjet engines.Appropriate numerical methods have been implemented and tested to achieve the developmentof a massively parallel numerical solver, called CREAMS (compressible reactivemulti-species solver). This tool was designed to conduct high-precision numerical simulations(direct numerical simulations or DNS) of such flows. Particular attention waspaid to the description of the molecular transport terms and chemical source terms toconsider the most accurate physical description of reactive gas mixtures at high velocity,in which the chemical and mixing time scales, corresponding to the smallest scalesof the flow, are susceptible to be of the same order of magnitude. Simulations of twoandthree-dimensional, inert and reactive, mixing layers confirm the importance of theeffects associated with compressibility and rate of heat release. The results obtained differin some points from other simulations which introduced simplifying assumptions such astemporal development, use of a global chemistry or a simplified description of the moleculartransport terms. Nevertheless, they reproduce some trends already observed in severalexperimental studies conducted under similar conditions.

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 / After more than 50 years of investigation, Large Eddy Simulation has demonstrated its benefit for unsteady flow simulation and is currently applied in a wide variety of engineering applications. Several classes of subgrid scale models were proposed, including the well known eddy viscosity models, usually preferred because of their simplicities and robustness. The formulation of these models includes a coefficient which needs to be analyzed for each flow configuration and which has been investigated in simple geometries.The aim of the present work is to perform a-priori analysis of subgrid scale models in plane channel flow and in a converging-diverging channel flow at fairly large Reynolds number.The influences of the filter type and filter width are systematically addressed in analyses of all statistics. The SGS energy transfer and energy dissipation are firstly analyzed.Then, the a priori estimate of the coefficients of subgrid scale models, including the standard Smagorinsky, Dynamic Smagorinsky, the WALE and the new updated sigma models, are investigated in detail. It is shown that, the coefficients of the four models are non-homogeneous in the simulation domain and are largely affected by the adverse pressure gradient, especially in the recirculation region. Finally, the correlations between the exact quantities and their counterparts modeled by the subgrid scale models with respect to three criteria are explored. The results show a low predictability of subgrid scale models and a strong variability of the modeled quantities in the region of strong adverse pressure gradient. This may explain the difficulty to obtain accurate LES results in such flow configuration

L'objet de cette thèse est de mettre en œuvre des outils pour la simulation numériques des torches à projection plasma.<br />Dans la première partie, une méthode volumes finis 3D pour maillages non structurés est construite. Cette méthode d'ordre 2 utilise une reconstruction linéaire multipente. On prouve qu'elle est stable au sens du principe du maximum. Sa simplicité est mise en avant et sa rapidité est vérifiée par des tests numériques. Enfin on l'utilise pour réaliser une simulation de l'écoulement non visqueux dans une chambre de torche.<br />La seconde partie est dédiée à l'étude des jets chauds compressibles fortement pulsés par simulation numérique directe. L'utilisation de schémas d'ordre élevé en temps et en espace est justifiée. Des conditions aux limites permettant d'imposer de fortes perturbations au jet sont décrites. Le nombre de Reynolds de l'écoulement est d'autant plus élevé que la température du milieu ambiant est faible, rendant les simulations numériques difficiles.

Cette thèse vise à développer et évaluer la méthode de Galerkin discontinue (DG) pour la simulationdes grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. L'approche DG présente un nombre d'avantages intéressants pour la LES : ordre élevé, stencil compact, prise en compte des maillages non structurés et expression de la solution numérique dans une base de polynômes permettant l'utilisation de modèles de turbulence multi-échelle. Parmi ce type de modèles, nous nous sommes intéressés ici à la méthode Variational Multiscale (VMS) qui consiste à séparer les échelles résolues dans la base de polynômes pour restreindre l'influence du modèle à une gamme réduite d'échelles. Les modèles considérés ont été paramétrés en prenant en compte les fonctions de transfert spécifiques aux discrétisations DG. La précision de la méthode pour la représentation de phénomènes turbulents variés a été évaluée à travers la réalisation de DNS de configurations académiques. Enfin, l'approche VMS/DGa été éprouvée sur des configurations simples à haut nombre de Reynolds. Il apparaît que cette méthodologie permet la représentation précise des phénomènes turbulents pour un coût réduit en terme de degrés de liberté.