Les objectifs ambitieux, fixés aux acteurs du secteur automobile par les pouvoirs publics, en matière d'émission de polluants et de gaz à effet de serre rendent aujourd'hui indispensable une compréhension plus fine de la combustion dans les moteurs. La simulation 3D aux grandes échelles (LES) représente une voie prometteuse pour répondre à ces enjeux. Elle permet l'étude de phénomènes transitoires complexes inaccessibles avec des moyens expérimentaux ou des méthodes de calculs traditionnelles de type RANS. Ce travail de thèse est une première étape vers la simulation LES de l'injection de carburant liquide dans les moteurs à piston. Il a consisté à adapter le code de calcul aux particularités physiques de l'injection directe, technologie qui se généralise actuellement à tous les types de moteurs à piston. Dans un premier temps, et afin de s'affranchir du calcul 3D complexe en sortie d'injecteur, une méthodologie originale, consistant à initier le calcul en aval de l'injecteur, est proposée et validée sur différents cas. Pour la simulation 3D, l'approche Eulérienne mésoscopique, à laquelle est ajouté un modèle d'interaction particules-particules, est utilisée pour simuler le spray. Les simulations ont été premièrement validées par comparaison expérimentale dans des conditions proches de l'injection Diesel. De plus, une étude sur la dynamique du spray a permis de mieux comprendre son évolution et de dégager des points communs avec un jet de gaz turbulent. Des simulations complémentaires ont également montré la prédictivité de la LES sur des injections Diesel réalistes. Enfin, un premier calcul moteur à injection directe a été réalisé et a permis de valider les développements réalisés dans le cadre de cette thèse. / Car manufacturers are facing increasingly severe regulations on pollutant emissions and fuel consumption. To respect these regulations, a better understanding of combustion processes is needed. Large Eddy Simulation (LES) is becoming a promising tool for such issues as it allows the study of complex unsteady phenomena which can not be analysed with RANS simulations or experiments. The present work is a step towards the LES of liquid injection in piston engines. The numerical code has been adapted to the specifications of Direct Injection which is more and more used in industry. Firstly, in order to avoid the difficulties linked to the 3D simulation of cavitation, primary break-up and turbulence in the near-nozzle region, an original methodology, based on an injector model, has been proposed. The idea is to initiate the spray physics downstream to the injector exit. Then LES 3D simulations of spray have been conducted using the Eulerian Mesoscopic approach extended to dense dispersed sprays by the addition of a particle-particle interactions model. The simulation results have been validated by comparison with experimental data in Diesel conditions with a low injection pressure. Furthermore a study on the spray dynamics has permitted to better understand its development and to find similarities with a turbulent gaseous jet. Additional simulations on realistic Diesel injection conditions have shown the good predictivity of LES in such cases. Finally, a first simulation of a Direct Injection Engine has been been carried out to assess the developments achieved in this work.

Les turbines aéronautiques doivent satisfaire à des normes d’émissions polluantes toujours en baisse. La qualité du mélange du carburant et de l’air dans la chambre de combustion est responsable de la formation de polluants nocifs pour l’environnement. La simulation aux grandes échelles (LES) permet d’étudier les mécanismes de mélanges turbulents de l’air et du carburant. La prise en compte de l’aspect liquide du carburant injecté devient nécessaire pour prédire correctement l’apparition de vapeur de carburant au sein du foyer. Le but de cette thèse est évaluer la fiabilité des simulations LES Euler-Euler dans une configuration complexe. Les processus d’injection, et d’évaporation du carburant liquide sont analysés et modélisés dans les simulations LES car ils pilotent la formation de vapeur de carburant. Les méthodes numériques pour résoudre les équations continues de la phase dispersée doivent permettre des simulations précises et robustes dans une configuration représentative d’une chambre de combustion. Les simulations présentées dans ces travaux reproduisent l’écoulement diphasique évaporant non-réactif du banc d’essai Mercato. Ce banc est équipé d’un système d’injection d’air vrillé et d’un atomiseur pressurisé-swirlé de kérosène typiques des foyers aéronautiques réels. Dans ces travaux, le modèle pour l’injection de liquide FIM-UR a été développé pour définir les conditions limites conduisant à un spray issu d’un atomiseur préssurisé-swirlé. Le kérosène employé dans les campagnes expérimentales est modélisé dans les simulations par un composé permettant d’obtenir des temps d’évaporation réalistes. Trois stratégies numériques ont été mises en place sur la configuration Mercato. Les comparaisons des résultats numériques aux mesures expérimentales ont permis d’évaluer la stratégie numérique conduisant à la meilleure précision. L’utilisation du schéma centré TTGC associé à un opérateur de viscosité artificielle localisée par un senseur adapté est optimale lorsque l’équation sur l’énergie décorrélée des gouttes est résolue. Cette stratégie permet de contrôler la localisation et les niveaux de viscosité par rapport à un schéma décentré. Les termes sources liés au mouvement mésoscopique permettent de redistribuer l’énergie dans les zones de compression ou de détente de la phase dispersée, et d’obtenir les bonnes répartitions des fluctuations dans la chambre de combustion. La stratégie retenue est comparée aux statistiques de la dynamique du spray résolu par une approche Lagrangienne employant la même injection monodispersse. Le méthode Euler-Euler conduit à la même précision de la dynamique de la phase dispersée que la méthode Euler-Lagrange. L’accès à l’évolution instationnaire de l’écoulement permet d’identifier les mêmes mécanismes de dispersion et de mélange dans les deux simulations. Des différences sur la répartition de diamètre moyen et de carburant dans la chambre ont été mis en évidence et reliés à la polydispersion locale qui n’est pas résolue dans l’approche Euler-Euler monodisperse et qui apparaît naturellement dans l’approche Euler-Lagrange malgré l’injection monodisperse. / Aeronautical gas turbines are facing growing demands on emission reductions. Indeed, the quality of the air-fuel mixture directly triggers the formation of pollutants degrading the environment. Large Eddy Simulation is an accurate numerical method to predict turbulent mixing in combustors. Adding the liquid phase of the fuel in these simulations also becomes necessary to properly predict the injection process and the vaporization of the fuel in the combustion chamber. The purpose of this dissertation is to evaluate the accuracy and reliability of Euler-Euler LES in a complex combustor configuration. The injection and vaporization processes of the fuel liquid phase are both modeled in the present LES as they drive the formation of the fuel gas phase. Moreover, the numerical methods that solve the continuous equations of the disperse phase must be accurate and robust in realistic combustor configurations. The simulations shown in the present study reproduce the non-reactive two-phase flow of the ONERA Mercato test bench. The experimental set-up is equipped with an air-swirler injection system and a pressure-swirled atomizer typical of actual turboengine combustors. In the present work the FIM-UR liquid injection model has been developed. It creates boundary conditions profiles for a liquid spray produced by a pressure-swirled atomizer. Kerosene used in the experiments is modeled in the present numerical simulations by a single species leading to a good estimate of the vaporization rate. Three numerical strategies have been tested on the Mercato configuration. Comparisons between experimental and LES results help defining the most accurate numerical strategy. The use of the centered numerical scheme TTGC stabilized by a localized artificial viscosity operator is best when the random uncorrelated energy of droplets is also resolved. Unlike an upwind numerical scheme, the selected strategy allows the user to control where and how much artificial viscosity is added. The source terms coming from the mesoscopic movement redistribute the energy in the compression or expanding zones of the disperse phase, and provide the proper distribution of fluctuations in the combustion chamber. The obtained strategy is compared with the statistics provided by a Lagrangian description of the liquid spray in the same mono-disperse injection. The Euler-Euler approach leads to the same accuracy in the same spray dynamics of the disperse phase as in the Euler-Lagrange method. Both unsteady flow simulations also provide the same dispersion and mixing processes in the Mercato set-up. Differences on the mean diameter and the fuel distribution in the combustion chamber are seen and related to the local poly-dispersion that cannot be resolved in the mono-disperse Euler-Euler approach and that naturally appear in the Euler-Lagrange method despite the mono-disperse injection.

La simulation aux grandes échelles (LES) est de plus en plus présentée comme un outil à part entière dans le développement des chambres de combustion des turbomachines. Dans ce contexte, les écoulements réactifs considérés sont complexes et, dans un souci de validation, la LES doit montrer ses capacités sur des configurations modèles. Le but de cette thèse est de démontrer le potentiel de la LES pour la prédiction des écoulements vrillés réactifs non mélangés de chambres de combustion modèles. La LES est tout d'abord appliquée sur une configuration turbulente avec une hypothèse de prémélange parfait, afin d'étudier l'influence de la modélisation de la cinétique chimique, des modèles de combustion turbulente et de leur paramètres internes. Dans ces conditions, chacun de ces modèles montre ses avantages et désavantages. L'hypothèse de prémélange parfait est ensuite retirée et l'étude réalisée permet d'évaluer l'influence de la prise en compte du mélange air / carburant dans un injecteur vrillé, des pertes thermiques et des conditions limites acoustiques. Enfin, une chambre de combustion non prémélangée est simulée afin de démontrer les capacités du modèle de flamme épaissie sur ce type de flamme, pour lequel il n'à pas été initialement développé. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent, entre autres, la bonne représentation du positionnement de la flamme.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel.

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements gaz-particules, comme les turbines aéronautiques et les réacteurs à lit fluidifié de l'industrie chimique. La prédiction des propriétés de la phase dispersée, est essentielle à l'amélioration et la conception des dispositifs conformément aux nouvelles normes européennes des émissions polluantes. L'objectif de cette thèse est de développer le formalisme Euler-Lagrange dans un solveur parallèle et non-structure pour la simulation aux grandes échelles pour ce type d'écoulements. Ce travail est motivé par l'augmentation rapide de la puissance de calcul des machines massivement parallèles qui ouvre une nouvelle voie pour des simulations qui étaient prohibitives il y a une décennie. Une attention particulière a été portée aux structures de données afin de conserver une certaine simplicité et la portabilité du code sur des différentes architectures. Les développements sont valides pour deux configurations : un cas académique de turbulence homogène isotrope décroissante et un calcul polydisperse d'un jet recirculant charge en particules. L'équilibrage de charges de particules est mis en évidence comme une solution prometteuse pour les simulations diphasiques Lagrangiennes afin d'améliorer les performances des calculs lorsque le deséquilibrage est trop important.

La pulvérisation du liquide est un mécanisme très important lors de la combustion dans les moteurs de fusée et de type diesel. C'est dans ce cadre que s'inscrivent les travaux réalisés dans cette thèse. L'objectif est de modéliser les mécanismes physiques qui pilotent l'atomisation assistée par air. Dans cette configuration, de nombreux paramètres peuvent influer sur la fragmentation du liquide tels que les vitesses initiales du liquide ou du gaz, les masses volumiques des deux phases ou la tension de surface par exemple ... Ce phénomène est donc particulièrement complexe et la résolution exacte de chaque fragmentation est très difficile. Dans ce travail, une approche stochastique est proposée afin de modéliser les différentes étapes d'atomisation assistée par air. Celle-ci permet de décrire la phase d'atomisation primaire et les statistiques du liquide non fragmenté au voisinage de l'injecteur. A partir de ces résultats, des fragments liquides sont formés et transportés dans l'écoulement de façon à décrire l'intégralité du spray. Le mouvement de la phase gazeuse est résolu par simulation des grandes échelles. Le caractère turbulent et instationnaire de l'écoulement est ainsi pris en compte, ce qui permet le suivi lagrangien des éléments liquides issus de la phase d'atomisation primaire. Leurs collisions ainsi que les fragmentations ou coalescences qui en résultent sont également modélisés par l'intermédiaire d'une approche stochastique. Ces différentes étapes permettent de simuler l'atomisation assistée par air et de déterminer la longueur du cœur liquide, l'angle du spray, le diamètre de Sauter moyen et de comparer ces résultats à des données expérimentales.

Ce travail de thèse a été consacré au développement d'outils numériques pour aider à la compréhension, par simulation numérique, de l'aérodynamique d'un inverseur de poussée à portes (écoulement turbulent compressible). Dans cette étude, nous avons adopté deux approches complémentaires : résolution des équations de Navier-Stokes moyennées RANS (stationnaires) ou filtrées LES (instationnaires). Dans un premier temps, les divers phénomènes physiques présents dans un inverseur de poussée sont décomposés et étudiés séparément. On simule ainsi successivement :<br /> (1) un écoulement décollé (marche descendante - calcul RANS),<br /> (2) un écoulement cisaillé libre (couche de mélange plane - calculs RANS et LES), <br />(3) des écoulements présentant de fortes courbures des lignes de courant (conduite rectangulaire courbée (calcul RANS) et couche de mélange courbe - calculs RANS et LES). Ensuite, deux configurations simplifiées d'inverseurs de poussée à portes sont étudiées numériquement par simulations RANS et LES.

Le but de cette étude est la génération de conditions d'entrée réalistes pour des simulations numériques instationnaires d'écoulements turbulents. La stratégie retenue consiste à générer, à partir de données expérimentales sous-résolues temporellement et d'une approche de type système dynamique d'ordre bas, des conditions d'entrée représentatives de la dynamique des structures à grande échelle de l'écoulement dans la section de mesure. Trois phases sont nécessaires à la réalisation d'un tel couplage : constitution d'une base de données expérimentale par mesures par Vélocimétrie par Imagerie de Particules Stéréoscopique deux plans décalés en temps (DT-SPIV), construction d'un modèle d'ordre bas (LODS) à partir de la base de données, adaptation du maillage expérimental au maillage de la face d'entrée de la simulation. La méthode de couplage proposée est testée dans deux configurations d'écoulement de couche de mélange plane turbulente se développant en aval d'une plaque au bord de fuite de type biseauté ou de type culot. La qualification de ces deux écoulements est réalisée à l'aide de mesures en deux points par anémométrie à fils chauds, permettant, entre autres, une analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Pour chaque écoulement, une base de données est constituée par DT-SPIV afin de pouvoir construire, par une méthode originale d'identification polynomiale de système dynamique, un modèle reproduisant la dynamique temporelle des structures cohérentes de l'écoulement. Finalement, les données instationnaires obtenues sont utilisées comme conditions d'entrée d'une simulation de type simulation aux grandes échelles d'une couche de mélange turbulente.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

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).