Comme le groupe de symétries de Lie des équations aux dérivées partielles représentent les propriétés physiques intrinsèques contenues dans les équations, il offre un outil efficace pour étudier et modéliser les phénomènes physiques. Ainsi, dans cette thèse, on se propose d'appliquer la théorie du groupe de symétries de Lie à la modélisation des écoulements anisothermes.On calcule alors des lois de paroi, et, plus généralement des lois d'échelle, pour la vitesse et la température dans le cas d'un écoulement parallèle. En fait, ces lois d'échelle se révèlent être simplement des solutions auto-similaires des équations de Navier-Stokes moyennées par rapport aux symétries des équations.Ensuite, par l'approche de la théorie des groupes de Lie, on construit une classe de modèles de sous-maille qui sont invariants par les symétries des équations de Navier-Stokes anisothermes.Ces modèles ont l'avantage de respecter les propriétés physiques des équations qui sont contenues dans les symétries. De plus, par cette approche, le modèle de flux de chaleur apparaît naturellement,sans qu'on ait besoin de faire appel à la notion de nombre de Prandtl de sous-maille,ce qui augmente la portée de ces modèles par rapport à la plupart des modèles existants. Par ailleurs, le comportement proche de la paroi de certains des modèles proposés est étudié. Enfin,des tests numériques en convection naturelle et en convection mixtes sont effectués.

La prise en compte des traînées de condensations (contrails) dans les modèles de grande échelle requiert une paramétrisation. Cependant, les données actuelles sont insuffisantes pour cette paramétrisation. La simulation numérique détaillée d'un contrail complète les données et elle contribue à mieux définir ces paramétrisations. Les études des aéronefs ont mis en évidence le rôle de la turbulence atmosphérique dans la dynamique des tourbillons de sillage. Pourtant, la majorité des simulations numériques de contrails réalisées à ce jour utilisent une représentation simplifiée et paramétrée de cette turbulence, plutôt que de la résoudre explicitement. Le travail réalisé ici consiste à mettre en place une simulation de contrail avec une résolution tridimensionnelle de la turbulence atmosphérique. Dans un premier temps, une méthode de forçage stochastique a été mise en place pour engendrer des écoulements turbulents dans un milieu stratifié, et on montre la capacité de cette méthode à reproduire la turbulence de l'atmosphère. Dans un second temps, une simulation de contrail a été mise en place en utilisant la turbulence atmosphérique engendrée précédemment. Les effets du niveaux de turbulence, de la température et de la saturation en vapeur d'eau sur le contrail sont étudiés pour les quatre premières minutes : la turbulence contrôle la destruction des tourbillons de sillage, alors que la saturation et la température contrôlent la persistance et le taux de formation de glace. Les propriétés microphysiques et optiques obtenues sont en accord avec les observations et des lois sont proposées pour adapter ces propriétés aux paramétrisations des modèles de grande échelle.

Afin de pouvoir simuler la formation des principaux polluants au sein de foyers aéronautiques réalistes, un modèle de réduction de la chimie détaillée (FPI), basé sur la construction de tables à partir de calculs de flammes de prémélange laminaires élémentaires, est adapté et couplé au code d'aérothermochimie CEDRE de l'ONERA. Après une brève validation de ce modèle via la simulation de flammes laminaires canoniques, les interactions chimie/turbulence sont modélisées sous l'hypothèse des flammelettes, en approchant les PDF des paramètres d'entrée des tables par des fonctions beta. Cette approche complète est appliquée à la simulation numérique de l'écoulement au sein d'une configuration plus appliquée : la chambre PRECCINSTA. Ce cas bien connu a permis notamment l'évaluation des capacités du modèle dans un contexte plus industriel par comparaison des résultats de calcul aux données expérimentales disponibles. Il a en particulier permis de tester l'approche FPI étendue à la modélisation de la combustion partiellement prémélangée. Par ailleurs, l'utilisation d'un modèle de chimie réduite s'avère particulièrement appropriée pour prédire l'émission de substances polluantes, par exemple CO. Cependant, lorsque l'on considère la formation de NO, FPI ne peut pas être utilisé directement du fait de la lente dynamique chimique de cette espèce.Pour pallier à cette limitation, deux approches permettant de modéliser la production de NO au sein d'écoulements complexes sont proposées, fondées sur l'utilisation des tables chimiques FPI. Les capacités de ces modèles sont finalement analysées à l'aide de calculs effectués sur la configuration PRECCINSTA.

Cette thèse propose une modélisation aussi générique que possible de la combustion dans les moteurs automobiles dans un cadre de simulation aux grandes échelles. Une première étude aborde la fermeture du terme de transport non résolu pour la flamme de prémélange. Par la suite, un couplage entre les modèles ecfm-les et pcm-fpi est proposé et validé pour intégrer les effets de chimie complexe à la simulation de la flamme de prémélange. Ce travail est étendu par l'adjonction de modélisations spécifiques à l'allumage par bougie et de l'auto-inflammation, toujours en intégrant les effets de chimie détaillée. Des calculs d'application aux combustions anormales dans les moteurs à allumage commandé concluent ce travail.

La turbulence homogène et isotrope fut formalisée par Kolmogorov (1941), à l'aide d'une analyse dimensionnelle. Il parvint à démontrer que la densité spectrale de l'énergie cinétique, $E(k)$ suivait une loi en $k^{-5/3}$. Ce comportement est connu sous le nom de cascade de Kolmogorov. Dans de nombreux contexte géophysique ou astrophysiques, l'hélicité cinétique joue un rôle important. Parker (1955) a notamment démontré que l'hélicité cinétique pouvait contribuer à l'amplification d'un champ magnétique pour des écoulements conducteurs. Brissaud {it et al} (1973) ont alors tenté de déterminer l'influence que l'hélicité cinétique pouvait avoir sur les spectres d'énergie cinétique. Brissaud {it et al} (1973) suggèrent l'existence d'une cascade pour laquelle les spectres d'énergie cinétique suivent une loi en $k^{-7/3}$. Dans la première partie de ce manuscrit nous allons confirmer à l'aide de simulations numériques directes (DNS) l'existence d'une loi asymptotique en $k^{-7/3}$. Nous aurons également recourt à la décomposition en modes hélicitaires afin d'analyser de manière approfondie la physique qui régit ces écoulements. Dans de nombreux écou-le-ments géophysique ou astrophysiques, la turbulence est très forte, et une très large gamme d'échelles est impliquée. Bien que la puissance des calculateurs ait considérablement augmentée ces dernières années, il n'est toujours pas possible de simuler l'ensemble de cette gamme d'échelles pour des configurations réalistes. Une solution connue sous le nom de Large Eddy Simulations (LES) permet de réaliser des simulations de ce type d'écoulement. Concrètement, lors de la réalisation d'une LES, les grandes échelles de l'écoulement sont résolues, et les interactions entre les grandes et les petites échelles de l'écoulement sont modélisées. Divers modèles de turbulence existent déjà pour la réalisation de LES en turbulence. Néanmoins leurs limites ne sont pas toujours bien connues dans le cadre de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD), c'est-à-dire pour les fluides conducteurs de l'électricité que l'on rencontre en géophysique ou astrophysique. Dans la seconde partie de ce manuscrit nous allons donc évaluer les performances fonctionnelles (voir Sagaut (2002)) de ces différents modèles dans des configurations correspondant à des dynamos turbulentes, c'est-à-dire à des régimes où un champ magnétique est généré par un fluide conducteur animé d'un mouvement turbulent. Nous étudierons notamment la capacité des modèles LES à reproduire les échanges énergétiques entre grandes et petites échelles. Pour ce faire, nous réaliserons plusieurs DNS, pour des écoulements non-hélicitaires (menant à des dynamos de petites échelles) et des écoulements hélicitaires (menant à des dynamos de grandes échelles). `A l'aide d'une opération de filtrage, nous calculerons les transferts sous-mailles exacts, puis les comparerons aux prédictions fournies par les modèles. Finalement nous réaliserons des LES à l'aide des différents modèles et nous les comparerons aux DNS filtrées. / Homogeneous and isotropic turbulence was first formalized by Kolmogorov (1941), through dimensional analysis. He managed to show that the spectral density of kinetic energy, $E(k)$, was following a $k^{-5/3}$ law. This behaviour is known as Kolmogorov's cascade. For many geophysical and astrophysical flow, kinetic helicity plays an important role. For instance, Parker (1955) showed that for conductive fluids such as Sun, kinetic helicity could contribute to amplify the magnetic field. Brissaud {it et al} (1973) tried to show that kinetic helicity could have an influence on the spectral density of kinetic energy. Through dimensional analysis they suggested the existence of a cascade for which the kinetic energy spectra would follow a $k^{-7/3}$ law. In the first part of this thesis we will confirm thanks to Direct Numerical Simulations (DNS) the existence of such an asymptotic limit in $k^{-7/3}$. We will also use helical decomposition to perform a deep analysis of the physics encountered within such flows. In several geophysical and astrophysical fluids, turbulence is very strong, and involves a large range of scales. Despite the strong development of computational resources the last few decades, it remains impossible to simulate this range of scales for realistic configurations. One solution is known as Large Eddy Simulations (LES). While a LES is performed, only the large scales of the flow are resolved, and the interactions between large and small scales are modeled. Several turbulence models have been developed for LES of turbulence. Nevertheless, the limitations of these models are not always well known for magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, i.e for conductive fluids that can be encoutered in geophysics and astrophysics. In the second part of this thesis we will evaluate the functional performances (see Sagaut (2002)) of these models for several flow configurations involving turbulent dynamo action, i.e when a magnetic field is amplified though the action of a turbulent conductive fluid. In particular we will study the capabilities of LES models to reproduce energy exchanges between large and small scales. In order to do so, we will perform several DNS, for both non-helical flows (i.e leading to small scale dynamo) and helical flows (i.e leading to large scale dynamo). Thanks to a filtering operation we will compute the exact subgrid-scale transfers and compare them to the predictions given by several models. Finally we will achieve LES using subgrid-scale models and we will compare them to filtered DNS.

Les écoulements vrillés, qui sont largement utilisés dans les turbines à gaz, sont connus pour être sujet à des bifurcations entre différentes topologies (grandes reconfigurations de l'écoulement) qui peuvent affecter les performances et la sécurité du moteur. Ce travail se concentre sur l'étude de ces bifurcations en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cette étude montre qu'un petit changement dans les conditions dynamique du fluide, induite par les différents modèles de sous-maille utilisés, peut provoquer une transition entre deux régimes d'écoulement distincts lorsque l'écoulement tourbillonnaire est proche des conditions critiques de transition. La sensibilité de la SGE aux modèles de sous-maille est également identifiée comme le résultat d'un manque de résolution à certains endroits critiques, un problème qui est analysé en utilisant une méthode d'adaptation de maillage. L’adaptation de maillage est testée sur des cas académiques et industriels. Ici, par ajustement de la résolution du maillage sur la base des caractéristiques de l'écoulement étudié (raffinement et grossissement de la grille en maintenant constant le coût numérique), des améliorations substantielles peuvent être obtenues, en terme de prédictions de la SGE. Ce travail peut être considéré comme une des premières étapes vers la mise en place d'une procédure standard (reproductible et indépendante de l’utilisateur) de maillage pour la SGE. / Swirling flows, which are widely employed in gas turbines, are known to undergo bifurcation between different topologies (large reconfigurations of the flow field) affecting the engine performance and safety. This work focuses on the study of such bifurcations using Large-Eddy Simulation (LES). It shows that a small change in the fluid dynamics conditions, induced by the different Sub-Grid Scale (SGS) models used in the simulations, can cause a transition between two, distinct, flow states when the swirling flow is close to transition conditions. The sensitivity of LES to SGS modeling is also identified as the result of a lack of mesh resolution at some critical locations, a problem which is analyzed using mesh adaptation. Mesh adaptation is tested on canonical and industrial flows. Here, by adjusting the mesh resolution based on the characteristics of the flow examined (refining and coarsening the grid keeping constant the numerical cost), substantial improvements of the LES predictions can be obtained. This work can be considered as the first step toward the establishment of a standard (repeatable and user independent) meshing procedure for LES.

La combustion d’hydrocarbures représente encore aujourd’hui une part très majoritaire de la production d’énergie mondiale, en particulier dans la propulsion aérospatiale. La plupart des brûleurs industriels sont alimentés par un carburant sous forme liquide, qui est injecté directement dans la chambre de combustion, ce qui génère une forte interaction entre le spray, l’écoulement turbulent et la zone de combustion. Cette interaction a déjà largement été étudiée, mais certaines questions restent ouvertes. En particulier, la prise en compte de la combustion de goutte isolée dans le cadre de la Simulation aux Grandes Echelles (‘Large Eddy Simulation’ LES) de géométries complexes reste un problème difficile. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation de la combustion du spray dans le contexte de la LES de configurations complexes avec une approche Euler-Lagrange. Dans un premier temps, un modèle de combustion de gouttes incluant les différents régimes pour la LES, appelé MustARD pour « Multi-State Algorithm for Reacting Droplets », est proposé et validé dans plusieurs configurations académiques de complexité croissante. Dans un deuxième temps, MustARD est évalué sur une configuration de brûleur expérimental et comparé aux modèles classiques sans combustion de gouttes isolées. Cette étude montre que le régime de combustion de gouttes isolées n’est pas négligeable dans une telle configuration et qu’il modifie la structure de flamme. D’autre part, les comparaisons avec les résultats expérimentaux montrent que le modèle MustARD permet d’améliorer la précision des LES de sprays turbulents réactifs. / The combustion of hydrocarbons still represents the major part of the worldwide production of energy, especially for aerospace. Most industrials burners are fed with liquid fuel that is directly injected in the combustion chamber, generating a strong interaction between the spray, the turbulent flow and the combustion. This interaction has been widely studied, but is not yet fully understood. In particular, modeling individual droplet combustion, in the framework of Large Eddy Simulation (LES) of complex geometries, is a difficult issue. This work aims at improving models for spray combustion, in the context of two-phase reactive LES of complex configurations using an Euler-Lagrange approach. First, a droplet combustion model accounting for the various regimes and called MustARD for « Multi-State Algorithm for Reacting Droplets » is proposed and validated on several academic configurations of growing complexity. Second, MustARD is evaluated in the LES of a lab-scale burner and compared to classical models neglecting individual droplet combustion. Results show in particular the importance of the new model and its impact on the flame structure. Moreover, the comparison with experiments shows that MustARD contributes to improve the numerical prediction of LES of two-phase reacting flows.

L'air que nous respirons au travers des voies aériennes supérieures est essentiel pour la vie et pour la communication orale. Dans les études de production de parole humaine, l'écoulement d'air est en général extrêmement simplifié. Or cet écoulement est complexe car turbulent et fortement sensible aux conditions limites. Dans le cas de la production de fricatives non voisées, une description plus fine de l'écoulement s'avère nécessaire pour pouvoir modéliser correctement les mécanismes aéroacoustiques sous-jacents. A l'aide d'expériences in-vitro et de simulations numériques, l'objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation et la caractérisation aéroacoustique d'écoulements dans des configurations de type canal avec obstacle(s), avec application à la production de fricatives non voisées. Une attention toute particulière est portée à l'influence des conditions limites et à la turbulence. / Airflow through the human upper airways is essential for life and for oral communication. In studies dealing with human speech production, airflow is mostly severely simplified. Nevertheless, this airflow is complex owing to turbulence and extreme sensitivity to boundary conditions. Recently, deeper attention has been given to characterize the airflow in the case of unvoiced fricative production and the necessity of obtaining a more detailed flow description has been outlined. With the aid of in-vitro experiments and numerical simulations, the aim of the current PhD research is to contribute to the aeroacoustic modeling and characterization of airflows through various configurations of ducts with obstacle(s), relevant for unvoiced fricative speech production. Special interest is given to the influence of boundary conditions and to turbulence.

La simulation numérique est l’un des outils les plus puissants pour concevoir etoptimiser les systèmes industriels. Dans le domaine de la Dynamique des FluidesNumériques (CFD, "Computational Fluid Dynamics"), la simulation auxgrandes échelles (LES, "Large Eddy Simulation") est aujourd’hui largementutilisée pour calculer les écoulements turbulents réactifs, où les tourbillons degrande taille sont calculés explicitement, tandis que l’effet de ceux de petitetaille est modelisé. Des modèles de sous-mailles sont requis pour fermer leséquations de transport en LES, et dans le contexte de la simulation de la combustionturbulente, le plissement de la surface de flamme de sous-maille doitêtre modélisé.En général, augmenter le plissement de la surface de flamme de sous-maille favorisela combustion. L’amplitude de la promotion est donnée par une fonctiond’efficacité, qui est dérivée d’une hypothèse d’équilibre entre la production etla destruction de la surface de flamme. Dans les méthodes conventionnelles,le calcul de la fonction d’efficacité nécessite une constante qui dépend de lagéométrie de la chambre de combustion, de l’intensité de turbulence, de larichesse du mélange de air-carburant etc, et cette constante doit être fixée audébut de la simulation. Autrement dit, elle doit être déterminé empiriquement.Cette thèse développe un modèle de sous-maille pour la LES en combustionturbulente, qui est appelé le modèle dynamique de flammelette épaissie (DTF,"dynamic thickened flamelet model"), qui détermine la valeur de la constanteen fonction des conditions de l’écoulement sans utiliser des données empiriques.Ce modèle est tout d’abord testé sur une flamme laminaire unidimensionnellepour vérifier la convergence de la fonction d’efficacité vers l’unité (aucun plissementde la surface de flamme de sous-maille). Puis il est appliqué en combinaisonavec le modèle dynamique de Smagorinsky (Dynamic Smagorinskymodel) aux simulations multidimensionnelles d’une flamme en V, stabilisée enaval d’un dièdre. Les résultats de la simulation en trois dimensions sont alorscomparés avec les données expérimentales obtenues sur une expérience de mêmegéométrie. La comparaison montre la faisabilité de la formulation dynamique. / Numerical simulation is one of the most powerful tools to design and optimizeindustrial facilities. In the field of Computational Fluid Dynamics (CFD),Large Eddy Simulation (LES) is widely used to compute turbulent reactingflows, where larger turbulent motions are explicitly computed, while only theeffect of smaller ones is modeled. Subgrid models are required to close thetransport equations in LES, and in the context of the simulation of turbulentcombustion, the subgrid-scale wrinkling of the flame front must be modeled.In general, subgrid-scale flame wrinkling promotes the chemical reaction. Themagnitude of the promotion is given through an efficiency function derivedfrom an equilibrium assumption between production and destruction of flamesurface. In conventional methods, the calculation of the efficiency functionrequires a constant which depends on the geometry of the combustion chamber,turbulence intensity, the equivalence ratio of the fuel-air mixture, and so on;this constant must be prescribed at the beginning of the simulation. In otherwords, empirical knowledge is required.This thesis develops a subgrid-scale model for LES of turbulent combustion,called the dynamic thickened flamelet (DTF) model, which determines the valueof the constant from the flow conditions without any empirical input.The model is first tested in a one-dimensional laminar flame to verify the convergenceof the efficiency function to unity (no subgrid-scale flame front wrinkling).Then it is applied to multi-dimensional simulations of V-shape flamestabilized downstream of a triangular flame holder in combination with the dynamicSmagorinsky model. The results of the three-dimensional simulation arethen compared with the experimental data obtained through the experimentof the same geometry. The comparison proves the feasibility of the dynamicformulation.

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. / The ignition of a cryogenic rocket engine (liquid propellants) is a critical phase. The slightest anomaly in the ignition sequence can lead to the destruction of the entire launcher. The objective of this research work is to set a methodology based on the Large Eddy Simulation (LES) approach, to study the different physical phenomena involved in such ignition transient. The LES method can capture the unsteady processes such as turbulence, two-phase flow physics and chemical kinetics. The numerical tool is first validated in academic and experimental cases, and then applied to a real rocket engine. A gradual approach is employed : the complexity is increased between each validation case, so as to identify the main physical processes. This research work shows that the LES approach, in the context of massively parallel computing, can be used to study the whole ignition sequence of a real cryogenic rocket engine.