Le moteur à allumage commandé fortement downsizé est une des solutions les plus prometteuses utilisée par les constructeurs automobiles pour augmenter le rendement et réduire les émissions de CO2. Cependant, les conditions thermodynamiques plus sévères rencontrées dans ces moteurs favorisent l’apparition de combustions anormales (cliquetis et rumble) qui sont difficiles à analyser expérimentalement vu les risques encourus par le moteur. La méthode Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) s’est imposée depuis plusieurs années pour l’étude des moteurs à piston dans l’industrie, mais elle n’est pas la plus appropriée pour étudier des phénomènes locaux et sporadiques comme les combustions anormales qui n’affectent pas le cycle moyen simulé en RANS. Grâce à l’utilisation d’un code compressible LES et au développement d’une version améliorée des modèles ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) et TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) qui permet un découplage total entre les taux de réaction liés à la propagation de la flamme et à l’auto-inflammation, ces travaux mettent en évidence pour la première fois la capacité de la LES à décrire le phénomène de cliquetis dans une configuration réaliste d’un moteur à allumage commandé. Contrairement aux études précédentes [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], une étude quantitative du cliquetis est réalisée grâce à des post-traitements spécifiques et similaires pour les résultats expérimentaux et numériques. La LES est capable de prédire la variabilité de la pression cylindre, la fréquence mais également l’angle moyen d’apparition de l’auto-inflammation sur un balayage d’avance à l’allumage. Une analyse 3D démontre également que le cliquetis se déclenche à différents endroits, mais principalement dans la moitié de la chambre sous les soupapes d’échappement. De plus, l’intensité du cliquetis est proportionnelle à la masse de gaz frais brûlée en auto-inflammation pour les faibles intensités, alors qu’une croissance beaucoup plus forte est observée pour les intensités les plus élevées. Ceci suggère que des facteurs supplémentaires interviennent comme la localisation du cliquetis ou les interactions entre l’acoustique interne et l’auto-inflammation. L’utilisation d’un code LES compressible permet une visualisation directe de ces interactions mettant en évidence que les faibles intensités sont liées à des auto-inflammations locales sans couplage alors qu’une transition de la déflagration vers la détonation est possible en moteur automobile et correspond aux intensités les plus fortes. / Highly boosted spark ignition engines are more and more attractive for car manufacturers in terms of efficiency and CO2 emissions reduction. However, thermodynamic conditions encountered in these engines promote the occurrence of abnormal combustions like knock or super-knock, which are experimentally difficult to analyze due to the risks of engine damages. The Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) method mainly used in industry for piston engines is not the most appropriate as knock does not always affect the mean cycle captured by RANS. Using an accurate LES compressible code and improved versions of ECFM-LES (Extended Coherent Flame Model) and TKI (Tabulated Kinetics of Ignition) models allowing a full uncoupling of flame propagation and auto-ignition reaction rates, this work demonstrates for the first time that LES is able to describe quantitatively knocking combustion in a realistic downsized SI engine configuration. Contrary to previous studies [S. Fontanesi and S. Paltrinieri and A. D’Adamo and G. Cantore and C. Rutland, SAE Int. J. Fuels Lubr., 2013-01-1082, pp. 98-118][G. Lecocq, S. Richard, J.-B. Michel, L. Vervisch, Proc. Combust. Inst. 33 (2011) 3105-3114], a quantified knock analysis is conducted based on a specific post-processing of both numerical and experimental data. LES is able to predict the in-cylinder pressure variability, the knock occurrence frequency and the mean knock onset crank angle for several spark timings. A 3D analysis also demonstrates that knock occurs at random locations, mainly at the exhaust valves side. Knock intensity is found proportional to the fresh gases mass burned by auto-ignition at low knock intensities, while an exponential increase at the highest intensities suggests the influence of additional factors like the knock location in the cylinder or complex behavior of knocking combustion. A direct LES study of acoustic and autoignition interactions is then achieved. The LES visualizations allows showing that low knock intensities are only linked to local autoignition, but a deflagration to detonation transition occurs in such engine operating conditions and is responsible for the highest knock intensities.

La conception de nouveaux moteurs impose de respecter des normes de sécurité concernant les performances d'allumage et de ré-allumage en conditions critiques. Des campagnes d'essais étant onéreuses, les industriels cherchent donc à disposer d'outils numériques fiables. Afin d'améliorer la simulation des écoulements, le caractère multicomposant du carburant doit être pris en compte. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de l'évaporation d'un brouillard de gouttes sur un écoulement réactif. Pour cela, une étude de la propagation d'une flamme laminaire 1D est réalisée à l'aide d'un code de calcul multiphysique (CEDRE). Un train continu de gouttes monodisperse est injecté, les gouttes étant mono ou bicomposant. L'influence de la dynamique d'évaporation sur la combustion est étudiée. Deux cinétiques chimiques réduites multicomposant sont comparées. La composition, le diamètre et la richesse initiale des gouttes ont un impact sur la structure de flamme, la vitesse de flamme et la composition des gaz brûlés. Ensuite, l'effet de l'évaporation est étudié en phase d'allumage pour un brouillard de gouttes polydisperses monocomposant avec un modèle de noyau d'allumage local. L’écoulement instationnaire non-réactif dans un secteur de chambre industriel (MERCATO) est calculé avec une approche LES. Le caractère instationnaire, voire périodique, de la phase dispersée est mis en évidence en certains points de l'écoulement. Les résultats, associés au modèle d'allumage et à des critères, sont utilisées pour réaliser une carte de probabilité d'allumage. Des essais de calcul d'allumage complet de la chambre sont réalisés. Les résultats indiquent une surestimation des termes sources liés à l'évaporation de la phase dispersée et à la combustion. / The design of new aircraft engines needs in particular to comply with safety standards for the performance of stabilized combustion and ignition or re-ignition under critical conditions. Experimental campaigns are expensive, so numerical tools are needed. To improve the accuracy of the models used to simulate flow, the multicomponent nature of the fuel must be taken into account, whether it is kerosene or alternative fuel. The objective of this thesis is to study the influence of a droplet mist vaporization on a reactive flow. For this, an academic study of the propagation of a 1D laminar flame is performed using a CFD code {CEDRE). A continuous stream of monodisperse droplets is injected, the droplets being mono or bicomponent. The influence of the dynamics of evaporation on combustion is particularly studied. Two reduced multicomponent chemical kinetics are compared. The composition, the diameter and the initial equivalent ratio of droplets have an impact on the structure of the flame, the flame speed and composition of the burnt gases. A local ignition kernel model is applied to study the influence ofvaporization on ignition in the case of monocomponent, polydisperse droplets. Experimental data are available for a monosector combustion chamber (MERCATO) so the non-reactive unsteady flow is simulated with a LES approach. The unsteady, sometimes periodic, nature of the dispersed phase is highlighted in some points of the flow. A ignition model is applied to instantaneous flow fields and criteria are analysed to realise an ignition probability map which validates the approach. Finally, ignition of a combustion chamber is tested. The results point out an overestimation of source terms related to the evaporation of the dispersed phase and combustion.

L’aspirateur d’une centrale hydroélectrique est l’organe hydraulique se situant en aval de la roue. Il a une forme divergente afin de récupérer l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue sous forme de pression statique et augmenter ainsi la chute nette de la centrale. Dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, les pertes de charge dans l’aspirateur influencent fortement le rendement global de la centrale. La prédiction correcte de ces pertes de charge au cours du dimensionnement de la turbine représente donc un enjeu majeur. La prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur est un réel challenge car l’écoulement dans l’aspirateur est dynamiquement complexe avec des nombres de Reynolds élevés, la présence de swirl et d’un gradient adverse de pression. Ces caractéristiques font que les approches de modélisation classiquement utilisées dans l’industrie sont mises en défaut. L’objectif de ce travail est double : (i) améliorer la prédiction de l’écoulement turbulent dans l’aspirateur en utilisant des approches instationnaires URANS et LES et en portant une attention particulière à la description des conditions d’entrée de l’aspirateur et (ii) réaliser une analyse fine des échanges énergétiques dans l’aspirateur pour mieux comprendre l’origine des pertes de charge. Une condition d’entrée instationnaire représentative de l’écoulement en sortie de roue est élaborée pour ces calculs. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales afin d’évaluer la capacité prédictive de chaque approche de modélisation de la turbulence (URANS et LES). Cette étape de validation met en évidence l’importance d’une définition correcte des trois composantes de la vitesse en entrée d’aspirateur. L’influence des conditions aux limites du domaine de calcul, à savoir la rugosité de la paroi et la condition de sortie de l’aspirateur, sur les résultats de simulation est évaluée, notamment dans le cas d’une résolution LES. Grâce à une analyse détaillée du bilan d’énergie cinétique moyenne dans l’aspirateur, les phénomènes hydrodynamiques responsables des pertes de charge sont identifiés. Ceci permet d'analyser en détail les différences de prédiction de pertes de charge entre les calculs URANS et LES et d’identifier les pistes d’amélioration de la prédiction numérique de ces pertes. Enfin, cette analyse permet de comprendre l’évolution des pertes de charge observée entre plusieurs points de fonctionnement de la turbine. / The draft tube of a hydraulic turbine is the turbine element located downstream of the runner. It has a divergent shape in order to convert the residual kinetic energy leaving the runner into pressure and thus increase the effective head of the turbine. The performances of low head bulb turbines are highly influenced by the head losses in the draft tube. The prediction of these head losses in a design process is thereby a major issue. The numerical prediction of the head losses in the draft tube is a real challenge because the flow in the draft tube is dynamically complex with high Reynolds numbers, a swirl and an adverse pressure gradient. These characteristics render conventional industrial approaches not appropriate. The objective of this work is twofold: (i) to improve the numerical prediction of the turbulent flow in the draft tube by using URANS and LES unsteady approaches and paying special attention to the description of the inlet boundary conditions of the draft tube and (ii) to conduct a detailed analysis of the energy transfers in the draft tube in order to better understand the origin of the head losses. An unsteady inlet boundary condition for the simulations reproducing the flow field at the runner outlet is developed. Numerical results are compared to experimental measurements in order to evaluate the predictive capacity of each turbulence modelling approach (URANS and LES). This validation step highlights the importance of defining properly the three velocity components at the draft tube inlet. The influence on the numerical results of boundary conditions of the calculation domain, such as wall roughness and the outlet boundary condition, is evaluated, in particular in case of LES. Thanks to a detailed analysis of the mean kinetic energy balance in the draft tube, the hydrodynamic phenomena responsible for head losses are identified. The head losses prediction differences between URANS and LES are thus analyzed in detail and possible improvements for the head losses prediction are identified. Finally, this analysis enables to understand the head losses evolution observed between several operating points of the turbine.

Ce travail concerne une étude numérique d’écoulements incompressiblesanisothermes dans une cavité. Dans un premier temps, nous procédons à une modélisation destransferts de chaleur dans une paroi dont l’une de ses faces est recouverte d’une couche dematériau à changement de phase (MCP) de faible épaisseur. Cette modélisation est basée surune condition aux limites de type Signorini. Les équations de transfert sont résolues par uneprocédure itérative spécifique. Cette procédure est ensuite appliquée aux transferts dans unecavité différentiellement chauffée dont l’une des parois est recouverte d’une couche de MCPde faible épaisseur. Les équations qui régissent les transferts d’air sont résolues par uneméthode semi-implicite aux différences finies de second ordre et l’algorithme de projection.Nous validons la procédure en l’appliquant à la cavité entrainée, la marche descendante,l’écoulement autour d’un barreau de section carrée et la convection naturelle dans une cavitédifférentiellement chauffée. Dans un deuxième temps, une étude d’écoulements turbulentsincompressibles dans une cavité ventilée a été effectuée en utilisant un solveur de hauteprécision parallèle développée au LAMPS. Les équations de transfert sont résolues par unschéma compact aux différences finies et l’algorithme de projection. Il est montré notammentque le flux de chaleur appliqué à la paroi inférieure de la cavité influence considérablement lastructure de l’écoulement et les transferts de chaleur ainsi que les champs moyens etfluctuants de la vitesse et de la température. / The aim of this work is about a numerical study of anisothermal incompressible flowsconfined in a cavity. We perform a modeling of heat transfer in a wall where one of its faces iscovered with a thin layer of phase change material (PCM). This modeling is based on aSignorini boundary condition. The transfer equations are solved by a specific iterativeprocedure. This procedure is then applied to a differentially heated cavity, one of the walls ofwhich is covered with a thin layer of PCM. The transfer equations are solved by a semi-implicit method with finite second order differences and the projection algorithm. We validatethe procedure by applying it to the lid-driven cavity, downward motion, flow around a squaresection bar and natural convection in a differentially heated cavity. In a second step, the studyof incompressible turbulent flows in a ventilated cavity was carried out using a parallel highprecision solver developed at LAMPS. The transfer equations are solved by a finite differencecompact scheme and the projection algorithm. It is shown in particular that the heat flowapplied to the lower wall of the cavity greatly influences the structure of the flow and the heattransfers, as well as the mean and fluctuating fields of velocity and temperature.

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. / This work focuses on the development of the Discontinuous Galerkin (DG) method for the large-eddy simulation (LES) of turbulents flows. The DG method shows some interesting properties for LES : high-order of accuracy, compact stencil, unstructured meshes and amodal polynomial basis which can be used to implement multiscale turbulence models. We consider in this work the Variational Multiscale approach (VMS), which consists in splitting the resolved scales into two components using the modal basis in order to restrict the action of the model to a given range of small scales. The models have been tuned using the transfer functions of the DG hp-discretizations. The accuracy of the DG method for the representation of turbulent phenomena has been assessed through DNS of free and wall-bounded canonical flows. Finally, the VMS/DG approach has been assessed for simple configurations at high Reynolds numbers. We have shown that this particular approach allows for an accurate representation of turbulent flows for coarse discretizations.

Dans les chambres de combustion des moteurs fusées cryotechniques, la pression excède la pression critique des réactifs. Les interactions moléculaires ne sont plus négligeables et le comportement du fluide n’est plus celui d’un gaz parfait. Le but de cette thèse est de développer un outil de Simulation des Grandes Echelles (SGE) pour étudier la combustion et la dynamique dans des géométries réalistes de moteur fusées. L’utilisation de l’équation d’état de Peng-Robinson, associée à une formulation thermodynamique généralisée, et des coefficients de transports appropriés permettent au code de SGE AVBP du CERFACS de simuler des systèmes réactifs à pression supercritique. Les changements thermodynamiques au sein d’AVBP nécessitent également l’adaptation des conditions limites et des schémas numériques. L’outil est validé sur une configuration mono-espèce à pression supercritique, puis sur un cas représentatif d’un injecteur coaxial de moteur-fusée. Les résultats obtenus sont en bon accord avec l’expérience et offrent des perspectives encourageantes pour des études futures, telles que des configurations multi-injecteurs ou l’analyse des instabilités de combustion haute fréquence. / In cryogenic engines combustion chambers, pressure exceeds the propellants critical pressure. Molecular interactions are generally no longer negligible and fluid behavior deviates from that of a perfect gas. The objective of this thesis is to develop a Large-Eddy Simulation (LES) tool to study combustion and dynamics in realistic geometries of rocket engines. The use of the Peng-Robinson equation of state, in conjunction with a generalized treatment of thermodynamics and appropriate transport coefficients, allows the CERFACS’ LES code AVBP to handle reactive systems at supercritical pressure. Change of the thermodynamics in AVBP necessarily leads to an adaptation of boundary conditions treatment and numerical schemes. The tool is validated on a mono-species configuration at supercritical pressure, and a reactive single coaxial injector, representative of a rocket injector. Results are in good agreement with experiments and provide encouraging perspectives for future studies, such as multi-injector configurations and high-frequency combustion instabilities.

Cette thèse se situe dans le cadre de la simulation numérique de la combustion turbulente à l’aide de méthodes de tabulation de la cinétique chimique. En approximant la structure fine des flammes turbulentes, ces méthodes prennent en compte des effets fins de cinétique chimique pour un faible coup dans les calculs numériques. Ceci permet de prédire les champs de température et d’espèces chimiques incluant les polluants. Le champ d’application de la chimie tabulée a d’abord été réservé à la simulation des écoulements moyens (RANS) dans une hypothèse de faible nombre de Mach pour une combustion dite "conventionnelle". Cependant, le développement actuel de nouvelles technologies de combustion ainsi que celui de modèles numériques plus avancés que les approches RANS nécessite d’étendre ce champ d’application. Les travaux de cette thèse ont mené au développement de nouveaux modèles de chimie tabulée afin de répondre à ces nouvelles exigences. L’émergence de nouvelles technologies comme la combustion sans flamme nécessite le développement de modèles dédiés. Ce mode de combustion présente en effet des structures de flamme mixtes. C’est pourquoi un modèle de tabulation de la cinétique chimique nommé UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) est proposé pour prédire la combustion diluée à haute température qui caractérise la combustion sans flamme. Le modèle est basé sur la tabulation de solutions instationnaires de flammelettes non-prémelangées qui s’auto-allument. Les pertes thermiques et la dilution variable des gaz brûlés sont négligés dans le cadre de cette thèse par soucis de simplification et de clarté de la validation du modèle. Le modèle est appliqué au cas d’un jet de combustible dilué dans un environnement de gaz vicié qui favorise l’auto-allumage comme moyen de stabilisation d’une flamme liftée. Plusieurs simulations RANS sont réalisées en faisant varier le combustible utilisé. Enfin, une simulation aux grandes échelles (LES) est aussi conduite pour le mélange méthane/air. Plusieurs codes numériques dédiés à la LES sont basés sur une formulation compressible des équations de Navier-Stokes. Cependant les méthodes de tabulation ne permettent pas directement de prendre en compte les effets acoustiques. Un modèle appelé TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) a été créé afin d’introduire les méthodes de chimie tabulée dans les codes numériques compressibles. Pour cela, le calcul de la température est reformulé ainsi que le traitement des conditions aux limites à l’aide d’ondes caractéristiques. Enfin, l’application de modèle RANS de tabulation de la cinétique chimique à la LES est souvent faite sans tenir compte des spécificités de la simulation aux grandes échelles. Ainsi, les fonctions de densité de probabilités de type ß qui traduisent l’interaction de la combustion avec la turbulence en RANS sont utilisées telles quelles en LES. Nous montrerons que cette hypothèse est mauvaise car elle ne conserve pas l’intégrale du terme source dans une flamme prémélangée. Un nouveau modèle de chimie tabulée nommé F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation) est alors développé spécifiquement pour la simulation aux grandes échelles de la combustion parfaitement prémélangée. Le modèle est basé sur le filtrage de flammes laminaires de prémélange mono-dimensionelles. / The thesis subject is located in the domain of numerical simulation of turbulent combustion through tabulated chemistry methods. These methods allow to include detailed chemistry effects at low cost in numerical simulation by approximating the fine scales structure of turbulent flames. Prediction of temperature and chemical species including pollutants becomes then possible. Tabulated chemistry models were first dedicated to low Mach-number RANS approaches for "conventional" combustion applications. However, the current uprising of new combustion configurations and of more precise numerical modeling than RANS approach requires to widen these range of applications. For that purpose, this thesis led to the development of new tabulated chemistry models. Flameless combustion is one of these new combustion technology that requires dedicated models. Indeed, complex flame structures are encountered in this combustion mode. That is why a tabulated chemistry model called UTaC (Unsteady flamelets Tabulated Chemistry) is derived to simulate high temperature diluted combustion which characterizes flameless combustion. The model lies on the tabulation of laminar unsteady non-premixed flamelets that auto-ignite. Heat losses and variation of dilution with burnt gases are neglected in the topic of this thesis for brevity and simplification of the model validation. The investigated configuration is a fuel jet diluted in a vitiated coflow. The hot coflow promotes auto-ignition in the lifted flame stabilization mechanism. Several RANS computations are performed by changing the fuel composition. Finally, a Large Eddy Simulation (LES) is also realized using a methane/air mixture as the impinging fuel stream. Several numerical codes for LES use a fully compressible formulation of Navier-Stokes equations. However, tabulated chemistry techniques do not take into account acoustic perturbations. A model called TTC (Tabulated Thermo-chemistry for Compressible flows) formalism is therefore developed in order to include tabulated chemistry in compressible CFD codes. TTC formalism consists in reformulating both temperature computation inside the numerical code and the characteristic boundary treatment. Finally, application of tabulated chemistry model to LES is usually done by a straightforward derivation from its RANS version without taking into account LES requirements. Indeed, ß-probability density functions which accounts for turbulence-chemistry interaction in RANS are used in LES although this technique does not conserve the source terms integral in premixed flames. A new model, F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation), is then derived specifically for LES of perfectly premixed combustion. This model is based on filtering of 1D laminar premixed flamelets.

La simulation numérique de l’écoulement des fluides et du transfert dechaleur dans les phénomènes multi-échelles est encore très difficile avecles méthodes numériques conventionnelles, e.g. la méthode de Volumes Finis(FVM) etc. Récemment développée pour simuler les écoulements desfluides, le transfert de chaleur et des phénomènes physiques complexes, laméthode de Lattice Boltzmann (LBM) est basée sur la théorie cinétiquedu fluide, qui possède de nombreuse caractéristiques distinctives. Afind’élargir le champ d’application de LBM, cette thèse doctorale a mené destravaux de recherches systématiques sur la combinaison entre LBM et lesméthodes macroscopiques et sur les modèles thermiques et la simulation dela turbulence en utilisant LBM. Les principales contributions de cette thèsesont: 1. Un couplage multi-échelles LBM-FVM est construit pour les écoulementsdu fluide instationnaire et un opérateur de reconstruction g´en´erale entreLBM et FVM est proposé pour le transfert de l’information; 2. Un modèle thermique 3D de LBM est développé pour les écoulements compressibles thermiques à faible nombre de Mach, et un modèle de LBM entièrement compressible avec factorisation symétrique est proposé pour simuler les écoulements fortement compressibles; 3. Un schéma asymptotique de volumes finis LBM et un schéma de LBM basé sur propagation fractionnaire et collision à demi-étape sont proposés pour simuler les écoulements subsoniques à grande vitesse et transsoniques; 4. La simulation des grandes échelles (LES) turbulentes est effectuée et étudiée dans le cadre de LBM thermique. Un modèle de paroi utilisant LBM thermique est développé pour un écoulement à nombre de Reynolds élevé. / The simulation of fluid flows and heat transfer of multiscale phenomena orprocesses is one of the most challenging domains from the theoretical aswell as the numerical modeling point of view. It is difficult to model andsimulate multiscale problems using conventional computational fluid dynamicsmethods. As an approach based on the mesoscopic kinetic equationfor fluids and has many distinctive features, the lattice Boltzmann method(LBM) is a recently developed method for simulating fluid flows, heat transferand complicated physical phenomena. However, the applications of latticeBoltzmann method in actual multiscale problem are still in explorationstage. In order to enlarge the application scope of lattice Boltzmann methodfor multiscale simulation, the present work has conducted systematic researchon combination of LBM and macroscopic methods, thermal lattice Boltzmann models and turbulence simulation using LBM. The major contributions of this dissertation are summarized as follows: 1. A multiscale coupling LBM-FVM is constructed for unsteady fluid flows and a general reconstruction operator between LBM and FVMis proposed for information transfer. 2. A three-dimensional thermal lattice Boltzmann model is developed for thermal compressible flows with variable density in low Machnumber limit. Further more, a fully compressible lattice Boltzmann model with factorization symmetry is proposed for simulating high compressible flow. 3. An asymptotic preserving finite volume scheme LBM and a fractional propagation half step collision LBM are proposed for simulating high subsonic and transonic flows. 4. Large eddy simulation for turbulence is studied in framework of thermallattice Boltzmann method. Wall modeled LES using thermalLBM is developed for high Reynolds number flow.

Motivée par les contraintes économiques et les exigences environnementales, l'industrie du transport tente de réduire ses dépenses énergétiques. Elle concentre notamment ses efforts sur la traînée de frottement. Bien que d'origine visqueuse, celle-ci est fortement amplifiée par les mouvements turbulents. La capacité à manipuler les fluctuations turbulentes, complexes et chaotiques, offre alors des perspectives de gain énergétique substantiel, mais nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques. Parmi les stratégies de contrôle les plus prometteuses, l'utilisation de revêtements rainurés, nommés riblets, est étudiée dans ce mémoire. Bien que leur capacité de réduction de frottement soit connue depuis plusieurs décennies, les mécanismes par lesquels ils interagissent avec la turbulence restent à préciser. À ces fins, une méthode pour leur simulation numérique est mise au point. En redéfinissant la position de l'origine virtuelle, c'est-à-dire de la paroi plane équivalente, une forte similitude est établie entre les écoulements contrôlé et canonique. D'un point de vue applicatif, cela permet notamment de quantifier les performances de réduction de traînée atteignables à haut nombre de Reynolds. Enfin, le potentiel a priori prometteur des riblets tridimensionnels est exploré. En s'appuyant sur les rares résultats précurseurs de la littérature, il s'agit de proposer une géométrie industriellement réalisable optimale en termes de réduction de traînée. Pour chacune des géométries novatrices testées, les simulations révèlent avec finesse que les éventuels bénéfices sur le frottement sont systématiquement surpassés par l'influence délétère des efforts de pression. / Economical constrains and environmental requirements lead the transportation industry to progress towards energy expenditure reduction. Efforts are especially focused on the skin-friction drag. Friction drag, while due to viscosity, is greatly amplified by turbulent motions. The ability to manipulate the complex and chaotic near-wall turbulent fluctuations thus offers prospects for substantial energy saving, but also requires a solid understanding of the physical phenomena.Among the most promising control strategies, the present manuscript focuses on riblet-covered surfaces. Even though their drag-reducing capability has been observed from decades, the mechanisms by which they interact with the near-wall turbulent motions still need to be clarified. Towards these ends, a numerical method for ensuring their proper simulation is developed. The virtual origin—interpreted as the equivalent flat wall location—is redefined, which highlights a strong similarity between the controlled and the canonical flows. As a practical interest, this similarity enables an improved evaluation of the drag reduction capabilities achievable at high Reynolds numbers.Additionally, the promising potential for three-dimensional riblets is examined. Based on the scattered precursory results of the literature, we intend to come up with a design which demonstrates optimal drag reduction capabilities under the constraint of industrial feasibility. For each of the prospected innovative designs, the numerical simulations accurately reveal that the potential profit on skin-friction is consistently exceeded by the harmful influence of pressure stresses.

La réduction des émissions de dioxyde de carbone et de polluants réglementés (oxydes d'azote, hydrocarbures, particules...) dans les moteurs à allumage commandé est possible via l'apport de nouvelles technologies comme le downsizing, l'injection directe, la suralimentation, etc... Toutefois, les gains apportés par ces technologies, qui complexifient grandement le groupe motopropulseur, sont réduits du fait qu'elles induisent aussi une augmentation de l'intensité de certains phénomènes tels que les variations cycliques de la combustion (VCC) ou les combustions anormales. La compréhension de ces phénomènes est une clé dans l'amélioration des futurs moteurs à essence. L'objectif principal de cette thèse est de permettre la modélisation des phénomènes transitoires et acycliques dans des moteurs à structure de plus en plus complexe grâce au développement, à la validation puis à l'application d'une méthode de couplage entre la simulation aux grandes échelles (SGE ou LES pour Large-Eddy Simulation en anglais) et la simulation système. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer qu'il est possible de simuler une configuration moteur et d'en étudier les comportements transitoires en 3D tout en prenant en compte la dynamique de tous les composants du moteur. Les simulations obtenues par cette approche pour le moteur du projet ANR SGEmac ont été comparées avec succès aux résultats expérimentaux et à des simulations tridimensionnelles : ces résultats constituent la dernière étape de validation du couplage et démontrent sa capacité à simuler des systèmes moteurs complets. Les codes couplés développés sont ensuite appliqués à l'étude des transitoires de charge et de régime pour le moteur du projet ANR ASTRIDE. La comparaison simulation/expérience montre que le solveur couplé permet bien de remplir les objectifs fixés de simulation des VCC et des transitoires. / The decrease of greenhouse gases and pollutant emissions (nitrous oxides, carbon oxides, particles...) for spark ignited engines goes through the development of new technologies such as direct injection, turbocharging, downsizing, etc. However, the benefits of these technologies, which complexify the engines, are limited by the phenomena they intensify such as Cyclic Combustion Variability (CCV) and abnormal combustions. A thorough understanding of these phenomena is a cornerstone for the improvement of future engines. The aim of this work is to predict acyclic and transient phenomena in increasingly complex engines through the development, the validation and the use of a coupling method between Large-Eddy Simulation (LES) and system simulation. This thesis has demonstrated that simulating a complete industrial engine in 3D with LES to study its transient behavior is possible. The methodology developed in the present work was used to study the engine of the national research agency project SGEmac and a good agreement was obtained between the experiments and the tridimensional simulations. These results are the last validation step of the coupling method and demonstrate the capacity of the coupled solver to simulate the whole engine. The coupling method is then applied to study engine load and regime transients for the national research agency project ASTRIDE. The comparison between simulations and experiments show that the coupled solver can simulate CCV and transients, thus fulfilling its initial goal.