Cette étude, menée principalement par des moyens expérimentaux, analyse la dynamique des fluctuations de concentration produites au sein d’un panache d’un scalaire passif émis par une source ponctuelle dans une couche limite turbulente. En étendant le travail de Fackrell and Robins (1982) sur les fluctuations de concentration, on décrit l’évolution des quatre premiers moments de la concentration et on étudie l’influence des conditions à la source (telles que la taille et la hauteur de la source et la vitesse de sortie) sur les moments mêmes. L’étude est complétée par une description détaillée des statistiques du champ de vitesse dans la couche limite, comprenant des informations sur la structure spatiale et temporelle de la turbulence. Cette base de données expérimentale a été utilisée pour valider deux différentes approches à la modélisation de la dispersion: un modèle analytique de meandering et un modèle Lagrangien stochastique avec un schéma de micro mélange. / This experimental study analyses the dynamics of concentration fluctuations in a passive plume emitted by a point source within the turbulent boundary layer. We aim to extend the popular study of Fackrell and Robins (1982) about concentration fluctuations and fluxes from point sources by including third and fourth moments of concentration. We also further inquire into the influence of source conditions, such as the source size, source elevation and emission velocity, on higher order concentration moments. The data set is completed by a detailed description of the velocity statistics within the TBL, with exhaustive information on both the temporal and spatial structure of the flow. The experimental data-set has been used to test two different modeling ap- proaches: an analytical meandering plume model (in one and in three dimen- sions) and a Lagrangian stochastic micro-mixing model.

La demande croissante pour alléger les moteurs d’avions et diminuer les émissions polluantes de la propulsion aéronautique réclame à rendre plus compact le système de compression des moteurs, qui représente environ 40%-50% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étage exige d’un point de vue aérodynamique une augmentation de la charge des aubes de compresseur par étage. La charge d’aube est aujourd’hui limitée car elle induit différents mécanismes de pertes tridimensionnelles très pénalisant. L’un des plus importants est le décollement de coin qui se forme à la jonction entre l’extrados de l’aube et le moyeu ou le carter. Bien que des travaux existent sur les mécanismes et paramètres intervenant dans le décollement de coin, il est encore difficile de proposer une méthode de contrôle efficace. Cela est principalement dû à deux raisons : (i) le manque de compréhension fine des mécanismes physiques, (ii) l’utilisation pour la conception de modèles de turbulence classiques de type RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) qui ne sont pas capables de prédire précisément le décollement de coin, car ils ne peuvent pas décrire correctement les mécanismes de transport turbulent. Des simulations de type RANS et LES (large-eddy simulation = simulation des grandes échelles) sont présentées dans cette thèse sur une configuration de grille d’aubes de compresseur, et comparées avec les données expérimentales obtenues au LMFA (issues de travaux séparés). L’approche RANS surestime globalement le décollement de coin. Une amélioration significative est obtenue par la méthode LES, en particulier pour le coefficient de pression statique sur l’aube et les pertes de pression totale. Ces résultats montrent que la zone de décollement de coin, qui est la source principale des pertes, génère des tourbillons de grande échelle associés à de forts niveaux d’énergie. Les histogrammes bimodaux de la vitesse tangentielle qui ont été observés expérimentalement semblent confirmés par les résultats LES. En ce qui concerne les amplitudes des fluctuations de vitesse tangentielle, les résultats expérimentaux et ceux de la LES mettent en évidence deux pics sur certains profils perpendiculaires aux parois. Enfin, grâce à l’approche LES, les bilans de l’énergie cinétique turbulente sont calculés et analysés. Ils décrivent l’équilibre entre les termes de production, de dissipation et de transport. Une des perspectives de cette analyse est d’aider à améliorer la modélisation de la turbulence en approche RANS. / The increasing demand to reduce the mass of aircraft jet engines and emissions of aircraft propulsion requires to make the compression system of engines more compact, since this component accounts for about 40%-50% of the total mass. However, at a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages will raise the compressor blade loading per stage. The blade loading is extremely restricted by different three-dimensional flow loss mechanisms. One of them is the corner separation that forms between the blade suction side and the hub or shroud. Although some works previously investigated the mechanisms and the parameters of corner separation, it is still difficult to propose an effective control method of the corner separation. That is mainly due to two reasons: (i) the lack of knowledge of the physical mechanisms, (ii) the nowadays classical RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) turbulence models are not capable to accurately predict the corner separation, since they cannot correctly describe the turbulent transport mechanisms. RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) and LES (large-eddy simulation) simulations are here presented on a compressor cascade configuration, in comparison with experimental data obtained at LMFA (from separate works). The RANS approach globally over-estimates the corner separation, whereas a significant improvement is achieved with the LES, especially for the blade surface static pressure coefficient and the total pressure losses. The corner separation region, which is the main source of the total pressure losses, is shown to generate large-scale energy-containing eddies. The bimodal histograms of the streamwise velocity that were observed experimentally seem to be confirmed by the LES results. Concerning the streamwise velocity fluctuations (RMS), both the experiment and the LES show some profiles with two peaks. Finally, thanks to the LES approach, the turbulent kinetic energy budget, which represents the balance between the production, dissipation and transport terms, are computed and analyzed. This may help the improvement of RANS turbulence modeling.

Depuis une dizaine d’années, l’évolution de la puissance des ordinateurs a permis de développer l’utilisation, dans les études d’ingénierie, des simulations 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) pour l’étude de l’atmosphère à petite échelle, en particulier pour la dispersion de polluants sur des sites industriels et urbains complexes. Compte tenu de la complexité des domaines à étudier et des ressources de calcul généralement disponibles, ces études sont la plupart du temps réalisées à l’aide des modèles RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), et particulièrement avec le modèle de fermeture k – e. Différents travaux de validation de l’approche RANS k – e ont mis en évidence quelques limitations à reproduire la dynamique de l’écoulement et de la dispersion dans des configurations géométriques complexes. Le travail de recherche réalisé dans le cadre de cette thèse a pour objectif une caractérisation expérimentale fine de l’écoulement et de la dispersion turbulente autour d’un obstacle bidimensionnel placé dans une couche limite de surface, afin d’évaluer la validité des modèles RANS en vue de leur application pour l’étude de la dispersion atmosphérique.Dans un premier temps, nous avons utilisé des techniques d’anémométrie à fil chaud, d’anémométrie laser Doppler et d’anémométrie par image de particules, pour déterminer le champ de vitesse dans une couche limite de surface rugueuse et autour d’un obstacle bidimensionnel de section carrée. Une attention particulière a été portée sur l’analyse des termes de l’équation évolutive de l’énergie cinétique turbulente (ECT) et sur la détermination de la viscosité turbulente vt. Différentes approches ont également été utilisées pour estimer le taux de dissipation e de l’énergie cinétique turbulente. Nous avons mis en évidence que ces différentes approches fournissent des résultats comparables dans le cas de la couche limite, tandis que seule la technique estimant e comme le résidu de l’ECT est applicable dans le sillage de l’obstacle. De plus, nos mesures ont permis d’évaluer les paramétrisations du modèle k – e et de montrer que la valeur du coefficient Cμ = 0.09 ne semble pas adaptée dans le cas de la couche limite, conduisant à une surestimation de vt, alors que cette valeur apparait plus adaptée dans le cas de l’obstacle. Une étude de sensibilité, portant la détermination de la constante σk du modèle k – e, indique une contribution non négligeable des termes de corrélation entre la vitesse et la pression dans le sillage de l’obstacle.Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dispersion d’un scalaire passif, en mesurant les différents moments statistiques de la concentration, au moyen d’un détecteur à ionisation de flamme. Nous avons également déterminé les flux turbulents de masse, par un couplage entre les mesures de vitesse et de concentration, en prenant soin de contrôler les influences réciproques des deux techniques de mesure. Ces mesures nous ont permis de tester la validité de différents modèles de fermeture de l’équation d’advection-diffusion pour estimer les flux dans le sens vertical et dans le sens longitudinal. Nous avons également pu déterminer expérimentalement le coefficient de diffusivité turbulente Dt, nous permettant d’évaluer un nombre de Schmidt turbulent Sct, afin de mettre en évidence que la valeur Sct = 0.7 est adaptée à la majorité des zones étudiées, excepté dans la zone de recirculation induite par l’obstacle. Enfin, nous nous sommes intéressés aux différents termes de l’équation de la variance de la concentration et plus particulièrement à son taux de dissipation. À nouveau, les mesures nous ont permis de tester un modèle de fermeture disponible dans la littérature et de montrer la bonne cohérence entre le modèle et l’expérience. / In the last decades, there has been an increasing use of Computational Fluid Dynamics (CFD)simulations to evaluate the impact of atmospheric pollutants dispersion in within industrial and urban sites. Given the high geometrical complexity of these sites, these simulations are mainly performed adopting a Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach and using k−e closure models. As is well known from previous studies, RANS k−e simulations are affected by some limitations that prevent them correctly reproducing the dynamics of the flow and the pollutant dispersion in complex geometrical configurations. The aim of the PhD is to provide a detailed experimental characterization of the flow and the turbulent dispersion around an idealized two-dimensional obstacle placed within a boundary layer flow. This is subsequently used to analyse the reliability of RANS closure models as predictive tools for the atmospheric dispersion of airborne pollutants. Initially we focus on the flow dynamics of a boundary layer flow developing over a rough wall and in the wake of a 2D obstacle. The velocity field is investigated experimentally by means of different measurement techniques, namely Hot Wire Anemometry (HWA), Laser Doppler Anemometry (LDA) and Stereo-Particle Imagery Velocimetry (PIV). A particular attention was devoted to the estimate of the turbulent viscosity nt as well as of the terms composing the turbulent kinetic energy budget (TKE), including its rate of dissipation e which was determined adopting different approaches. These measurements allowed us to analyse the accuracy of the parameterizations included in a standard k−e closure model. Our analysis show that a value of the coefficient Cμ = 0.09 leads to significant overestimation of nt in a boundary layer flow. Conversely, adopting Cμ = 0.09 provides a good agreement between modeled and direct estimates of nt in the wake of the obstacle. As a second step, we studied the dispersion of a passive scalar emitted by a ground level line source. To that purpose we measured the first four order moments of the concentration probability density function by mean of a flame ionization detector (FID). Furthermore, the coupling of the FID system with the LDA or HWA system allowed us to directly measure the turbulent mass transfer, i.e. the correlation between velocity and concentration fluctuations. The combination of these two techniques was carefully analyzed, in order to quantify eventual mutual disturbances of one measurement technique on the other. The measurements of the velocity/concentration correlations allowed us to determine experimentally the turbulent diffusivity Dt and the turbulent Schmidt number Sct , and therefore to test the accuracy of different closure models of the advection-distribution equation. Our results show that the value of the turbulent Schmidt number is approximately equal to 0.7 in most of the domain, except in the recirculation zone on the wake of the obstacle. Experimental data provide also a complete description of the spatial distribution of the concentration variance, and of the term composing its budget (with a focus on its dissipation). As for the velocity field, we test the reliability of different closure model proposed in the literature of the turbulent mass transfer terms, enlightening the shortcomings of simple gradient-law closer models.

No description available.

The near-wall modelling of turbulent flows has been an active field of research due to the computational cost associated with the direct numerical simulations of such flow, which are characterized by a wide range of length and time scales. With the recent advancements in technological capabilities, the availability of high-fidelity data has enabled the construction of data-driven approaches to model turbulence. In this thesis, deep-learning models are used to model the dynamically important near-wall region in a turbulent boundary layer. As a first step, a direct numerical simulation (DNS) of an incompressible zero-pressure-gradient (ZPG) turbulent boundary layer (TBL) over a flat plate is performed using a pseudo-spectral code, SIMSON (Chevalier et al., 2007). The Reynolds number based on free-stream velocity and inlet displacement thickness is 450 and the passive scalars are simulated at Prandtl numbers of 1, 2, 4 and 6. Turbulence statistics for the flow and thermal fields are computed and compared against the numerical simulations at a similar Reynolds number. To generate the training, validation and test datasets for the neural network, the turbulent velocity fluctuation fields are sampled at various wall-normal locations, y+ = 15, 30, 50, 100 at a constant sampling time of ∆t+ = 0.99, in addition to the streamwise and spanwise wall-shear-stress fields, pressure field and heat flux fields at the wall. A fully convolutional network (FCN) based model is proposed for the prediction of two-dimensional velocity-fluctuation fields farther from the wall using the sampled fields at the wall. The quality of predictions from the network is assessed based on (i) the mean-squared error (MSE) between the predictions and the DNS fields, (ii) the relative percentage error in prediction of root-mean-squared (RMS) of fluctuations or fluctuation intensity and (iii) the correlation coefficient between the predicted and the DNS fields. Different types of predictions are performed, where the three components of the velocity-fluctuation fields are predicted simultaneously by the FCN, and these predictions are classified based on the input fields to the FCN. Three different types of predictions are presented in this study, and an auxiliary-loss-function approach is also introduced to improve the performance of the FCN. The results from the proposed data-driven model for ZPG TBL shows a good capability in the prediction of both the instantaneous fluctuation fields and the turbulent statistics like fluctuation intensity. In particular, the prediction of velocity-fluctuation fields at y+ = 30 using only the heat-flux field at Pr = 6 exhibits less than 12% error in the prediction of streamwise fluctuation intensity. The results obtained in this study indicate the potential of FCN in serving as a computationally effective tool to predict turbulent-velocity-fluctuation fields close to the wall using the inputs from the wall and finds useful application in flow-control problems. / Nära väggmodelleringen av turbulenta flöden har varit ett aktivt forskningsfält på grund av beräkningskostnaderna i samband med de direkta numeriska simuleringarna av sådant flöde, som kännetecknas av ett brett spektrum av längd- och tidsskalor. Med de senaste tekniska framstegen har tillgången på data i hög kvalitet möjliggjort konstruktion av datadrivna metoder för modellturbulens. I denna avhandling används djupinlärningsmodeller för att modellera det dynamiskt viktiga området nära väggen i ett turbulent gränsskikt. Som ett första steg utförs en direkt numerisk simulering (DNS) av ett inkomprimerbart nolltryck-gradient (ZPG) turbulent gränsskikt (TBL) över en platt platta med hjälp av en pseudo-spektral kod, SIMSON (Chevalier et al., 2007). Reynolds-talet baserat på friströmshastighet och inloppsförskjutningstjocklek är 450 och de passiva skalarna simuleras vid Prandtlnumbers på 1, 2, 4 och 6. Turbulensstatistik för flödet och termiska fält beräknas och jämförs med de numeriska simuleringarna vid ett liknande Reynolds -nummer. För att generera utbildnings-, validerings- och testdatauppsättningar för det neuralanätverket samplas turbulenta hastighetsfluktuationsfält på olika väggnormala platser, y+ = 15, 30, 50, 100 vid en konstant provtagningstid på ∆t+ ≈ 0, 99, dessutom till strömmande och spanvisa väggskjuvspänningsfält, tryckfält och värmeflödesfält vid väggen. En helt konvolutionsnät (FCN) baserad modell föreslås för förutsägelse av tvådimensionella hastighetsfluktuationsfält längre från väggen med hjälp av de samplade fälten vid väggen. Kvaliteten påförutsägelser från nätverket bedöms baserat på (i) medelkvadratfelet (MSE) mellan förutsägelserna och DNS-fälten, (ii) det relativa procentuella felet vid förutsägelse av rot-medelkvadrat (RMS) för fluktuationer eller fluktuationsintensitet och (iii) korrelationskoefficienten mellan de förutsagda och DNS fälten. Olika typer av förutsägelser utförs, där de tre komponenterna i hastighetsfluktuationsfälten förutspås samtidigt av FCN, och dessa förutsägelser klassificeras baserat på inmatningsfälten till FCN. Tre olika typer av förutsägelser presenteras i denna studie, och en metod för hjälp-förlustfunktion introduceras också för att förbättra prestanda för FCN. Resultaten från den föreslagna datadrivna modellen för ZPG TBL visar en god förmåga i förutsägelsen av både momentana fluktuationsfält och den turbulenta statistiken som fluktuationsintensitet. I synnerhet uppvisar förutsägelsen av hastighetsfluktuationsfält at y+ = 30 med endast värmeflödesfältet vid Pr = 6 mindre än 12% fel i förutsägelsen av strömningsvis fluktuationsintensitet. Resultaten som erhållits i denna studie indikerar FCN: s potential att fungera som ett beräkningsmässigt effektivt verktyg för att förutsäga turbulenta hastighetsfluktuationsfält nära väggen med hjälp av ingångarna från väggen och finner användbar tillämpning i flödeskontroll -problem.

Ce travail porte sur les processus hydrodynamiques en zone littorale.Deux principaux thèmes sont abordés. Le premier concerne la couchelimite oscillante provoquée par l’interaction entre les vagues et le fondà l’approche des côtes. Le second traite de l’évolution de la circulationet la vorticité induite par la bathymétrie et/ou le forçage des vagues.Un modèle de couche limite turbulente a été élaboré et utilisé pourobserver l’évolution de la couche limite oscillante sous l’effet de vaguesnon-linéaires, en s’appuyant sur une modélisation physique menéedans le canal à houle du LEGI. Les profils expérimentaux de vitesseet positions du fond fixe instantanés permettent de définir l’évolutiondes non-linéarités induites par les vagues au sein de la couche limite.Le modèle numérique couplé à une modélisation du mouvement dulit mobile est capable de reproduire l’évolution de ces non-linéarités,et explique que la diffusion verticale observée expérimentalementest principalement due au mouvement vertical du lit causé induitpar les vagues. Pour l’étude de la circulation et de la vorticité enzone côtière, un modèle numérique 2D moyenné sur la verticale detype Shallow Water est validé avec les données d’une expériencemenée dans le basin à vagues du Laboratoire Hydraulique de France(ARTELIA). La formation de courants sagittaux a été forcée parun front de vagues avec un déficit d’énergie au centre du bassin. Lemodèle numérique est validé par des mesures de surface libre, devitesse, ainsi que de circulation et vorticité. En utilisant ensuitel’équation de vorticité potentielle comme outil de diagnostic, avec unforçage monochromatique on prédit un équilibre entre la générationde vorticité et son advection par l’écoulement moyen. / This work is about the hydrodynamic processes in the nearshorezone. They are of great importance to estimate the overall dynamicsof the coastal zone. This thesis is divided into two main parts; thefirst one investigates the coastal bottom boundary layer induced bythe interaction of the waves and the bottom when approaching thecoast; the second one is about the evolution of the mean circulationand vorticity induced by an inhomogeneity in the bathymetry orthe wave forcing. A turbulent boundary layer numerical model hasbeen developed and used to simulate the evolution of the oscillatingboundary layers under non-linear waves, of a flume experiment at theLaboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI) inGrenoble, France. The experimental instantaneous velocity profilesand still bed positions, allow defining the non-linear velocity distributionsinduced by the waves within the boundary layer. The numericalmodel coupled with a ad-hoc modeling of the mobile bed motionis able to reproduce the vertical distribution of the non-linearities,and also indicates that the vertical diffusion observed experimentallyis mainly caused by the mobile bed motion induced by the passingwaves. A 2D depth-averaged nonlinear shallow water numericalmodel is used to study the circulation and vorticity in the nearshorezone. This model is validated on a mobile bed experiment in thewave basin of the Laboratoire Hydraulique de France (ARTELIA).The formation of rip currents is forced by a damped wave forcing inthe middle of the wave basin. The numerical model is validated withfree surface and velocity measurements, and by the circulation andvorticity. Using the potential vorticity balance as a diagnosis tooland with a monochromatic wave forcing, an equilibrium between thevorticity generation and advection is observed in the nearshore zone. / Este trabajo trata de los procesos hidrodinámicos en la zona litoral,de grande importancia para la dinámica global del flujo costero. Dostemas principales son estudiados. El primero trata de la capa límiteoscilante provocada por la interacción entre el oleaje y el fondo alacercarse a la costa. El segundo tema trata de la evolución de lacirculación y la vorticidad inducida por la batimetría y/o el oleaje.Un modelo de capa límite turbulenta ha sido elaborado y validadopara analizar la evolución de la capa límite oscilante bajo la influenciade oleaje no-lineal, apoyándose en una modelación física, realizada enel canal de olas del LEGI. Los perfiles experimentales instantáneos develocidad y posición del fondo fijo, permiten definir la evolución delas no-linealidades inducidas por las olas dentro de la capa límite. Elmodelo numérico acoplado a una modelación del movimiento del fondomóvil es capaz de reproducir la evolución de estas no-linealidades, yexplica también que la difusión vertical observada experimentalmentees principalmente debida al movimiento vertical del fondo inducidopor el oleaje. El estudio de la circulación y de la vorticidad en zonascosteras se hace mediante un modelo numérico 2D promediado enla vertical de tipo Shallow Water que es validado con los datos deuna experiencia llevada a cabo en la piscina de olas del LaboratoireHydraulique de France (ARTELIA). La formación de corrientes ripse realiza a través de frentes de olas con un déficit de energía en elmedio de la piscina. El modelo numérico es validado con medicionesde superficie libre, de velocidades, y de circulación y vorticidad.Utilizando la ecuación de vortcidad potencial como herramienta dediagnóstico, con un oleaje monocromático se predice un equilibrioentre la generación de vorticidad y su advección por las corrientes.

Turbulent boundary layers approximating those found on the NASA Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) thermal protection system during atmospheric reentry from the International Space Station have been studied by direct numerical simulation, with the ultimate goal of reducing aerothermodynamic heating prediction uncertainty. Simulations were performed using a new, well-verified, openly available Fourier/B-spline pseudospectral code called Suzerain equipped with a ``slow growth'' spatiotemporal homogenization approximation recently developed by Topalian et al. A first study aimed to reduce turbulence-driven heating prediction uncertainty by providing high-quality data suitable for calibrating Reynolds-averaged Navier--Stokes turbulence models to address the atypical boundary layer characteristics found in such reentry problems. The two data sets generated were Ma[approximate symbol] 0.9 and 1.15 homogenized boundary layers possessing Re[subscript theta, approximate symbol] 382 and 531, respectively. Edge-to-wall temperature ratios, T[subscript e]/T[subscript w], were close to 4.15 and wall blowing velocities, v[subscript w, superscript plus symbol]= v[subscript w]/u[subscript tau], were about 8 x 10-3 . The favorable pressure gradients had Pohlhausen parameters between 25 and 42. Skin frictions coefficients around 6 x10-3 and Nusselt numbers under 22 were observed. Near-wall vorticity fluctuations show qualitatively different profiles than observed by Spalart (J. Fluid Mech. 187 (1988)) or Guarini et al. (J. Fluid Mech. 414 (2000)). Small or negative displacement effects are evident. Uncertainty estimates and Favre-averaged equation budgets are provided. A second study aimed to reduce transition-driven uncertainty by determining where on the thermal protection system surface the boundary layer could sustain turbulence. Local boundary layer conditions were extracted from a laminar flow solution over the MPCV which included the bow shock, aerothermochemistry, heat shield surface curvature, and ablation. That information, as a function of leeward distance from the stagnation point, was approximated by Re[subscript theta], Ma[subscript e], [mathematical equation], v[subscript w, superscript plus sign], and T[subscript e]/T[subscript w] along with perfect gas assumptions. Homogenized turbulent boundary layers were initialized at those local conditions and evolved until either stationarity, implying the conditions could sustain turbulence, or relaminarization, implying the conditions could not. Fully turbulent fields relaminarized subject to conditions 4.134 m and 3.199 m leeward of the stagnation point. However, different initial conditions produced long-lived fluctuations at leeward position 2.299 m. Locations more than 1.389 m leeward of the stagnation point are predicted to sustain turbulence in this scenario. / text