Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this study, using the Method of Characteristics and numeric resources, presents a solution to the equation Spectral Density Evolution of Turbulent Kinetic Energy for a Convective Boundary Layer (CBL) in the morning. It presents three models for the evolution of spectral energy density. The first model, based on the assumption of a system of isotropic turbulence, considering only terms of energy transfer inertial and viscous dissipation. The second model adds the term energy production due to the onset of action of the parameter of heat flux on the surface, but consider it a term of energy transfer inertial anisotropy. The third model employs a mixed configuration of the two previous models, assuming thus distinct regions of operation to inertial transfer terms. The results shaped the evolution of the CLC. In this case, the growth of the energy spectrum is modeled by inserting energy in the region of low wave numbers, a region in which the term of anisotropic energy transfer can not transfer the energy introduced by the energy production term. It is observed that in a region of wave number higher there is a stabilization of the parameter variation temporal on the plane characteristics curves (PCC), indicating that the variation of wave number govern the evolution of the energy spectrum. This fact establishes a kind of criterion for stationarity of turbulent flow regimes. / No presente trabalho, utilizando o Método das Característica e recursos numéricos, apresenta-se uma solução para a Equação de Evolução Espectral de Densidade de Energia Cinética Turbulenta para uma Camada Limite Convectiva (CLC) no período da manhã. Apresenta-se três modelos para a evolução espectral da densidade de energia. O primeiro modelo, baseado na suposição de um regime de turbulência isotrópica, considera apenas termos de transferência de energia inercial e de dissipação viscosa. O segundo modelo adiciona o termo de produção de energia devido o início da ação do parâmetro de fluxo de calor na superfície, porém considerá-se um termo de transferência de energia inercial anisotrópico. O terceiro modelo emprega uma configuração mista dos dois modelos anteriores, admitindo, desta forma, regiões distintas de atuação para os termos de transferência inercial. Os resultados obtidos modelaram a evolução da CLC. Neste caso, o crescimento do espectro de energia modelado se deu pela inserção de energia na região de baixos números de onda, região em que o termo de transferência de energia anisotrópico não consegue transferir a energia inserida pelo termo de produção de energia. Observa-se que em uma região de número de onda mais alto existe uma estabilização da variação do parâmetro temporal sobre as curvas características planas (CCP), indicando que a variação do número de onda governará a evolução do espectro de energia. Fato que estabelece um tipo de critério de estacionariedade para de regimes de escoamento turbulento.

Coastal zones are governed by physical forces originating from tidal currents, waves, winds and night convection, amongst others, and are characterized by the presence of canopy meadows. This thesis studies the hydrodynamic in a fluid dominated by: nearly isotropic turbulence, progressive waves and breaking waves in different canopy models. Under nearly isotropic turbulence sheltering is enhanced by a reduction in the plant-to-plant distance. Under progressive waves sheltering is associated with the reduction of wave velocity at the top of submerged rigid canopy. Sheltering observed in the submerged flexible model is caused by blade movement which absorbes the energy. Emergent rigid vegetation shows sheltering. On the other hand, for some specific progressive wave conditions and plant densities and under a fluid dominated by breaking waves, turbulence increases within the meadow if Reynolds number, based on wave velocity, is larger than 300 / Les zones costeres estan governades per forces físiques originades per la marea, l’onatge, i la convecció nocturna, entre d’altres, i caracteritzades per la presència de plantes aquàtiques. Aquesta tesi té per objectiu estudiar la hidrodinàmica d’un fluid dominat per: turbulència quasi-isotròpica, onades progressives i onades trencants en diferents models de vegetació. En un fluid dominat per turbulència isotròpica, la reducció de la turbulència augmenta al reduir la distància entre plantes. En un fluid dominat per onades progressives, la disminució de la turbulència està associada a la reducció de la velocitat d’onada al cim de la vegetació. Aquesta reducció s’observa en plantes submergides flexibles degut a que el moviment de les plantes absorbeix l’energia. La vegetació emergent també redueix la turbulència. Per condicions específiques d’onades progressives i densitat de plantes i sota un fluid dominat per onades trencants, la turbulència incrementa si el número de Reynolds és més gran que 300

L'Océan Austral est une zone clef pour la circulation océanique tant à cause de l'intensité du courant circumpolaire antarctique qu'en tant que région de formation des masses d'eaux abyssales de l'océan global. Pour modéliser l'océan et prévoir les changements climatiques futurs, il est important de comprendre les processus de mélange diapycnal qui lient ces eaux abyssales aux couches supérieures. Dans l'Océan Austral, des courants profonds et intenses s'écoulent sur une topographie accidentée, ce qui génère des ondes internes de relief très énergétiques. Actuellement, la dissipation de l'énergie induite par ces ondes de relief est la candidate principale pour expliquer les forts taux de mélange observés à ces latitudes. L'objet du présent travail de thèse est de comprendre comment les ondes internes de relief sont dissipées et affectent la circulation et le mélange diapycnal dans l'océan abyssal. Nous examinons l'impact de ces ondes sur le mélange profond au moyen d'une combinaison d'expertise de terrain, de simulations non hydrostatiques bi-dimensionnelles et de calculs théoriques. Sur la gamme de paramètres étudiés, nous montrons, en présence des ondes de relief, une intensification du taux de dissipation d'énergie cinétique turbulente sur une profondeur de 1000 m au-dessus de la topographie, atteignant typiquement ~20 mW/m2. Nous montrons également comment les ondes participent à des interactions triadiques impliquant des oscillations inertielles qui sont amplifiées par intéractions résonantes contrôlées par les ondes de relief. Finalement, nous préparons de futures études tri-dimensionnelles en concevant un cadre numérique et en décrivant des outils théoriques adaptés à ce problème. Nos résultats préliminaires en trois dimensions montrent qui le confinement méridien de la topographie réduit significativement l'émissions d'ondes internes de relief. / The Southern Ocean plays a key role in global ocean circulation by connecting the major ocean basins with the intense Antarctic Circumpolar Current and as a formation region for abyssal water masses of the global ocean. Understanding the diapycnal mixing processes that link these abyssal waters to the overlying layers is essential both for ocean modelling and for predicting future climate change. In the Southern Ocean, deep reaching currents impinge on rough topography and create highly energetic internal lee waves. The dissipation of the energy of these internal lee waves is the main candidate for explaining the high mixing rates between waters of different densities observed at these latitudes. The purpose of this study is to understand the fate of the internal lee wave energy and how it affects the circulation and diapycnal mixing in the abyssal ocean. We first study the impact of internal lee waves on deep mixing with the combination of field expertise, two-dimensional non hydrostatic numerical simulations and theoretical developments. Over the range of parameters studied, an enhanced bottom turbulent kinetic energy dissipation is observed in the bottom 1000 m, typically reaching $sim$ 20 mW.m$^{-2}$. We further show that internal lee waves undergo non-dissipative wave-wave interactions that can be rationalized as resonant triad interactions between the bottom emitted internal lee waves, inertial oscillations and linear combinations of these two waves. We then build a three-dimensional model configuration and specific diagnostic methods that pave the way for future investigations in three dimensions. Preliminary results with the three-dimensional numerical configuration show that the meridional confinement of the topography notably reduces the emission of internal lee waves.

Au début du 20ème siècle, l'étang de Berre était occupée par de larges prairies sous-marines de Zostera qui ont fortement réduit sous l'impact des pollutions et arrivées massives d'eau douce par le canal EDF. Pollutions et arrivées d'eaux ont beaucoup réduit mais les herbiers ne s'étendent pas vers le large. Cette thèse a donc pour but d'analyser les interactions entre les herbiers sous-marins de l'étang de Berre basé sur l'hypothèse que la dynamique hydro-sédimentaire peut jouer un rôle dans le maintien des herbiers à l'état relique. Dans cette lagune, le vent conditionne l'hydrodynamisme en générant des vagues de vent et des courants.L'atténuation des vagues par l'herbier est en lien avec la hauteur des vagues (dépendant de la vitesse du vent, la longueur de fetch et des effets de réfraction lié à la morphologie de la anse) et est modulée par la biométrie de l'herbier, le niveau d'eau ou la présence de courants. Alors qu'au dessus de l'herbier, les courants sont rapides et fortement influencés par le vent et les vagues de vent, une couche de transition eau-canopée permet la dissipation de l'énergie des vagues et des courants. Dans la canopée, les courants sont très atténués grâce à la présence de l'herbier. L'herbier apparaît comme un élément important de la dynamique sédimentaire car il peut, par sa simple présence, réduire l'hydrodynamisme et modifier l'évolution du fond dans et en arrière de l'herbier et protéger la plage. Le niveau de récurrence de vents forts semble contrôler les évolutions sédimentaires.Les fortes interactions de l'herbier avec la dynamique hydro-sédimentaire laissent penser qu'elle pourrait limiter leur extension dans des zones plus exposées. / Berre lagoon was occupied by extensive meadows at the turn of the 20th century which regressed down under the impact of urban and industrial pollution and inflow of the EDF canal. Even though freshwater inputs and pollutions were drastically reduced respectively in the 1980s and 1990s, meadows have not significantly gained ground. This thesis aims at analysing the interactions between seagrass meadows of Berre lagoon, hydrodynamics and sedimentary processes, based on the postulate that these mechanisms are important in the maintenance of the meadows in their present dispersed form. In the lagoon, winds constitute the dominant influence on hydrodynamics in the lagoon by generating wind waves and currents. Wave attenuation is linked to wave height, which is, in turn, dependent on wind intensity and fetch length and modified by the bay morphology. Wave attenuation is also modulated by meadow biometry, and by water levels and currents.Whereas currents are strong and strongly influenced by wind and wind waves above the meadow, a transition canopy-water layer dissipates waves and currents. In the canopy, currents are thus attenuated.The meadow is not just a passive element in the overall sediment dynamics since it reduces energy and thus modifies substrate changes within and in the back of the meadow, thus protecting the shoreline. However, it is the recurrence of strong wind that seems to drive sedimentary changes. The strong interactions between the meadow and the hydrodynamic and sedimentary processes could limit the extension of the meadow in areas more exposed to waves.

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.

Ce travail a consisté à développer un modèle de canopée (CIM), qui pourrait servir d’interface entre des modèles méso-échelles de calcul du climat urbain et des modèles micro-échelles de besoin énergétique du bâtiment. Le développement est présenté en conditions atmosphériques variées, avec et sans obstacles, en s’appuyant sur les théories précédemment proposées. Il a été, par exemple, montré que, pour être en cohérence avec la théorie de similitude de Monin-Obukhov, un terme correctif devait être rajouté au terme de flottabilité de la T.K.E. CIM a aussi été couplé au modèle méso-échelle WRF. Une méthodologie a été proposée pour profiter de leurs avantages respectifs (un plus résolu, l’autre intégrant des termes de transports horizontaux) et pour assurer la cohérence de leurs résultats. Ces derniers ont montré que ce système, en plus d’être plus précis que le modèle WRF à la même résolution, permettait, par l’intermédiaire de CIM, de fournir des profils plus résolus près de la surface. / This study consisted in the development of a canopy model (CIM), which could be use as an interface between meso-scale models used to simulate urban climate and micro-scale models used to evaluate building energy use. The development is based on previously proposed theories and is presented in different atmospheric conditions, with and without obstable. It has been shown, for example, that to be in coherence with the Monin-Obukhov Similarity Theory, that a correction term has to be added to the buoyancy term of the T.K.E. CIM has also been coupled with the meteorological meso-scale model WRF. A methodology was proposed to take advantage of both models (one being more resolved, the other one integrating horizontal transport terms) and to ensure a coherence of the results. Besides being more precise than the WRF model at the same resolution, this system allows, through CIM, to provide high resolved vertical profiles near the surface.

Doppler radar wind profilers are already widely used to measure atmospheric winds throughout the free troposphere and stratosphere. Several methods have been developed to quantify atmospheric turbulence with such radars, but to date they have remained largely un-tested; this thesis presents the first comprehensive validation of one such method. Conventional in-situ measurements of turbulence have been concentrated in the surface layer, with some aircraft and balloon platforms measuring at higher altitudes on a case study basis. Radars offer the opportunity to measure turbulence near continuously, and at a range of altitudes, to provide the first long term observations of atmospheric turbulence above the surface layer. Two radars were used in this study, a Mesosphere-Stratosphere-Troposphere (MST) radar, at Capel Dewi, West Wales, and the Facility for Ground Based Atmospheric Measurements (FGAM) mobile boundary layer profiler. In-situ measurements were made using aircraft and tethered-balloon borne turbulence probes. The spectral width method was chosen for detailed testing, which uses the width of a radar's Doppler spectrum as a measure of atmospheric velocity variance. Broader Doppler spectra indicate stronger turbulence. To obtain Gaussian Doppler spectra (a requirement of the spectral width method), combination of between five and seven consecutive spectra was required. Individual MST spectra were particularly non-Gaussian, because of the sparse nature of turbulence at its observation altitudes. The width of Gaussian fits to the Doppler spectrum were compared to those from the `raw' spectrum, to ensure that non-atmospheric signals were not measured. Corrections for non-turbulent broadening, such as beam broadening, and signal processing, were investigated. Shear broadening was found to be small, and the errors in its calculation large, so no corrections for wind shear were applied. Beam broadening was found to be the dominant broadening contribution, and also contributed the largest uncertainty to spectral widths. Corrected spectral widths were found to correlate with aircraft measurements for both radars. Observing spectral widths over time periods of 40 and 60 minutes for the boundary layer profiler and MST radar respectively, gave the best measure of turbulence intensity and variability. Median spectral widths gave the best average over that period, with two-sigma limits (where sigma is the standard deviation of spectral widths) giving the best representation of the variability in turbulence. Turbulent kinetic energies were derived from spectral widths; typical boundary layer values were 0.13 m 2.s (-2) with a two-sigma range of 0.04-0.25 m 2.s (-2), and peaked at 0.21 m 2.s (-2) with a two-sigma range of 0.08-0.61 m 2.s (-2). Turbulent kinetic energy dissipation rates were also calculated from spectral widths, requiring radiosonde measurements of atmospheric stability. Dissipation rates compared well width aircraft measurements, reaching peaks of 1x10 (-3) m 2.s (-3) within 200 m of the ground, and decreasing to 1-2x10 (-5) m 2.s (-3) near the boundary layer capping inversion. Typical boundary layer values were between 1-3x10 (-4) m 2.s (-3). Those values are in close agreement with dissipation rates from previous studies.

Le golfe de Gascogne (GdG), un milieu riche en processus physiques a été étudié à partir de simulations numériques. L’étude est construite autour d'échelles allant du GdG à la sous méso-échelle. Dans la première partie, nous avons examiné la variabilité interannuelle de la température et de la salinité de surface sur une période de 53 ans : nous avons pu décrire deux tendances en lien avec I'Atlantique Nord-Est. Le refroidissement et la dessalure jusqu'en 1976 seraient liés à la grande anomalie de salinité, le réchauffement et la salinification actuels liés à I'augmentation de CO2 atmosphérique. Le GdG se caractérise par un courant de pente, lberian Poleward Current (lPC) : sa variabilité serait liée au vent du Sud-Ouest qui renforce l'lPC par un courant géostrophique dans le Bassin lbérique. L’un des résultats intéressant trouvé dans les simulations et confìrmé par les observations est l'apparition des anomalies froides liées à des upwellings en alternance avec des anomalies chaudes "La Navidad". Ces upwellings seraient liés au vent de Nord dans le Bassin lbérique mais au courant d'Ouest le long des côtes Nord espagnoles. Dans une deuxième partie, nous nous sommes attachés à la méso et sous méso-échelle à travers la détection des tourbillons et la variabilité des spectres d'énergie. Un indice basé sur le rapport entre I'anomalie de densité de surface et I'anomalie de niveau de la mer permet de détecter les tourbillons de subsurface et de les distinguer des tourbillons de surface. Une application de cet indice à partir des données satellites confirme le potentiel de détection des Slope Water Oceanic eDDIES (tourbillons de subsurface caractéristiques du GdG). La description de l'énergie cinétique turbulente (EKE) dans le GdG montre une variabilité spatiale avec un maximum le long de la côte Nord espagnole liée à I'lPC. Les pentes des spectres (k-4.2 pour la SSH, en k-2.4 pour la SST et en k-2.4 pour l'énergie cinétique) sont différents des observations satellites, mais comparables avec les précédentes études. Ces pentes de spectres ont également une variabilité saisonnière avec un maximum en hiver et un minimum en été, liée au cycle saisonnier de I'EKE. / The Bay of Biscay (BoB), an environment rich in physical processes has been studied from numerical simulations. Thestudy is built around scales from the size of BoB until sub mesoscale.ln the first part, we examined the interannual variability of the sea surface temperature and saliniÇ over a period of 53years: we were able to describe two trends related to the North-East Atlantic. Cooling and freshening until 1976 thatcould be related to the Great Salinity Anomaly and current salinification related to the atmospheric increase of CO2.The Bay of Biscay is characterized by a slope current, the lberian Poleward Current (lPC): its variability is linked to theSouth West wind strengthens the IPC by a geostrophic current in the lberian Basin. One of the interesting results foundin simulations and confirmed by observations is the appearance of cold anomalies related to upwellings and alternatingwith warm anomalies 'La Navidad'. These upwellings could be linked to the north wind in the lberian Basin but to the West current along the northern Spanish coast.ln the second part, we are committed to the meso and sub mesoscale eddies through a method of detection and throughthe variability of energy spectra. An index based on the ratio of surface density anomaly and sea level anomaly allowsdetecting subsurface vortices and distinguishing them from the surface ones. The application of this index from thesatellite data confirms the detection potential of Slope Water Oceanic Eddies (subsurface vortices of BoB).The description of the Eddy Kinetic Energy (EKE) in the BoB. shows a spatial variability with maximum along the Spanishnorth coast linked to the lPC. The slopes of the spectra (k-4.2 for SSH, k-2.4 for SST and k-2.4 for the kinetic energy) are different from satellite observations, but comparable with previous studies. These spectral slopes have a seasonalvariability with a maximum in winter and minimum in summe¡ related to the seasonal cycle of EKE.

[EN] In the current work, the characterization of the combustion process inside a stratified pre-chamber spark ignition (PCSI) system is performed. An extensive bibliographical review about the pre-chamber systems developed from the second half of the 20th century until modern times is presented. The review shows that the latest generation systems have the potential to accomplish the emissions limits while providing high performance and low fuel consumption. Nevertheless, many efforts of the scientific community are still needed to allow the large-scale application of the technology. Indeed, based on the outstanding challenges observed, the investigation plan is developed including both experimental and numerical parts. All experiments were performed by means of the rapid compressionexpansion machine (RCEM) in the CMT-Motores Térmicos laboratory. The original cylinder head layout was modified to allow the housing of the prechamber itself, fuel injectors, spark plug, pressure transducers in both chamber, and a thermocouple. The test methodology involved the acquisition of the pressure evolution in both main chamber and pre-chamber, the piston position (used to compute the instantaneous cylinder volume), the duration of the auxiliary injection, and the spark ignition point. These are used as input for the zero-dimensional thermodynamic model which simulates the fundamental parameters aims to characterize the PCSI system working cycle. Therefore, a deeper knowledge of the mass interchanged process, induced turbulence field, heat release rate, combustion speed, and flame regime is generated. Subsequently, to calibrate the zero-dimensional model coefficients under motoring conditions, several 3D CFD simulations were carried out by means of Converge software. Hence, the results of the simulations in terms of interchanged mass and pre-chamber turbulent kinetic energy have been used to calibrate the nozzle discharge coefficient and the turbulence sub-model coefficients for all the pre-chamber geometries. Furthermore, the 3D CFD simulations outputs are analysed to fully understand the flow field structure and the local effect induced by the different nozzles at the spark activation time. The turbulent kinetic energy in terms of intensity and orientation is investigated over several relevant pre-chamber sections. The results reveal a clear relationship between the turbulence developed within the pre-chamber and the orifices structure. Straight orifices or perpendicular jets impact, promote more intense local turbulence due to direct collision while tilted orifices guarantee more homogeneity due to the swirling motion. Additionally, increase the orifice numbers shows benefits on the fluid dynamic homogeneity. Thus, preceding the experimental campaign several fundamental aspects of the system are evaluated. The cycle-to-cycle dispersion is explored by means of the statistical assessment showing low pressure peak deviation. The auxiliary injection pressure and timing are optimized for avoiding wall wetting phenomena while ensuring proper air/fuel mixing. Finally, the spark activation point is chosen as a function of the theoretically maximum turbulent flame speed. Thereby, the experimental campaign is carried out according to tests matrix, in order to evaluate the effect of the equivalence ratio of both chambers, and how the orifices diameter, number, and distribution affect the combustion process. Moreover, chemiluminescence visualization tests, performed by means of the available optical access of the RCEM, are combined with zerodimensional and 3D CFD results to shed light on the work cycle. Conclusions suggest a slightly rich mixture inside the pre-chamber combined with the highest number of tilted orifices as the better configuration for improving combustion efficiency under lean and ultra-lean main chamber mixture conditions. Nevertheless, axial orifices should be considered for further investigations. Finally, the author proposes a series of developments considered interesting in both the experimental and numerical fields. / [ES] En el presente trabajo se realiza la caracterización del proceso de combustión dentro de un sistema de encendido por pre-cámara bajo carga estratificada. Por lo tanto, se presenta una extensa revisión bibliográfica sobre los sistemas de pre-cámara desarrollados desde la segunda mitad del siglo XX hasta los tiempos modernos. El resumen muestra que los sistemas de última generación tienen el potencial de cumplir con los límites de las emisiones, al tiempo que proporcionan un alto rendimiento y un bajo consumo de combustible. No obstante, todavía se necesitan muchos esfuerzos de la comunidad científica para permitir la difusión a gran escala de la tecnología. De hecho, sobre la base de los desafíos abiertos observados, se desarrolla el plan de investigación incluyendo tanto una parte experimental como numérica. Todos los experimentos se realizan mediante la máquina de compresión-expansión rápida (RCEM) de que dispone el laboratorio CMT-Motores Térmicos . La disposición original de la culata se modificó para permitir el alojamiento de la propia pre-cámara, los inyectores , la bujía, los sensores de presión y un termopar. La metodología de ensayo implica la adquisición de la evolución de la presión tanto en cámara principal como en pre-cámara, el volumen del cilindro, la duración de la inyección auxiliar y el punto de ignición de la bujía. Estos se utilizan como parámetros de entrada para el modelo termodinámico cero-dimensional que devuelve los parámetros fundamentales que caracterizan ciclo de trabajo del sistema PCSI. Por lo tanto, se genera un conocimiento más profundo del proceso de intercambio de masas, del campo de turbulencias inducidas, de la tasa de liberación de calor, de la velocidad de combustión y del régimen de la llama. Posteriormente, para calibrar los coeficientes del modelo cero-dimensional bajo condiciones de arrastre, se llevaron a cabo varias simulaciones CFD en 3D mediante el software Converge. Por lo tanto, los resultados de las simulaciones en términos de masa intercambiada y energía cinética turbulenta de la precámara se han utilizado para calibrar el coeficiente de descarga de la tobera y los coeficientes del sub-modelo de turbulencia para todas las geometrías de la pre-cámara. Además, se analizan los resultados de las simulaciones CFD para comprender plenamente la estructura del campo de flujo y el efecto local inducido por las diferentes geometriás en el tiempo de activación de la chispa. La energía cinética turbulenta en términos de intensidad y orientación se investiga en varias secciones relevantes de la pre-cámara. Los resultados revelan una clara relación entre la turbulencia desarrollada dentro de la pre-cámara y la estructura de los orificios. Los orificios rectos o los chorros perpendiculares, promueven una turbulencia local más intensa debido a la colisión directa mientras que los orificios inclinados del campo fluido y del dosado. Precedentemente al desarrollo de la campaña experimental se evalúan varios aspectos fundamentales del sistema. La dispersión ciclo a ciclo se explora por medio de la evaluación estadística que muestra una baja desviación de los picos de presión. La presión y el punto de inyección auxiliar se optimizan para evitar los fenómenos de mojado de las paredes, asegurando al mismo tiempo una mezcla adecuada de aire/combustible. Finalmente, el punto de activación de la chispa se elige en función de la velocidad máxima teórica de la llama turbulenta. De este modo, la campaña experimental se lleva a cabo de acuerdo con la matriz de pruebas, con el fin de evaluar el efecto del dosado equivalente de ambas cámaras, y cómo el diámetro, el número y la distribución de los orificios afectan al proceso de combustión. Además, las pruebas de visualización de quimioluminiscencia, realizadas mediante el acceso óptico disponible de la RCEM, se combinan con resultados de CFD y resultados del modelo cerodimen para arrojar luz sobre el ciclo de trabajo. Las conclusiones sugieren que una mezcla ligeramente rica dentro de la pre-cámaracombinadaconelmayornúmerodeorificiosdesfasadoseslamejor configuración para garantizar un elevada eficiencia de la combustión en condiciones de mezcla pobre y ultra-pobre de la cámara principal. No obstante, los orificios axiales deben ser considerados para investigaciones futuras. Por último, el autor propone una serie de desarrollos considerados interesantes tanto en el campo experimental como en el numérico. / [CA] En el present treball es realitza la caracterització del procés de combustió dins d'un sistema d'encesa de pre-cambra soto càrrega estratifi-cada. Per tant, es presenta una extensa revisió bibliogràfica sobre els sistemes de precambra desenvolupats des de la segona meitat del segle XX fins als temps moderns. El resum mostra que els sistemes d'última generació tenen el potencial de complir amb els límits de les emissions, al mateix temps que proporcionen un alt rendiment i un baix consum de combustible. No obstant això, encara es necessiten molts esforços de la comunitat científica per a permetre la difusió a gran escala de la tecnologia. De fet, sobre la base dels desafiaments oberts observats, es desenvolupa el pla d'investigació incloent tant una part experimental com numèrica. Tots els experiments es realitzen mitjançant la màquina de compressió-expansió ràpida (RCEM) de què disposa el laboratori CMT-Motors Tèrmics. La disposició original de la culata es va modificar per a permetre l'allotjament de la pròpia pre-cambra, els injectors , la bugia, els sensors de pressió i un termoparell. La metodologia d'assaig implica l'adquisició de l'evolució de la pressió tant en cambra principal com en pre-cambra, el volum del cilindre, la duració de la injecció auxiliar i el punt d'ignició de l'espurna. Aquests s'utilitzen com a paràmetres d'entrada per al model termodinàic zero-dimensional que retorna els paràmetres fonamen-tals que caracteritzen cicle de treball del sistema PCSI. Per tant, es genera un coneixement més profund del procés d'intercanvi de masses, del camp de turbulències induïdes, de la taxa d'alliberament de calor, de la velocitat de combustió i del règim de la flama. Posteriorment, per a calibrar els coefi-cients del model zerodimensional sota condicions d'arrossegament, es van dur a terme diverses simulacions CFD en 3D mitjançant el programari Converge. Per tant, els resultats de les simulacions en termes de massa intercanviada i energia cinètica turbulenta de la pre-cambra s'han utilitzat per a calibrar el coeficient de descàrrega de la tovera i els coeficients del sub-model de turbulència per a totes les geometries de la pre-cambra. A més, s'analitzen els resultats de les simulacions CFD per a comprendre plenament l'estructura del camp de flux i l'efecte local induït per les diferents geometries en el temps d'activació de l'espurna. L'energia cinètica turbulenta en termes d'intensitat i orientació s'investiga en diverses seccions rellevants de la pre-cambra. Els resultats revelen una clara relació entre la turbulència desenvolupada dins de la pre-cambra i l'estructura dels orificis. Els orificis rectes o els dolls perpendiculars, promouen una turbulència local més intensa a causa de la col·lisió directa mentre que els orificis inclinats garanteixen una major homogeneïtat a causa de la generació d'un macro-remolì. A més, l'augment del nombre d'orificis mostra beneficis en l'homogeneïtat fluid-dinàmica. Llavors, abans de la campanya experimental s'avaluen diversos aspectes fonamentals del sistema. La dispersió cicle a cicle s'explora per mitjà de l'avaluació estadística que mostra una baixa desviació dels pics de pressió. La pressió i el punt d'injecció auxiliar s'optimitzen per a evitar els fenòmens de mullat de les parets, assegurant al mateix temps una mescla adequada d'aire/combustible. Finalment, el punt d'activació de l'espurna es tria en funció de la velocitat màxima teòrica de la flama turbulenta. D'aquesta manera, la campanya experimental es duu a terme d'acord amb la matriu de proves, amb la finalitat d'avaluar l'efecte del dosatge equivalent de totes dues cambres, i com el diàmetre, el numero i la distribució dels orificis afecten el procés de combustió. A més, les proves de visualització de quimioluminescència, realitzades mitjançant l’accés òptic disponible de la RCEM, es combinen amb resultats de CFD i resultats del model zero-dimensional per a llançar llum sobre el cicle de treball. Les conclusions suggereixen que una mescla lleugerament rica dins de la pre-cambra combinada amb el major nombre d’orificis desfasats és la millor configuració per a garantir un elevada eficiència de la combustió en condicions de mescla pobra i ultra-pobre de la cambra principal. No obstant això, els orificis axials han de ser considerats per a investigacions futures. Finalment, l’autor proposa una sèrie de desenvolupaments considerats interessants tant en el camp experimental com en el numèric. / Pagano, V. (2020). Analysis of a stratified pre-chamber spark ignition system under lean mixture conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/152486