The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed

Le contexte de cette étude est l’optimisation de la combustion turbulente prémélangée de syngaz pour la production propre d’énergie. Un brûleur CH4/air de type bec Bunsen avec forçage turbulent multi-échelles produit par un système de trois grilles, est simulé numériquement par différentes techniques de simulation des grandes échelles (SGE), et les résultats sont comparés à l’expérience. On a développé et appliqué une formulation bas-Mach du solveur Navier-Stokes basé sur différents schémas numériques, allant des différences finies centrées d’ordre 4 à des versions avancées des schémas WENO d’ordre 5. La méthodologie est évaluée sur une série de cas-tests classiques (flamme laminaire 1D prémélangée, turbulence homogène et isotrope en auto-amortissement), et sur des simulations 2D de la flamme turbulente prémélangée expérimentale. Les SGE implicites (ILES), i.e. sans aucune modélisation sous-maille, et explicites avec le modèle de flamme épaissie et un modèle de plissement sous-maille nouvellement élaboré (TFLES), sont appliquées à la simulation 3D du brûleur expérimental. Les résultats montrent que l’approche TFLES avec un schéma d’ordre élevé à faible dissipation numérique prédit correctement la longueur de la flamme et la densité de surface de flamme. La SGE implicite avec un schéma WENO avancé produit une flamme trop courte mais réaliste à condition que la taille de la maille soit de l’ordre de l’épaisseur de flamme laminaire. La représentation des interactions flamme/turbulence est néanmoins très différente entre TFLES et ILES. / The context of this study is the optimization of premixed turbulent combustion of syngas for clean energy production. A Bunsen-type CH4/air turbulent premixed burner with a multi-scale grid generator is simulated with different Large Eddy Simulation (LES) strategies and compared to experimental results. A low-Mach formulation of a compressible Navier-Stokes solver based on different numerical methods, ranging from 4th order central finite difference to 5th order advanced WENO schemes, is developed and applied. Classical test cases (1D laminar premixed flame, decaying HIT), and 2D simulations of the turbulent premixed flame are performed to assess the numerical methodology. Implicit LES (ILES), i.e. LES without any explicit subgrid modeling, and explicit LES with the Thickened Flame model and subgrid scale flame wrinkling modelling (TFLES) are applied to simulate numerically the 3D experimental burner. Results show that TFLES with a high-order low dissipation scheme predicts quite well the experimental flame length and flame surface density. ILES with advanced WENO schemes produces a slightly shorter although realistic flame provided the grid spacing is of order of the laminar flame thickness. The representation of flame/turbulence interactions in TFLES and ILES are however quite different.

Le but de ce mémoire de recherche est d'étudier les convections naturelle et mixte d'écoulements fluides, et de développer et valider des méthodes numériques pour le suivi d'interfaces afin de traiter plus tard des écoulements incompressibles de fluides immiscibles. Dans une première étape, une méthode numérique originale, basée sur des discrétisations Volumes Finis, est développée pour modéliser les écoulements à faible nombre de Mach et grands écarts de température. Trois applications physiques, portant sur l'écoulement d'air à travers des plaques verticales parallèles chauffées, sont étudiées. Nous avons montré que l'espacement optimal, correspondant au pic de flux de chaleur transféré d'un réseau de plaques parallèles isothermes refroidies par convection mixte, est plus faible que ceux obtenus en convections naturelle ou forcée lorsque la chute de pression à la sortie est constante. Nous avons également prouvé que les écoulements de convection mixte à débit imposé peuvent présenter des solutions physiques inattendues ; un modèle alternatif basé sur une pression totale imposée à l'entrée et une pression fixée à la sortie donne de meilleurs résultats. Pour des canaux soumis un flux de chaleur sur une paroi seule, le rayonnement de surface tend à supprimer l'apparition des recirculations à la sortie et à uniformiser les températures des parois. Dans une seconde étape, le modèle mathématique couplant les équations de Navier-Stokes incompressibles et la méthode Level-Set pour le suivi d'interfaces est développé. Des améliorations de la conservation du volume fluide par l'utilisation de schémas de discrétisation d'ordres élevés (ENO-WENO) pour l'équation de transport et des variantes de l'équation de la distance signée sont discutées / The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed