Tidal bores are surge waves propagating upstream rivers as the tide rushes into estuaries. They induce large turbulences and mixing of the river and estuary flow of which effects remain scarcely studied. Herein, tidal bores are investigated experimentally and numerically with an idealised model of positive surges propagating upstream an initially steady flow. The experimental work estimated flow changes and typical turbulent length scale evolution induced by undular bores with and without breaking roller. The bore passage was associated with large free surface and flow velocity fluctuations, together with some variations of the integral turbulent scales. Coherent turbulent structures appeared in the wake of leading wave near the bed and moved upward into the water column during the bore propagation. The numerical simulations were based on previous experimental work on undular bores. Some test cases were realised to verify the accuracy of the numerical methods. The results gave access to the detailed flow evolution during the bore propagation. Large velocity reversals were observed close to the no-slip boundaries. In some configurations, coherent turbulent structures appeared against the walls in the wake of the bore front.

Large-eddy simulation (LES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) calculations have been performed to investigate the effects of different mathematical models for scalar variance and its dissipation rate as applied to both a non-reacting bluff-body turbulent flow and an extension to a reacting case. In the conserved scalar formalism, the mean value of a thermo-chemical variable is obtained through the PDF-weighted integration of the local description over the conserved scalar, the mixture fraction. The scalar variance, one of the key parameters for the determination of a presumed β-function PDF, is obtained by solving its own transport equation with the unclosed scalar dissipation rate modelled using either an algebraic expression or a transport equation. The proposed approach is first applied to URANS and then extended to LES. Velocity, length and time scales associated with the URANS modelling are determined using the standard two-equation k-ε transport model. In contrast, all three scales required by the LES modelling are based on the Smagorinsky subgrid scale (SGS) algebraic model. The present study proposes a new algebraic and a new transport LES model for the scalar dissipation rate required by the transport equation for scalar variance, with a time scale consistent with the Smagorinsky SGS model.

L'approche de simulation numérique directe est utilisée pour la simulation d'un écoulement en canal pleinement turbulent afin d'étudier l'influence des grandes échelles de l'écoulement ainsi que la dynamique du transport des contraintes de Reynolds et de la vorticité. Les simulations sont réalisées sur un domaine de calcul de grande taille afin de pouvoir capturer l'intégralité des grandes structures de l'écoulement, et portent sur une gamme relativement étendue de nombres de Reynolds (Reτ =180, 395, 590 et 1100) allant des écoulements faiblement turbulents à des écoulements modérément turbulents. L'invariance remarquable des fluctuations de vorticité normale est expliquée à travers une analyse spectrale de la vorticité. L'étude des différents termes du transport de l'intensité turbulente de la vorticité révèle par ailleurs que le pic de production de la vorticité transverse est situé à proximité immédiate de la paroi et pourrait ouvrir la voie à des stratégies de réduction de la traînée basées sur la réduction de la vorticité transverse. Le transport des contraintes de Reynolds dans la couche interne et dans la couche de recouvrement est également étudié. A proximité des parois, la dépendance des termes de transport avec le nombre de Reynolds dans les échelles internes montre que ces dernières ne suffisent pas à caractériser la dynamique des contraintes de Reynolds dans cette zone. Cette insuffisance des échelles internes nous a amenés à nous intéresser plus particulièrement au processus de production à travers les statistiques de la production conditionnées par le passage par niveau des fluctuations de la vitesse normale ou longitudinale. Cette étude nous a permis d'identifier les fluctuations qui contribuent le plus à la production et celles qui sont à l'origine de la dépendance avec le nombre de Reynolds. / The direct numerical simulations of a fully turbulent channel flow are investigated to study the large scales effects on the flow quantities such as the Reynolds stresses and vorticity transport processes. Large computational domains are used so as to cover the largest scales of the flow. The simulations are performed in a wide range of Reynolds numbers (Reτ=180, 395, 590 and 1100) going from weakly to moderately high Reynolds number turbulent flows. The invariance of the wall-normal vorticity fluctuations scaled in wall variables in the inner layer versus the Reynolds number is analyzed using a spectral analysis. The vorticity transport equations are investigated in detail, presumably for the first time. The transport mechanism of the Reynolds shear stresses are subsequently analyzed in the inner layer and the overlapping zone. In the wall layer, different terms of the Reynolds stresses transport expressed in inner scales depend on the Reynolds number. This scaling failure lead us to focus on the statistics of the production when the streamwise or normal velocity fluctuations cross a given level, through the conditional Palm statistics. The main aim is to identify those amplitudes of the fluctuations that contribute more to the production and those which are responsible for the production Reynolds dependence.

Recently, a new kind of turbulence has been discovered in the flow of concentrated polymer melts and solutions. These flows, known as purely elastic flows, become unstable when the elastic forces are stronger than the viscous forces. This contrasts with Newtonian turbulence, a more familiar regime where the fluid inertia dominates. While there is little understanding of purely elastic turbulence, there is a well-established dynamical systems approach to the transition from laminar flow to Newtonian turbulence. In this project, I apply this approach to purely elastic flows. Laminar flows are characterised by ordered, locally-parallel streamlines of fluid, with only diffusive mixing perpendicular to the flow direction. In contrast, turbulent flows are in a state of continuous instability: tiny differences in the location of fluid elements upstream make a large difference to their later locations downstream. The emerging understanding of the transition from a laminar to turbulent flow is in terms of exact coherent structures (ECS) — patterns of the flow that occur near to the transition to turbulence. The problem I address in this thesis is how to predict when a purely elastic flow will become unstable and when it will transition to turbulence. I consider a variety of flows and examine the purely elastic instabilities that arise. This prepares the ground for the identification of a three-dimensional steady state solution to the equations, corresponding to an exact coherent structure. I have organised my research primarily around obtaining a purely elastic exact coherent structure, however, solving this problem requires a very accurate prediction of the exact solution to the equations of motion. In Chapter 2 I start from a Newtonian ECS (travelling wave solutions in two-dimensional flow) and attempt to connect it to the purely elastic regime. Although I found no such connection, the results corroborate other evidence on the effect of elasticity on travelling waves in Poiseuille flow. The Newtonian plane Couette ECS is sustained by the Kelvin-Helmholtz instability. I discover a purely elastic counterpart of this mechanism in Chapter 3, and explore the non-linear evolution of this instability in Chapter 4. In Chapter 5 I turn to a slightly different problem, a (previously unexplained) instability in a purely elastic oscillatory shear flow. My numerical analysis supports the experimental evidence for instability of this flow, and relates it to the instability described in Chapter 3. In Chapter 6 I discover a self-sustaining flow, and discuss how it may lead to a purely elastic 3D exact coherent structure.

Dans les centrales solaires à tour, le flux solaire est concentré vers un récepteur solaire où son énergie est transférée à un fluide caloporteur. L'écoulement au sein du récepteur solaire est turbulent, fortement anisotherme et à bas nombre de Mach. L'optimisation du récepteur solaire exige une meilleure compréhension et modélisation de l'interaction entre la température et la turbulence. Cette thèse cherche à y contribuer selon deux approches. Tout d'abord, on étudie les échanges énergétiques entre les différentes parties de l'énergie totale. On propose pour cela une nouvelle représentation des échanges énergétiques, fondée sur la moyenne de Reynolds. Cette représentation permet la caractérisation, à partir de simulations numériques directes d'un canal plan bipériodique anisotherme, de l'effet du gradient de température sur les échanges énergétiques associées à l'énergie cinétique turbulente dans les domaines spatial et spectral. Ensuite, on étudie la simulation des grandes échelles des équations de bas nombre de Mach. En utilisant les résultats de simulations numériques directes, on identifie les termes sous-mailles spécifiques à modéliser lorsque l'on utilise le filtre classique, non pondéré, et lorsque l'on utilise le filtre de Favre, pondéré par la masse volumique. Dans les deux cas, on évalue a priori la performance de différents modèles sous-mailles. La pertinence des modèles est vérifiée a posteriori par la réalisation de simulation des grandes échelles. / In solar power towers, the solar flux is concentrated towards a solar receiver, wherethrough its energy is transferred to a heat transfer fluid. The flow in the solar receiver is turbulent, strongly anisothermal and at low Mach number. The optimisation of the solar receiver requires a better understanding and modelling of the interaction between temperature and turbulence. In this thesis, this is investigated following two approaches. First, we study the energy exchanges between the different parts of total energy. To this end, a new representation of the energy exchanges, based on the Reynolds averaging, is established. The representation allows the characterisation, from direct numerical simulations of a strongly anisothermal channel flow, of the effect of the temperature gradient on the energy exchanges associated with turbulence kinetic energy in the spatial and spectral domains. Second, we study the large-eddy simulation of the low Mach number equations. Using the results of direct numerical simulations, we identify the specific subgrid terms to model when the unweighted classical filter is used and when the density-weighted Favre filter is used. In both cases, the performance of different subgrid-scale models is assessed a priori. The relevance of the subgrid-scale models is then verified a posteriori by carrying out large-eddy simulations.

Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide. / A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.

Cette thèse porte sur la caractérisation numérique et la modélisation stochastique de l’accélération du fluide pour l’écoulement en canal à grand nombre de Reynolds. La motivation concerne l’observation et l’analyse des effets de l’intermittence liés aux interactions à longue portée à travers le canal. Dans la première partie, l’accélération est étudiée par simulation numérique directe pour trois différents nombres de Reynolds (180, 590 et 1000). La lognormalité de la norme de l’accélération est observée quelle que soit la distance à la paroi. Un profil universel de la norme de l’accélération est également recherché par analyse dimensionnelle. La seconde partie présente une modélisation stochastique de l’accélération basée sur la décomposition norme/orientation. Le modèle stochastique pour la norme s’appuie sur un processus de fragmentation afin de représenter les interactions à longue portée à travers le canal. Pour l’orientation, l’évolution vers l’isotropie lorsque la distance à la paroi augmente (observée par la DNS) est reproduite grâce à un modèle de marche aléatoire sur une sphère. Ces modèles ont été appliqués à l’approche LES-SSAM (Stochastic Subgrid Acceleration Model) introduite par Sabel’nikov, Chtab et Gorokhovski. Nos calculs montrent que les estimations de la vitesse moyenne, du spectre d’énergie, des contraintes de l’écoulement et de la non-gaussianité des statistiques de l’accélération peuvent être améliorées de façon significative par rapport à la LES classique. L’intérêt de l’approche LES-SSAM, donnant un accès vers la structure intermittente de sous-maille, est illustré dans la dernière partie, par l’étude du transport de particules inertielles ponctuelles par l’écoulement de canal. Cette étude commence par l’analyse par DNS de l’influence des structures de paroi sur la dynamique des particules / The main objective of this thesis is to observe numerically and to analyze the effects of intermittency in a high Reynolds number turbulent channel flow. To this end, the thesis is focused on characterization and stochastic modelling of the fluid acceleration in such a flow, with emphasis on long-range interactions across the channel. In the first part, the acceleration is studied using DNS for three Reynolds numbers (180, 590 et1000). It is observed that the norm of acceleration is log-normal whatever the wall distance is. The universal form of scaling law for the acceleration is proposed by dimensional analysis. In the second part, the acceleration is simulated stochastically, assuming the norm/orientation decomposition. The stochastic model for the norm is based on the fragmentation process in order to represent the long-range interactions across the channel. The orientation is simulated by random walk on a sphere in order to reproduce the relaxation towards isotropy with increasing the wall distance. This was observed preliminary in our DNS. These models were applied in the framework of LES-SSAM approach (Stochastic Subgrid AccelerationModel), which was introduced by Sabel’nikov, Chtab and Gorokhovski and assessed in the case of the box turbulence. Our computations showed that the mean velocity, the energy spectra, the viscous and turbulent stresses, as well as the non-gaussianity of acceleration statistics can be considerably improved in comparison with standard LES. The advantage of the LES-SSAM approach, which accounts for intermittency on subgrid scales, is demonstrated in the last part of this thesis. Here the transport of inertial point wise particles was studied by DNS and by LES-SSAM. The influence of wall structures on the particle’s dynamics is analyzed.

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La chaîne himalayenne constitue le paradigme actuel des chaînes de collision. Cependant, les processus de formation de cette chaîne sont toujours en discussion. Bien que fondamentales pour comprendre la formation de la chaine, les klippes de Haut Himalaya Cristallin (HHC) sont paradoxalement assez peu intégrées dans les différents modèles. Dans la klippe de Jaljala (Centre – Ouest Népal) la combinaison d’études structurales pétrographiques et géochronologiques (40Ar/39Ar) ont permis de caractériser près du front de l’Himalaya la géométrie et la cinématique du Main Central Thrust (MCT) et d'une zone de cisaillement top vers le nord : la zone de cisaillement de Jaljala, failles qui encadrent le HHC. Les résultats montrent que le MCT et la zone de cisaillement de Jaljala ont été replissés et que le que la zone de cisaillement de Jaljala est proche du MCT au nord de la klippe. Une faille normale intra – séquences téthysiennes (TH) a été découverte, faille interprétée comme étant la zone de cisaillement de Jaljala sur le flanc sud de la klippe. Les données pétrographiques montrent une augmentation progressive de la température entre 350 et 550 °C au travers du MCT dans le Haut Himalaya Cristallin alors qu’elle atteint plus de 650 °C au Nord dans les zones internes. Les pseudosections montrent que ce pic de température est atteint après un échauffement isobare à desvaleurs de pression variant entre 7 à 9 kbars. Les âges 40Ar/39Ar sur micas montrent trois populations : environ 20, environ 40 et environ 100 Ma dans le HHC et dans les séquences téthysiennes. Deux hypothèses peuvent être proposées : soit l’exhumation est marquée par les âges à 40 Ma ce qui représente une date relativement ancienne pour l’exhumation du Haut Himalaya Cristallin au front de la chaîne, soit elle est datée à 20 Ma ce qui représente des âges plus communs d’exhumation sur le MCT et sous le STD (South Tibetan Detachment). La nature des roches observées, leurs déformations ainsi que les corrélations avec les résultats des autres klippes montrent que la zone de cisaillement de Jaljala ne peut être connecté au STD des zones internes. Le MCT et le STD ne peuvent se rejoindre en profondeur au front de la klippe ce qui exclut le modèle de prisme tectonique. Enfin la continuité des pressions et températures des zones internes avec les roches de la klippe va à l’encontre du modèle de fluage de croûte chenalisée puisqu’il n’y a pas de fusion partielle dans la klippe de Jaljala. Les structures, les conditions métamorphiques et les âges seraient plutôt compatibles avec la formation d’un duplex de Haut Himalaya Cristallin dont la géométrie est cependant mal contrainte et qui nécessiterait de présenter un système de plat – rampe frontal pour transférer les écailles les plus internes sur le front de la chaîne et ainsi former les klippes comme la klippe de Jaljala qui seront ensuite isolées de la zone interne par la formation d’un duplex Moyen Himalaya. / The Himalayan belt is the actual paradigm of collision mountain belt. However, formation model remains still under discussion. Even fundamental to understand the belt formation, the High Himalaya Cristalline (HHC) klippen are poorly integrated to the different existing models. In the Jaljala klippe (Western Central Nepal) a combination of structural, petrographic and geochronological (40Ar/39Ar) studies have allowed to caracterise close to the Himalaya front, the Main Central Thrust (MCT) and a top - to - the North shear zone : the Jaljala shear zone geometry and kinematics, faults that bordered the HHC. Results show that the MCT and the Jaljala shear zone have been refolded and the Jaljala shear zone is close to the MCT in the North of the klippe. An intra téthyan sequences (TH) have been discovered and interpreted as the Jaljala shear zone in the southern flank of the klippe. Petrographic datas show a progressive augmentation of temperature between 350 and 550 ° C cross to the MCT in High Himalaya Cristalline instead of 650 °C in the internal zones. Pseudosections show this temperature peak is achieved after an isobaric warming at pressure varying between 7 and 9 bars. 40Ar/39Ar ages on micas show three ages populations : about 20, about 40 and about 100 Myrs in the HHC and in Tethyan sequences. Two hypothesis can be proposed : on the one hand, the exhumation can be testified by 40 Myrs ages which represent an ancient age for the High Himalaya Crystalline in the front belt, on the other hand, it is dated at 20 Myrs which represent more commons ages for exhumation on MCT and under STD (South Tibetan Detachment). Rock lithology and their deformations and correlations with results for other klippen show that the STD in the Jaljala klippe cannot be connected width the STD in internal zones. The MCT and the STD cannot converge in depth at the front that excluded the tectonic wedge model. Finally, the pressures and temperature continuities in internal zones and with the klippe rocks excluded the channel flow model because partial melting is absent in the Jaljala klippe. Structures, metamorphic conditions and ages are more compatible with High Himalaya Crystalline duplex formation whose geometry is still poorly constrained and which necessitate a frontal flat - ramp system to transfer crustal nape on the front of the belt and then to form klippe as the Jaljala klippe that will then isolated from internal zones by Lesser Himalaya duplex formation.

Un mascaret est une vague remontant contre le courant d’un fleuve lorsque la marée se propage dans un estuaire. À son passage, le mascaret induit une forte turbulence et un fort mélange dont les effets sur la vie de l’estuaire sont encore mal quantifiés. Ici, le phénomène est étudié expérimentalement et numériquement en utilisant un modèle d’onde positive se propageant contre un courant permanent.L’étude en laboratoire a permis de mesurer les variations de la surface libre, de la vitesse de l’écoulement ainsi que des échelles de turbulence. Lors de son passage, des fluctuations importantes de la surface libre et de la vitesse de l’écoulement sont observées, ainsi que des variations des échelles de turbulences. Des structures turbulentes semblent se former près du fond sous le front de l’onde et montent dans la colonne d’eau après le passage du front.La simulation numérique fut réalisée à partir de données expérimentales d’onde positive ondulée sur fond lisse. Une validation des méthodes numériques a été réalisée pour différente configuration. Les résultats des simulations d’onde positives donnent une cartographie détaillée de l’écoulement dans tout le canal. De plus, la simulation a permis d’identifier une inversion de la vitesse près des parois lors du passage des crêtes des ondes générant dans certaines configurations des structures turbulentes. / Tidal bores are surge waves propagating upstream rivers as the tide rushes into estuaries. They induce large turbulences and mixing of the river and estuary flow of which effects remain scarcely studied. Herein, tidal bores are investigated experimentally and numerically with an idealised model of positive surges propagating upstream an initially steady flow. The experimental work estimated flow changes and typical turbulent length scale evolution induced by undular bores with and without breaking roller. The bore passage was associated with large free surface and flow velocity fluctuations, together with some variations of the integral turbulent scales. Coherent turbulent structures appeared in the wake of leading wave near the bed and moved upward into the water column during the bore propagation. The numerical simulations were based on previous experimental work on undular bores. Some test cases were realised to verify the accuracy of the numerical methods. The results gave access to the detailed flow evolution during the bore propagation. Large velocity reversals were observed close to the no-slip boundaries. In some configurations, coherent turbulent structures appeared against the walls in the wake of the bore front.