Cette thèse vise à élargir nos connaissances sur les couches limites turbulentes (CLT) soumises à un gradient de pression adverse (CLT-GPA). Les points de mire de cette thèse sont les structures cohérentes et les mécanismes de transfert d'énergie dans les CLT-GPA avec de petits et grands déficits de vitesse. Pour faire cela, nous avons généré des bases de données de deux CLT-APG hors équilibre par simulation numérique directe. La première couche limite atteint un Re[indice θ] de 8000 et un paramètre de forme de 1.4 à 3.2. Il s'agit de la base de données principale utilisée tout au long de la thèse. La deuxième base de données a été obtenue avec le même domaine et les mêmes conditions limites que la première. La seule différence est que la turbulence est artificiellement éliminée de la région interne de la couche limite. Cette deuxième base de données est utilisée pour examiner l'effet de la région interne sur la turbulence dans la région externe. À des fins de comparaison, nous utilisons aussi des bases de données d'un écoulement de Poiseuille plan, de deux couches limites sans gradient de pression et de deux écoulements à cisaillement homogène. Les structures porteuses d'énergie et celles qui transfèrent l'énergie sont examinées à l'aide des distributions spectrales et des corrélations en deux points. L'analyse révèle que les structures porteuses d'énergie possèdent des caractéristiques spatiales et spectrales semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, contrairement aux écoulements précédents, la turbulence devient prédominante dans la région externe au lieu de la région interne. Le pic interne du spectre de (⟨u²⟩) n'existe pas dans le cas à grand déficit de vitesse. De plus, les corrélations en deux points montrent que l'organisation spatiale a aussi changé. En ce qui concerne les structures qui transfèrent l'énergie, les structures associées à la production, la pression-déformation et la dissipation se comportent comme les structures porteuses d'énergie. Les distributions spectrales de ces mécanismes sont semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, les distributions de production et pression-déformation dans la direction normale à la paroi changent parce que la région externe devient dominante. Cependant, les spectres 2D et le rapport de forme des structures sont semblables dans tous les cas. Les structures de production et de pression-déformation sont analysées plus en détail en utilisant leur taille relative et leur position dans la direction normale à la paroi, comme révélé par les distributions spectrales. Les résultats montrent que les spectres de production et pression-déformation ont des caractéristiques semblables dans chaque région (interne et externe) peu importe le déficit de vitesse. Dans la région interne, les résultats suggèrent que le cycle de régénération de la turbulence de proche paroi, ou un autre mécanisme possédant les mêmes caractéristiques spectrales, existe dans les CLT-GPA à grand déficit de vitesse. En ce qui concerne la région externe, la CLT-GPA à grand déficit de vitesse se comporte davantage comme une couche cisaillée libre que les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Mais aucune instabilité de type point d'inflexion n'a été détectée. L'effet de la turbulence de la région interne sur les structures de la région externe est examiné par l'intermédiaire des caractéristiques spatiales des structures porteuses de cisaillement turbulent à l'aide de données volumétriques spatio-temporelles. Les résultats montrent que la région externe n'est pas significativement affectée par la turbulence de la région interne. Les caractéristiques spatiales des structures dépendent principalement du cisaillement moyen. De plus, le rapport de forme des structures évolue de la même façon dans les deux régions externes de CLT-GPA (originale et modifiée) et dans l'écoulement à cisaillement homogène lorsque la taille des structures est normalisée avec l'échelle de longueur de Corrsin. La conclusion générale est que les mécanismes de transfert d'énergie turbulente restent les mêmes dans une région indépendamment du déficit de vitesse. La raison pour laquelle les distributions d'énergie et du transfert d'énergie varient dans la CLT-GPA à grand déficit de vitesse est probablement le changement du profil de cisaillement moyen dû au déficit de vitesse croissant. / This thesis aims to expand our knowledge about turbulent boundary layers (TBLs) developing under adverse pressure gradients (APG). The main focus of this thesis is coherent structures and energy transfer mechanisms in APG TBLs with small and large velocity defects. For this, two novel non-equilibrium APG TBL direct numerical simulation databases are generated. The first database is a non-equilibrium APG TBL with Re[subscript θ] reaching 8000 and a shape factor spanning between approximately 1.4 and 3.2. It is the main database utilized throughout the thesis. The second database has identical domain and boundary conditions to the first one. The difference between them is that turbulence in the inner layer of the second database is artificially eliminated. This second database is generated to examine the effect of the inner layer on the outer layer turbulence. For comparison purposes, a channel flow case, two zero pressure gradient (ZPG) TBLs and two homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature are employed. The energy-carrying and -transferring structures are examined using the spectral distributions and two-point correlations. The analysis reveals that energy-carrying structures in small defect APG TBLs and canonical flows have similar spatial and spectral features. In the large defect case, turbulence in the inner layer, which is the dominant region in canonical flows and small defect APG TBLs, loses its importance and outer-layer turbulence becomes dominant. The inner peak in the ⟨u²⟩ spectra does not exist in the large-defect case. Moreover, two-point correlations show that the spatial organization becomes different in the large-defect case as well. Regarding the energy-transferring structures, production, pressure-strain and dissipation structures behave in a similar fashion to the energy-carrying structures. The spectral distributions show that the canonical flows and small defect APG TBLs behave very similarly. The shape of the spectra is qualitatively similar in both cases. In the large defect case, the wall-normal distributions of production and pressure-strain become different since the outer layer becomes dominant. However, the shape of 2D spectra and the aspect ratio of structures are alike in all cases. The production and pressure-strain structures are analyzed in more detail using the relative size and wall-normal positions with respect to each other and energetic structures using spectral distributions. The results show that production and pressure-strain spectra have similar features in both the inner and outer layers regardless of the velocity defect, despite the differences in energetic structures. In the inner layer, the results suggest that the near-wall cycle or another mechanism with similar spectral features exists in large defect APG. As for the outer layer, an interesting result is that in large-defect APG TBLs it acts more like a free shear layer than in small-defect APG TBLs or canonical flows. Besides that, production and inter-component energy transfer mechanisms are similar in all cases regardless of velocity defect. No inflection point instability in the outer layer of the large-defect APG TBLs was detected. The effect of the near-wall region on the outer-layer layer structures is examined through Reynolds-shear-stress carrying structures' spatial features by detecting individual structures using spatio-temporal volumetric data. The results show that the outer layer is not significantly affected by the inner-layer turbulent activity. The structures' spatial features mostly depend on the mean shear. The aspect ratio of Reynolds-shear-stress carrying structures remains almost identical in the outer layer when the inner-layer turbulence is eliminated. Moreover, the aspect ratio follows a similar trend in both outer layers of APG TBLs and HSTs when the structures' size is normalized with the Corrsin length scale. The overall conclusion is that energy transfer mechanisms remain the same within one layer regardless of the velocity defect. The reason why the wall-normal distribution of energy and energy transfer dramatically changes in the large defect case is probably the change in the mean shear profile due to the increasing velocity defect.

Le rayonnement joue un rôle important dans de nombreuses applications industrielles, en particulier celles mettant en jeu un processus de combustion. Cependant, son influence sur les écoulements turbulents, notamment les couches limites, n’est pas encore bien connu. L’objectif est ici d’analyser en détail l’effet du rayonnement sur les écoulements turbulents. Utilisant le modèle CK pour décrire les propriétés radiatives des gaz, une approche optimisée de la méthode de Monte-Carlo (OERM) basée sur l’émission et le principe de réciprocité est développée. La méthode OERM permet de contrôler localement l’imprécision des résultats tout en corrigeant l’inconvénient de la méthode originale en introduisant une nouvelle fonction de répartition des fréquences basée sur la température maximale du domaine. Plusieurs écoulements de canal plan turbulent sous différentes conditions de pression, de températures et d’émissivités de parois sont résolus par simulation numérique directe (DNS). Les simulations DNS de l’écoulement et du champ de rayonnement par la méthode OERM sont entièrement couplées. L’impact du rayonnement sur le champ moyen de température et ses fluctuations est analysé en détail. La modification du profil de température moyenne induit un changement des flux de chaleur conductifs aux parois et de nouvelles lois de paroi pour la température lorsque le rayonnement est pris en compte. L’impact sur les fluctuations de température et le flux de chaleur par transport turbulent est étudié au travers de leurs équations de transport respectives dont l’équilibre est modifié par le rayonnement. Une nouvelle normalisation (wall-scaling) basée sur le bilan d’énergie est proposée pour améliorer le recouvrement des profils obtenus sous les différentes configurations étudiées avec et sans transfert radiatif. Cette normalisation permet d’introduire un modèle pour le nombre de Prandtl turbulent lorsque le rayonnement est pris en compte. Afin de prédire l’effet du rayonnement sur la zone proche paroi et sa modification des lois de paroi, un modèle de paroi pour la simulation aux grandes échelles (LES) est développé. Les équations 1D de couche limite turbulente à l’équilibre sont résolues sur une grille intégrée au maillage LES pour traiter la zone interne. La contrainte pariétale et le flux de chaleur conductif obtenus sont renvoyés au code LES. La puissance radiative dans l’équation d’énergie du modèle de paroi 1D est évaluée à partir d’un modèle analytique. Le modèle de paroi est validé par comparaison avec les résultats des calculs couplés DNS/Monte-Carlo. Deux critères sont finalement proposés et validés. Le premier a pour but de prédire l’importance du flux radiatif pariétal tandis que le second détermine si un modèle de paroi prenant en compte l’effet du rayonnement dans la zone interne de la couche limite est nécessaire. Une étude paramétrique est ensuite réalisée où un modèle κ-ϵ et un modèle de nombre de Prandtl turbulent sont utilisés pour estimer les champs moyens de vitesse et température d’écoulements de canal plan sous différentes conditions. Les valeurs des critères obtenues sont analysées puis comparées. / If radiation plays an important role in many engineering applications, especially in those including combustion systems, influence of radiation on turbulent flows, particularly on the turbulent boundary layers, is still not well known. The objective is here to perform a detailed study of radiation effect on turbulent flows. An optimized emission-based reciprocal (OERM) approach of the Monte-Carlo method is proposed for radiation simulation using the CK model for radiative gas properties. OERM allows the uncertainty of results to be locally controlled while it overcomes the drawback of the original emission-based reciprocity approach by introducing a new frequency distribution function that is based on the maximum temperature of the domain. Direct Numerical Simulation (DNS) has been performed for turbulent channel flows under different pressure, wall temperatures and wall emissivity conditions. Flow field DNS simulations are fully coupled with radiation simulation using the OERM approach. The role of radiation on the mean temperature field and fluctuation field are analyzed in details. Modification of the mean temperature profile leads to changes in wall conductive heat fluxes and new wall laws for temperature when radiation is accounted for. The influence on temperature fluctuations and the turbulent heat flux is investigated through their respective transport equations whose balance is modified by radiation. A new wall-scaling based on the energy balance is proposed to improve collapsing of wall-normal turbulent flux profiles among different channel flows with/without considering radiation transfer. This scaling enables a new turbulent Prandtl number model to be introduced to take into account the effects of radiation. In order to consider the influence of radiation in the near-wall region and predict the modified wall law, a one-dimensional wall model for Large Eddy Simulation (LES) is proposed. The 1D turbulent equilibrium boundary layer equations are solved on an embedded grid in the inner layer. The obtained wall friction stress and wall conductive flux are then fed back to the LES solver. The radiative power term in the energy equation of the 1D wall model is computed from an analytical model. The proposed wall model is validated by a comparison with the former DNS/Monte-Carlo results. Finally, two criteria are proposed and validated. The first one is aimed to predict the importance of wall radiative heat flux while the other one predicts whether a wall model accounting for radiation in the near wall region is necessary. A parametric study is then performed where a k-ǫ model and a turbulent Prandtl number model are applied to simulate the velocity and temperature field of different channel flows under various flow conditions. The obtained criteria values are analyzed and compared.

Le décollement de la couche limite est un phénomène aérodynamique, généralement indésirable sur un profil d'aile en incidence, qui occasionne une diminution des performances de la voilure.<br />De nombreux auteurs ont montré qu'il est possible d'éliminer ou, le cas échéant, de retarder l'apparition des décollements en implantant des dispositifs de contrôle appelés « actionneurs » sur l'aile.<br />Des actionneurs, de type fluidique, ont été comparativement utilisés sur deux configurations expérimentales : un profil épais symétrique NACA 0015, siège de décollements de type « bord de fuite » et un profil symétrique ONERA D caractérisé par des décollements de type « bord d'attaque ». Placés en proche paroi d'extrados, les actionneurs se présentent sous la forme d'injecteurs discrets ou sous la forme d'une fente de faible épaisseur, le soufflage étant stationnaire ou instationnaire.<br />Nous avons étudié l'influence de différents paramètres (géométrie des actionneurs, fréquence et intensité de l'excitation...). Il a été possible de mettre en évidence une modification profonde des structures de l'écoulement sous les effets du contrôle qui favorise le processus de recollement de la couche limite et aboutit à une augmentation de la portance et à une réduction considérable de la traînée.<br />Cette étude consacrée à la validation de l'efficacité de différents modes d'action et à la compréhension des mécanismes de recollement est actuellement complétée par une approche instationnaire du contrôle (quantification des temps de réponse caractéristiques des actionneurs et de l'écoulement). Elle constitue la première étape vers la mise en place sur les voilures, à plus long terme, d'un système de contrôle rétroactif.

Pourquoi la température de surface dans les Tropiques présente-t-elle un maximum autour de 30°C, quels sont les mécanismes qui contrôlent la stabilité du climat tropical, et quelles peuvent être les spécificités de l'impact d'un changement climatique dans cette région du globe? Un modèle bicolonne simple est utilisé pour confirmer la grande sensibilité du climat tropical aux changements des surfaces relatives occupées par les zones sèches et humides, en particulier dans le cadre d?un réchauffement climatique dû à une augmentation des gaz à effet de serre. L?influence des vents de surface se révèle importante. Les systèmes bicolonnes humide/sèche ont une distribution de taille bimodale dans les observations, avec un mode synoptique et un mode de grande échelle. Cette bimodalité peut être reproduite par un modèle simple, où la dynamique de surface opère la sélection d?échelle. Enfin, les limites de la modélisation idéalisée de la couche limite des alizés sont mises en évidence.

Le but de ce projet est d'améliorer la représentation numérique des processus turbulents de couche limite stable (CLS) sur l'océan Arctique dans le modèle Global Environnemental Multi-échelles (GEM). L'expérience numérique réalisée consiste à simuler le climat observé durant la campagne SHEBA d'un an sur un petit domaine régional à haute résolution (110 x 120 @ 0,5 degré) centré sur la mer de Beaufort. Dans la simulation de contrôle effectuée avec la version non modifiée de GEM, le modèle surestime systématiquement le vent de surface Ūr, la vitesse de friction u* et le flux de chaleur latente (HL) qui est 6 fois trop intense l'été en comparaison des valeurs observées au point SHEBA. De plus, le modèle n'arrive pas à simuler les vents faibles observés (Ūr < 1,6 m/s) et manifeste un biais sec persistant dans la CLS durant toute l'année. En comparant la fonction de stabilité utilisée dans GEM øGEM avec les observations de la campagne SHEBA, on remarque que ce paramétrage mène à une surestimation du mélange turbulent en stratification très stable (RiB > 10¯²) qui pourrait expliquer une partie des erreurs du modèle. L'implémentation d'une fonction de stabilité dérivée à partir des observations de SHEBA øSHEBA dans la simulation de sensibilité A a permis d'améliorer Ūr et u* dans le modèle GEM. La longueur de rugosité de la glace de mer utilisée dans le modèle GEM zo,GEM = 0,16 mm aussi ne correspond pas aux observations de la campagne SHEBA. En fait, l'unique paramètre zo,GEM utilisé par GEM est trop faible pour le transfert de quantité de mouvement et trop grande pour le transfert de chaleur et d'humidité. L'implémentation des longueurs de rugosité observées à SHEBA (zom,SHEBA et zoh,SHEBA) dans la simulation de sensibilité B a amélioré Ūr simulé. Le vent minimal Ūmin = 2,5 m/s est un autre paramètre utilisé par GEM qui est susceptible d'être inadéquat pour simuler la CLS. Ce paramètre est utilisé pour éviter une division par zéro par vent faible lors du calcul du nombre de Richardson RiB. En utilisant une valeur plus réaliste de Ūmin = 1,0 m/s dans la simulation de sensibilité C, on arrive à simuler les vents faibles (Ūr < 1,6 m/s) qui n'étaient pas simulés par la version originale du modèle GEM. Dans la simulation D, l'implémentation d'une nouvelle équation diagnostique basée sur l'équation de Clausius-Clapeyron pour qr a éliminé complètement le biais sec dans le modèle. Indirectement, la correction à qr a ramené le HL simulé très près des valeurs observées en réduisant le gradient vertical qr -qs responsable de l'évaporation à la surface. Tous les modèles régionaux participant au projet ARCMIP avaient des défauts semblables (biais sec, HL surestimé et u* trop intense) à ceux du modèle GEM pour une expérience très similaire. Il est donc très probable que l'implémentation des mêmes modifications dans ces modèles soit aussi bénéfique. Il est aussi probable qu'en implémentant ces paramétrages dans les modèles participant au Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) ait un effet bénéfique sur l'océan Arctique. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Modélisation du climat arctique, Couche limite atmosphérique, Interaction atmosphère-glace- océan, Paramétrisation physique.

Thèse de doctorat : sciences. Turbomachines : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. Thèse de doctorat : sciences. Turbomachines : Rhode-Saint-Genèse (Belgique), Institut von Karman de dynamique des fluides : 2006. / 158 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Turbomachines : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. Thèse de doctorat : sciences. Turbomachines : Rhode-Saint-Genèse (Belgique), Institut von Karman de dynamique des fluides : 2006. / 158 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / 101 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. 101 réf.

Thèse doctorat : Acoustique : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 107-112.