Comprendre, prédire et finalement retarder la transition vers la turbulence dans les écoulements sont d'importants problèmes posés aux scientifiques depuis les travaux pionniers d'Osborne Reynolds en 1883. Ces questions ont été principalement adressées à l'aide de la théorie des instabilités hydrodynamiques. A cause des ressources informatiques limitées, les analyses de stabilité linéaire reposent essentiellement sur d'importantes hypothèses simplificatrices telles que celle d'un écoulement parallèle. Dans ce cadre, connu sous le nom de stabilité locale, seule la stabilité d'écoulement ayant un fort intérêt académique mais relativement peu d'applications pratiques a pu être étudiée. Néanmoins, au cours de la décennie passée, l'hypothèse d'écoulement parallèle a été relaxée au profit de celle d'un écoulement bidimensionnel conduisant alors à ce que l'on appelle la stabilité globale. Ce nouveau cadre permet alors d'étudier les mécanismes d'instabilité et de transition ayant lieu au sein d'écoulements plus réalistes. Plus particulièrement, la stabilité d'écoulements fortement non-parallèles pouvant présenter des décollements massifs, une caractéristique fréquente dans les écoulements d'intérêt industriel, peut maintenant être étudiée. De plus, avec l'accroissement constant des moyens de calcul et le développement de nouveaux algorithmes de recherche de valeurs propres itératifs, il est aujourd'hui possible d'étudier la stabilité d'écoulements pleinement tridimensionnels pour lesquels aucune hypothèse simplificatrice n'est alors nécessaire. Dans la continuité des travaux présentés par Bagheri et al. en 2008, le but de la présente thèse est de développer les outils nécessaires à l'analyse de la stabilité d'écoulements 3D. Trois écoulements ont été choisis afin d'illustrer les nouvelles capacités de compréhension apportées par l'analyse de la stabilité globale appliquée à des écoulements tridimensionnels réels : i) l'écoulement au sein d'une cavité entraînée 3D, ii) l'écoulement se développant dans un tuyau sténosé, et enfin iii) l'écoulement de couche limite se développant au passage d'une rugosité cylindrique montée sur une plaque plane. Chacun de ces écoulements a différentes applications pratiques allant d'un intérêt purement académique à une application biomédicale et aérodynamique. Ce choix d'écoulements nous permet également d'illustrer les différents aspects des outils développés au cours de cette thèse ainsi que les limitations qui leur sont inhérentes. / Understanding, predicting and eventually delaying transition to turbulence in fluid flows have been challenging issues for scientists ever since the pioneering work of Osborne Reynolds in 1883. These problems have mostly been addressed using the hydrodynamic linear stability theory. Yet, due to limited computational resources, linear stability analyses have essentially relied until recently on strong simplification hypotheses such as the “parallel flow” assumption. In this framework, known as “local stability theory”, only the stability of flows with strong academic interest but limited practical applications can be investigated. However, over the course of the past decade, simplification hypotheses have been relaxed from the “parallel flow” assumption to a two-dimensionality assumption of the flow resulting in what is now known as the “global stability theory”. This new framework allows one to investigate the instability and transition mechanisms taking place in more realistic flows. More particularly, the stability of strongly non-parallel flows exhibiting separation, a common feature of numerous flows of practical interest, can now be studied. Moreover, with the continuous increase of computational power available and the development of new iterative eigenvalue algorithms, investigating the global stability of fully three-dimensional flows, for which no simplification hypothesis is necessary, is now feasible. Following the work presented in 2008 by Bagheri et al., the aim of the present thesis is thus to develop the tools mandatory to investigate the stability of 3D flows. Three flow configurations have been chosen to illustrate the new investigation capabilities brought by global stability theory when it is applied to realistic three-dimensional flows: i) the flow within a cuboid lid-driven cavity, ii) the flow within an asymmetric stenotic pipe and iii) the boundary layer flow developing over a cylindrical roughness element mounted on a flat plate. Each of these flows have different practical applications ranging from purely academic interests to biomedical and aerodynamical applications. They also allow us to put in the limelight different aspects and possible limitations of the various tools developed during this PhD thesis.

Ce travail concerne une étude numérique d’écoulements incompressiblesanisothermes dans une cavité. Dans un premier temps, nous procédons à une modélisation destransferts de chaleur dans une paroi dont l’une de ses faces est recouverte d’une couche dematériau à changement de phase (MCP) de faible épaisseur. Cette modélisation est basée surune condition aux limites de type Signorini. Les équations de transfert sont résolues par uneprocédure itérative spécifique. Cette procédure est ensuite appliquée aux transferts dans unecavité différentiellement chauffée dont l’une des parois est recouverte d’une couche de MCPde faible épaisseur. Les équations qui régissent les transferts d’air sont résolues par uneméthode semi-implicite aux différences finies de second ordre et l’algorithme de projection.Nous validons la procédure en l’appliquant à la cavité entrainée, la marche descendante,l’écoulement autour d’un barreau de section carrée et la convection naturelle dans une cavitédifférentiellement chauffée. Dans un deuxième temps, une étude d’écoulements turbulentsincompressibles dans une cavité ventilée a été effectuée en utilisant un solveur de hauteprécision parallèle développée au LAMPS. Les équations de transfert sont résolues par unschéma compact aux différences finies et l’algorithme de projection. Il est montré notammentque le flux de chaleur appliqué à la paroi inférieure de la cavité influence considérablement lastructure de l’écoulement et les transferts de chaleur ainsi que les champs moyens etfluctuants de la vitesse et de la température. / The aim of this work is about a numerical study of anisothermal incompressible flowsconfined in a cavity. We perform a modeling of heat transfer in a wall where one of its faces iscovered with a thin layer of phase change material (PCM). This modeling is based on aSignorini boundary condition. The transfer equations are solved by a specific iterativeprocedure. This procedure is then applied to a differentially heated cavity, one of the walls ofwhich is covered with a thin layer of PCM. The transfer equations are solved by a semi-implicit method with finite second order differences and the projection algorithm. We validatethe procedure by applying it to the lid-driven cavity, downward motion, flow around a squaresection bar and natural convection in a differentially heated cavity. In a second step, the studyof incompressible turbulent flows in a ventilated cavity was carried out using a parallel highprecision solver developed at LAMPS. The transfer equations are solved by a finite differencecompact scheme and the projection algorithm. It is shown in particular that the heat flowapplied to the lower wall of the cavity greatly influences the structure of the flow and the heattransfers, as well as the mean and fluctuating fields of velocity and temperature.

Cette thèse vise à développer et évaluer la méthode de Galerkin discontinue (DG) pour la simulationdes grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. L’approche DG présente un nombre d’avantages intéressants pour la LES : ordre élevé, stencil compact, prise en compte des maillages non structurés et expression de la solution numérique dans une base de polynômes permettant l’utilisation de modèles de turbulence multi-échelle. Parmi ce type de modèles, nous nous sommes intéressés ici à la méthode Variational Multiscale (VMS) qui consiste à séparer les échelles résolues dans la base de polynômes pour restreindre l’influence du modèle à une gamme réduite d’échelles. Les modèles considérés ont été paramétrés en prenant en compte les fonctions de transfert spécifiques aux discrétisations DG. La précision de la méthode pour la représentation de phénomènes turbulents variés a été évaluée à travers la réalisation de DNS de configurations académiques. Enfin, l’approche VMS/DGa été éprouvée sur des configurations simples à haut nombre de Reynolds. Il apparaît que cette méthodologie permet la représentation précise des phénomènes turbulents pour un coût réduit en terme de degrés de liberté. / This work focuses on the development of the Discontinuous Galerkin (DG) method for the large-eddy simulation (LES) of turbulents flows. The DG method shows some interesting properties for LES : high-order of accuracy, compact stencil, unstructured meshes and amodal polynomial basis which can be used to implement multiscale turbulence models. We consider in this work the Variational Multiscale approach (VMS), which consists in splitting the resolved scales into two components using the modal basis in order to restrict the action of the model to a given range of small scales. The models have been tuned using the transfer functions of the DG hp-discretizations. The accuracy of the DG method for the representation of turbulent phenomena has been assessed through DNS of free and wall-bounded canonical flows. Finally, the VMS/DG approach has been assessed for simple configurations at high Reynolds numbers. We have shown that this particular approach allows for an accurate representation of turbulent flows for coarse discretizations.

Lorsqu'une goutte impacte une surface chaude dont la température est bien plus élevée que la température d'ébullition du liquide, une couche de vapeur se forme et elle lévite au dessus de la surface: ce phénomène est appelé "Effet Leidenfrost". Dans cette étude, un nouvel algorithme permettant de modéliser les régimes d'évaporation et d'ébullition à l'interface liquide/gaz a été développé. En effet, dans certaines situations où les conditions thermodynamiques à l'interface sont très hétérogènes, la distinction entre les régimes d'évaporation et d'ébullition n'est pas toujours possible. C'est le cas de l'impact d'une goutte sur une surface chaude en régime de Leidenfrost. Dans ce cas, l'ébullition se produit dans le film de vapeur saturée piégé entre la goutte et la paroi, tandis que sur le dessus la goutte s'évapore au contact de l'air ambiant. De ce fait, l'ébullition et l'évaporation peuvent survenir simultanément dans différentes régions de la goutte. Les méthodes numériques classiques ne sont pas en mesure de prendre en compte ce régime transitoire. Par conséquent, un nouvel algorithme a été développé pour y parvenir. Cet algorithme a été utilisé pour simuler le rebond d'une goutte axisymétrique en régime de Leidenfrost. Les résultats sont ensuite comparés à des données expérimentales. / When a liquid droplet impacts on a heated surface at a temperature much higher than the liquid's boiling point, it floats above the surface due to a vapor layer formation: this phenomenon is called the Leidenfrost effect. In this study, we propose a novel numerical method which allows dealing both with evaporation and boiling regimes at the interface between a liquid and a gas. Indeed, in some specific situations involving very heterogeneous thermodynamic conditions at the interface, the distinction between boiling and evaporation is not always possible. It can occur when a droplet impacts a hot surface in the Leidenfrost regime. In this case, boiling occurs in the film of saturated vapor which is entrapped between the bottom of the drop and the plate, whereas the top of the liquid droplet evaporates in the contact of the ambient air. Thus, boiling and evaporation occur simultaneously on different regions of the droplet when it impacts a heated surface. Usual numerical methods are not able to perform computations in this transient regimes, therefore, we propose in this study a new numerical method to achieve this challenging task. This algorithm is used to simulate an axisymmetric impact of a liquid droplet in the Leidenfrost regime for different Weber numbers and the results of this simulations are compared with experimental data.

Fossil fuel reserves are projected to be decreasing, and emission regulations are becoming more stringent due to increasing atmospheric pollution. Alternative fuels for power generation in industrial gas turbines are thus required able to meet the above demands. Examples of such fuels are synthetic gas, blast furnace gas and coke oven gas. A common characteristic of these fuels is that they are multi-component fuels, whose composition varies greatly depending on their production process. This implies that their combustion characteristics will also vary significantly. Thus, accurate and yet flexible enough combustion sub-models are required for such fuels, which are used during the design stage, to ensure optimum performance during practical operating conditions. Most combustion sub-model development and validation is based on Direct Numerical Simulation (DNS) studies. DNS however is computationally expensive. This, has so far limited DNS to single-component fuels such as methane and hydrogen. Furthermore, the majority of DNS conducted to date used one-step chemistry in 3D, and skeletal chemistry in 2D only. The need for 3D DNS using skeletal chemistry is thus apparent. In this study, an accurate reduced chemical mechanism suitable for multi-component fuel-air combustion is developed from a skeletal mechanism. Three-dimensional DNS of a freely propagating turbulent premixed flame is then conducted using both mechanisms to shed some light into the flame structure and turbulence-scalar interaction of such multi-component fuel flames. It is found that for the multi-component fuel flame heat is released over a wider temperature range contrary to a methane flame. This, results from the presence of individual species reactions zones which do not all overlap. The performance of the reduced mechanism is also validated using the DNS data. Results suggest it to be a good substitute of the skeletal mechanism, resulting in significant time and memory savings. The flame markers commonly used to visualize heat release rate in laser diagnostics are found to be inadequate for the multi-component fuel flame, and alternative markers are proposed. Finally, some popular mean reaction rate closures are tested for the multi-component fuel flame. Significant differences are observed between the models’ performance at the highest turbulence level considered in this study. These arise from the chemical complexity of the fuel, and further parametric studies using skeletal chemistry DNS would be useful for the refinement of the models.

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Escoamentos sobre superfícies côncovas estão sujeitos à instabilidade centrífuga, dando origem a vórtices longitudinais, conhecidos como vórtices de Görtler. Esses vórtices são responsáveis por gerar distorções fortes nos perfis de velocidade. Como os vórtices são contra-rotativos, duas regiões surgem entre os mesmos: uma região de upwash e uma região de downwash. Na região de upwash o fluido próximo à parede é jogado para longe da mesma. Na região de downwash acontece o contrário, o fluido que se desloca a uma velocidade maior é jogado em direção à parede. Os vórtices se amplificam inicialmente de forma linear. À jusante na região não linear de desenvolvimento dos vórtices, a amplitude dos mesmos já é elevada, e há a formação de uma estrutura do tipo cogumelo com a distribuição da componente de velocidade na direção principal do escoamento . Essa nova distribuição de velocidade é tridimensional e difere em muito da camada limite obtida com a solução das equações de Blasius. Levando-se em consideração a camada limite térmica, já foi observado que, na média, há um aumento de transferência de calor na direção da parede. No presente trabalho, é verificado numericamente a transferência de calor na presença de vórtices de Görtler. Para tal, foi desenvolvido e implementado um código de simulação numérica direta espacial (DNS - do inglês Direct Numerical Simulation). Os resultados deste trabalho mostram a intensificação da transferência de calor através dos vórtices de Görtler, tanto no regime não-linear como na instabilidade secundária / Flows over concave surfaces are subject to centrifugal instability. It gives rise to stramwise vortices known as Görtler vortices. These vortices are responsible for generating strong distortions in the velocity profiles. As the vortices are counterrotating, two regions arise between them: a region of uowash and a region of downwash. In the upwash region, the fluid near the wall is convected away from it. In the downwash region the opposite happens, the fluid moving at a faster speed is moved towards the wall. The vortices initially amplify linearly in the downstream. When their amplitude is already high, in the non-linear development region, a mushroom-type structure, with the velocity distribution in the main flow direction, is formed. This new three-dimensional velocity distribution is different from the boundary layer obtained with the solution of Blasius equations. Taking into account a thermal boundary layer, on average, an increase in the heat transfer in the wall direction has been observed. In the present work, it is verified numerically the heat transfer in the presence of Görtler vortices. A simulation code was developed and implemanted usin Direct Numerical Simulation (DNS). The results of this work show the intensification of heat transfer through the Görtler vortices both in the non-linear regime and in the secondary instability

The purpose of a multi-element high lift device is to increase lift dramatically while controlling the stall limit. The fluid flow over a multi-element high lift device has been explored widely both experimentally and numerically at high Reynolds numbers (O(10^6 )). The numerical simulations use turbulence models and hence details of the flow are not yet available. Low Reynolds number (O(10^4 )) flows over high lift devices have not been explored until recently. These lower Reynolds number flows have applications in the development of small aerial vehicles. The present work discusses both two-dimensional and three-dimensional direct numer- ical simulations of fluid flow over a 30P30N three-element high lift system using a high-order spectral element method code, Nek5000, that solves the incompressible Navier-Stokes equations. The intricate geometry of the multi-element device poses a challenge for the high-order spectral element method. We study the complex flow physics in the slat cove region and the wake/shear layer interaction over a 30P30N three-element high lift device. The targeted cases are at Reynolds num- bers based on stowed chord lengths (Rec ) of 8.32 × 10^3 , 1.27 × 10^4 , and 1.83 × 10^4 at angle of attack of 4. A critical interval for Rec has previously been found between 1.27 × 10^4 and 1.38 × 10^4 in experiments. This divides the flow into two types: when Rec is below the critical interval, no roll-up is observed in the slat cove and Görtler vortices dominate the slat wake; however when the Rec is above the critical interval, a roll-up is observed in the slat cove and co-existence of streamwise and spanwise vortices is confirmed in the slat wake. We confirm the presence of the critical interval from the simulations performed at three values of Rec . Lift and drag analysis is provided along with pressure coefficient plots for each element of the multi-element airfoil. Different vortical structures are also identified in the transition of flow from two dimensions to three dimensions. The relevant validation is performed with the available experimental data.

La dynamique des flammes de prémélange est étudiée par deux approches numériques différentes. La première résout les équations compressibles de Navier-Stokes avec une chimie simplifiée (DNS). Afin de réduire les coûts de calcul, nous analysons et développons un schéma numérique à grille décalée. Le traitement des ondes acoustiques aux sorties est connu pour rendre les flammes cylindriques légèrement carrées. Ces déformations non-physiques sont expliquées en mettant en évidence la modélisation insuffisamment précise de l'accélération du fluide lorsque l'écoulement est oblique à la sortie. Une étude paramétrique et statistique de flammes turbulentes est menée en 2D et une simulation parallèle 3D est réalisée dans un domaine de (3cm)3. En considérant la flamme infiniment mince, l'approche EEM diminue considérablement les coûts de calcul. Les mêmes simulations sont réalisées et comparées aux résultats de DNS pour tester la capacité du modèle EEM à fournir des résultats quantitatifs. / We study premixed flame dynamics using DNS and EEM approaches. DNS solves compressible Navier-Stokes equations with simplified chemistry. To reduce computational costs and increase efifciency, we analyse and develop a modified staggered scheme. Treatment of acoustic waves at boundaries is known to slightly square cylindrical flames. We try to explain these unphysical distortions by highlighting the poor modeling of fluid acceleration when mainstrean is transverse to outow. A parametric and statistical study of expanding flames is carried out in 2D and also for an expanding (3cm)3 flame. The EEM approach models the flame as an infinitely thin interface. This perturbative strategy dramatically decreases cpu costs. Simulations are carried out and compared to DNS results to check the ability of EEM modeling to give quantitative results.

Depuis les travaux pionniers de Brown et Roshko portant sur les effets des variations de masse volumique au sein de l’écoulement de couche de mélange, plusieurs autres études tant théoriques, expérimentales ou numériques se sont attelées à étudier finement cet écoulement. Les motivations sont d’ordre pratiques (industrie de la chimie, l’aérodynamique, la combustion . . .) ou alors purement théoriques (rôle des structures cohérentes, instabilités secondaires. . .). Ces études se sont intéressées, entre autres, aux effets de compressibilité et/ou de masse volumique variable. A notre connaissance, les effets des variations de viscosité dans la configuration de couche de mélange sont peu abordés dans la littérature. L’objectif de ces travaux de recherche est l’exploration théorique et numérique de l’écoulement de couche de mélange temporelle à viscosité variable, plus particulièrement durant sa phase initiale de développement. D’un point de vu numérique, les équations de Navier-Stokes sont résolues,en formulation faiblement compressible, au moyen du solveur CHOC-WAVES, basé sur le schéma WENO. L’approche DNS est justifiée par l’absence, dans la littérature, de modèles de sous-maille capables de prendre en compte les effets de la viscosité variable. Les équations de transport des différentes grandeurs moyennes et fluctuantes en un point et en chaque échelle (bilan d’énergie cinétique) sont réécrites en formulations incompressible et à viscosité variable. Des termes supplémentaires, engendrés par les variations spatio-temporelles de la viscosité, apparaissent dans ces équations. Celles-ci sont utilisées comme outil, afin d’explorer l’écoulement de couche de mélange et d’étudier le développement de la turbulence dans un milieu hétérogène. Les rapports de viscosité simulés sont Rv = [1−18]. Les résultats numériques montrent que l’épaisseur de la zone de mélange δθ évolue plus rapidement lorsque le rapport de viscosité Rv est élevé. De même, les gradients verticaux de la vitesse longitudinale sont amplifiés par les gradients de viscosité, un gain de près de 60%, par rapport aux valeurs initiales, est observé. La production de l’énergie cinétique turbulente est également amplifiée.L’évolution temporelle des fluctuations des vitesse est accélérée, celles-ci sont augmentées de près de 120% par rapport à l’écoulement à viscosité constante. Le régime autosimilaire du tenseur de Reynolds est atteint plus rapidement par l’écoulement à viscosité variable et l’isotropie des fluctuations de vitesse est améliorée. / Since the pioneering work of Brown and Roshko on the effects of density variations within the mixed layer flow, several other theoretical, experimental and numerical studies harnessed to finely investigate this flow. The motivations are of practical order (chemical industry, aerodynamics, combustion. . .) or purely theoretical (the role of coherent structures,secondary instabilities). These studies have focused on, among others, the effects of compressibility and/or variable density. To our knowledge, the effects of viscosity variations in the mixing layer configuration are not discussed in the literature. The objective of this researchis the theoretical and numerical exploration of the variable viscosity temporal mixedlayer flow, especially during its initial phase of development. From a numerical viewpoint, the Navier-Stokes equations are solved in weakly compressible formulation, using the solver CHOC-WAVES, based on WENO scheme. The DNS approach is justified by the absence in the literature of subgrid models that account for the effects of variable viscosity. The transport equations of different mean and fluctuating quantities at a point and each scale (scale-by-scale energy budget) are rewritten in incompressible and variable-viscosity formulation. Additional terms, generated by the spatial and temporal variations of viscosity occur in these equations. These are used as a tool to explore the mixed layer flow and study the development of turbulence in a heterogeneous environment. The simulated viscosity ratios are Rv = [1 − 18]. The numerical results show that the mixing layer thickness δθ growsfaster when the viscosity ratio Rv is high. The vertical gradients of the longitudinal mean velocity are amplified by the viscosity gradients, a gain of almost 60 %, compared to initial values was observed. The production of turbulent kinetic energy is also amplified. The temporal evolution of the velocity fluctuations is accelerated, they are increased to nearly 120 % with respect to the constant viscosity flow. The self-similar regime of the Reynolds tensor is reached more quickly by the variable viscosity flow and the isotropy of the velocity fluctuations is improved.