Ce travail a pour but de comparer les approches de simulation numérique des grandes échelles explicite (LES) et implicite (ILES) pour un jet turbulent non-réactif ou réactif d’hydrogène à grande vitesse dans un co-courant d’air, typique d’un super-statoréacteur. La résolution des calculs va de 32 × 32 × 128 à 256 × 256 × 1024, à l’aide d’un schéma WENO d’ordre 5. Les LES explicites emploient les modèles sous-maille de Smagorinsky et de Fonction de Structure Sélective, associés au transport moléculaire. Les LES implicites sont réalisées avec et sans modèle de transport moléculaire, en résolvant les équations de Navier- Stokes ou d’Euler. Dans le cas non-réactif, le modèle de Smagorinsky est trop dissipatif. Le modèle de Fonction de Structure Sélective améliore les résultats, sans faire mieux que l’approche ILES quelle que soit la résolution. Dans le cas réactif, une coupure physique visqueuse est indispensable pour fixer une épaisseur à la flamme, et assurer la convergence en maillage de l’approche ILES. On montre aussi que les résultats LES/ILES sont moins sensibles aux conditions d’injection que ceux de l’approche RANS. Le premier chapitre est une introduction générale au contexte de l’étude. Au second chapitre, on rappelle les équations générales pour un écoulement réactif et on détaille les modèles thermodynamique et de transport retenus. Au troisième chapitre, les équations de la LES et les modèles sous-maille sont présentés. On examine également quelques propriétés du schéma numérique. Le chapitre 4 est consacré à la méthode numérique et au code de calcul. Enfin, on présente les cas-tests et on discute les résultats au chapitre 5. / This work is intended to compare Large Eddy Simulation and Implicit Large Eddy Simulation (LES and ILES) for a turbulent, non-reacting or reacting high speed H2 jet in co-flowing air, typical of scramjet engines. Numerical simulations are performed at resolutions ranging from 32 × 32 × 128 to 256 × 256 × 1024, using a 5th order WENO scheme. Physical LES are carried out with the Smagorinsky and the Selective Structure Function models associated to molecular diffusion. Implicit LES are performed with and without molecular diffusion, by solving either the Navier-Stokes or the Euler equations. In the nonreacting case, the Smagorinsky model is too dissipative. The Selective Structure Function leads to better results, but does not show any superiority compared to ILES, whatever the grid resolution. In the reacting case, a molecular viscous cut-off in the simulation is mandatory to set a physical width for the reaction zone in the ILES approach, hence to achieve grid-convergence. It is also found that LES/ILES are less sensitive to the inlet conditions than the RANS approach. The first chapter is an introduction to the context of this study. In the second chapter, the governing equations for multispecies reacting flows are presented, with emphasis on the thermodynamic and transport models. In the third chapter, physical LES equations and explicit sub-grid modeling strategies are detailed. Some properties of the numerical scheme are also investigated. In chapter four, the numerical scheme and some aspects of the solver are explained. Finally, non-reacting and reacting numerical experiments are presented and the results are discussed.

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Les matériaux absorbants acoustiques, qui sont d’un intérêt stratégique en aéronautique pour la diminution passive du bruit des réacteurs d’avion, conduisent à une physique complexe où l’écoulement turbulent, des ondes acoustiques, et l’absorbant interagissent. Cette thèse porte sur la simulation de cette interaction dans le problème modèle d’un écoulement de canal turbulent avec des parois impédantes, par le biais de simulations numériques aux grandes échelles implicites, dans un contexte de calcul haute performance.Une étude est d’abord faite des grandes échelles dans un canal turbulent avec des parois rigides, en s’intéressant plus particulièrement à l’effet d’une faible compressibilité (Mach <3) sur les caractéristiques de ces échelles.Un canal turbulent avec une paroi de type impédance est ensuite simulé, avec une condition habituelle de périodicité dans le sens de l’écoulement. On observe que pour des faibles valeurs de la résistance et des fréquences de résonance basses, l’écoulement est instable, ce qui engendre une onde le long de l’absorbant, qui modifie la turbulence et augmente la trainée.Enfin, on se tourne vers une simulation de canal spatial en levant la condition de périodicité dans la direction de l’écoulement, ce qui permet d’introduire une onde acoustique en entrée de domaine. L’atténuation de l’onde dans l’écoulement turbulent est étudiée avec des parois rigides, puis un absorbant acoustique est introduit. Dans cette configuration plus réaliste, il est confirmé que l’écoulement peut devenir instable au bord amont de l’absorbant, ce qui empêche l’atténuation de l’onde acoustique incidente. / Acoustic liners are a key technology in aeronautics for the passive reduction of the noise generated by aircraft engines. They are employed in a complex flow scenario in which the acoustic waves, the turbulent flow, and the acoustic liner are interacting.During this thesis, in a context of high performance computing, a compressible Navier-Stokes solver has been developed to perform implicit large eddy simulations of a model problem of this interaction: a turbulent plane channel flow with one wall modeled as an impedance condition.As a preliminary step the wall-turbulence in rigid channel flows and associated large-scale motions are investigated. A straightforward algorithm to detect these flow features is developed and the effect of compressibility on the flow structures and their contribution to the drag are studied. Then, the interaction between the acoustic liner and turbulent flow is investigated assuming periodicity in the streamwise direction. It is shown that low resistance and low resonance frequency tend to trigger flow instability, which modifies the conventional wall-turbulence and also results in drag increase.Finally, the simulation of a spatial channel flow was addressed. In this case no periodicity is assumed and an acoustic wave can be injected at the inlet of the domain. The effect of turbulence on sound attenuation is studied without liner, before a liner is introduced on a part of the channel bottom wall. In this more realistic case, it is confirmed that low resistance acoustic liners trigger an instability at the leading edge of the liner, resulting in drag increase and excess noise generation.

Turbulence is an open and challenging problem for mathematical approaches, physical modeling and numerical simulations. Numerical solutions contribute significantly to the understand of the nature and effects of turbulence. The focus of this thesis is the development of appropriate numerical methods for the computer simulation of turbulent flows. Many of the existing approaches to turbulence utilize analogies from kinetic theory. Degond & Lemou (J. Math. Fluid Mech., 4, 257-284, 2002) derived a k-✏ type turbulence model completely from kinetic theoretic framework. In the first part of this thesis, a numerical method is developed for the computer simulation based on this model. The Boltzmann equation used in the model has an isotropic, relaxation collision operator. The relaxation time in the collision operator depends on the microscopic turbulent energy, making it difficult to construct an efficient numerical scheme. In order to achieve the desired numerical efficiency, an appropriate change of frame is applied. This introduces a stiff relaxation source term in the equations and the concept of asymptotic preserving schemes is then applied to tackle the stiffness. Some simple numerical tests are introduced to validate the new scheme. In the second part of this thesis, alternative approaches are sought for more efficient numerical techniques. The Lattice Boltzmann Relaxation Scheme (LBRS) is a novel method developed recently by Rohan Deshmukh and S.V. Raghuram Rao for simulating compressible flows. Two different approaches for the construction of implicit sub grid scale -like models as Implicit Large Eddy Simulation (ILES) methods, based on LBRS, are proposed and are tested for Burgers turbulence, or Burgulence. The test cases are solved over a largely varying Reynolds number, demonstrating the efficiency of this new ILES-LBRS approach. In the third part of the thesis, as an approach towards the extension of ILES-LBRS to incompressible flows, an artificial compressibility model of LBRS is proposed. The modified framework, LBRS-ACM is then tested for standard viscous incompressible flow test cases.