Direct Numerical Simulation of channel flow was utilized to study the evolution of various vortex configurations presented as flow initial conditions. Simulations of longitudinally, laterally and cross-flow oriented vortices suggested that the predominant form of turbulent structure was the half hairpin vortex. This vortical structure was dominant in the simulations seen in this as well as other investigations. In all cases hairpin vortices quickly degenerated to half hairpin or inclined vortical structures. It is hypothesized that these structures function as the predominant momentum transfer mechanism within the boundary layer, entraining fluid into the vortex cores like miniature tornados and transporting this fluid to the top of the boundary layer while simultaneously dragging fluid viscously around the inclined core of the vortex causing mixing of low-speed and high-speed flows.

L'objectif de cette thèse est d'étudier numériquement l'aéroacoustique à faibles nombres de Mach(M inf 0.3) pour un écoulement de couche limite turbulente épaisse affleurant une cavité, sur la base de simulations numériques à grandes échelles (LES). Un profil de vitesse en loi puissance et pour une couche limite d'équilibre ont servi comme conditions en entrée du domaine de calcul. La couche limite d'équilibre, sans et avec gradient de pression adverse, a été résolue par une approche asymptotique basée sur une formulation déficitaire avec un nouveau modèle de longueur de mélange. Ce dernier a été validé pour améliorer les comparaisons avec les expériences et les simulations numériques directes. Des simulations LES ont permis de regarder l'influence de l'épaisseur de la couche limite turbulente amont sur le mode d'oscillation d'une cavité L/D=4. Un accord satisfaisant avec les expériences d'Haigermoser et l'émergence du mode de cisaillement a été obtenu pour la vitesse amont de 5.8m/s. Le mode était de type sillage pour les deux autres cas tests (20et40m/s). Finalement, une simulation 3D a montré que le mode de sillage est un artefact du calcul 2D. En utilisant l'analogie de Lighthill-Curle et les champs de pression in stationnaire issus de la simulation, nous avons déterminé les niveaux de pression sonore dans le champ proche et lointain. Conformément aux expériences d'Haigermoser, une faible directivité vers l'amont est trouvée. Le mode de sillage influence très fortement les niveaux de pression acoustique. / The objective of this thesis is to study numerically the aeroacoustics of low Mach number (M inf 0.3) fow with thick turbulent boundary layer past a cavity based on Large Eddy Simulation (LES). Velocity profiles from power law and equilibrium turbulent boundary layer were imposed as inlet conditions on the computational domain. The equilibrium turbulent boundary layer profles (zero and adverse pressure gradient) have been generated using a symptotic approach with an improved mixing length model. A good agreement is observed between the computed boundary layer profiles and the profiles obtained from experiments and direct numerical simulations. LES results present the infuence of the thickness of the incoming turbulent boundary layers on the mode of oscillation in the shallow cavity of L/D=4. An agreement with the experiments of Haigermoser and the shear mode have been found for the upstream velocity 5.8m/s. Wake mode was observed for the other two test cases at 20 and 40m/s. A 3D cavity simulation is performed to show that the wake mode observed in the 2D calculations is an artifact. The hydrodynamic pressure feld obtained from the 2D simulation is used as an input to the acoustic analogy (Lighthill-Curle's analogy), to compute the acoustic pressure feld at the near and far feld of the cavities. Conforming the experiments of Haigermoser, a weak directivity of sound propagation was observed. Shear mode infuences the sound pressure levels strongly.

The purpose of this investigation is to analyze the flow pattern of cooling fluids in the 3D "twister-effect" mixing chamber and to approximate the free surface behaviors exiting the 2D spray nozzle. The cone angle and free surface height located at the end of the free surface are two significant factors to determine the spraying area on a heated plane. This process is a reasonable representation of many industrial cooling application. The whole system consists of 4 inlet tubes connected to the top of the mixing chamber, and the spray nozzle is located under the chamber. Four different refrigerants, like FC-72, FC-77, FC-87 and methanol were used for the turbulent flow simulations. According to different fluid properties, the cone angle, free surface, pressure drop and Reynolds number can be investigated at different flow rates. First, at a certain volumetric flow rates, the velocities in x, y, z directions were found on the positive x-axis (0 degree), y-axis (90 degrees), negative x-axis (180 degrees) and y-axis (270 degrees) at 8.0 x 10-4m below the top of chamber. After the transformations, the interpolated and averaged radial, circumferential and axial velocities were used in the 2D nozzle simulations. Finally, the cone angle, the radial locations of the free surface and the pressure drop were obtained in each scenario. As the results, higher volumetric flow rate produced higher free surface height and cone angle. Also, FC-87 created the highest free surface height and cone angle among all four working fluids in both volumetric flow rates. It means that FC-87 can produce the largest spraying area on the heated surface. Fluctuation, spinning and eddy circulation can be found in the velocity plot because of the turbulent flow syndromes. When comparing two different nozzle designs, it was found that the nozzle without mixing chamber gave a larger cone angle and free surface height. Alternatively, the design in this investigation produced a relatively narrow jet concentrated to the stagnation zone.

A conical nozzle with two separate inlets within its top plate is analyzed. One of the inlets is in the center of the top plate, which is free to rotate, whereas the other inlet is positioned away from the center. The fluid entering through the outer inlet slot causes the top plate of the nozzle to spin. Several fluids including FC-77, FC-72, FC-87, and Methanol running at different flow rates were investigated to observe the effect that their particular properties have on the geometry of the fluid's free surface exiting the nozzle. Another variation performed was the geometry of the nozzle. The outer inlet slot was positioned at various radial distances along the top plate. For this nozzle, the top plate remained stationary and swirling was introduced to the fluid at the inlets. It was observed that the faster flow rates caused an increase in the free surface height and cone angle. For the various radial locations of the outer inlet slot, it was noted that a position at approximately 75% of the nozzle radius produced the largest free surface height. The largest cone angle was produced when the outer inlet slot was positioned at the edge of the nozzle top plate. Another factor that increased the radial height and cone angle of the free surface was the working fluid used in the study. A larger Reynolds number produced a larger cone angle and larger free surface height (while a smaller Reynolds number produced a less significant cone angle and free surface height).

Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 230 pages. / Thesis (M.S.M.E.)--University of South Florida, 2003. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: A conical nozzle with two separate inlets within its top plate is analyzed. One of the inlets is in the center of the top plate, which is free to rotate, whereas the other inlet is positioned away from the center. The fluid entering through the outer inlet slot causes the top plate of the nozzle to spin. Several fluids including FC-77, FC-72, FC-87, and Methanol running at different flow rates were investigated to observe the effect that their particular properties have on the geometry of the fluid's free surface exiting the nozzle. Another variation performed was the geometry of the nozzle. The outer inlet slot was positioned at various radial distances along the top plate. For this nozzle, the top plate remained stationary and swirling was introduced to the fluid at the inlets. It was observed that the faster flow rates caused an increase in the free surface height and cone angle. / ABSTRACT: For the various radial locations of the outer inlet slot, it was noted that a position at approximately 75% of the nozzle radius produced the largest free surface height. The largest cone angle was produced when the outer inlet slot was positioned at the edge of the nozzle top plate. Another factor that increased the radial height and cone angle of the free surface was the working fluid used in the study. A larger Reynolds number produced a larger cone angle and larger free surface height (while a smaller Reynolds number produced a less significant cone angle and free surface height). / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.

Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable. / The modeling of the stable atmospheric boundary layer is one of the current challenge faced by weather and climate models. The stable boundary layer is a key for the prediction of fog, surface frost, temperature inversion, low-level jet and pollution peaks. Furthermore, polar regions, where stable boundary layer predominates, are one of the region with the largest temperature rise : the stable boundary layer modeling is crucial for the reduction of the spread of climate predictions. Since more than 15 years, the GABLS models intercomparison exercices have shown that turbulent mixing in the stable boundary layer is overestimated by numerical weather prediction models. Numerous models artificially strengthen the activity of their turbulence scheme to avoid a laminarization of the flow at a critical value of the gradient Richardson number. The existence of this threshold is only a theoretical and a numerical issues. Numerous observations and high-resolution numerical simulations do not support this concept and show two different regimes : the weakly stable boundary layer that is continuously and strongly turbulent; and the very stable boundary layer globally intermittent with a highly anisotropic and very weak turbulence. This thesis aims at improving the turbulence scheme within the atmospheric research model Méso-NH developped by Météo-France and the Laboratoire d'Aérologie, and the operational weather forecast model AROME. We use a traditional methodology based on the comparison of high-resolution simulations that dynamically resolve the most energetic turbulent eddies (Large-Eddy Simulations) to single-column simulations. Several LES covering the weakly and the very stable boundary layer were performed with Méso-NH. The limits of applicability of LES in stratified conditions are documented. The first part of the study deals with the overmixing in the weakly stable boundary layer. We propose a new diagnostic formulation for the mixing length which is a key parameter for turbulence schemes based on a prognostic equation for the turbulent kinetic energy. The new formulation adds a local vertical wind shear term to a non-local buoyancy-based mixing length currently used in Méso-NH and in the French operational model AROME. The new scheme is evaluated first in single-column simulations with Méso-NH and compared to LES, and then in the AROME model with respect to observations collected from the operational network of Météo-France. The second part presents a theoretical and numerical evaluation of a turbulence scheme based on two prognostic equations for the turbulent kinetic and potentiel energies. In stratified conditions, the heat flux contributes to the production of turbulent potential energy. The laminarization of the flow is then limited by a reduction of the destruction of the turbulent kinetic energy by a better representation of the anisotropy and a counter-gradient term in the heat flux. On the simulated cases, this new formulation behaves similarly than the scheme with one equation for the turbulent kinetic energy because the self-preservation mechanism is not dominant compared to the dissipation term. Further research should improve the turbulent kinetic energy dissipation closure in the very stable regime.

La surveillance des rejets gazeux des installations nucléaires dans l'environnement et de contrôle des dispositifs d'épuration reposent sur des mesures régulières de concentrations des contaminants en sortie de cheminées et dans les réseaux de ventilation. La répartition de la concentration peut être hétérogène au niveau du point de mesure si la distance d'établissement du mélange est insuffisante. La question se pose sur l'évaluation du positionnement des points de piquage et sur l'erreur commise par rapport à la concentration homogène en cas de non-respect de cette distance. Cette étude définit cette longueur dite de « bon mélange » à partir d'expériences menées en laboratoire. Le banc dimensionné pour ces essais a permis de reproduire des écoulements dans des conduits longs circulaire et rectangulaire, comprenant chacun un coude. Une technique de mesure optique a été développée, calibrée puis utilisée pour mesurer la distribution de la concentration d'un traceur injecté dans l'écoulement. Les résultats expérimentaux en conduit cylindrique ont validé un modèle analytique basé sur l'équation de convection-diffusion d'un traceur, et ont permis de proposer des modèles de longueur de bon mélange et de représentativité de points de prélèvement. Dans le conduit à section rectangulaire, les mesures acquises constituent une première base de données sur l'évolution de l'homogénéisation d'un traceur, dans la perspective de simulations numériques explorant des conditions plus réalistes des mesures in situ. / Monitoring of gaseous releases from nuclear installations in the environment and air cleaning efficiency measurement are based on regular measurements of concentrations of contaminants in outlet chimneys and ventilation systems. The concentration distribution may be heterogeneous at the measuring point if the distance setting of the mixing is not sufficient. The question is about the set up of the measuring point in duct and the error compared to the homogeneous concentration in case of non-compliance with this distance. This study defines the so-called "well mixing length" from laboratory experiments. The bench designed for these tests allowed to reproduce flows in long circular and rectangular ducts, each including a bend. An optical measurement technique has been developed, calibrated and used to measure the concentration distribution of a tracer injected in the flow. The experimental results in cylindrical duct have validated an analytical model based on the convection-diffusion equation of a tracer, and allowed to propose models of good mixing length and representativeness of sampling points. In rectangular duct, the acquired measures constitute a first database on the evolution of the homogenization of a tracer, in the perspective of numerical simulations exploring more realistic conditions for measurements in situ.

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%. / New model atmospheres are presented, including improved neutral helium lines from Beauchamp (1995) and the occupation probability formalism for that atom. These models are used to compute a grid of synthetic spectra for helium rich atmospheres with different hydrogen abundances. This grid is used to determine the principal atmospheric parameters of the stars in our sample, e.g. effective temperature, surface gravity and hydrogen abundance. There are 102 high quality spectra of helium-rich white dwarfs in our sample, making it the largest sample of this kind. 29 of these spectra were observed for this project. Synthetic spectra using different values of the α parameter from the mixing length theory have been calculated in order to determine the correct value of this parameter for DB model atmospheres. Finally, we have computed the mass distribution of our sample and the DB luminosity funtion. The mass distribution shows a clear cutoff at 0.5 solar masses which is predicted by stellar evolution theory and gives a significantly higher mean mass for the DBA stars of the sample. However, the global mean mass of our sample is very close to that of DA stars. With our luminosity function, we found a number ratio of DB stars over DA stars of about 25%.

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%. / New model atmospheres are presented, including improved neutral helium lines from Beauchamp (1995) and the occupation probability formalism for that atom. These models are used to compute a grid of synthetic spectra for helium rich atmospheres with different hydrogen abundances. This grid is used to determine the principal atmospheric parameters of the stars in our sample, e.g. effective temperature, surface gravity and hydrogen abundance. There are 102 high quality spectra of helium-rich white dwarfs in our sample, making it the largest sample of this kind. 29 of these spectra were observed for this project. Synthetic spectra using different values of the α parameter from the mixing length theory have been calculated in order to determine the correct value of this parameter for DB model atmospheres. Finally, we have computed the mass distribution of our sample and the DB luminosity funtion. The mass distribution shows a clear cutoff at 0.5 solar masses which is predicted by stellar evolution theory and gives a significantly higher mean mass for the DBA stars of the sample. However, the global mean mass of our sample is very close to that of DA stars. With our luminosity function, we found a number ratio of DB stars over DA stars of about 25%.