La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA.

La combustion cryogénique dans les moteurs de fusée dits à propulsion liquide utilise généralement un couple d'ergols, le plus couramment composé d'hydrogène/oxygène (H2/O2). Privilégiée pour le fort pouvoir calorifique du dihydrogène, cette combustion à haute pression, induit des températures de fonctionnement très élevées et nécessite l'intégration d'un système de refroidissement. La prédiction des flux thermiques aux parois est donc un élément essentiel de la conception d'une chambre de combustion de moteur fusée. Ces flux sont le résultat d'écoulements fortement turbulents, compressibles, avec une cinétique chimique violente induisant de forts gradients d'espèces et de température. La simulation de ces phénomènes nécessite des approches spécifiques telles que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) qui réalise un très bon compromis entre précision et coût de calcul. Cette thèse a ainsi pour objectif la simulation par SGE des transferts de chaleur aux parois dans les chambres de combustion de moteurs fusée opérant en régime sous-critique. Le régime sous-critique implique un état liquide pour un des ergols, dont il faut traiter l'injection et l'atomisation. Dans un premier temps ce travail s'intéresse à plusieurs éléments de modélisation nécessaire pour réaliser les simulations visées. Le comportement des flammes H2/O2 est décrit par un schéma cinétique réduit et validé sur des configurations académiques. La prédictivité de ce schéma est évaluée sur une large gamme de fonctionnement dans des conditions représentatives des moteurs fusée. La simulation de l'injection de l'oxygène liquide (LOx) est un autre point critique qui nécessite de décrire l'atomisation et la phase dispersée ainsi que son couplage avec la phase gazeuse. La déstabilisation et l'atomisation primaire du jet liquide, trop complexe à simuler en SGE 3D, sont omises ici pour injecter directement un spray paramétré grâce à des corrélations empiriques. Enfin, la prédiction des flux thermiques utilise un modèle de loi de paroi spécifiquement dédiée aux écoulements à fort gradient de température. Cette loi de paroi est validée sur des configurations de canaux turbulents par comparaison avec des simulations avec résolution directe de la couche limite. La méthodologie basée sur les modèles développés est ensuite employée pour la simulation d'une chambre de combustion représentative du fonctionnement des moteurs cryogéniques. Il s'agit de la configuration CONFORTH testée sur le banc MASCOTTE (ONERA) et pour laquelle des mesures de température de paroi et de flux thermiques sont disponibles. Les résultats des SGE montrent un bon accord avec l'expérience et démontrent la capacité de la SGE à prédire les flux thermiques dans une chambre de combustion de moteur fusée. Enfin, dans un dernier chapitre ce travail s'intéresse à une méthode d'augmentation des transferts thermiques via une expérience de JAXA utilisant des parois rainurées dans la direction axiale. Par comparaison avec une chambre à parois lisses, les résultats démontrent la bonne prédiction par la SGE de l'augmentation du flux de chaleur grâce aux rainures et confirment la validité de la méthode développée pour des géométries de paroi complexes. / Combustion in cryogenic engines is a complex phenomenon, involving either liquid or supercritical fluids at high pressure, strong and fast oxidation chemistry, and high turbulence intensity. Due to extreme operating conditions, a particularly critical issue in rocket engine is wall heat transfer which requires efficient cooling of the combustor walls. The concern goes beyond material resistance: heat fluxes extracted through the chamber walls may be reused to reduce ergol mass or increase the power of the engine. In expander-type engine cycle, this is even more important since the heat extracted by the cooling system is used to drive the turbo-pumps that feed the chamber in fuel and oxidizer. The design of rocket combustors requires therefore an accurate prediction of wall heat flux. To understand and control the physics at play in such combustor, the Large Eddy Simulation (LES) approach is an efficient and reliable numerical tool. In this thesis work, the objective is to predict wall fluxes in a subcritical rocket engine configuration by means of LES. In such condition, ergols may be in their liquid state and it is necessary to model liquid jet atomization, dispersion and evaporation.The physics that have to be treated in such engine are: highly turbulent reactive flow, liquid jet atomization, fast and strong kinetic chemistry and finally important wall heat fluxes. This work first focuses on several modeling aspects that are needed to perform the target simulations. H2/O2 flames are driven by a very fast chemistry, modeled with a reduced mechanism validated on academic configurations for a large range of operating conditions in laminar pre- mixed and non-premixed flames. To form the spray issued from the atomization of liquid oxygen (LOx) an injection model is proposed based on empirical correlations. Finally, a wall law is employed to recover the wall fluxes without resolving directly the boundary layer. It has been specifically developed for important temperature gradients at the wall and validated on turbulent channel configurations by comparison with wall resolved LES. The above models are then applied first to the simulation of the CONFORTH sub-scale thrust chamber. This configuration studied on the MASCOTTE test facility (ONERA) has been measured in terms of wall temperature and heat flux. The LES shows a good agreement compared to experiment, which demonstrates the capability of LES to predict heat fluxes in rocket combustion chambers. Finally, the JAXA experiment conducted at JAXA/Kakuda space center to observe heat transfer enhancement brought by longitudinal ribs along the chamber inner walls is also simulated with the same methodology. Temperature and wall fluxes measured with smooth walls and ribbed walls are well recovered by LES. This confirms that the LES methodology proposed in this work is able to handle wall fluxes in complex geometries for rocket operating conditions.

Les chantiers de maintenance et d’assainissement dans les centrales nucléaires nécessitent la mise en place d’enceintes ventilées autour des zones contaminées afin de limiter la propagation de la contamination à l’environnement extérieur. L’air rentre dans l’enceinte aux travers d’ouvertures sous la forme d’un écoulement directionnel, orienté de l’extérieur vers l’intérieur, assurant ainsi le confinement dynamique. En raison des opérations qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte et des perturbations externes, il est possible que l’écoulement de confinement dynamique aux ouvertures soit perturbé et subisse des inversions locales et instationnaires, conduisant ainsi à transporter la contamination à l’extérieur de l’enceinte. La présente étude s’intéresse aux petites ouvertures de type fentes minces rectangulaires où l’écoulement au droit de celles-ci est généralement turbulent. Les principaux objectifs de la thèse sont d’une part d’identifier les conditions aérodynamiques susceptibles de produire le phénomène de rétrodiffusion aux ouvertures, d’autre part d’évaluer la capacité des approches de modélisation de la turbulence URANS et LES à reproduire les instabilités liées à ce type d’écoulement. Il a été montré que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est principalement liée à la présence d’une perturbation aéraulique additionnelle, de type jet turbulent ou sillage, en compétition avec l’écoulement initial de confinement dynamique. Des expériences de traçage gazeux ont été mises en place sur une maquette expérimentale dans le but de quantifier la rétrodiffusion en fonction des différentes conditions aérauliques à l’ouverture et des caractéristiques de celle-ci. Des visualisations des écoulements à l’ouverture ont également été réalisées à l’aide d’un dispositif de tomographie laser. Enfin, l’analyse des résultats des simulations CFD a démontré que les approches de type RANS ou URANS ne permettaient pas de reproduire les instabilités de l’écoulement conduisant au phénomène de rétrodiffusion, contrairement aux simulations des grandes échelles de la turbulence (LES) qui reproduisent fidèlement les structures locales et instantanées à l’origine du phénomène. / Operations of decommissioning and decontamination in nuclear facilities require setting up depressurized enclosures around contaminated areas in order to prevent leakage of radioactive materials, to the surrounding environment. Air passes through openings which generates a directional airflow ensuring the aerodynamic containment of hazardous material inside the enclosure. Due to operating activities inside or outside the enclosure, the directional flow might be disturbed. Consequently, local and unsteady backflows may occur at the opening leading to the outward transport of contamination. The current study is focused on airflow dynamics through small openings, such as rectangular slits where the initial inflow stream is turbulent. The main purposes of this work are to identify the required aerodynamic conditions likely to generate unsteady flow inversions at the studied opening and also to verify the ability of CFD simulations to predict this type of flow by using URANS and LES approaches. Results have shown that an additional flow, such as a turbulent jet or a wake in competition with inward flow, is the main cause leading to the leakage at the opening. Experiments, using gas tracer detection techniques, are conducted in order to quantify outflow leakage in the near field of the opening under different aerodynamic configurations and openings characteristics. A laser tomography technique is also implemented to visualize the external leakage airflow in the middle plane of the opening. CFD simulations have shown that a qualitative description of instantaneous leakage flow patterns at the opening can be achieved. This is characterized by the occurrence of local coherent structures transporting passive tracer outwards. Moreover, velocities obtained from CFD results (Large Eddy Simulations) are compared to those obtained from experimental measurements.

L'objectif principal de ce travail est d'améliorer la précision et l'efficacité des modèles LES au moyen des méthodes Galerkine discontinues (DG). Deux thématiques principales ont été étudiées: les stratégies d'adaptation spatiale et les modèles LES pour les méthodes d'ordre élevé.Concernant le premier thème, dans le cadre des méthodes DG la résolution spatiale peut être efficacement adaptée en modifiant localement soit le maillage (adaptation-h) soit le degré polynômial de la solution (adaptation-p). L'adaptation automatique de la résolution nécessite l'estimation des erreurs pour analyser la qualité de la solution locale et les exigences de résolution. L'efficacité de différentes stratégies de la littérature est comparée en effectuant des simulations h- et p-adaptatives.Sur la base de cette étude comparative, des algorithmes statiques et dynamiques p-adaptatifs pour la simulation des écoulements instationnaires sont ensuite développés et analysés. Les simulations numériques réalisées montrent que les algorithmes proposés peuvent réduire le coût de calcul des simulations des écoulements transitoires et statistiquement stationnaires.Un nouvel estimateur d'erreur est ensuite proposé. Il est local, car n'exige que des informations de l'élément et de ses voisins directs, et peut être calculé en cours de simulation pour un coût limité. Il est démontré que l'algorithme statique p-adaptatif basé sur cet estimateur d'erreur peut être utilisé pour améliorer la précision des simulations LES sur des écoulements turbulents statistiquement stationnaires.Concernant le second thème, une nouvelle méthode, consistante avec la discrétisation DG, est développée pour l'analyse a-priori des modèles DG-LES à partir des données DNS. Elle permet d'identifier le transfert d'énergie idéal entre les échelles résolues et non résolues. Cette méthode est appliquée à l'analyse de l'approche VMS (Variational Multiscale). Il est démontré que pour les résolutions fines, l'approche DG-VMS est capable de reproduire le transfert d'énergie idéal. Cependant, pour les résolutions grossières, typique de la LES à nombres de Reynolds élevés, un meilleur accord peut être obtenu en utilisant un modèle mixte Smagorinsky-VMS. / The main goal of this work is to improve the accuracy and computational efficiency of Large Eddy Simulations (LES) by means of discontinuous Galerkin (DG) methods. To this end, two main research topics have been investigated: resolution adaptation strategies and LES models for high-order methods.As regards the first topic, in the framework of DG methods the spatial resolution can be efficiently adapted by modifying either the local mesh size (h-adaptation) or the degree of the polynomial representation of the solution (p-adaptation).The automatic resolution adaptation requires the definition of an error estimation strategy to analyse the local solution quality and resolution requirements.The efficiency of several strategies derived from the literature are compared by performing p- and h-adaptive simulations. Based on this comparative study a suitable error indicator for the adaptive scale-resolving simulations is selected.Both static and dynamic p-adaptive algorithms for the simulation of unsteady flows are then developed and analysed. It is demonstrated by numerical simulations that the proposed algorithms can provide a reduction of the computational cost for the simulation of both transient and statistically steady flows.A novel error estimation strategy is then introduced. It is local, requiring only information from the element and direct neighbours, and can be computed at run-time with limited overhead. It is shown that the static p-adaptive algorithm based on this error estimator can be employed to improve the accuracy for LES of statistically steady turbulent flows.As regards the second topic, a novel framework consistent with the DG discretization is developed for the a-priori analysis of DG-LES models from DNS databases. It allows to identify the ideal energy transfer mechanism between resolved and unresolved scales.This approach is applied for the analysis of the DG Variational Multiscale (VMS) approach. It is shown that, for fine resolutions, the DG-VMS approach is able to replicate the ideal energy transfer mechanism.However, for coarse resolutions, typical of LES at high Reynolds numbers, a more accurate agreement is obtained by a mixed Smagorinsky-VMS model.

Les interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques sont le fil conducteur de ce travail. En effet, les flammes produisent de la chaleur, mais peuvent aussi être affectées par des transferts ou des sources de chaleur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est utilisée ici pour étudier ces interactions, en mettant l’accent sur deux sujets principaux: le transfert de chaleur aux parois et le contrôle de la combustion. Dans un premier temps, on étudie le transfert de chaleur aux parois dans un modèle de brûleur CH4/O2 de moteur-fusée. Dans un contexte deréutilisabilité et de réduction des coûts des lanceurs, qui constituent des enjeux majeurs, de nouveaux couples de propergols sont envisagés et les flux thermiques à la paroi doivent êtreprécisément prédits. Le but de ce travail est d’évaluer les besoins et les performances des SGEpour simuler ce type de configuration et de proposer une méthodologie de calcul permettant desimuler différentes configurations. Les résultats numériques sont comparés aux donnéesexpérimentales fournies par la Technische Universität München (Allemagne). Dans un deuxième temps, le contrôle de la combustion au moyen de décharges de plasma de type NRP (en anglaisNanosecond Repetitively Pulsed) est étudié. Les systèmes de turbines à gaz modernes utilisent en effet une combustion pauvre dans le but de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. Les flammes pauvres sont connues pour être sujettes à des instabilités et le contrôle de la combustion peut jouer un rôle majeur dans ce domaine. Un modèle phénoménologique qui considère les décharges de plasma comme une source de chaleur est développé et appliqué à un brûleur pauvre avec prémélange CH4/Air stabilisé par un swirler. LesSGE sont réalisées afin d’évaluer les effets des décharges NRP sur la flamme. Les résultats numériques sont comparés aux observations expérimentales faites à la King Abdulla University ofScience and Technology (Arabie Saoudite) / Interactions between flames and thermal phenomena are the guiding thread of this work. Flamesproduce heat indeed, but can also be affected by it. Large Eddy Simulations (LES) are used hereto investigate these interactions, with a focus on two main topics: wall heat transfer andcombustion control. In a first part, wall heat transfer in a rocket engine sub-scale CH4/O2 burner isstudied. In the context of launchers re-usability and cost reduction, which are major challenges,new propellant combinations are considered and wall heat fluxes have to be precisely predicted.The aim of this work is to evaluate LES needs and performances to simulate this kind ofconfiguration and provide a computational methodology permitting to simulate variousconfigurations. Numerical results are compared to experimental data provided by the TechnischeUniversität München (Germany). In a second part, combustion control by means of NanosecondRepetitively Pulsed (NRP) plasma discharges is studied. Modern gas turbine systems use indeedlean combustion with the aim of reducing fuel consumption and pollutant emissions. Lean flamesare however known to be prone to instabilities and combustion control can play a major role in thisdomain. A phenomenological model which considers the plasma discharges as a heat source isdeveloped and applied to a swirl-stabilized CH4/Air premixed lean burner. LES are performed inorder to evaluate the effects of the NRP discharges on the flame. Numerical results are comparedwith experimental observations made at the King Abdulla University of Science and Technology(Saudi Arabia).