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This paper is a short retrospective review of the predictive methods of turbulent flows in Computational Fluid Dynamics over the last 50 years since the first development of computers. The different schools of turbulence modeling are presented with the aim to guide both users and researchers involved in numerical simulation of turbulent flows.; Cet article est une courte rétrospective de synthèse des méthodes prédictibles des écoulements turbulents.Des simulations des écoulements sur ces 50 dernières années depuis les premiers développement des ordinateurs.Les différentes écoles de la modélisation des turbulences sont présentées dans le but de guider à la fois les utilisateurs et les chercheurs impliqués en simulation numérique des écoulements turbulents.

Le développement des centrales solaires de nouvelle génération nécessite des récepteurs solaires à haute température. Une possibilité est d'utiliser un mélange de gaz sous pression comme fluide de transfert dans le récepteur solaire. La maîtrise des écoulements turbulents fortement anisothermes constitue alors un verrou scientifique pour le développement de ces centrales solaires. En effet, les couplages entre turbulence et température rendent la physique particulièrement complexe. Cet article étudie la reconstruction ou super-résolution de Simulation des Grandes Echelles Thermiques (SGE-T) par apprentissage machine (AM) dans la configuration d'un chauffage asymétrique dû au fait que le récepteur solaire n'a qu'une seule face soumise à la lumière solaire concentrée. La reconstruction intervient dans un objectif d'apprentissage cohérent, lorsqu'on évalue un modèle de tenseur de contraintes sous-mailles dans le contexte d'une SGE-T, il est nécessaire de pouvoir précisément le comparer avec un champ de référence SND sans faire appel à l'interpolation d'ordre 2 ou plus, trop coûteuse au vu de notre maillage. Cet algorithme sera ré-utilisé dans un futur article sur l'apprentissage d'opérateurs de le contexte des SGE-T. Les techniques préexistantes de reconstruction de champ sous-résolus sont peu précises vis-à-vis des statistiques du deuxième ordre ou plus élevées. Nous proposons d'entraîner un réseau de neurones à connaître la correction nécessaire à la reconstruction du champ de thermique SGE-T. A notre connaissance, il n'existe pas de modèles de reconstruction prenant en compte les distributions des statistiques comme fonction d'erreur. Par conséquent, le travail dans cet article correspond à l'adaptation de travail déjà présent en AM. En particulier, nous proposons d'adapter les fonctions d'erreur prise en compte lors de l'entraînement de notre réseau de neurones pour optimiser et améliorer la précision des champs reconstruits. Les métriques d'importance dans notre cas seront l'écart type de la température et du flux, en particulier aux parois pour nécessaire à l'obtention des contraintes thermomécaniques. Nous testons également différentes métriques de distances de distribution lors de l'apprentissage. A partir de base de données de SND, nous sommes capables d'apprendre à reconstruire les petites échelles en filtrant d'abord les SND, puis en les reconstruisant avec notre réseau de neurones. L'architecture du réseau de neurones correspond à un réseau de neurones convolutifs (RNC). La reconstruction apprise sera ensuite comparée aux méthodes de reconstruction classiques pour avoir un point de référence. Cette technique de reconstruction sera ensuite testée sur des champs de données SND d'une distribution différence non vue durant l'apprentissage pour évaluer sa capacité à généraliser.

This work is part of the simulation of turbulent deflagrations encountered in safety studies for nuclear power plants or industrial plants.Large Eddy Simulation approach is developed allowing a thin description of the flow.The simulation tool developed is used for the study of experimental transients at small and medium scales.In the first part of this thesis, a numerical scheme for the Navier-Stokes equations for compressible non-reactive flows is developed and analysed.The scheme is explicit and based on a second order time discretization (Heun scheme).Staggered discretization is used in space.The scheme is based on the internal energy formulation.High order methods of MUSCL type used in the discrete convective operators allow then to guarantee the positivity of scalar unknowns (density, internal energy and pressure) under CFL condition.Moreover, the scheme is numerically low dissipative, which is essential in the context of large eddy simulation.This scheme is extended to the reactive case with a fractional step technique.The chemical species mass balances are solved with the Strang algorithm decoupling convection and reaction.The associated reaction energy is introduced into the energy balance of Navier-Stokes equations, solved in a second time.Then, a combustion model is developed and used for the study of flows of interest.The combustion is modelled using a virtually thickened flame formalism.A subgrid scale model allow a dynamical determination of the subgrid scale flame wrinkling factors to handle unresolved contributions.Three experimental configurations of accelerated deflagrations in an obstructed semi-confined chamber are investigated.Each configuration differs from the other by the obstacles location.The flame is progressively wrinkled by turbulent motions generated by thermal expansion around obstacles and accelerates.These test cases allow to analyse the combustion model behavior and compare the numerical results to experimental data.The superiority of the wrinkling factor dynamical formulation with respect to the constant one is highlighted.RANS simulations (averaged Navier-Stokes resolution) combined with a combustion description with the so called "G-equation'' have also been performedand support the use of large eddy simulation., Ce travail s'inscrit dans le cadre de la simulation des déflagrations turbulentes telles que celles rencontrées dans les études de sûreté pour les installations nucléaires ou civiles.Nous y développons une approche par simulation des grandes échelles permettant une description fine de l'écoulement.L'outil de simulation ainsi construit est utilisé dans l'étude de transitoires expérimentaux à petite et moyenne échelle.La première étape de la thèse a porté sur le développement et l'analyse d'un schéma numérique pour les équations de Navier-Stokes pour les écoulements compressibles non réactifs.Le schéma est explicite et basé sur une discrétisation en temps du second ordre (schéma d'Heun).La discrétisation enespace est de type mailles décalées.Elle se base sur une formulation en énergie interne.Une discrétisation des opérateurs de convection via une technique de montée en ordre de type MUSCL permet alors de garantir la positivité des variables scalaires(densité, énergie interne et pression) sous condition de CFL.De plus, le schéma est peu dissipatif numériquement, ce qui est primordial dans le contexte de la simulation des grandes échelles.Ce schéma est étendu au cas réactif par une technique de pas fractionnaires.L'équation de conservation des espèces chimiques est résolue dans un premier temps par un algorithme de Strang découplant convection et réaction.L'énergie de réaction associée est introduite dans le bilan d'énergie des équations de Navier Stokes, traitées dans un second temps.Nous développons ensuite un modèle de combustion et l'appliquons à l'étude d'écoulements d'intérêt. La combustion est traitée par un modèle de flamme artificiellement épaissie.Un modèle de sous-maille permet d'ajuster de façon dynamique le plissement de sous-maille, qui disparaît dans l'opération d'épaississement, à partir de la connaissance des champs résolus.Trois configurations expérimentales de déflagrations accélérées par des obstacles en chambre semi-confinée ont été étudiées.Ces configurations diffèrent par la disposition des obstacles qui génèrent la turbulence au passage de l'écoulement induit par l'expansion thermique et promeuvent l'accélération de la flamme.Ces cas ont permis d'analyser le comportement du modèle de combustion et valider ses résultats à partir des données expérimentales.L'étude a également mis en évidence la supériorité de la formulation dynamique du modèle par rapport à l'utilisation d'un paramètre de plissement constant.Des simulations de type RANS (résolution des équations de Navier-Stokes moyennées) où la combustion est décrite par une formulation de type « G-equation » ont également été réaliséeset confortent l'utilisation de la simulation aux grandes échelles.

The draft tube of a hydraulic turbine are divergent shaped equipment located downstream the runner and responsible for efficiently converting the residual kinetic energy leaving the runner into pressure, thus increasing the effective head and performance of the machine. As the head losses inside a draft tube can represent an important portion of the total energy losses, especially in the case of low head bulb turbines, it is essential to accurately predict the flow behaviour inside the draft tube if more efficient and competitive hydraulic machines are to be designed. In this context, numerical simulations are less expensive than experiments and give access to a more detailed description of the flow inside the draft tube. Compared to conventional RANS simulations using two-equation linear eddy-viscosity models, LES is more capable of capturing the complicated flow dynamics inside the draft tube (i.e. highly turbulent flow, with a wide range of vortical motions, swirling and subjected to an adverse pressure gradient). However, as the downstream flow behaviour is highly influenced by the inlet conditions and since comprehensive experimental measurements at the inlet of the draft tube are expensive, rarely available and often limited to mean flow quantities measured at a single radial traverse, the real challenge for performing these simulations consists in determining proper mean and fluctuating inlet boundary conditions. Thus, a new approach based on data-driven techniques, such as machine learning, is proposed. Its goal is to use any known information about the downstream flow along with a previously generated database to reconstruct the unknown or incomplete inlet boundary conditions for a numerical simulation. Thanks to an artificial upstream extension added to the original domain, the proposed approach gives more space and time for the simple synthetic fluctuations being injected in LES to develop before reaching the important portion of the computational domain. First, the simple yet challenging case of the swirling flow inside the ERCOFTAC conical diffuser is investigated. Compared to the experimental data and previous numerical works that used ad hoc inlet boundary conditions, the obtained results are very good. Then, in the case of the more complex flow inside a bulb turbine draft tube, the proposed approach yields better results in both RANS and LES in comparison to the initial simulations using basic inlet boundary conditions. Finally, a detailed analysis of the flow topology and head losses inside the draft tube demonstrates the impact of proper inlet boundary conditions for the design of more efficient draft tubes.; L'aspirateur d'une turbine hydraulique est un élément hydraulique divergent situé en aval de la roue et dont le rôle est de convertir de façon efficace l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue en pression, en augmentant ainsi la charge utile et la performance de la machine. Puisque les pertes de charge dans les aspirateurs peuvent représenter une partie significative des pertes totales, notamment dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, prédire avec précision le comportement de l’écoulement dans ces éléments est important pour concevoir des machines plus efficaces et compétitives. Dans ce contexte, les simulations numériques sont moins chères que les campagnes expérimentales et donnent accès à une description plus détaillée de l’écoulement dans l’aspirateur. Comparées aux simulations conventionnelles du type RANS, les simulations de type LES permettent de reproduire plus fidèlement la dynamique complexe de l’écoulement dans l’aspirateur (i.e. fortement turbulent, avec une haute gamme d’échelles de mouvement, rotationnel et soumis à des gradients de pression adverses). Cependant, vu que le comportement de l’écoulement dans l’aspirateur est très sensible aux conditions d’entrée imposées et que les mesures expérimentales détaillées y sont difficiles à obtenir, l’enjeu principal pour ces simulations reste la détermination économique et adéquate des champs moyens et fluctuants en entrée du domaine de calcul. Ainsi, une approche innovante basée sur les techniques dites "data-driven", telles que l’apprentissage automatique, est proposée. Son objectif est d’utiliser toutes les informations disponibles sur l’écoulement en aval, ainsi qu’une base de données créée a priori, afin de déterminer les conditions d’entrée partiellement ou totalement inconnues pour une simulation numérique. Grâce à une extension artificielle positionnée en amont du domaine de calcul, l’approche proposée permet de plus aux fluctuations turbulentes synthétiques injectées en LES de se développer avant de pénétrer dans l'aspirateur. Dans un premier temps, l’approche est appliquée au cas géométriquement simple mais dynamiquement complexe du diffuseur conique d'ERCOFTAC. Comparés aux expériences et aux précédents travaux numériques, les résultats obtenus avec l’approche proposée sont de très bonne qualité. L'approche est ensuite appliquée au cas plus complexe de l’écoulement dans l’aspirateur d’une turbine bulbe. Les résultats numériques sont considérablement améliorés par rapport aux résultats basés sur des méthodes classiques. Finalement, une analyse détaillée des pertes de charge et des structures tourbillonnaires dans l’aspirateur permettent de montrer l’impact majeur des conditions d’entrée pour la conception d'aspirateurs plus efficaces.

The direct numerical simulation (DNS) at high Reynolds number of fluid behavior described by the Navier-Stokes equations is particularly costly, if not impossible, since the mesh cells and time step sizes must be adapted to the smallest scales of fluctuations in the velocity and pressure fields that have an impact on the solution. For this reason, techniques such as the large eddy simulation method (LES)are used where the entire scale range is not solved, but the effect of the smallest scales on the resolved scales are modeled. In this thesis, we are interested in the Smagorinksy model, one of the simplest and most widely used among the LES models. This model expresses the effect of the small scales through an additional diffusion term, whose turbulent viscosity coefficient is a function of the resolved scales. We consider this model for the time dependent Navier-Stokes problem in dimension two and for the stationary Navier-Stokes problem in dimensions two and three.These problems are analyzed by introducing the equivalent variational formulations. Then, the corresponding discrete problems based on the finite element method for space discretization and on Euler’s scheme for time discretization are introduced. An a posteriori estimate that measures the error between the solution of the original Navier-Stokes system and the discrete computed solution is established. This estimate only depends on the calculated solution, the geometry of the mesh and the data of the problem ;three types of error indicators are involved : the first is related to the space discretization, the second to the filtering of the LES method and the third to time discretization in the time dependent case and to linearization in the stationary case. Finally, numerical investigations are shown where the whole process is implemented with the FreeFem++ software.; La simulation numérique directe (DNS) à nombre de Reynolds élevé du comportement d’un fluide décrit par les équations de Navier-Stokes est particulièrement coûteuse, voire impossible, puisque les tailles de maille et de pas de temps doivent être adaptées aux plus petites échelles des fluctuations des champs de vitesse et de pression ayant un impact sur la solution. Pour cette raison, on utilise des techniques comme la méthode de simulation des grandes échelles (LES) où l’on n’a pas besoin de résoudre l’intégralité de toutes les échelles, mais où l’effet des plus petites échelles sur les échelles résolues sera modélisé.Dans cette thèse, on s’intéresse au modèle de Smagorinksy, un des modèles les plus simples de LES et parmi les plus utilisés dans les codes de calcul. Il exprime l’effet des petites échelles par un terme de diffusion supplémentaire dont le coefficient de viscosité turbulente est une fonction des échelles résolues.Nous considérons ce modèle pour les équations instationnaires en dimension deux et stationnaires en dimensions deux et trois.On analyse ces problèmes en introduisant les formulations variationnelles équivalentes. Ensuite on introduit les problèmes discrets correspondants en se basant sur la méthode des éléments finis pour la discrétisation en espace et sur le schéma d’Euler pour la discrétisation en temps. On établit une estimation d’erreur a posteriori entre la solution des équations de Navier-Stokes originelles et la solution discrète calculée. Cette estimation ne dépend que de la solution discrète calculée, de la géométrie du maillage et des données du problème ; elle fait apparaître trois types d’indicateurs d’erreur : de discrétisation en espace, de filtrage dû à la méthode LES et de discrétisation en temps dans la cas instationnaire ou de linéarisation dans le cas stationnaire. Enfin, on montre des résultats numériques de validation où l’ensemble est implémenté à l’aide du logiciel FreeFem++.

The direct numerical simulation (DNS) at high Reynolds number of fluid behavior described by the Navier-Stokes equations is particularly costly, if not impossible, since the mesh cells and time step sizes must be adapted to the smallest scales of fluctuations in the velocity and pressure fields that have an impact on the solution. For this reason, techniques such as the large eddy simulation method (LES)are used where the entire scale range is not solved, but the effect of the smallest scales on the resolved scales are modeled. In this thesis, we are interested in the Smagorinksy model, one of the simplest and most widely used among the LES models. This model expresses the effect of the small scales through an additional diffusion term, whose turbulent viscosity coefficient is a function of the resolved scales. We consider this model for the time dependent Navier-Stokes problem in dimension two and for the stationary Navier-Stokes problem in dimensions two and three.These problems are analyzed by introducing the equivalent variational formulations. Then, the corresponding discrete problems based on the finite element method for space discretization and on Euler’s scheme for time discretization are introduced. An a posteriori estimate that measures the error between the solution of the original Navier-Stokes system and the discrete computed solution is established. This estimate only depends on the calculated solution, the geometry of the mesh and the data of the problem ;three types of error indicators are involved : the first is related to the space discretization, the second to the filtering of the LES method and the third to time discretization in the time dependent case and to linearization in the stationary case. Finally, numerical investigations are shown where the whole process is implemented with the FreeFem++ software.; La simulation numérique directe (DNS) à nombre de Reynolds élevé du comportement d’un fluide décrit par les équations de Navier-Stokes est particulièrement coûteuse, voire impossible, puisque les tailles de maille et de pas de temps doivent être adaptées aux plus petites échelles des fluctuations des champs de vitesse et de pression ayant un impact sur la solution. Pour cette raison, on utilise des techniques comme la méthode de simulation des grandes échelles (LES) où l’on n’a pas besoin de résoudre l’intégralité de toutes les échelles, mais où l’effet des plus petites échelles sur les échelles résolues sera modélisé.Dans cette thèse, on s’intéresse au modèle de Smagorinksy, un des modèles les plus simples de LES et parmi les plus utilisés dans les codes de calcul. Il exprime l’effet des petites échelles par un terme de diffusion supplémentaire dont le coefficient de viscosité turbulente est une fonction des échelles résolues.Nous considérons ce modèle pour les équations instationnaires en dimension deux et stationnaires en dimensions deux et trois.On analyse ces problèmes en introduisant les formulations variationnelles équivalentes. Ensuite on introduit les problèmes discrets correspondants en se basant sur la méthode des éléments finis pour la discrétisation en espace et sur le schéma d’Euler pour la discrétisation en temps. On établit une estimation d’erreur a posteriori entre la solution des équations de Navier-Stokes originelles et la solution discrète calculée. Cette estimation ne dépend que de la solution discrète calculée, de la géométrie du maillage et des données du problème ; elle fait apparaître trois types d’indicateurs d’erreur : de discrétisation en espace, de filtrage dû à la méthode LES et de discrétisation en temps dans la cas instationnaire ou de linéarisation dans le cas stationnaire. Enfin, on montre des résultats numériques de validation où l’ensemble est implémenté à l’aide du logiciel FreeFem++.

La présente étude concerne la simulation numérique des écoulements anisothermes dans les récepteurs solaires surfaciques à gaz sous-pression. Un écoulement d'air turbulent, dans un canal plan bi-périodique, à bas nombre de Mach et haut nombre de Reynolds de frottement est considéré. Les simulations sont menées en imposant le frottement aux parois. La gravité n'est pas prise en compte. Les températures des faces du canal sont fixées à 1300 K et 900 K, ce qui entraîne un chauffage asymétrique du fluide rendant compte des conditions expérimentales. La pression à l'intérieur du récepteur solaire est de 10 bar. Les flux de chaleur aux parois atteignent environ 100~$\unit{kW.m^{-2}}$ et sont comparables à ceux obtenus expérimentalement. L'écoulement est décrit par la résolution des équations de Navier-Stokes et de l'énergie sous l'hypothèse quasi-compressible. La fermeture du système est effectuée grâce à la loi des gaz parfaits. Les couplages entre la thermique et la dynamique de l'écoulement (en particulier les effets de dilatation liés à la température) sont pris en considération, permettant de reproduire la complexité de ces écoulements fortement anisothermes. Dans un premier temps, des simulations a posteriori des modèles de sous-mailles utilisés en Simulation des Grandes Échelles (SGE) sont effectuées avec ces conditions extrêmes. Trois différents types de modèles de turbulence sont considérés. Les modèles fonctionnels sont les plus répandus et font intervenir une viscosité turbulente visant à reproduire les transferts énergétiques entre les échelles résolues et celles modélisées. Les modèles structurels s'appuient sur des principes de développement mathématiques pour reproduire les composantes des termes sous-mailles. Enfin, les modèles mixtes combinent les deux approches dans le but de tirer partie des avantages de chacun des deux types de modélisation. Dans cette étude, le filtrage des équations de Navier-Stokes est implicite. La taille du filtre est donc induite par celle des mailles. Deux formulations des équations de Navier-Stokes sont testées. La première, appelée formulation Favre, consiste à filtrer les équations sous leur forme conservative pondérées par la masse volumique. La seconde repose sur le filtrage de la forme non-conservative des équations. Les SGE sont menées en modélisant les deux termes sous-mailles les plus importants des équations (convection de la quantité de mouvement et de la température). Dans un second temps, les résultats obtenus sont comparés à ceux issus d'une SGE sans modèle et ceux provenant d'une Simulation Numérique Directe (SND) effectuées dans les mêmes conditions. Nous évaluons les modèles sur leur faculté à s'approcher des données de référence (résultats SND) sur des grandeurs moyennes telles que les profils de température et de flux, sur des fluctuations de pression, vitesse et température ainsi que sur des corrélations turbulentes entre vitesses et entre vitesse et température. Les résultats montrent une asymétrie marquée entre les faces du canal. De façon générale, les SGE sous estiment les flux de chaleur pariétaux. Une grande hétérogénéité des résultats suivant les modèles de sous-mailles utilisés est aussi observée.

Hydraulic machines are designed to operate in flow conditions close to the best efficiency point. However, to respond to the increasing demand for flexibility mainly due to the integration of renewable energy in the electric grid, the operating range of Francis turbines has to be extended towards smaller discharge levels without restriction. When Francis turbines are operated typically between 30% and 60% of the rated output power, the flow field is characterized by the appearance of inter-blade vortices in the runner. At these off-design operating conditions and due to these phenomena, dynamic stresses level can increase, and potentially lead to fatigue damage of the mechanical structure of the machine. The objective of this study is to present investigations on the dynamic behaviour of the inter-blade vortices and their impact on the runner by using numerical simulations. Computations were performed with different turbulence modelling approaches to assess their relevance and reliability: Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale-Adaptive Simulations (SAS) and Large-Eddy Simulations (LES). Steady simulations aimed to better understand the emergence condition of the inter-blade vortices. The analysis showed that vortices can be generated due to poor inlet adaptation at part load, however other vortices can also be due to a local backflow in the runner. The competition between these both phenomena leads to various topologies of the inter-blade vortices. The dynamic loading on the blade has to be known in order to evaluate the lifetime of the runner by mechanical analysis. Different operating conditions have been simulated by unsteady simulations to understand how the pressure fluctuations depend on the operating conditions. The localisation of the pressure fluctuations and their frequency signature have been analysed and compared to experimental measurements performed on a scaled model. The results of SAS simulations show the driving phenomena at a low range of frequencies of the dynamic of part load conditions. However the high frequency fluctuations are underestimated by this approach. Then large eddy simulations are computed to improve the prediction of this high frequency fluctuations. The study of a wide-band frequency signature is particularly detailed in this work., Les machines hydrauliques sont conçues pour fonctionner essentiellement autour du point de fonctionnement nominal. Cependant, afin notamment d'intégrer les énergies renouvelables sur le réseau, ces machines hydrauliques doivent nécessairement faire preuve de flexibilité. Ainsi, la plage de fonctionnement des turbines Francis cherche à être étendue, notamment pour des fonctionnements à des débits plus faibles. Lorsqu'une turbine Francis fonctionne avec un débit compris entre 30 et 60% du débit nominal, l'écoulement dans la roue est caractérisé par la présence de vortex entre les aubes. Dans ces conditions, des contraintes dynamiques apparaissent dans la roue et peuvent réduire la durée de vie de la machine à cause du phénomène de fatigue mécanique. Cette étude a pour objectif d'améliorer la compréhension de la dynamique de ces phénomènes à travers une approche numérique. Des simulations ont été effectuées avec plusieurs approches de la turbulence : des simulations stationnaires (RANS), des simulations instationnaires avec une approche hybride de la turbulence (SAS) et la Simulation des Grandes Echelles (SGE).Les simulations stationnaires permettent de comprendre les phénomènes à l'origine de la formation de ces vortex. L'analyse présentée dans ce travail montre que les vortex inter-aubes sont générés à cause d'une mauvaise incidence en entrée de la roue ou à cause d'une zone de recirculation sous la roue. Différentes topologies de vortex sont mises en évidence, générées par la compétition de ces deux phénomènes. Le chargement dynamique doit être connu afin d'évaluer précisément la durée de vie d'une roue. Plusieurs points de fonctionnement ont été simulés avec des calculs instationnaires afin de comprendre comment les fluctuations de pression dépendent du point de fonctionnement de la machine. La localisation des fluctuations de pression et les fréquences associées ont été analysées et comparées à des mesures expérimentales effectuées sur un modèle réduit. Les résultats montrent que les simulations SAS permettent de mettre en évidence des mécanismes à basses fréquences de ces écoulements de charge partielle. Cependant, les fluctuations à hautes fréquences sont largement sous-estimées par cette approche. Plus particulièrement, une signature fréquentielle large bande, caractéristique de l'écoulement de charge partielle, n'est pas prédite par ces simulations. La SGE a été utilisée afin d'améliorer la prédiction de ces hautes fréquences et de comprendre l'origine de ces phénomènes instationnaires. Les résultats démontrent la pertinence de l'utilisation de ce type d'approche numérique en mettant en évidence des sources d'instabilités hautes fréquences dans la machine.

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.; 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.; 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.

Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one.; L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min.

Wind erosion is a complex dynamic process consisting in an atmospheric boundary layer, aeolian particle transport, sand dune deformation and their intricate interactions. This thesis undertakes this problems by conducting three-dimensional numerical simulations of solid particle transport over a fixed or deformable sand dune. Turbulent flow is calculated by a developed numerical solver (Large-eddy simulation (LES) coupled with immersed boundary method (IBM)). Solid particle trajectories are tracked by a Lagrangian approach. Particle entrainment, particle-surface interactions and particle deposition are taken into account by physical comprehensive wind erosion models. Firstly, a new numerical solver has been developed to simulate turbulent flows over moving boundaries by introducing the IBM into LES. Two canonical simulation cases of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune and over a sinusoidal dune are performed to examine the accuracy of the developed solver. Recirculation region characteristics, mean streamwise velocity profiles, Reynolds stress profiles as well as the friction velocity over the dune are presented. In the Gaussian case, a good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the numerical ability of the improved solver. In the sinusoidal case, the developed solver with wall modeling over the immersed boundary shows a better performance than the pure one, when a relatively coarse grid is used. Secondly, physical comprehensive modeling of wind erosion is described in detail, based on the forces acting an individual particle. An instantaneous entrainment model for both lifting and rolling-sliding modes is proposed to initialize particle incipient motions. Lagrangian governing equations of aeolian particle motion are presented and used to simulate the trajectories of solid particles. Particularly, Lagrangian governing equations of bed-load particle motion are originally deduced and applied to model the particle rolling-sliding movement on the bed surface. In addition, particle-surface interactions are taken into account by probabilistic rebound/splash models. Thirdly, numerical simulations of particle transport over a fixed Gaussian dune and over a deformable sinusoidal dune are carried out. In the fixed Gaussian case, an overall good agreement on the particle concentration profiles over the dune between the simulated results and the experimental data of Simoens et al. (2015) preliminarily validates the ability and accuracy of the developed numerical solver coupled with physical comprehensive wind erosion models. In the deformable sinusoidal case, the simulated dune shapes are compared with the experimental ones of Ferreira and Fino (2012). A good agreement between them is observed at t = 2.0 min and an obvious underestimate of the dune shape is shown at t = 4.0 min and t = 6.0 min. By analyzing the simulated results, it is shown that the recirculation zone behind the dune is gradually reduced as the dune deforms and that windward erosion and lee side deposition is observed. It is also shown after testing that the splash entrainment is important for the lee side erosion. Moreover, a preliminary attempt is presented to apply an improved splash model with accounting for the bed slope effect to the simulation of sand dune deformation. A better performance on the simulated dune shape is achieved at t = 4.0 min in comparison with the experimental one., L’érosion éolienne est un phénomène complexe avec des interactions entre la couche limite atmosphérique, le transport des particules et la déformation des dunes. Dans cette thèse des simulations numériques de transport de particules solides sur des dunes fixes ou déformables sont effectuées. L’écoulement turbulent est calculé par des simulations des grandes échelles (LES) couplée avec une méthode de frontières immergées. Les particules solides sont tractées par une approche Lagrangienne. L’entraînement des particules, leur interaction avec la surface et leur dépôt sont pris en compte par des modèles physiques complets d’érosion. D’un point de vue numérique, une méthode de frontières immergées a été introduite pour simuler les écoulements turbulents sur des frontières mouvantes. Le nouveau solveur a été validé en effectuant des comparaison avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) dans le cas d’une colline Gaussienne. D’un point de vue physique, des modèles complets ont été développés pour l’érosion éolienne en se basant sur les forces agissant sur les particules. Des modèles instantanés pour l’envol, le roulement et le glissement des particules sont développés pour initier le mouvement des particules. Leur rebond et le splash sont également pris en compte. Des équations Lagrangiennes sont utilisées pour simuler la trajectoire des particules solides dans l’air. Une équation de transport d’un lit de particules a également été développée pour les cas de glissement et de roulement des particules sur la surface. La déformation de la dune est effectuée en faisant le bilan des particules qui s’envolent et se déposent. Ces modèles ont été validés en comparant les résultats de simulation avec les résultats expérimentaux de Simoens et al. (2015) sur les profils de concentration autour d’une colline Gaussienne. Enfin, des simulations numériques d’une dune sinusoïdale déformable sont effectuées. La forme de la dune simulée est comparée avec les résultats expérimentaux de Ferreira and Fino (2012). Un bon agrément est obtenu a t = 2.0 min, par contre la hauteur de la dune est sous-estimée entre 4.0 min et 6.0 min. Les résultats numériques montrent que la zone de recirculation diminue progressivement quand la dune se déforme. L’érosion, due à l’envol et au splash, est important a l’avant de la dune tandis que les particules se déposent a l’arrière de la dune. Le modèle de splash a été modifié pour prendre en compte l’effet de la pente, ce qui a permis une meilleure estimation de la hauteur de la dune a t = 4.0 min.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Petrobrás - Petróleo Brasileiro S.A The purpose of the present work is to analyze and to provide an enhancement of the knowledge about the subgrid-scale behavior and to propose novel nonlinear subgrid-scale models for large eddy simulations of turbulent fluid flows. In this way, the present thesis is subdivided into three main parts. The first topic is an analysis of the statistical uncertainties associated with direct numerical simulation data for turbulent channel flow, showing a novel physically-based quantification of these errors. In this analysis, the mean velocity error is estimated by considering the Reynolds stress tensor, and using the balance of mean force equation. This analysis is performed in order to verify the quality of the statistical data coming from the direct numerical simulation applied in the present work. Secondly, seeking to understand the contained physics in the whole wavenumber spectrum of turbulent flows, an analysis of the spectral turbulent kinetic energy budget in fully developed turbulent plane channel flow is performed. The analysis is focused on the influence of the Reynolds number on the spectral cascade of energy and the corresponding energy cascade in physical space in the presence of inhomogeneity and anisotropy. Finally, a novel nonlinear subgrid-scale model for large eddy simulation based on a set of objective tensors is presented. In the proposed closure model, the modeled subgrid-scale stress tensor is a function of the resolved rate-of-strain tensor and the resolved non-persistence-of-straining tensor, where both are local and objective kinematic entities. The non-persistence-of-straining tensor represents the local ability of the fluid to avoid being persistently stretched. To check the consistency of the proposed model, \textit{a priori} and \textit{a posteriori} tests are performed by simulating different wall-bounded turbulent flows. Comparisons with the exact subgrid-scale stress tensor and experimental data revealed that the inclusion of nonlinear terms on the subgrid-scale model can significantly increase the accuracy of the results, showing the great potential of the proposed tensorial base. O objetivo da presente tese é analisar e fornecer um aprimoramento do conhecimento sobre o comportamento das pequenas escalas de escoamentos turbulentos e propor novos modelos submalha não-lineares para Simulação das Grandes Escalas. Desta forma, a presente tese é subdividida em três partes principais. O primeiro tópico é uma análise das incertezas estatísticas associadas aos dados de Simulação Numérica Direta em escoamentos turbulentos em canal plano, mostrando uma nova quantificação física desses erros. Nesta análise, o erro de velocidade média é estimado considerando-se o tensor das tensões de Reynolds e aplicando a equação de força média. Esta análise é realizada a fim de verificar a qualidade dos dados estatísticos provenientes das Simulações Numéricas Direta aplicadas no presente trabalho. Em segunda etapa, buscando compreender a física contida em todo o espectro de número de ondas de escoamentos turbulentos, uma análise do balanço da energia cinética turbulenta espectral em escoamentos turbulentos em canal plano totalmente desenvolvido é realizada. A análise é focada na influência do número de Reynolds na cascata espectral de energia e na correspondente cascata de energia no espaço físico na presença de inomogeneidade e anisotropia. Finalmente, é apresentado um novo modelo não linear submalha para Simulação das Grandes Escalas baseados em um conjunto de tensores objetivos. No modelo de fechamento proposto, o tensor das tensões submalha é uma função dos tensores taxa-de-deformação e não-persistência-de-deformação, onde ambos são entidades cinemáticas locais e objetivas. O tensor não-persistência-de-deformação representa a capacidade local do fluido evitar um persistente esticamento. Para verificar a consistência do modelo proposto, testes a priori e a posteriori são realizados simulando diferentes escoamentos turbulentos com presença de paredes. Comparações com o tensor das tensões submalhas exato e dados experimentais revelaram que a inclusão de termos não lineares no modelo pode levar a resultados significativamente melhores, mostrando o grande potencial da base tensorial proposta. Tese (Doutorado)

International audience; This paper sums up some recent validations of an immersed boundary method for compressible flow simulations. It has been already shown that this method is able to provide accurate results without meshing effort around more or less complex geometries. Here, the authors focus on several simple test cases to assess the application range of the method. From subsonic to hypersonic flows, from steady to large-eddy unsteady simulations, in 2D or 3D, results are compared to classical simulations with body-fitted meshes and experiment. Moreover, the use of an efficient Navier-Stokes solver for all the cases is part of the benefit of the approach to provide a CFD solution in a reduced time.; Ce paapier présente les validations récentes d'une méthode de frontières immergées pour des simulations CFD d'écoulement compressible. Il a été déjà montré que cette méthode est capable de fournir des résultats précis sans effort de maillage autour de géométries plus ou moins complexes. Ici, les auteurs s'intéressent à plusieurs cas-test simples afin de démontrer la gamme d'applications de cette méthode. Pour des écoulements allant du subsonique à l'hypersonique, pour des simulations stationnaires ou des simulations des grandes échelles instationnaires, en 2D ou en 3D, les résultats sont comparés à des simulations classiques avec des maillages conformes à la paroi et aux données expérimentales. De plus, l'utilisation d'un code Navier-Stokes efficace pour toutes ces configurations est un ingrédient important au bénéfice de la méthode pour fournir une solution CFD en un temps réduit.

International audience; This paper sums up some recent validations of an immersed boundary method for compressible flow simulations. It has been already shown that this method is able to provide accurate results without meshing effort around more or less complex geometries. Here, the authors focus on several simple test cases to assess the application range of the method. From subsonic to hypersonic flows, from steady to large-eddy unsteady simulations, in 2D or 3D, results are compared to classical simulations with body-fitted meshes and experiment. Moreover, the use of an efficient Navier-Stokes solver for all the cases is part of the benefit of the approach to provide a CFD solution in a reduced time.; Ce paapier présente les validations récentes d'une méthode de frontières immergées pour des simulations CFD d'écoulement compressible. Il a été déjà montré que cette méthode est capable de fournir des résultats précis sans effort de maillage autour de géométries plus ou moins complexes. Ici, les auteurs s'intéressent à plusieurs cas-test simples afin de démontrer la gamme d'applications de cette méthode. Pour des écoulements allant du subsonique à l'hypersonique, pour des simulations stationnaires ou des simulations des grandes échelles instationnaires, en 2D ou en 3D, les résultats sont comparés à des simulations classiques avec des maillages conformes à la paroi et aux données expérimentales. De plus, l'utilisation d'un code Navier-Stokes efficace pour toutes ces configurations est un ingrédient important au bénéfice de la méthode pour fournir une solution CFD en un temps réduit.

Numerical simulations are carried out with the aim of investigating the formation of nonlinear steepened waves at the origin of crackle in the near acoustic field of supersonic jets. In these simulations, the compressible Navier-Stokes equations are solved in cylindrical coordinates using high-order low-dissipative and low-dispersive finite difference schemes.Four temporally-developing isothermal round jets are first simulated at Mach numbers of~2 and~3 and at Reynolds numbers ranging from 3,125 to 50,000. Strong acoustic waves containing sharp pressure variations are observed in the vicinity of the jets. Their formation process is described by the computation of conditional averages which are triggered by the detection of strong pressure peaks in the near field. Such steepened waves are then shown to be produced by the supersonic motion of coherent structures inside the jet shear layers.Temperature effects are then investigated by considering five temporal round jets at temperature ratios of 1, 2 and~4 and at acoustic Mach numbers of 2, 2.8 and 4. For a given jet speed, the sound levels produced by the hot jets are lower than those of the isothermal one. However, the properties of the steepened waves they generate are not significantly affected by a rise of temperature. On the contrary, when the Mach number is held constant, pressure levels are higher at high temperature. The skewness and kurtosis factors of pressure fluctuations are also increased, which indicates a strengthening of the asymmetry and the intermittency of the pressure fluctuations. It is likely that the influence of temperature on these waves results from the variations of the convection speed, which is found to significantly increase with temperature at constant Mach number, but to slightly decrease at constant jet speed.Finally, three simulations of spatially-developing axisymmetric, isothermal and hot jets at a Mach number of~2 and at Reynolds numbers of 12500 and 50000 are performed. Strong Mach waves possessing the distinctive features of crackle are visible in the near vicinity of the jets. As observed for temporal simulations, their formations are associated with the supersonic motion of large-scale coherent structures inside the jet shear layers. The far acoustic field is determined using linear as well as nonlinear extrapolation methods. When nonlinear propagation effects are taken into account, a further steepening of the wavefronts is observed with increasing propagation distance., Dans ce travail de thèse, les mécanismes à l'origine de la formation des chocs associés à la perception de crackle proche de jets supersoniques axisymétriques sont étudiés à l'aide de simulations numériques. Dans ces simulations, les équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles sont résolues en coordonnées cylindriques à l'aide de différences finies d'ordre élevé peu dissipatives et peu dispersives. Quatre jets temporels à des nombres de Mach de 2 et~3 et à des nombres de Reynolds compris entre 3125 et 50000 sont simulés dans un premier temps. Des ondes acoustiques de forte amplitude présentant d'importants gradients de pression sont mises en évidence à proximité des jets. Elles se forment par un mécanisme de raidissement à la source qui est étudié par le calcul de moyennes conditionnelles synchronisées autour des pics de pression en champ proche. Ces moyennes montrent un lien direct entre ces ondes non linéaires et la convection de structures cohérentes à desvitesses supersoniques dans les couches de~mélange. L'influence de la température sur la formation de ces ondes est examinée dans un second temps par le calcul de cinq jets temporels à des rapports de température de 1, 2 et 4, et à des nombres de Mach acoustique compris entre 2 et 4. À vitesse d'éjection constante, les niveaux de bruit produits par les jets chauds sont moins élevés que ceux du jet isotherme, mais les ondes non linéaires qu'ils rayonnent sont peu affectées par une hausse de température. À nombre de Mach constant, les niveaux augmentent avec la température, de même que l'asymétrie des fluctuations de pression, traduisant un renforcement du caractère non linéaire des ondes rayonnées. Ces variations pourraient être dues à celles de la vitesse de convection des structures cohérentes, qui augmente de façon significative avec la température lorsque le nombre de Mach est constant, mais diminue légèrement à vitesse~constante. Finalement, trois simulations de jets spatiaux isothermes et chauds à un nombre de Mach acoustique de 2 et à des nombres de Reynolds de 12500 et 50000 sont mises en \oe uvre. Des ondes de Mach présentant d'importants gradients de pression sont visibles au voisinage direct des jets. La formation de ces ondes est liée, comme dans le cas des jets temporels, à la convection supersonique de structures cohérentes dans les couches de mélange. Le champ lointain acoustique est enfin déterminé par des méthodes d'extrapolation linéaire et non linéaire. Lorsque la propagation est non linéaire, un raidissement additionnel des fronts d'onde est constaté en champ lointain.

In solar power towers, the solar flux is concentrated towards a solar receiver, wherethrough its energy is transferred to a heat transfer fluid. The flow in the solar receiver is turbulent, strongly anisothermal and at low Mach number. The optimisation of the solar receiver requires a better understanding and modelling of the interaction between temperature and turbulence. In this thesis, this is investigated following two approaches. First, we study the energy exchanges between the different parts of total energy. To this end, a new representation of the energy exchanges, based on the Reynolds averaging, is established. The representation allows the characterisation, from direct numerical simulations of a strongly anisothermal channel flow, of the effect of the temperature gradient on the energy exchanges associated with turbulence kinetic energy in the spatial and spectral domains. Second, we study the large-eddy simulation of the low Mach number equations. Using the results of direct numerical simulations, we identify the specific subgrid terms to model when the unweighted classical filter is used and when the density-weighted Favre filter is used. In both cases, the performance of different subgrid-scale models is assessed a priori. The relevance of the subgrid-scale models is then verified a posteriori by carrying out large-eddy simulations.; Dans les centrales solaires à tour, le flux solaire est concentré vers un récepteur solaire où son énergie est transférée à un fluide caloporteur. L'écoulement au sein du récepteur solaire est turbulent, fortement anisotherme et à bas nombre de Mach. L'optimisation du récepteur solaire exige une meilleure compréhension et modélisation de l'interaction entre la température et la turbulence. Cette thèse cherche à y contribuer selon deux approches. Tout d'abord, on étudie les échanges énergétiques entre les différentes parties de l'énergie totale. On propose pour cela une nouvelle représentation des échanges énergétiques, fondée sur la moyenne de Reynolds. Cette représentation permet la caractérisation, à partir de simulations numériques directes d'un canal plan bipériodique anisotherme, de l'effet du gradient de température sur les échanges énergétiques associées à l'énergie cinétique turbulente dans les domaines spatial et spectral. Ensuite, on étudie la simulation des grandes échelles des équations de bas nombre de Mach. En utilisant les résultats de simulations numériques directes, on identifie les termes sous-mailles spécifiques à modéliser lorsque l'on utilise le filtre classique, non pondéré, et lorsque l'on utilise le filtre de Favre, pondéré par la masse volumique. Dans les deux cas, on évalue a priori la performance de différents modèles sous-mailles. La pertinence des modèles est vérifiée a posteriori par la réalisation de simulation des grandes échelles.

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.

In solar power towers, the solar flux is concentrated towards a solar receiver, wherethrough its energy is transferred to a heat transfer fluid. The flow in the solar receiver is turbulent, strongly anisothermal and at low Mach number. The optimisation of the solar receiver requires a better understanding and modelling of the interaction between temperature and turbulence. In this thesis, this is investigated following two approaches. First, we study the energy exchanges between the different parts of total energy. To this end, a new representation of the energy exchanges, based on the Reynolds averaging, is established. The representation allows the characterisation, from direct numerical simulations of a strongly anisothermal channel flow, of the effect of the temperature gradient on the energy exchanges associated with turbulence kinetic energy in the spatial and spectral domains. Second, we study the large-eddy simulation of the low Mach number equations. Using the results of direct numerical simulations, we identify the specific subgrid terms to model when the unweighted classical filter is used and when the density-weighted Favre filter is used. In both cases, the performance of different subgrid-scale models is assessed a priori. The relevance of the subgrid-scale models is then verified a posteriori by carrying out large-eddy simulations., Dans les centrales solaires à tour, le flux solaire est concentré vers un récepteur solaire où son énergie est transférée à un fluide caloporteur. L'écoulement au sein du récepteur solaire est turbulent, fortement anisotherme et à bas nombre de Mach. L'optimisation du récepteur solaire exige une meilleure compréhension et modélisation de l'interaction entre la température et la turbulence. Cette thèse cherche à y contribuer selon deux approches. Tout d'abord, on étudie les échanges énergétiques entre les différentes parties de l'énergie totale. On propose pour cela une nouvelle représentation des échanges énergétiques, fondée sur la moyenne de Reynolds. Cette représentation permet la caractérisation, à partir de simulations numériques directes d'un canal plan bipériodique anisotherme, de l'effet du gradient de température sur les échanges énergétiques associées à l'énergie cinétique turbulente dans les domaines spatial et spectral. Ensuite, on étudie la simulation des grandes échelles des équations de bas nombre de Mach. En utilisant les résultats de simulations numériques directes, on identifie les termes sous-mailles spécifiques à modéliser lorsque l'on utilise le filtre classique, non pondéré, et lorsque l'on utilise le filtre de Favre, pondéré par la masse volumique. Dans les deux cas, on évalue a priori la performance de différents modèles sous-mailles. La pertinence des modèles est vérifiée a posteriori par la réalisation de simulation des grandes échelles.

The flow of dense fluids within thin-walled piping systems may lead to significant levels of Flow-Induced Vibration, mainly in the vicinities of singularities such as obstacles inserted into the flow, sudden changes of cross-sectional area or flow direction. This study focuses on the analysis and reduced-order modelling of the vibrational source associated with the turbulent flow of liquids through a 90° elbow.A mixed experimental-computational approach is undertaken. A closed water loop containing a transparent elbow was designed in order to allow for fluid velocity measurements inside the singularity. To this purpose, planar and stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV) were employed. Wall pressure fluctuations and structural vibrations were measured simultaneously. Several flow configurations were tested in order to obtain a large coupled database linking the flow to the dynamic excitation, and then to the vibration response of the structure.In parallel, the unsteady water flow through the elbow was computed using Large-Eddy Simulation (LES). The fluid simulation allowed for a detailed study of the turbulent flow through the singularity and the unsteady pressure field induced on the piping walls. Finally, a set of statistical tools was applied to both experimental and computational data in order to propose a reduced-order model of the transfer function that links the tur-bulent flow to the dynamic excitation of the elbowed piping structure.; Les réseaux de tuyauterie industriels sont le siège de niveaux importants de vibrations induites par l’écoulement qui peuvent mener à la rupture par fatigue des installations. La présente étude se concentre sur l’analyse et modélisation simplifiée de la source vibratoire associée au passage d’un écoulement liquide turbulent par un coude à 90°. Une approche combinant expériences et simulation a été conduite. Une boucle de circulation d’eau munie d’un coude transparent a été conçue afin de permettre des me-sures de vitesse à l’intérieur du coude. Pour cette finalité, les techniques de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) plane et stéréoscopique ont été utilisées. La pression pariétale et les vibrations du banc d’essais ont été mesurées simultanément. Plusieurs configurations d’écoulement ont été testées afin d’obtenir une riche base de données couplées reliant l’écoulement fluide à l’excitation dynamique des parois et, finalement, à la réponse vibratoire de la structure. En parallèle, l’écoulement instationnaire d’eau dans le coude a été simulé au moyen d’une approche du type Simulation des Grandes Echelles (LES). La simulation fluide a permis d’étudier en détails la topologie de l’écoulement turbulent au passage du coude ainsi que le champ instationnaire de pression fluctuante induit sur la paroi. Finale-ment, un ensemble d’outils statistiques a été appliqué aux données expérimentales et numériques afin de proposer un modèle simplifié des transferts qui relient l’écoulement turbulent à la sollicitation dynamique de la structure contenant le coude.

The flow of dense fluids within thin-walled piping systems may lead to significant levels of Flow-Induced Vibration, mainly in the vicinities of singularities such as obstacles inserted into the flow, sudden changes of cross-sectional area or flow direction. This study focuses on the analysis and reduced-order modelling of the vibrational source associated with the turbulent flow of liquids through a 90° elbow.A mixed experimental-computational approach is undertaken. A closed water loop containing a transparent elbow was designed in order to allow for fluid velocity measurements inside the singularity. To this purpose, planar and stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV) were employed. Wall pressure fluctuations and structural vibrations were measured simultaneously. Several flow configurations were tested in order to obtain a large coupled database linking the flow to the dynamic excitation, and then to the vibration response of the structure.In parallel, the unsteady water flow through the elbow was computed using Large-Eddy Simulation (LES). The fluid simulation allowed for a detailed study of the turbulent flow through the singularity and the unsteady pressure field induced on the piping walls. Finally, a set of statistical tools was applied to both experimental and computational data in order to propose a reduced-order model of the transfer function that links the tur-bulent flow to the dynamic excitation of the elbowed piping structure.; Les réseaux de tuyauterie industriels sont le siège de niveaux importants de vibrations induites par l’écoulement qui peuvent mener à la rupture par fatigue des installations. La présente étude se concentre sur l’analyse et modélisation simplifiée de la source vibratoire associée au passage d’un écoulement liquide turbulent par un coude à 90°. Une approche combinant expériences et simulation a été conduite. Une boucle de circulation d’eau munie d’un coude transparent a été conçue afin de permettre des me-sures de vitesse à l’intérieur du coude. Pour cette finalité, les techniques de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) plane et stéréoscopique ont été utilisées. La pression pariétale et les vibrations du banc d’essais ont été mesurées simultanément. Plusieurs configurations d’écoulement ont été testées afin d’obtenir une riche base de données couplées reliant l’écoulement fluide à l’excitation dynamique des parois et, finalement, à la réponse vibratoire de la structure. En parallèle, l’écoulement instationnaire d’eau dans le coude a été simulé au moyen d’une approche du type Simulation des Grandes Echelles (LES). La simulation fluide a permis d’étudier en détails la topologie de l’écoulement turbulent au passage du coude ainsi que le champ instationnaire de pression fluctuante induit sur la paroi. Finale-ment, un ensemble d’outils statistiques a été appliqué aux données expérimentales et numériques afin de proposer un modèle simplifié des transferts qui relient l’écoulement turbulent à la sollicitation dynamique de la structure contenant le coude.

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.; 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.

High-rise buildings are built with increasingly low weight and structural damping in relation to the evolution of construction techniques and materials. The understanding of dynamic wind loads is an important issue for the design of high-rise buildings in order to guarantee their structural safety. The objective of the present work is to assess the ability of large eddy simulation (LES) to predict wind loads on structures and to investigate the influence of the inflow boundary conditions of a LES simulation on these loads. Experiments were carried out at a small scale in the NSA atmospheric wind tunnel of CSTB to document the modeled atmospheric boundary layer, to characterize its interaction with a building and the resulting static and dynamic wind loads. The wake flow around the building has been characterized by PIV measurements. Global and local wind loads were measured by a high frequency force balance and high frequency pressure taps. These wind tunnel experiments allowed for the development of an inflow turbulence generator for the LES simulation,which was aimed at reproducing the main characteristics of turbulence in the boundary layer. The database also made it possible to assess the quality of the results of the LES simulations carried out with the OpenFOAM code in the same configuration as the experiment. The use of both the new turbulence generator and a degraded one that does not account for all the characteristics of the flow has made it possible to show the necessity to reproduce the characteristics of the upstream wind flow in order to access the dynamic wind loads on the building.; Des bâtiments de grande hauteur sont construits avec un poids et un amortissement structurel de plus en plus faibles en lien avec l'évolution des techniques de construction et des matériaux. La connaissance des charges de vent dynamiques est un enjeu important pour la conception des grands bâtiments afin de garantir leur sécurité structurelle. L'objectif de cette thèse est d’évaluer la capacité de la simulation numérique des grandes échelles (LES) à prédire les charges de vent sur les structures et d’étudier l'influence des conditions d’entrée d’une simulation LES sur ces charges. Des expériences ont été menées à échelle réduite dans la soufflerie atmosphérique NSA du CSTB afin de documenter l’écoulement atmosphérique modélisé, de caractériser son interaction avec un bâtiment et les charges de vent statiques et dynamiques résultantes. Le sillage du bâtiment a été caractérisé grâce à des mesures PIV. Les efforts globaux et les pressions locales ont été mesurés par une balance et des prises de pression à haute fréquence. Ces expériences en soufflerie ont permis de développer un générateur de conditions amont (GCA) pour la simulation LES, visant à reproduire les principales caractéristiques de la turbulence dans la couche limite. La base de données constituée a également permis de qualifier les résultats des simulations LES réalisées avec le code OpenFOAM dans la configuration de l’expérience. L’utilisation du nouveau GCA et d’un générateur dégradé qui ne respecte pas toutes les caractéristiques de l'écoulement a permis de montrer la nécessité de bien reproduire les caractéristiques du vent incident pour accéder aux charges dynamiques sur le bâtiment.

High-rise buildings are built with increasingly low weight and structural damping in relation to the evolution of construction techniques and materials. The understanding of dynamic wind loads is an important issue for the design of high-rise buildings in order to guarantee their structural safety. The objective of the present work is to assess the ability of large eddy simulation (LES) to predict wind loads on structures and to investigate the influence of the inflow boundary conditions of a LES simulation on these loads. Experiments were carried out at a small scale in the NSA atmospheric wind tunnel of CSTB to document the modeled atmospheric boundary layer, to characterize its interaction with a building and the resulting static and dynamic wind loads. The wake flow around the building has been characterized by PIV measurements. Global and local wind loads were measured by a high frequency force balance and high frequency pressure taps. These wind tunnel experiments allowed for the development of an inflow turbulence generator for the LES simulation,which was aimed at reproducing the main characteristics of turbulence in the boundary layer. The database also made it possible to assess the quality of the results of the LES simulations carried out with the OpenFOAM code in the same configuration as the experiment. The use of both the new turbulence generator and a degraded one that does not account for all the characteristics of the flow has made it possible to show the necessity to reproduce the characteristics of the upstream wind flow in order to access the dynamic wind loads on the building.; Des bâtiments de grande hauteur sont construits avec un poids et un amortissement structurel de plus en plus faibles en lien avec l'évolution des techniques de construction et des matériaux. La connaissance des charges de vent dynamiques est un enjeu important pour la conception des grands bâtiments afin de garantir leur sécurité structurelle. L'objectif de cette thèse est d’évaluer la capacité de la simulation numérique des grandes échelles (LES) à prédire les charges de vent sur les structures et d’étudier l'influence des conditions d’entrée d’une simulation LES sur ces charges. Des expériences ont été menées à échelle réduite dans la soufflerie atmosphérique NSA du CSTB afin de documenter l’écoulement atmosphérique modélisé, de caractériser son interaction avec un bâtiment et les charges de vent statiques et dynamiques résultantes. Le sillage du bâtiment a été caractérisé grâce à des mesures PIV. Les efforts globaux et les pressions locales ont été mesurés par une balance et des prises de pression à haute fréquence. Ces expériences en soufflerie ont permis de développer un générateur de conditions amont (GCA) pour la simulation LES, visant à reproduire les principales caractéristiques de la turbulence dans la couche limite. La base de données constituée a également permis de qualifier les résultats des simulations LES réalisées avec le code OpenFOAM dans la configuration de l’expérience. L’utilisation du nouveau GCA et d’un générateur dégradé qui ne respecte pas toutes les caractéristiques de l'écoulement a permis de montrer la nécessité de bien reproduire les caractéristiques du vent incident pour accéder aux charges dynamiques sur le bâtiment.

The aim of this study is to develop a numerical method to simulate the turbulent boundary flow with solidparticle movement over a complex terrain. Large-eddy simulation (LES) is used to compute the flow fieldwith an immersed boundary method, which is imposed by direct forcing as suggested by Lunquist [1].Solid particles are taken into account through a Lagrangian approach. The entrainment model is appliedto initialize the particle movement while particle/soil interaction is accounted for by the rebound model.A canonical simulation case of a turbulent boundary layer flow over a Gaussian dune is performed toverify the accuracy of the immersed boundary method coupled with LES. Recirculation region characteristics,fluid velocity profiles as well as particle concentrations at different streamwise positions arepresented. Good agreement between experimental data and simulated results demonstrates the abilityof the improved solver, which will be applied to the simulation of turbulent boundary layer flow over adeformable sand dune., L'objectif de cette étude est de développer une méthode numérique pour simuler des écoulements tur-bulents sur des terrains complexes. La simulation des grandes échelles (SGE) est utilisée pour calculer l'écoulement du fluide. Cette méthode est couplée avec une méthode de frontière immergée, qui utilise un forçage direct selon une méthode proposée par Lunquist [1]. Les particules solides sont suivies par une approche lagrangienne. Un modèle d'envol est appliqué pour initialiser le mouvement des particules solides tandis que les interactions entre les particules et le sol sont prises en compte par un modèle de rebond. Un cas canonique d'écoulement turbulent sur une colline gaussienne est utilisé pour valider la méthode de frontière immergée couplée avec la SGE. Les caractéristiques de la zone de recirculation ainsi que des profils de vitesse du fluide et de concentration des particules sont presentés. Le bon accord entre les résultats de la simulation et les donnés expérimentales démontre la fiabilité de cette méthode améliorée, qui sera ensuite appliquée pour des cas de simulation d'écoulement turbulent sur une dune déformable.

This thesis focuses on the development of an accurate and efficient method for performing Large-Eddy Simulation (LES) of turbulent flows. An LES approach based upon the Variational Multiscale (VMS) method is considered. VMS produces an a priori scale-separation of the governing equations, in a manner which makes no assumptions on the boundary conditions and mesh uniformity. In order to ensure that scale-separation in wavenumber is achieved, we have chosen to make use of the Second Generation Wavelets (SGW), a polynomial basis which exhibits optimal space-frequency localisation properties. Once scale-separation has been achieved, the action of the subgrid model is restricted to the wavenumber band closest to the cuto. We call this approach wavelet-based VMS-LES (WAV-VMS-LES). This approach has been incorporated within the framework of a high-order incompressible flow solver based upon pressure-stabilised discontinuous Galerkin FEM (DG-FEM). The method has been assessed by performing highly under-resolved LES upon the 3D Taylor-Green Vortex test case at two different Reynolds numbers.; Cette thèse se concentre sur le développement d’une méthode précise et efficace pour la simulation des grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. Une approche de la LES basée sur la méthode variationnelle multi-échelles (VMS) est considérée. La VMS applique aux équations de la dynamique des fluides une séparation d’échelles a priori sans recours à des hypothèses sur les conditions aux limites ou sur l’uniformité du maillage. Afin d’assurer effectivement une séparation d’échelles dans l’espace des nombres d’onde associé, nous choisissons d’utiliser les ondelettes de deuxième génération (SGW), une base polynomiale qui présente des propriétés de localisation spatiale-fréquence optimales. A partir de la séparation d’échelles ainsi réalisée, l’action du modèle sous-maille est limitée à un intervalle de nombres d’onde proche de la coupure spectrale. Cette approche VMS-LES basée sur les ondelettes est désignée par WAV-VMS-LES. Elle est incorporée dans un solveur d’ordre élevé pour la simulation des écoulements incompressibles sur la base d’une méthode de Galerkin discontinue (DG-FEM) stabilisée pour la pression. La méthode est évaluée par réalisation de LES sur des maillages fortement sous-résolus pour le cas test du tourbillon de Taylor-Green 3D à deux nombres de Reynolds différents.

This thesis focuses on the development of an accurate and efficient method for performing Large-Eddy Simulation (LES) of turbulent flows. An LES approach based upon the Variational Multiscale (VMS) method is considered. VMS produces an a priori scale-separation of the governing equations, in a manner which makes no assumptions on the boundary conditions and mesh uniformity. In order to ensure that scale-separation in wavenumber is achieved, we have chosen to make use of the Second Generation Wavelets (SGW), a polynomial basis which exhibits optimal space-frequency localisation properties. Once scale-separation has been achieved, the action of the subgrid model is restricted to the wavenumber band closest to the cuto. We call this approach wavelet-based VMS-LES (WAV-VMS-LES). This approach has been incorporated within the framework of a high-order incompressible flow solver based upon pressure-stabilised discontinuous Galerkin FEM (DG-FEM). The method has been assessed by performing highly under-resolved LES upon the 3D Taylor-Green Vortex test case at two different Reynolds numbers., Cette thèse se concentre sur le développement d’une méthode précise et efficace pour la simulation des grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. Une approche de la LES basée sur la méthode variationnelle multi-échelles (VMS) est considérée. La VMS applique aux équations de la dynamique des fluides une séparation d’échelles a priori sans recours à des hypothèses sur les conditions aux limites ou sur l’uniformité du maillage. Afin d’assurer effectivement une séparation d’échelles dans l’espace des nombres d’onde associé, nous choisissons d’utiliser les ondelettes de deuxième génération (SGW), une base polynomiale qui présente des propriétés de localisation spatiale-fréquence optimales. A partir de la séparation d’échelles ainsi réalisée, l’action du modèle sous-maille est limitée à un intervalle de nombres d’onde proche de la coupure spectrale. Cette approche VMS-LES basée sur les ondelettes est désignée par WAV-VMS-LES. Elle est incorporée dans un solveur d’ordre élevé pour la simulation des écoulements incompressibles sur la base d’une méthode de Galerkin discontinue (DG-FEM) stabilisée pour la pression. La méthode est évaluée par réalisation de LES sur des maillages fortement sous-résolus pour le cas test du tourbillon de Taylor-Green 3D à deux nombres de Reynolds différents.

The draft tube of a hydraulic turbine is the turbine element located downstream of the runner. It has a divergent shape in order to convert the residual kinetic energy leaving the runner into pressure and thus increase the effective head of the turbine. The performances of low head bulb turbines are highly influenced by the head losses in the draft tube. The prediction of these head losses in a design process is thereby a major issue. The numerical prediction of the head losses in the draft tube is a real challenge because the flow in the draft tube is dynamically complex with high Reynolds numbers, a swirl and an adverse pressure gradient. These characteristics render conventional industrial approaches not appropriate. The objective of this work is twofold: (i) to improve the numerical prediction of the turbulent flow in the draft tube by using URANS and LES unsteady approaches and paying special attention to the description of the inlet boundary conditions of the draft tube and (ii) to conduct a detailed analysis of the energy transfers in the draft tube in order to better understand the origin of the head losses. An unsteady inlet boundary condition for the simulations reproducing the flow field at the runner outlet is developed. Numerical results are compared to experimental measurements in order to evaluate the predictive capacity of each turbulence modelling approach (URANS and LES). This validation step highlights the importance of defining properly the three velocity components at the draft tube inlet. The influence on the numerical results of boundary conditions of the calculation domain, such as wall roughness and the outlet boundary condition, is evaluated, in particular in case of LES. Thanks to a detailed analysis of the mean kinetic energy balance in the draft tube, the hydrodynamic phenomena responsible for head losses are identified. The head losses prediction differences between URANS and LES are thus analyzed in detail and possible improvements for the head losses prediction are identified. Finally, this analysis enables to understand the head losses evolution observed between several operating points of the turbine., L’aspirateur d’une centrale hydroélectrique est l’organe hydraulique se situant en aval de la roue. Il a une forme divergente afin de récupérer l’énergie cinétique résiduelle en sortie de roue sous forme de pression statique et augmenter ainsi la chute nette de la centrale. Dans le cas des turbines de basse chute de type bulbe, les pertes de charge dans l’aspirateur influencent fortement le rendement global de la centrale. La prédiction correcte de ces pertes de charge au cours du dimensionnement de la turbine représente donc un enjeu majeur. La prédiction numérique des pertes de charge dans l’aspirateur est un réel challenge car l’écoulement dans l’aspirateur est dynamiquement complexe avec des nombres de Reynolds élevés, la présence de swirl et d’un gradient adverse de pression. Ces caractéristiques font que les approches de modélisation classiquement utilisées dans l’industrie sont mises en défaut. L’objectif de ce travail est double : (i) améliorer la prédiction de l’écoulement turbulent dans l’aspirateur en utilisant des approches instationnaires URANS et LES et en portant une attention particulière à la description des conditions d’entrée de l’aspirateur et (ii) réaliser une analyse fine des échanges énergétiques dans l’aspirateur pour mieux comprendre l’origine des pertes de charge. Une condition d’entrée instationnaire représentative de l’écoulement en sortie de roue est élaborée pour ces calculs. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales afin d’évaluer la capacité prédictive de chaque approche de modélisation de la turbulence (URANS et LES). Cette étape de validation met en évidence l’importance d’une définition correcte des trois composantes de la vitesse en entrée d’aspirateur. L’influence des conditions aux limites du domaine de calcul, à savoir la rugosité de la paroi et la condition de sortie de l’aspirateur, sur les résultats de simulation est évaluée, notamment dans le cas d’une résolution LES. Grâce à une analyse détaillée du bilan d’énergie cinétique moyenne dans l’aspirateur, les phénomènes hydrodynamiques responsables des pertes de charge sont identifiés. Ceci permet d'analyser en détail les différences de prédiction de pertes de charge entre les calculs URANS et LES et d’identifier les pistes d’amélioration de la prédiction numérique de ces pertes. Enfin, cette analyse permet de comprendre l’évolution des pertes de charge observée entre plusieurs points de fonctionnement de la turbine.

A promising line of research to increase the efficiency of solar tower power plants consists in heating pressurized air to high temperatures in order to fuel a Brayton thermodynamic cycle. This requires to design effective solar receivers that allow for intense heat transfers toward the fluid. To develop such receivers, an in-depth understanding of their internal flows is needed. These are complex flows, combining strong turbulence and strong temperature gradient between the concentrated sun irradiated wall and the back insulated wall.The aim of this work is to investigate numerically and experimentally such flows.On one hand, velocities are measured by SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) in a turbulent channel flow wind tunnel whom measurement cell is similar to a surface solar receiver. The influence of an asymmetric heating on the turbulence statistics are especially investigated. These measurements are supplemented by Large Eddy Simulations run under the same conditions as the wind tunnel. Finally, a Large Eddy Simulation is run in a channel flow textured on one wall by an innovative geometry. This internal receiver design combines vortex generators and riblets in order to enhance the heat transfers.; Une voie prometteuse pour améliorer le rendement des centrales solaires à tour consiste à chauffer de l'air pressurisé à haute température afin d'alimenter un cycle thermodynamique de Brayton. Pour cela, il est indispensable de concevoir des récepteurs solaires performants,permettant de forts transferts de chaleur vers le fluide. Le développement de tels récepteurs passe par une compréhension fine de leurs écoulements internes. Il s'agit d'écoulements complexes, combinant de hauts niveaux de turbulence et un fort gradient de température entre la paroi irradiée par le flux solaire concentré et la paroi arrière isolée. On se propose dans ce travail de réaliser une étude amont numérique et expérimentale de ce type d'écoulements.D'une part, des mesures de vitesse par SPIV (vélocimétrie par images de particules stéréoscopique) sont effectuées dans une soufflerie de canal plan turbulent lisse dont la cellule de mesure est représentative d'un récepteur solaire surfacique. On observe en particulier l'influence d'un chauffage asymétrique sur les statistiques de la turbulence. Ces mesures sont d'autre part complétées par des simulations fines LES (simulation des grandes échelles)menées dans les conditions de la soufflerie. Pour finir, une simulation LES d'un canal plan texturé sur une paroi par une géométrie innovante est conduite. Cette architecture interne du récepteur combine des générateurs de tourbillon et des riblets afin d'intensifier les échanges de chaleur vers le fluide.

Due to the reduction of jet mixing noise and fan noise in modern aero engines, the relative contribution of combustion noise (CN) has significantly increased over the last few decades. Two mechanisms have been identified as CN in the 70’s: direct combustion noise (DCN) and indirect combustion noise (ICN). A focus is made on the ICN in this thesis with the development of a twodimensionalaxisymmetric semi-analytical model taking into account the distortion of the entropy waves in order to predict the ICN for nozzle flows. The state of the art performed in the first chapter highlights the necessity to improve the prediction of ICN of 1D models by introducing the radial distortion of the entropy waves inside the nozzle. The second chapter of the manuscript details the ONERA’s tools for studying ICN. The 2D model is developed in the third chapter where the Euler equations are rewritten in 2D formfor the entropic part while acoustic perturbations are considered to be 1D. The fourth chapter describes the numerical computations performed during the thesis onthe retained configuration (the DISCERN nozzle): a RANS and two large eddy simulations (LES) are carried out respectively for the use and the validation of the 2D model. In the last chapter, the application of the new model using the RANS meanfield is performed, the results are compared tothe 1D model and validated by confrontation with the LES predictions., Avec la réduction du bruit de jet et de soufflante dans les moteurs aéronautiques modernes, la contribution relative du bruit de combustion (BC) a augmenté de manière significative au cours des dernières décennies. Deux mécanismes ont été identifiés comme étant du BC dans les années 70 : le bruit de combustion direct (BCD) et le bruit de combustion indirect (BCI). Le coeurde la thèse est axé sur le BCI avec le développement d’un modèle semi-analytique 2D axisymétrique prenant en compte la distorsion des ondes entropiques afin de prédire le BCI dans des écoulements de tuyère. L’état de l’art réalisé dans le premier chapitre met en évidence la nécessité d’améliorer la prédiction du BCI des modèles 1D en introduisant la distorsion radiale des ondes entropiques dans la tuyère. Le second chapitre du manuscrit détaille les outils disponibles à l’ONERA pour l’étude du BCI. Le modèle 2D est développé dans le troisième chapitre où les équations d’Euler sont réécritesen 2D pour la partie entropique et en 1D pour les perturbations acoustiques. Le quatrième chapitre décrit les simulations numériques réalisées pendant la thèse sur la configuration retenue (la tuyère DISCERN) : un calcul RANS et deux simulations des grandes échelles (SGE) sont effectués respectivementpour l’utilisation et la validation du modèle 2D. Dans le dernier chapitre, l’application du nouveau modèle utilisant le champ moyen RANS est accompli, les résultats sont comparés au modèle 1D et validés par confrontation avec les prédictions SGE.

Economical constrains and environmental requirements lead the transportation industry to progress towards energy expenditure reduction. Efforts are especially focused on the skin-friction drag. Friction drag, while due to viscosity, is greatly amplified by turbulent motions. The ability to manipulate the complex and chaotic near-wall turbulent fluctuations thus offers prospects for substantial energy saving, but also requires a solid understanding of the physical phenomena.Among the most promising control strategies, the present manuscript focuses on riblet-covered surfaces. Even though their drag-reducing capability has been observed from decades, the mechanisms by which they interact with the near-wall turbulent motions still need to be clarified. Towards these ends, a numerical method for ensuring their proper simulation is developed. The virtual origin—interpreted as the equivalent flat wall location—is redefined, which highlights a strong similarity between the controlled and the canonical flows. As a practical interest, this similarity enables an improved evaluation of the drag reduction capabilities achievable at high Reynolds numbers.Additionally, the promising potential for three-dimensional riblets is examined. Based on the scattered precursory results of the literature, we intend to come up with a design which demonstrates optimal drag reduction capabilities under the constraint of industrial feasibility. For each of the prospected innovative designs, the numerical simulations accurately reveal that the potential profit on skin-friction is consistently exceeded by the harmful influence of pressure stresses.; Motivée par les contraintes économiques et les exigences environnementales, l'industrie du transport tente de réduire ses dépenses énergétiques. Elle concentre notamment ses efforts sur la traînée de frottement. Bien que d'origine visqueuse, celle-ci est fortement amplifiée par les mouvements turbulents. La capacité à manipuler les fluctuations turbulentes, complexes et chaotiques, offre alors des perspectives de gain énergétique substantiel, mais nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques. Parmi les stratégies de contrôle les plus prometteuses, l'utilisation de revêtements rainurés, nommés riblets, est étudiée dans ce mémoire. Bien que leur capacité de réduction de frottement soit connue depuis plusieurs décennies, les mécanismes par lesquels ils interagissent avec la turbulence restent à préciser. À ces fins, une méthode pour leur simulation numérique est mise au point. En redéfinissant la position de l'origine virtuelle, c'est-à-dire de la paroi plane équivalente, une forte similitude est établie entre les écoulements contrôlé et canonique. D'un point de vue applicatif, cela permet notamment de quantifier les performances de réduction de traînée atteignables à haut nombre de Reynolds. Enfin, le potentiel a priori prometteur des riblets tridimensionnels est exploré. En s'appuyant sur les rares résultats précurseurs de la littérature, il s'agit de proposer une géométrie industriellement réalisable optimale en termes de réduction de traînée. Pour chacune des géométries novatrices testées, les simulations révèlent avec finesse que les éventuels bénéfices sur le frottement sont systématiquement surpassés par l'influence délétère des efforts de pression.

Economical constrains and environmental requirements lead the transportation industry to progress towards energy expenditure reduction. Efforts are especially focused on the skin-friction drag. Friction drag, while due to viscosity, is greatly amplified by turbulent motions. The ability to manipulate the complex and chaotic near-wall turbulent fluctuations thus offers prospects for substantial energy saving, but also requires a solid understanding of the physical phenomena.Among the most promising control strategies, the present manuscript focuses on riblet-covered surfaces. Even though their drag-reducing capability has been observed from decades, the mechanisms by which they interact with the near-wall turbulent motions still need to be clarified. Towards these ends, a numerical method for ensuring their proper simulation is developed. The virtual origin—interpreted as the equivalent flat wall location—is redefined, which highlights a strong similarity between the controlled and the canonical flows. As a practical interest, this similarity enables an improved evaluation of the drag reduction capabilities achievable at high Reynolds numbers.Additionally, the promising potential for three-dimensional riblets is examined. Based on the scattered precursory results of the literature, we intend to come up with a design which demonstrates optimal drag reduction capabilities under the constraint of industrial feasibility. For each of the prospected innovative designs, the numerical simulations accurately reveal that the potential profit on skin-friction is consistently exceeded by the harmful influence of pressure stresses., Motivée par les contraintes économiques et les exigences environnementales, l'industrie du transport tente de réduire ses dépenses énergétiques. Elle concentre notamment ses efforts sur la traînée de frottement. Bien que d'origine visqueuse, celle-ci est fortement amplifiée par les mouvements turbulents. La capacité à manipuler les fluctuations turbulentes, complexes et chaotiques, offre alors des perspectives de gain énergétique substantiel, mais nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques. Parmi les stratégies de contrôle les plus prometteuses, l'utilisation de revêtements rainurés, nommés riblets, est étudiée dans ce mémoire. Bien que leur capacité de réduction de frottement soit connue depuis plusieurs décennies, les mécanismes par lesquels ils interagissent avec la turbulence restent à préciser. À ces fins, une méthode pour leur simulation numérique est mise au point. En redéfinissant la position de l'origine virtuelle, c'est-à-dire de la paroi plane équivalente, une forte similitude est établie entre les écoulements contrôlé et canonique. D'un point de vue applicatif, cela permet notamment de quantifier les performances de réduction de traînée atteignables à haut nombre de Reynolds. Enfin, le potentiel a priori prometteur des riblets tridimensionnels est exploré. En s'appuyant sur les rares résultats précurseurs de la littérature, il s'agit de proposer une géométrie industriellement réalisable optimale en termes de réduction de traînée. Pour chacune des géométries novatrices testées, les simulations révèlent avec finesse que les éventuels bénéfices sur le frottement sont systématiquement surpassés par l'influence délétère des efforts de pression.

The context of this study is the optimization of premixed turbulent combustion of syngas for clean energy production. A Bunsen-type CH4/air turbulent premixed burner with a multi-scale grid generator is simulated with different Large Eddy Simulation (LES) strategies and compared to experimental results. A low-Mach formulation of a compressible Navier-Stokes solver based on different numerical methods, ranging from 4th order central finite difference to 5th order advanced WENO schemes, is developed and applied. Classical test cases (1D laminar premixed flame, decaying HIT), and 2D simulations of the turbulent premixed flame are performed to assess the numerical methodology. Implicit LES (ILES), i.e. LES without any explicit subgrid modeling, and explicit LES with the Thickened Flame model and subgrid scale flame wrinkling modelling (TFLES) are applied to simulate numerically the 3D experimental burner. Results show that TFLES with a high-order low dissipation scheme predicts quite well the experimental flame length and flame surface density. ILES with advanced WENO schemes produces a slightly shorter although realistic flame provided the grid spacing is of order of the laminar flame thickness. The representation of flame/turbulence interactions in TFLES and ILES are however quite different.; Le contexte de cette étude est l’optimisation de la combustion turbulente prémélangée de syngaz pour la production propre d’énergie. Un brûleur CH4/air de type bec Bunsen avec forçage turbulent multi-échelles produit par un système de trois grilles, est simulé numériquement par différentes techniques de simulation des grandes échelles (SGE), et les résultats sont comparés à l’expérience. On a développé et appliqué une formulation bas-Mach du solveur Navier-Stokes basé sur différents schémas numériques, allant des différences finies centrées d’ordre 4 à des versions avancées des schémas WENO d’ordre 5. La méthodologie est évaluée sur une série de cas-tests classiques (flamme laminaire 1D prémélangée, turbulence homogène et isotrope en auto-amortissement), et sur des simulations 2D de la flamme turbulente prémélangée expérimentale. Les SGE implicites (ILES), i.e. sans aucune modélisation sous-maille, et explicites avec le modèle de flamme épaissie et un modèle de plissement sous-maille nouvellement élaboré (TFLES), sont appliquées à la simulation 3D du brûleur expérimental. Les résultats montrent que l’approche TFLES avec un schéma d’ordre élevé à faible dissipation numérique prédit correctement la longueur de la flamme et la densité de surface de flamme. La SGE implicite avec un schéma WENO avancé produit une flamme trop courte mais réaliste à condition que la taille de la maille soit de l’ordre de l’épaisseur de flamme laminaire. La représentation des interactions flamme/turbulence est néanmoins très différente entre TFLES et ILES.

The knowledge of heat and moisture transfers between the soil, the urban canopy and the atmosphere is a crucial requirement for the study of urban microclimatology. Within the urban context, where suburban districts are generally highly heterogeneous, the local measurement of these turbulent fluxes on a meteorological tower cannot be clearly interpreted without considering the contribution from the upwind surfaces. Several approaches are available for the determination of the source areas and their contribution to the measurement by means of the footprint function. The method applied in this work is based on large-eddy simulation of a passive scalar dispersion using the atmospheric model ARPS, in which a drag-force approach has been previously developed. This approach does not explicitly account for the presence of buildings, but allows representing the urban canopy influence on the turbulent flow from the ground up to top of the boundary layer, on a simulation domain large enough to cover the entire source area. The transport -diffusion equation has been implemented in this model for the numerical simulation of scalar dispersion. Several simulations of scalar dispersion released from point, line and area sources, within and above the idealised urban canopy have been performed in order to evaluate both the dispersion and footprint computation methods, and also tocompare the results with simple analytical footprint models. An application to a real urban site, where dispersion measurements have been carried out during the experimental campaign FluxSAP, is also presented with the purpose of evaluating the developed numerical tools.; La connaissance des transferts de chaleur et d’humidité entre le sol, la canopée urbaine et l’atmosphère est nécessaire à l’étude des facteurs influençant le microclimat urbain. Lorsque le tissu urbain est hétérogène, la mesure locale des flux turbulents sur un mât météorologique ne peut être analysée sans considérer la contribution des surfaces situées en amont du mât. Différentes approches sont utilisées pour déterminer les zones sources et leur contribution à lamesure par l’intermédiaire de la fonction footprint. La méthode utilisée dans ce travail est basée sur lasimulation des grandes échelles de la dispersion d’un scalaire passif, à l’aide du modèle ARPS dans lequel uneapproche de type porosité-traînée a été précédemment développée. Cette approche ne décrit pas explicitement les bâtiments, mais permet de représenter l’influence de la canopée urbaine sur l’écoulemen, depuis le sol jusqu’en haut de la couche limite et de travailler sur un domaine assez étendu pour englober toute la zone source. L’équation de transport-diffusion a été implémenté dans ce modele pour la simulation de la dispersion du scalaire. Des simulations de la dispersion d’un scalaire émis depuis des sources ponctuelles, linéiques et surfaciques à l’intérieur et au-dessus d’une canopée urbaine idéalisée sont menées pour évaluer la méthode de calcul de la dispersion et la méthode de calcul de la footprint. Une application en site urbain réel où des mesures de dispersion ont été spécialement réaliséesdurant la campagne expérimental FluxSAP est aussi présentée à des fins d’évaluation des outils numériques.

The reliable numerical simulation of hydraulic turbines performance requires : i) to includeinto the conventional RANS computations the effect of the uncertainties existing in practiceon the inflow conditions; ii) to rely on a LES (Large Eddy Simulation) strategy to improve thedescription of turbulence effects when discrepancies between RANS computations and experimentskeep arising even though uncertainties are taken into account. The present workapplies a non-intrusive Uncertainty Quantification strategy (NISP for Non-Intrusive SpectralProjection) to two configurations of practical interest : a Francis turbine distributor, with uncertaininlet flow rate and angle, and a draft-tube of a bulb-type turbine with uncertain inflowconditions (velocity distributions, in particular close to the wall boundaries, and turbulentquantities). The NISP method is not only used to compute the mean value and variance ofquantities of interest, it is also applied to perform an analysis of the variance and identify inthis way the most influential uncertainties. The RANS simulations, verified through a gridconvergence approach, are such the discrepancies between computation and experimentcannot be explained by taking into account the inflow uncertainties for most of the configurationsunder study. Therefore, LES simulations are also performed and these simulations areverified using an original methodology for assessing the quality of the computational grids(since the grid-convergence concept is not relevant for LES). For most of the flows understudy, combining a SGE strategy with a UQ approach yields reliable numerical results. Takinginto account inflow uncertainties also allows to propose a robust optimization strategy forthe Francis turbine distributor under study., La simulation numérique fiable des performances de turbines hydrauliques suppose : i) de pouvoir inclure dans les calculs RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) traditionnellement mis en œuvre l'effet des incertitudes qui existent en pratique sur les conditions d'entrée de l'écoulement; ii) de pouvoir faire appel à une stratégie de type SGE (Simulation des Grandes Echelles) pour améliorer la description des effets de la turbulence lorsque des écarts subsistent entre calculs RANS et résultats d'essai de référence même après prise en compte des incertitudes. Les présents travaux mettent en oeuvre une démarche non intrusive de quantification d'incertitude (NISP pour Non-Intrusive Spectral Projection) pour deux configurations d'intérêt pratique : un distributeur de turbine Francis avec débit et angle d'entrée incertains et un aspirateur de turbine bulbe avec conditions d'entrée (profils de vitesse,en particulier en proche paroi, et grandeurs turbulentes) incertaines. L'approche NISP est utilisée non seulement pour estimer la valeur moyenne et la variance de quantités d'intérêt mais également pour disposer d'une analyse de la variance qui permet d'identifier les incertitudes les plus influentes. Les simulations RANS, vérifiées par une démarche de convergence en maillage, ne permettent pas pour la plupart des configurations analysées d'expliquer les écarts calcul / expérience grâce à la prise en compte des incertitudes d'entrée.Nous mettons donc également en ouvre des simulations SGE en faisant appel à une stratégie originale d'évaluation de la qualité des maillages utilisés dans le cadre d'une démarche de vérification des calculs SGE. Pour une majorité des configurations analysées, la combinaison d'une stratégie SGE et d'une démarche de quantification des incertitudes permet de produire des résultats numériques fiables. La prise en compte des incertitudes d'entrée permet également de proposer une démarche d'optimisation robuste du distributeur de turbine Francis étudié.

Homogeneous and isotropic turbulence was first formalized by Kolmogorov (1941), through dimensional analysis. He managed to show that the spectral density of kinetic energy, E(k), was following a k{-5/3} law. This behaviour is known as Kolmogorov's cascade. For many geophysical and astrophysical flow, kinetic helicity plays an important role. For instance, Parker (1955) showed that for conductive fluids such as Sun, kinetic helicity could contribute to amplify the magnetic field. Brissaud {it et al} (1973) tried to show that kinetic helicity could have an influence on the spectral density of kinetic energy. Through dimensional analysis they suggested the existence of a cascade for which the kinetic energy spectra would follow a k^{-7/3} law. In the first part of this thesis we will confirm thanks to Direct Numerical Simulations (DNS) the existence of such an asymptotic limit in k^{-7/3}. We will also use helical decomposition to perform a deep analysis of the physics encountered within such flows. In several geophysical and astrophysical fluids, turbulence is very strong, and involves a large range of scales. Despite the strong development of computational resources the last few decades, it remains impossible to simulate this range of scales for realistic configurations. One solution is known as Large Eddy Simulations (LES). While a LES is performed, only the large scales of the flow are resolved, and the interactions between large and small scales are modeled. Several turbulence models have been developed for LES of turbulence. Nevertheless, the limitations of these models are not always well known for magnetohydrodynamic (MHD) turbulence, i.e for conductive fluids that can be encoutered in geophysics and astrophysics. In the second part of this thesis we will evaluate the functional performances (see Sagaut (2002)) of these models for several flow configurations involving turbulent dynamo action, i.e when a magnetic field is amplified though the action of a turbulent conductive fluid. In particular we will study the capabilities of LES models to reproduce energy exchanges between large and small scales. In order to do so, we will perform several DNS, for both non-helical flows (i.e leading to small scale dynamo) and helical flows (i.e leading to large scale dynamo). Thanks to a filtering operation we will compute the exact subgrid-scale transfers and compare them to the predictions given by several models. Finally we will achieve LES using subgrid-scale models and we will compare them to filtered DNS., La turbulence homogène et isotrope fut formalisée par Kolmogorov (1941), à l'aide d'une analyse dimensionnelle. Il parvint à démontrer que la densité spectrale de l'énergie cinétique, E(k) suivait une loi en k{-5/3}. Ce comportement est connu sous le nom de cascade de Kolmogorov. Dans de nombreux contexte géophysique ou astrophysiques, l'hélicité cinétique joue un rôle important. Parker (1955) a notamment démontré que l'hélicité cinétique pouvait contribuer à l'amplification d'un champ magnétique pour des écoulements conducteurs. Brissaud {it et al} (1973) ont alors tenté de déterminer l'influence que l'hélicité cinétique pouvait avoir sur les spectres d'énergie cinétique. Brissaud {it et al} (1973) suggèrent l'existence d'une cascade pour laquelle les spectres d'énergie cinétique suivent une loi en k^{-7/3}. Dans la première partie de ce manuscrit nous allons confirmer à l'aide de simulations numériques directes (DNS) l'existence d'une loi asymptotique en k^{-7/3}. Nous aurons également recourt à la décomposition en modes hélicitaires afin d'analyser de manière approfondie la physique qui régit ces écoulements. Dans de nombreux écou-le-ments géophysique ou astrophysiques, la turbulence est très forte, et une très large gamme d'échelles est impliquée. Bien que la puissance des calculateurs ait considérablement augmentée ces dernières années, il n'est toujours pas possible de simuler l'ensemble de cette gamme d'échelles pour des configurations réalistes. Une solution connue sous le nom de Large Eddy Simulations (LES) permet de réaliser des simulations de ce type d'écoulement. Concrètement, lors de la réalisation d'une LES, les grandes échelles de l'écoulement sont résolues, et les interactions entre les grandes et les petites échelles de l'écoulement sont modélisées. Divers modèles de turbulence existent déjà pour la réalisation de LES en turbulence. Néanmoins leurs limites ne sont pas toujours bien connues dans le cadre de la turbulence magnétohydrodynamique (MHD), c'est-à-dire pour les fluides conducteurs de l'électricité que l'on rencontre en géophysique ou astrophysique. Dans la seconde partie de ce manuscrit nous allons donc évaluer les performances fonctionnelles (voir Sagaut (2002)) de ces différents modèles dans des configurations correspondant à des dynamos turbulentes, c'est-à-dire à des régimes où un champ magnétique est généré par un fluide conducteur animé d'un mouvement turbulent. Nous étudierons notamment la capacité des modèles LES à reproduire les échanges énergétiques entre grandes et petites échelles. Pour ce faire, nous réaliserons plusieurs DNS, pour des écoulements non-hélicitaires (menant à des dynamos de petites échelles) et des écoulements hélicitaires (menant à des dynamos de grandes échelles). `A l'aide d'une opération de filtrage, nous calculerons les transferts sous-mailles exacts, puis les comparerons aux prédictions fournies par les modèles. Finalement nous réaliserons des LES à l'aide des différents modèles et nous les comparerons aux DNS filtrées.

To know how trees behave under windload is important to understand the impact of a windstorm on a forest and identify strategies for limiting wind damage. In order to improve our understanding of wind-tree interaction at the landscape scale, mathematical and mechanical modelling of this interaction is essential, as performing numerous specific measurements in a heterogeneous environment is not feasible.Thus, this thesis first presents the development of an original and innovative tree motion model able to simulate large deflections occurring during storms. This model allows trees to break and has sufficient simplicity to allow simulations of forest motion containing a large number of trees. This model was then coupled to an atmospheric flow model in order to represent wind storm conditions. It has been used to simulate wind-forest interaction at landscape scale. For the first time, the dynamic creation and propagation of gaps in a forest have been simulated realistically, along with the resulting wind flow modifications. Finally, further studies have demonstrated the efficiency of our model for studying the impact of forest management practices on forest vulnerability to storms.In conclusion, this new model has allowed significant advances in forest motion modelling and in the understanding of the phenomena involved during a windstorm. This knowledge should be a good basis for defining best practices in forestry management., La connaissance de la réponse au vent des arbres est importante pour mieux comprendre l'impact d'une tempête sur un massif forestier et identifier des stratégies visant à limiter les dégâts. Pour améliorer notre compréhension de l'interaction vent-plantes à l'échelle du paysage, la modélisation mathématique et mécanique de cette interaction est indispensable, la multiplication de mesures ponctuelles dans un environnement hétérogène étant difficilement réalisable. Ainsi, cette thèse présente d'abord le développement d'un modèle original et novateur du mouvement de l'arbre permettant de simuler les grandes déflexions se produisant lors de tempêtes, et ce jusqu'à la rupture, le tout avec suffisamment de simplicité dans la simulation du mouvement de forêts contenant un grand nombre d'arbres. Ensuite, ce modèle a été couplé à un modèle d'écoulement atmosphérique pour représenter les conditions de tempêtes et a permis de simuler l'interaction vent-forêt à l'échelle du paysage. Pour la première fois, la création dynamique et l'expansion de trouées dans une forêt, avec la modification de l'écoulement du vent qui en résulte, ont été simulées de manière réaliste.La suite de ce travail a montré le potentiel de notre modèle pour étudier l'impact des pratiques de gestion forestière sur la vulnérabilité des forêts face aux tempêtes.En conclusion, ce nouveau modèle apporte des avancées significatives dans la modélisation du mouvement de forêt et dans la compréhension des phénomènes en jeu lors d'une tempête. Cette connaissance devrait être une bonne base pour la définition de meilleures pratiques de gestion des forêts.

The increasing demand to reduce the mass of aircraft jet engines and emissions of aircraft propulsion requires to make the compression system of engines more compact, since this component accounts for about 40%-50% of the total mass. However, at a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages will raise the compressor blade loading per stage. The blade loading is extremely restricted by different three-dimensional flow loss mechanisms. One of them is the corner separation that forms between the blade suction side and the hub or shroud. Although some works previously investigated the mechanisms and the parameters of corner separation, it is still difficult to propose an effective control method of the corner separation. That is mainly due to two reasons: (i) the lack of knowledge of the physical mechanisms, (ii) the nowadays classical RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) turbulence models are not capable to accurately predict the corner separation, since they cannot correctly describe the turbulent transport mechanisms. RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) and LES (large-eddy simulation) simulations are here presented on a compressor cascade configuration, in comparison with experimental data obtained at LMFA (from separate works). The RANS approach globally over-estimates the corner separation, whereas a significant improvement is achieved with the LES, especially for the blade surface static pressure coefficient and the total pressure losses. The corner separation region, which is the main source of the total pressure losses, is shown to generate large-scale energy-containing eddies. The bimodal histograms of the streamwise velocity that were observed experimentally seem to be confirmed by the LES results. Concerning the streamwise velocity fluctuations (RMS), both the experiment and the LES show some profiles with two peaks. Finally, thanks to the LES approach, the turbulent kinetic energy budget, which represents the balance between the production, dissipation and transport terms, are computed and analyzed. This may help the improvement of RANS turbulence modeling., La demande croissante pour alléger les moteurs d’avions et diminuer les émissions polluantes de la propulsion aéronautique réclame à rendre plus compact le système de compression des moteurs, qui représente environ 40%-50% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étage exige d’un point de vue aérodynamique une augmentation de la charge des aubes de compresseur par étage. La charge d’aube est aujourd’hui limitée car elle induit différents mécanismes de pertes tridimensionnelles très pénalisant. L’un des plus importants est le décollement de coin qui se forme à la jonction entre l’extrados de l’aube et le moyeu ou le carter. Bien que des travaux existent sur les mécanismes et paramètres intervenant dans le décollement de coin, il est encore difficile de proposer une méthode de contrôle efficace. Cela est principalement dû à deux raisons : (i) le manque de compréhension fine des mécanismes physiques, (ii) l’utilisation pour la conception de modèles de turbulence classiques de type RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) qui ne sont pas capables de prédire précisément le décollement de coin, car ils ne peuvent pas décrire correctement les mécanismes de transport turbulent. Des simulations de type RANS et LES (large-eddy simulation = simulation des grandes échelles) sont présentées dans cette thèse sur une configuration de grille d’aubes de compresseur, et comparées avec les données expérimentales obtenues au LMFA (issues de travaux séparés). L’approche RANS surestime globalement le décollement de coin. Une amélioration significative est obtenue par la méthode LES, en particulier pour le coefficient de pression statique sur l’aube et les pertes de pression totale. Ces résultats montrent que la zone de décollement de coin, qui est la source principale des pertes, génère des tourbillons de grande échelle associés à de forts niveaux d’énergie. Les histogrammes bimodaux de la vitesse tangentielle qui ont été observés expérimentalement semblent confirmés par les résultats LES. En ce qui concerne les amplitudes des fluctuations de vitesse tangentielle, les résultats expérimentaux et ceux de la LES mettent en évidence deux pics sur certains profils perpendiculaires aux parois. Enfin, grâce à l’approche LES, les bilans de l’énergie cinétique turbulente sont calculés et analysés. Ils décrivent l’équilibre entre les termes de production, de dissipation et de transport. Une des perspectives de cette analyse est d’aider à améliorer la modélisation de la turbulence en approche RANS.

The increasing demand to reduce the mass of aircraft jet engines and emissions of aircraft propulsion requires to make the compression system of engines more compact, since this component accounts for about 40%-50% of the total mass. However, at a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages will raise the compressor blade loading per stage. The blade loading is extremely restricted by different three-dimensional flow loss mechanisms. One of them is the corner separation that forms between the blade suction side and the hub or shroud. Although some works previously investigated the mechanisms and the parameters of corner separation, it is still difficult to propose an effective control method of the corner separation. That is mainly due to two reasons: (i) the lack of knowledge of the physical mechanisms, (ii) the nowadays classical RANS turbulence models are not capable to accurately predict the corner separation, since they cannot correctly describe the turbulent transport mechanisms. RANS and LES simulations are here presented on a compressor cascade configuration, in comparison with experimental data obtained at LMFA (from separate works). The RANS approach globally over-estimates the corner separation, whereas a significant improvement is achieved with the LES, especially for the blade surface static pressure coefficient and the total pressure losses. The corner separation region, which is the main source of the total pressure losses, is shown to generate large-scale energy-containing eddies. The bimodal histograms of the streamwise velocity that were observed experimentally seem to be confirmed by the LES results. Concerning the streamwise velocity fluctuations (RMS), both the experiment and the LES show some profiles with two peaks. Finally, thanks to the LES approach, the turbulent kinetic energy budget, which represents the balance between the production, dissipation and transport terms, are computed and analyzed. This may help the improvement of RANS turbulence modeling., La demande croissante pour alléger les moteurs d'avions et diminuer les émissions polluantes de la propulsion aéronautique réclame à rendre plus compact le système de compression des moteurs, qui représente environ 40%-50% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d'étage exige d'un point de vue aérodynamique une augmentation de la charge des aubes de compresseur par étage. La charge d'aube est aujourd'hui limitée car elle induit différents mécanismes de pertes tridimensionnelles très pénalisant. L'un des plus importants est le décollement de coin qui se forme à la jonction entre l'extrados de l'aube et le moyeu ou le carter. Bien que des travaux existent sur les mécanismes et paramètres intervenant dans le décollement de coin, il est encore difficile de proposer une méthode de contrôle efficace. Cela est principalement dû à deux raisons : (i) le manque de compréhension fine des mécanismes physiques, (ii) l'utilisation pour la conception de modèles de turbulence classiques de type RANS qui ne sont pas capables de prédire précisément le décollement de coin, car ils ne peuvent pas décrire correctement les mécanismes de transport turbulent. Des simulations de type RANS et LES sont présentées dans cette thèse sur une configuration de grille d'aubes de compresseur, et comparées avec les données expérimentales obtenues au LMFA (issues de travaux séparés). L'approche RANS surestime globalement le décollement de coin. Une amélioration significative est obtenue par la méthode LES, en particulier pour le coefficient de pression statique sur l'aube et les pertes de pression totale. Ces résultats montrent que la zone de décollement de coin, qui est la source principale des pertes, génère des tourbillons de grande échelle associés à de forts niveaux d'énergie. Les histogrammes bimodaux de la vitesse tangentielle qui ont été observés expérimentalement semblent confirmés par les résultats LES. En ce qui concerne les amplitudes des fluctuations de vitesse tangentielle, les résultats exprimentaux et ceux de la LES mettent en évidence deux pics sur certains profils perpendiculaires aux parois. Enfin, grâce à l'approche LES, les bilans de l'énergie cinétique turbulente sont calculés et analysés. Ils décrivent l'équilibre entre les termes de production, de dissipation et de transport. Une des perspectives de cette analyse est d'aider à améliorer la modélisation de la turbulence en approche RANS.

Airflow through the human upper airways is essential for life and for oral communication. In studies dealing with human speech production, airflow is mostly severely simplified. Nevertheless, this airflow is complex owing to turbulence and extreme sensitivity to boundary conditions. Recently, deeper attention has been given to characterize the airflow in the case of unvoiced fricative production and the necessity of obtaining a more detailed flow description has been outlined. With the aid of in-vitro experiments and numerical simulations, the aim of the current PhD research is to contribute to the aeroacoustic modeling and characterization of airflows through various configurations of ducts with obstacle(s), relevant for unvoiced fricative speech production. Special interest is given to the influence of boundary conditions and to turbulence., L'air que nous respirons au travers des voies aériennes supérieures est essentiel pour la vie et pour la communication orale. Dans les études de production de parole humaine, l'écoulement d'air est en général extrêmement simplifié. Or cet écoulement est complexe car turbulent et fortement sensible aux conditions limites. Dans le cas de la production de fricatives non voisées, une description plus fine de l'écoulement s'avère nécessaire pour pouvoir modéliser correctement les mécanismes aéroacoustiques sous-jacents. A l'aide d'expériences in-vitro et de simulations numériques, l'objectif de cette thèse est de contribuer à la modélisation et la caractérisation aéroacoustique d'écoulements dans des configurations de type canal avec obstacle(s), avec application à la production de fricatives non voisées. Une attention toute particulière est portée à l'influence des conditions limites et à la turbulence.