REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DE QUELQUES METHODES DE CALCUL DES ECOULEMENTS AXISYMETRIQUES. CONSTRUCTION DE L'ECOULEMENT POTENTIEL AUTOUR D'OBSTACLES DE REVOLUTION, PAR LA METHODE DES SINGULARITES. PRESENTATION D'UN MODELE DE DECOLLEMENT DE CALCUL DE NAPPES, PAR LA METHODE DE LA DISCRETISATION TOURBILLONNAIRE ETENDUE AUX ECOULEMENTS AXYSYMETRIQUES. APPLICATION DU MODELE AU CALCUL DE LA TRAINEE ET DES PERTES DE CHARGE INSTATIONNAIRES AU VOISINAGE D'UNE SOUPAPE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.
LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES
CE TRAVAIL A POUR OBJECTIF SIMULER ET ETUDIER LES ECOULEMENTS COMPRESSIBLES TURBULENTS AXISYMETRIQUES D'ARRIERE-CORPS. POUR PRENDRE EN COMPTE L'EFFET DE LA TURBULENCE, LE MODELE K-E DE CHIEN ET LE MODELE DES EQUATIONS DU TENSEUR DE REYNOLDS DE HANJALIC ET LAUNDER ONT ETE INCORPORES DANS UN CODE NAVIER-STOKES EXISTANT. CE CODE EST BASE SUR UNE GENERALISATION DU SOLVEUR DE RIEMANN APPROCHE DE ROE, A ADAPTER POUR LES MODELES AUX EQUATIONS DE TRANSPORT TURBULENT. UNE VALIDATION DE LA PARTIE PARABOLIQUE SUR DES COUCHES LIMITES COMPRESSIBLES ET DE LA PARTIE HYPERBOLIQUE SUR DES ECOULEMENTS DERRIERE UNE MARCHE DESCENDANTE PLANE ET D'ARRIERE-CORPS AXISYMETRIQUE A ETE EFFECTUEE. LE SCHEMA DE ROE NE PERMETTANT PAS DE CONSERVER LA POSITIVITE DU TENSEUR DE REYNOLDS, LE SCHEMA HLLE A ETE DONC INTRODUIT. AINSI, NOUS AVONS DISCUTE, A TRAVERS UNE SIMULATION D'UN ECOULEMENT AXISYMETRIQUE D'ARRIERE-CORPS EN COMPARANT AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES DE HERRIN ET DUTTON, LA PERFORMANCE DES MODELES DE TURBULENCE ET LEUR COMPORTEMENT, AINSI QUE LA PERFORMANCE DES SCHEMAS AVEC LE MEME MODELE AU SECOND ORDRE
L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR D'UN PROFIL D'AILE A FORTE INCIDENCE A ETE ETUDIE POUR UN FLUIDE INCOMPRESSIBLE. LA CONFIGURATION DU PROFIL D'AILE A ETE PLACEE DANS UN ECOULEMENT UNIFORME STATIONNAIRE OU OSCILLANT EN TAMIS. LA MISE EN UVRE D'UN LOGICIEL DE CALCUL EST EFFECTUEE EN MAILLAGE CURVILIGNE DE TYPE H, PRECIS AU SECOND ORDRE TEMPOREL ET SPATIAL, PERMETTANT LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES COMPLETES POUR UN SILLAGE DE GEOMETRIE COMPLEXE, AFIN DE PREDETERMINER LA NAISSANCE D'INSTABILITES, DU DECOLLEMENT INSTATIONNAIRE ET DES STRUCTURES ORGANISEES DU SILLAGE A DES NOMBRES DE REYNOLDS MODERES. DANS CE CONTEXTE, UNE ANALYSE PHYSIQUE DES PROPRIETES DE L'ECOULEMENT A LA SORTIE DU DOMAINE A PERMIS DE DEVELOPPER DES CONDITIONS LIMITES NON-REFLECTIVES, EN ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE ET INSTATIONNAIRE, DANS LE SYSTEME DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. CE TYPE DE CONDITIONS LIMITES A PERMIS D'UTILISER UNE DISTANCE RAISONNABLE A L'AVAL ET D'EFFECTUER DES ECONOMIES NOTABLES SUR LE TEMPS DE CALCUL. AINSI IL MINIMISE LES EFFETS DE RETROACTION ET DE CONFINEMENT ARTIFICIEL. LE DEVELOPPEMENT DU MODELE DE TURBULENCE INSTATIONNAIRE A DEUX EQUATIONS EST EFFECTUE SUR LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES EN MOYENNE DE PHASE POUR LES NOMBRES DE REYNOLDS ELEVES. CETTE METHODOLOGIE PERMET DE CALCULER LES EFFETS FORTEMENT INSTATIONNAIRES (ECOULEMENT TURBULENT EN TAMIS) POUR UNE GEOMETRIE COMPLEXE. UN TRAITEMENT DE MODELE A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS EST INCLUS. UNE MODELISATION POUR LE TERME DE PRODUCTION D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE, EN FONCTION DU ROTATIONNEL LOCAL, EST PROPOSEE D'APRES DES CONSIDERATIONS PHYSIQUES, AFIN DE SURMONTER LE PROBLEME DE LA SURPRODUCTION D'ENERGIE TURBULENTE DANS LA REGION AU VOISINAGE DU POINT D'ARRET. L'ENSEMBLE DES RESULTATS OBTENUS MONTRENT L'EFFICACITE DE CETTE APPROCHE POUR LA PREDETERMINATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES, DECOLLES EN SITUATION NATURELLE ET FORCEE
LA PRESENTE ETUDE A POUR ORIGINE LES PROBLEMES DE TENUE EN FATIGUE DE CERTAINS ECHANGEURS THERMIQUES. NOUS NOUS PROPOSONS D'ABORDER LE PROBLEME SIMPLIFIE DES ECOULEMENTS ISOTHERMES LAMINAIRES ET TURBULENTS D'UN FLUIDE VISQUEUX ET INCOMPRESSIBLE AUTOUR DE CYLINDRES. UN CODE DE SIMULATION NUMERIQUE (DENOMME OCEANE) BASE SUR LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE LA MECANIQUE DES FLUIDES EST ELABORE. SA FORMULATION RETIENT UNE DISCRETISATION SPATIALE EN VOLUMES FINIS EN VARIABLES PRIMITIVES ENTRELACEES ET UN SCHEMA TEMPOREL PREDICTEUR-CORRECTEUR. APRES VALIDATION, CE CODE EST APPLIQUE A L'ETUDE DE L'INFLUENCE DU NOMBRE DE L'INFLUENCE DU NOMBRE DE REYNOLDS (COMPRIS ENTRE 66 ET 300) SUR LA STRUCTURE DE L'ECOULEMENT AUTOUR D'UN CYLINDRE CIRCULAIRE CONFINE DANS UN CANAL. LA MODELISATION DE LA TURBULENCE EST ABORDEE PAR DES MODELES LINEAIRES ET NON LINEAIRES DE TYPE K-EPSILON AVEC UN CODE (FLORIDE) EN VARIABLES NON ENTRELACEES (CALCUL DES FLUX SUIVANT LA METHODE DE RHIE). FINALEMENT, UNE NOUVELLE METHODE DE CALCUL BASEE SUR UNE SEPARATION DES ECHELLES DE TEMPS RAPIDE ET LONGUE EST DEVELOPPEE. LES ECHELLES RAPIDES CORRESPONDANT AUX VARIATIONS PERIODIQUES SONT DECRITES EN SERIE DE FOURIER, LES ECHELLES LENTES PAR UNE METHODE D'INTEGRATION PAS A PAS. LE CODE (SPITFIRE) CONSTRUIT SUR CE PRINCIPE EST APPLIQUE A L'ETUDE DE L'INSTABILITE DE BENARD VON KARMAN DANS LE SILLAGE D'UN CORPS
CETTE ETUDE EST CONSACREE A LA SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES D'UN FLUIDE COMPRESSIBLE, VISQUEUX ET NON-VISQUEUX. DANS UN PREMIER TEMPS, ON SE PLACE DANS UN CADRE MONODIMENSIONNEL ET L'ON S'INTERESSE A LA MISE AU POINT DE SCHEMAS NUMERIQUES SUFFISAMMENT PRECIS POUR PERMETTRE LA SIMULATION D'ECOULEMENTS DE FLUIDES EN REGIME INSTATIONNAIRE. ON PRESENTE ENSUITE L'EXTENSION DE CES SCHEMAS AU CAS BIDIMENSIONNEL LORSQUE L'ECOULEMENT DU FLUIDE EST MODELISE PAR LE SYSTEME DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. LA DISCRETISATION SPATIALE EST DU TYPE MIXTE ELEMENTS/VOLUMES FINIS SUR DES MAILLAGES TRIANGULAIRES NON-STRUCTURES. ON ETUDIE ENFIN LA MISE EN UVRE DE SIMULATIONS NUMERIQUES SUR UNE ARCHITECTURE MASSIVEMENT PARALLELE DE TYPE SYNCHRONE. DANS LE CAS OU L'ON UTILISE DES GRILLES DE CALCUL IRREGULIERES, UNE ATTENTION PLUS PARTICULIERE DOIT ETRE PORTEE A LA GESTION DES COMMUNICATIONS SI L'ON NE VEUT PAS VOIR LES PERFORMANCES DE CE TYPE DE MACHINE SE DEGRADER DE FACON DRAMATIQUE
On presente un modele navier-stokes incompressible tridimensionnel reposant sur un schema precis au second ordre en temps et en espace et sur une resolution rapide de l'equation de poisson pour la pression. Ce modele a ete valide sur plusieurs cas d'instabilites hydrodynamiques classiques susceptibles d'etre presentes dans des ecoulements internes. Le premier cas est l'instabilite de couche de melange. La validation du modele repose sur la comparaison des resultats obtenus avec les resultats experimentaux de winant et browand. Une analyse spatiale et temporelle des grandes structures de l'ecoulement a permis de verifier la loi de stabilite de moore et saffman. Le second cas est l'instabilite de sillage. La validation repose sur la comparaison de nos resultats avec les resultats experimentaux de sato et kuriki. Suivant le maillage et le profil d'entree, les caracteristiques du sillage proche ou lointain ont pu etre observees. On a verifie qu'une perturbation d'entree est correctement prise en compte. Le troisieme cas est l'instabilite de dean, instabilite presente une conduite, de section rectangulaire, coudee a 180\. On a observe, au dela d'un reynolds critique, le declenchement de l'instabilite de dean : sur l'ecoulement secondaire deux structures a petites echelles viennent s'additionner aux structures initiales. Cette validation tridimensionnelle sur les ecoulements dans les conduites coudees de sections rectangulaires, a ete realisee a partir des resultats experimentaux de humphrey, taylor et whitelaw (conduite a 90\) ainsi que de hille, vehrenkamp et schulz-dubois (conduite a 180\). La simulation d'un ecoulement interne a un canal inter-aube defini par une geometrie helicoidale a permis de tester le modele sur une geometrie reelle.
LA TRANSITION A LA TURBULENCE EN ECOULEMENTS CISAILLES COMPRESSIBLES EST ABORDEE A L'AIDE DE SIMULATIONS NUMERIQUES DES GRANDES ECHELLES. UN CODE AUX DIFFERENCES FINIES RESOLVANT DE MANIERE EXPLICITE LES EQUATIONS INSTATIONNAIRES TRIDIMENSIONNELLES COMPLETES DE NAVIER-STOKES ET DE L'ENERGIE EST DEVELOPPE EN GEOMETRIE CURVILIGNE. GRACE A UN MODELE SOUS MAILLE DERIVE DU MODELE DE LA FONCTION DE STRUCTURE (METAIS ET LESIEUR, 1992, J. FLUID MECH., 239, PP. 157-194), NOUS AVONS SIMULE, DE FACON DETERMINISTE, LE DEVELOPPEMENT D'UNE COUCHE LIMITE LAMINAIRE A MACH 0,5 DU BORD D'ATTAQUE D'UN DIEDRE CHAUFFE JUSQU'A SA TRANSITION A LA TURBULENCE. SON EVOLUTION TRIDIMENSIONNELLE, A TRAVERS NOTAMMENT LA FORMATION DE STRUCTURES COHERENTES PERDURANT DANS L'ECOULEMENT TURBULENT, EST EXPLOREE ESSENTIELLEMENT A L'AIDE DE VISUALISATIONS GRAPHIQUES TRIDIMENSIONNELLES. CES MEMES TECHNIQUES SONT ENSUITE APPLIQUEES A UN PROBLEME INDUSTRIEL CONCERNANT LE VOLET ARRIERE DE LA NAVETTE HERMES ET S'APPARENTANT A UNE RAMPE DE COMPRESSION. IL EST MIS EN EVIDENCE, POUR LA PREMIERE FOIS NUMERIQUEMENT, LA PRESENCE ET LE DEVELOPPEMENT SPATIAL ORGANISE DE TOURBILLONS DE GORTLER IMPACTANT LE VOLET. GRACE A UNE RESOLUTION SPATIALE ET TEMPORELLE PLUS FINE QUE CELLE DES EXPERIENCES, NOUS AVONS MONTRE L'EXISTENCE DE FORTES VARIATIONS DES FLUX DE CHALEUR A LA PAROI INDUITES PAR CES TOURBILLONS
A L'HEURE ACTUELLE, LES PHENOMENES D'INSTABILITES VIBRATOIRES DANS LES TURBOMACHINES ET INSTALLATIONS INDUSTRIELLES, JOUENT UN ROLE IMPORTANT AU NIVEAU DES ETUDES ET DEVELOPPEMENTS DE PRODUITS NOUVEAUX. DANS CE CONTEXTE, UN CALCUL D'ECOULEMENT BIDIMENSIONNEL, INCOMPRESSIBLE ET INSTATIONNAIRE AVEC MAILLAGE CURVILIGNE GENERAL MOBILE ET DEFORMABLE A ETE DEVELOPPE. LA METHODE DES VOLUMES FINIS EST EMPLOYEE POUR LA RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS DE TRANSPORT DE L'ECOULEMENT DE FLUIDE, ASSOCIEES A UN MODELE DE FERMETURE DE LA TURBULENCE DE TYPE K-EPSILON ET A DES LOIS DE PAROI CLASSIQUES. POUR LES DISCRETISATIONS SPATIALE ET TEMPORELLE, LE CALCUL NUMERIQUE UTILISE RESPECTIVEMENT, UN SCHEMA DE SECOND ORDRE (QUICK) ET UN SCHEMA TOTALEMENT IMPLICITE. LE TRAITEMENT DU COUPLAGE VITESSE-PRESSION EST REALISE PAR LA PROCEDURE ITERATIVE SIMPLER. APRES SA VALIDATION, LE CODE NUMERIQUE A ETE COUPLE FORTEMENT AU CALCUL DE LA REPONSE DYNAMIQUE D'UNE STRUCTURE RIGIDE OSCILLANT ELASTIQUEMENT. AINSI, DES PHENOMENES D'INTERACTION FLUIDE-STRUCTURE COMME L'AMORTISSEMENT DYNAMIQUE OU ENCORE L'EFFET DE LA MASSE AJOUTEE ONT PU ETRE SIMULES. LES DIFFERENTES CAPACITES DE CE MODE NUMERIQUE A MODELISER DES PHENOMENES D'INSTABILITES HYDROELASTIQUES ONT ETE MIS EN EVIDENCE, A TRAVERS NOTAMMENT UNE PREMIERE APPLICATION AU CAS D'UN PROFIL D'AVANT DIRECTRICE DE TURBINES HYDRAULIQUES
LES PERFORMANCES CROISSANTES DES TURBOMACHINES HYDRAULIQUES NECESSITENT UNE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES, SUBCAVITANTS ET CAVITANTS, ABORDEE ICI EN BIDIMENSIONNEL PAR UNE DISCRETISATION VOLUMES FINIS DES EQUATIONS D'EULER, SUR UN MAILLAGE CURVILIGNE ORTHOGONAL. UN MODELE DIPHASIQUE 2D-1FL DE POCHES DE CAVITATION A ETE DEVELOPPE, AINSI QU'UN ALGORITHME IMPLICITE POUR UN ECOULEMENT ALLANT DE L'INCOMPRESSIBLE AU SUPERSONIQUE. LES RESULTATS SUBCAVITANTS ONT ETE COMPARES A DES EXPERIENCES DE PROFIL OSCILLANT: LA CONFRONTATION EST SATISFAISANTE DANS LE CAS OU LES EFFETS VISQUEUX SONT NEGLIGEABLES, ET SOULIGNE L'INTERET DES SCHEMAS DE DISCRETISATION DU SECOND ORDRE (QUICK, SMART...), PAR RAPPORT AU SCHEMA AMONT. LES CALCULS DE CAVITATION INSTATIONNAIRE MENENT, SANS APPORT EMIRIQUE, A DES POCHES PULSANTES ET DES STRUCTURES DIPHASIQUES TOURBILLONNAIRES ENTRAINEES, QUI ONT ETE OBSERVEES EXPERIMENTALEMENT DANS D'AUTRES ETUDES
