MODELISATION DE LA TURBULENCE EN ECOULEMENTS STRATIFIES POUR L'ATMOSPHERE URBAINE PDF Download
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Author: BRUNO.. ABART
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Languages : fr
Pages : 414
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CETTE THESE CONCERNE LA MODELISATION STATISTIQUE DE LA TURBULENCE SOUMISE A UNE STRATIFICATION THERMIQUE. S'INSCRIVANT DANS LA PERSPECTIVE D'APPLICATIONS A LA SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS A L'ECHELLE URBAINE, CE TRAVAIL PORTE ESSENTIELLEMENT SUR LA MODELISATION STATISTIQUE AU PREMIER ORDRE. AFIN DE MINIMISER LES EFFETS DE DIFFUSION NUMERIQUE, UNE METHODE DE DISCRETISATION DIRECTE DES OPERATEURS, PRECISE AU SECOND ORDRE SUR MAILLAGE CURVILIGNE, EST CONSTRUITE ET VALIDEE. L'ANALYSE DES EQUATIONS STATISTIQUES DU TENSEUR DE REYNOLDS, DU FLUX DE CHALEUR ET DE LA VARIANCE DE TEMPERATURE, PT2, EN STRATIFICATION STABLE CONDUIT A UNE REPRESENTATION CONCEPTUELLE DE L'ANISOTROPISATION DE LA TURBULENCE ET DES ECHANGES ENTRE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE, TKE, ET L'ENERGIE POTENTIELLE. A L'AIDE DE CETTE REPRESENTATION, RESUMEE PAR UNE ANALOGIE HYDRAULIQUE, UN MODELE TKE-EPS, OU EPS EST LE TAUX DE DISSIPATION DE TKE, POUR LA STRATIFICATION STABLE ET UN MODELE A CINQ EQUATIONS DE TRANSPORT SONT CONSTRUITS. UNE SECONDE STRATEGIE CONSISTE A EFFECTUER UN DEVELOPPEMENT LIMITE DES CORRELATIONS TURBULENTES AUTOUR DE L'ETAT D'ISOTROPE EN FONCTION DE L'ECHELLE DE TEMPS DE LA TURBULENCE TAU = TKE/EPS. CETTE APPROCHE, APPLIQUEE AUX EQUATIONS DE TRANSPORT D'UN MODELE DE SECOND ORDRE, CONDUIT A UN MODELE NON LINEAIRE ORIGINAL UTILISANT LES EQUATIONS DE TRANSPORT POUR TKE, EPS ET PT2. CE DERNIER MODELE EST EXPLICITE ET QUADRATIQUE EN TAU. CONTRAIREMENT AUX MODELES EXPLICITES USUELS QUI SE LIMITENT AUX TERMES QUADRATIQUES HOMOGENES DE LA DYNAMIQUE, IL PRESENTE EXPLICITEMENT LES COUPLAGES DE LA DYNAMIQUE ET DE LA THERMIQUE, ET LES TERMES D'HETEROGENEITE. CES TROIS MODELES ET LES MODELES CLASSIQUES DE PREMIER ET SECOND ORDRE DE LA LITTERATURE SONT ANALYSES SUR UN ECOULEMENT DE REFERENCE TURBULENT, CISAILLE ET STRATIFIE STABLE ETUDIE PAR KALTENBACH ET AL., 1994. LA SIMULATION DE DEUX ECOULEMENTS ATMOSPHERIQUES, PRESENTANT DE FORTES HETEROGENEITES DANS LA COUCHE DE SURFACE, PERMETTENT UNE PREMIERE QUALIFICATION DE CES MODELES POUR L'ATMOSPHERE URBAINE : _ L'EVOLUTION DIURNE DE LA COUCHE LIMITE DE WANGARA (CLARK ET AL., 1971), _ LE DEVELOPPEMENT DE LA TEMPETE DE BOULDER (LILLY ET ZIPSER, 1972). POUR CES ECOULEMENTS DE REFERENCE, LE MODELE NON LINEAIRE A TROIS EQUATIONS SE REVELE LE PLUS APTE A DECRIRE LE COMPORTEMENT DE LA TURBULENCE SOUMISE A UNE STRATIFICATION THERMIQUE.
Author: BRUNO.. ABART
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CETTE THESE CONCERNE LA MODELISATION STATISTIQUE DE LA TURBULENCE SOUMISE A UNE STRATIFICATION THERMIQUE. S'INSCRIVANT DANS LA PERSPECTIVE D'APPLICATIONS A LA SIMULATION NUMERIQUE D'ECOULEMENTS A L'ECHELLE URBAINE, CE TRAVAIL PORTE ESSENTIELLEMENT SUR LA MODELISATION STATISTIQUE AU PREMIER ORDRE. AFIN DE MINIMISER LES EFFETS DE DIFFUSION NUMERIQUE, UNE METHODE DE DISCRETISATION DIRECTE DES OPERATEURS, PRECISE AU SECOND ORDRE SUR MAILLAGE CURVILIGNE, EST CONSTRUITE ET VALIDEE. L'ANALYSE DES EQUATIONS STATISTIQUES DU TENSEUR DE REYNOLDS, DU FLUX DE CHALEUR ET DE LA VARIANCE DE TEMPERATURE, PT2, EN STRATIFICATION STABLE CONDUIT A UNE REPRESENTATION CONCEPTUELLE DE L'ANISOTROPISATION DE LA TURBULENCE ET DES ECHANGES ENTRE L'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE, TKE, ET L'ENERGIE POTENTIELLE. A L'AIDE DE CETTE REPRESENTATION, RESUMEE PAR UNE ANALOGIE HYDRAULIQUE, UN MODELE TKE-EPS, OU EPS EST LE TAUX DE DISSIPATION DE TKE, POUR LA STRATIFICATION STABLE ET UN MODELE A CINQ EQUATIONS DE TRANSPORT SONT CONSTRUITS. UNE SECONDE STRATEGIE CONSISTE A EFFECTUER UN DEVELOPPEMENT LIMITE DES CORRELATIONS TURBULENTES AUTOUR DE L'ETAT D'ISOTROPE EN FONCTION DE L'ECHELLE DE TEMPS DE LA TURBULENCE TAU = TKE/EPS. CETTE APPROCHE, APPLIQUEE AUX EQUATIONS DE TRANSPORT D'UN MODELE DE SECOND ORDRE, CONDUIT A UN MODELE NON LINEAIRE ORIGINAL UTILISANT LES EQUATIONS DE TRANSPORT POUR TKE, EPS ET PT2. CE DERNIER MODELE EST EXPLICITE ET QUADRATIQUE EN TAU. CONTRAIREMENT AUX MODELES EXPLICITES USUELS QUI SE LIMITENT AUX TERMES QUADRATIQUES HOMOGENES DE LA DYNAMIQUE, IL PRESENTE EXPLICITEMENT LES COUPLAGES DE LA DYNAMIQUE ET DE LA THERMIQUE, ET LES TERMES D'HETEROGENEITE. CES TROIS MODELES ET LES MODELES CLASSIQUES DE PREMIER ET SECOND ORDRE DE LA LITTERATURE SONT ANALYSES SUR UN ECOULEMENT DE REFERENCE TURBULENT, CISAILLE ET STRATIFIE STABLE ETUDIE PAR KALTENBACH ET AL., 1994. LA SIMULATION DE DEUX ECOULEMENTS ATMOSPHERIQUES, PRESENTANT DE FORTES HETEROGENEITES DANS LA COUCHE DE SURFACE, PERMETTENT UNE PREMIERE QUALIFICATION DE CES MODELES POUR L'ATMOSPHERE URBAINE : _ L'EVOLUTION DIURNE DE LA COUCHE LIMITE DE WANGARA (CLARK ET AL., 1971), _ LE DEVELOPPEMENT DE LA TEMPETE DE BOULDER (LILLY ET ZIPSER, 1972). POUR CES ECOULEMENTS DE REFERENCE, LE MODELE NON LINEAIRE A TROIS EQUATIONS SE REVELE LE PLUS APTE A DECRIRE LE COMPORTEMENT DE LA TURBULENCE SOUMISE A UNE STRATIFICATION THERMIQUE.
Author: Joris Picot
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Languages : fr
Pages : 157
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La prise en compte des traînées de condensations (contrails) dans les modèles de grande échelle requiert une paramétrisation. Cependant, les données actuelles sont insuffisantes pour cette paramétrisation. La simulation numérique détaillée d'un contrail complète les données et elle contribue à mieux définir ces paramétrisations. Les études des aéronefs ont mis en évidence le rôle de la turbulence atmosphérique dans la dynamique des tourbillons de sillage. Pourtant, la majorité des simulations numériques de contrails réalisées à ce jour utilisent une représentation simplifiée et paramétrée de cette turbulence, plutôt que de la résoudre explicitement. Le travail réalisé ici consiste à mettre en place une simulation de contrail avec une résolution tridimensionnelle de la turbulence atmosphérique. Dans un premier temps, une méthode de forçage stochastique a été mise en place pour engendrer des écoulements turbulents dans un milieu stratifié, et on montre la capacité de cette méthode à reproduire la turbulence de l'atmosphère. Dans un second temps, une simulation de contrail a été mise en place en utilisant la turbulence atmosphérique engendrée précédemment. Les effets du niveaux de turbulence, de la température et de la saturation en vapeur d'eau sur le contrail sont étudiés pour les quatre premières minutes : la turbulence contrôle la destruction des tourbillons de sillage, alors que la saturation et la température contrôlent la persistance et le taux de formation de glace. Les propriétés microphysiques et optiques obtenues sont en accord avec les observations et des lois sont proposées pour adapter ces propriétés aux paramétrisations des modèles de grande échelle.
Author: Stéphane Pugliese
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AFIN DE MODELISER L'INFLUENCE DE LA STRATIFICATION THERMIQUE SUR L'ETENDUE D'UN PANACHE DE FUMEE, UN MODELE DE TURBULENCE DE TYPE K-EPSILON EST ADAPTE A LA SIMULATION DE TELS ECOULEMENTS. APRES AVOIR INTRODUIT LES PRINCIPES PHYSIQUES LIES AUX ECOULEMENTS ATMOSPHERIQUES STRATIFIES, UNE NOUVELLE FONCTION DE PONDERATION DU TERME DE PRODUCTION D'ORIGINE THERMIQUE DANS L'EQUATION DU TAUX DE DISSIPATION EST PROPOSEE. CE TERME PREND EN COMPTE L'ETAT LOCAL DE STRATIFICATION DE L'ATMOSPHERE. L'ANALYSE NUMERIQUE DU MODELE K-EPSILON SUR UN EXEMPLE MONODIMENSIONNEL CONDUIT A LA RESOLUTION DE CE SCHEMA NUMERIQUE PAR UNE METHODE PSEUDO-INSTATIONNAIRE. LA FONCTION DE PONDERATION EST VALIDEE DANS LE CADRE DES RESULTATS OBTENUS DANS LA COUCHE ATMOSPHERIQUE DE SURFACE. ENFIN PLUSIEURS EXEMPLES DE L'INFLUENCE DE L'ETAT DE STRATIFICATION THERMIQUE SUR LA DIFFUSION DU PANACHE SONT SIMULES.
Author: Claire Verdier-Bonnet
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Pages : 198
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DES PROCESSUS COTIERS DE TEMPS CARACTERISTIQUES COMPRIS ENTRE UNE HEURE ET QUELQUES JOURS, TELS QUE LES ECOULEMENTS CREES PAR LE VENT, LA MAREE OU LES GRADIENTS HORIZONTAUX DE DENSITE, SONT ETUDIES A L'AIDE DU MODELE OCKE3D. CELUI-CI RESOUT LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES ECRITES EN MOYENNES DE REYNOLDS SOUS L'APPROXIMATION DE BOUSSINESQ, POUR UN ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE, SANS FAIRE L'HYPOTHESE HYDROSTATIQUE. LE MODELE DE FERMETURE EST DU PREMIER ORDRE A DEUX EQUATIONS SUPPLEMENTAIRES ADAPTEES AUX ECOULEMENTS STRATIFIES. IL EST CORRIGE POUR PRENDRE EN COMPTE LES EFFETS NON ISOTROPES DU MOUVEMENT TURBULENT LIES A LA STRATIFICATION, A LA FORCE DE CORIOLIS ET AUX PETITES PROFONDEURS. POUR LES ECOULEMENTS DE TYPE UPWELLING COTIER, ON OBSERVE QUE SEULS LES EFFETS LIES AUX PETITES PROFONDEURS PEUVENT MODIFIER DE FACON SIGNIFICATIVE L'ECOULEMENT MOYEN. UNE ETUDE COMPLETE DES EFFETS NON-LINEAIRES DUS A LA VARIATION DU COEFFICIENT DE VISCOSITE TURBULENTE OU ENCORE A LA PRISE EN COMPTE DU FROTTEMENT SUR LE FOND A ETE EFFECTUEE POUR LES ECOULEMENTS SUIVANTS: MAREE SE PROPAGEANT AU-DESSUS D'UN FOND PLAT RUGUEUX ET ACTION SIMULTANEE DE LA MAREE ET DU VENT. ON A MIS AINSI EN EVIDENCE QUE LES EFFETS NON-LINEAIRES ENGENDRAIENT UN TRANSFERT D'ENERGIE DE L'ONDE FONDAMENTALE VERS LES PREMIERES HARMONIQUES ET COUPLAIENT L'ACTION DU VENT ET DE LA MAREE. LE MODELE A ENFIN PERMIS DE REPRESENTER LES COURANTS EN BAIE DE BANYULS CREES PAR LA CIRCULATION LIGURO-PROVENCALE AU LARGE ET PAR DES VENTS DE FORTE INTENSITE. UN MODELE DE SUIVI DE PARTICULES UTILISANT LES VITESSES CALCULEES PAR LE CODE OCKE3D A SERVI A DETERMINER LE TAUX DE PERTE LARVAIRE PAR TRANSPORT ADVECTIF EN BAIE DE BANYULS PENDANT LA PHASE PELAGIQUE DE L'ORGANISME MEROPLANCTONIQUE OWENIA FUSIFORMIS POLYCHAETA. ON A MIS EN EVIDENCE ET QUANTIFIE L'INFLUENCE IMPORTANTE DES CONDITIONS DE VENT SUR LE RECRUTEMENT LARVAIRE
Author: Loïc Audren
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Languages : fr
Pages : 224
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Dans la perspective de reproduire la dynamique d’un écoulement turbulent généré par un incendie en tunnel, une modélisation est proposée en prenant compte de l’anisotropie du problème (jet impactant, écoulement stratifié, etc.), ainsi que du rôle des parois sur le plan thermique. Le modèle de turbulence est basé sur celui à 4 équations de Hanjalic, modifié pour une version à haut nombre de Reynolds et couplé à un modèle de rayonnement (équation de transfert radiatif résolue par la Méthode aux Ordonnées Discrètes). De nouvelles conditions limites sont définies θ2 et pour et dans la version à haut nombre de Reynolds, ainsi que pour le couplage turbulence – température à la paroi. Les résultats de simulation sont testés et analysés dans le cas d’une cavité carrée différentiellement chauffée, et la série d’essai incendie en grandeur réelle dans le tunnel de Toulon permet de vérifier la validité du modèle présenté. Une étude est également faite dans le cas d’un incendie en milieu confiné (cas Steckler). Les profils de température et vitesse moyennée, dans le cas de la cavité carrée, du tunnel et de la pièce, montrent de bonnes concordances avec les données expérimentales, notamment sur l’effet de stratification. Le rayonnement thermique joue un rôle important dans le transfert de chaleur aux parois et sur la stratification de l’écoulement.
Author: Abdeljalil Laassibi
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L'objectif de cette étude est de simuler numériquement le comportement des écoulements turbulents dilatables par la méthode des éléments finis. Le choix de la méthode a été adopte pour divers aspects numériques, entre autres sa capacité à décrire les géométries complexes. Après traitement statistique des équations de conservation de la masse, quantité de mouvement et l'équation d'énergie, l'analyse conduit naturellement au problème de fermeture des termes traduisant les effets de compressibilité. Tout d'abord quelques approximations de base ont été introduites afin d'analyser les termes lies aux fluctuations de masse volumique. Ensuite deux types de modélisation ont été établis pour le terme traduisant l'effet d'interaction entre les fluctuations de masse volumique et le gradient de pression moyenne. L’étude montre entre autres, le rôle joue par ce gradient pour les écoulements pesants. Enfin, l'insuffisance du modèle classique (k-) (base sur des scalaires dont aucun n'est représentatif de l'anisotropie) nous a conduit à formuler un modèle algébrique simple tenant compte de l'effet anisotrope de la gravite sur la turbulence. Les applications traitées concernent l'épanouissement d'un jet chaud dans l'atmosphère au repos et l'étude du comportement de la couche atmosphérique cinématique et thermique. Les résultats obtenus ont été confrontes a des expériences ou a des calculs tires de littérature
Author: Fabien Godeferd
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Languages : fr
Pages : 150
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Le travail presenté traite de la turbulence incompressible homogène en présence d'une stratification stable. L'approche de celle-ci s'effectue principalement au moyen d'un modèle statistique en deux points, de type Eddy Damped Quasi Normal Markovian (EDQNM), qui est presenté de manière globale. Ce modèle, en configuration axisymétrique, utilise une décomposition du champ de vitesse fluctuante sur la base des modes propres des équations de boussinesq linéarisées: ondes internes irrotationnelles et mode stationnaire à rotationnel horizontal (mode vortex). Les différents termes d'interactions non linéaires entre modes ondes et vortex dans le transfert pour le spectre des corrélations doubles sont etudiées en détail, de même que la contribution des interactions résonantes à la dynamique non linéaire. L'influence de la stratification sur la turbulence est caractérisée à la fois dans l'espace spectral par une anisotropie de directivité et de polarisation des spectres, et dans l'espace physique au moyen d'échelles intégrales suivant les directions verticale et horizontale. Une simulation cinématique utilisant les propriétés statistiques calculées permet d'appréhender la structuration en couches décorrélées de la turbulence. De plus, grace aux propriétés des ondes de gravité, des liens sont établis avec les écoulements géophysiques dans une approximation géostrophique, ainsi qu'avec des approches d'interactions triadiques non linéaires. Une étude analytique d'interactions purement linéaires entre ondes permet d'etudier la diffusion de l'énergie d'un spectre isotrope par les ondes internes, dans une configuration faiblement non homogène. Finalement, est effectuée une comparaison des quantités en un point calculées au moyen de l'EDQNM, avec le modèle statistique en un point de Craft & Launder pour une turbulence stratifiée, au travers des termes linéaires et non linéaires des corrélations de pression-vitesse et de pression-température
Author: Cédric Dall'Ozzo
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Languages : fr
Pages : 0
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La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets.
Author: Widah Haj-Ibrahim
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Languages : fr
Pages : 219
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Le calcul d'un écoulement turbulent en présence d'un décollement nécessite la résolution numérique des équations de Navier-Stokes et la modélisation de la turbulence. Un code de calcul, développé pour des écoulements internes laminaires et basé sur une méthode de marche itérative pour les équations parabolisées, a été modifié pour simuler des écoulements turbulents. Pour cela, les équations de Navier-Stokes complètes ont été considérées. Pour la mise au point du code numérique, des calculs d'écoulements laminaires décollés (bidimensionnel, subsonique, faiblement compressible) ont été effectués. La longueur de décollement calculée en fonction du nombre de Reynolds dans le cas de la marche descendante est en très bon accord avec les mesures expérimentales. Différents modèles de turbulence ont été introduits moyennant quelques précautions pour conserver la stabilité du calcul. Un schéma à deux couches est adopté : un schéma de longueur de mélange dans les régions de paroi et différents systèmes d'équations de transport ailleurs. À partir des résultats obtenus, le modèle à deux équations de transport, une équation pour l'énergie cinétique de turbulence et une équation pour le frottement turbulent, semble être le plus apte à modéliser la turbulence dans le cas de la marche descendante. Une application à des cas d'écoulement turbulent ou un soufflage affecté le décollement derrière la marche, a mis en évidence la capacité du présent code de calcul à traiter des écoulements plus complexes.
Author: Philippe Chang
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Languages : fr
Pages : 520
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