Paramétrisation de la turbulence dans la couche limite planétaire par un modèle en énergie cinétique turbulente PDF Download

Author: Jean-François Mahfouf
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Languages : fr
Pages : 86

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Author: PETER.. BECHTOLD
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LE POINT IMPORTANT DE CE TRAVAIL EST LA REPRESENTATION DE LA NEBULOSITE DANS LA COUCHE LIMITE PLANETAIRE ETANT DONNE QUE LA NEBULOSITE JOUE UN ROLE CLE DANS LA MODELISATION DU CLIMAT LOCAL ET GLOBAL. UNE PARAMETRISATION DE LA COUCHE LIMITE PLANETAIRE NUAGEUSE EST DEVELOPPEE, QUI INCLUT UNE REPRESENTATION DES EFFETS RADIATIFS ET UNE DESCRIPTION DE LA NEBULOSITE A L'ECHELLE SOUS-MAILLE OU LES MOMENTS STATISTIQUES D'ORDRE 2 SONT EXPRIMES EN FONCTION DES VARIABLES RESOLUES DU MODELE. LA PARAMETRISATION PROPOSEE EST INSEREE DANS LE MODELE HYDROSTATIQUE A MESOECHELLE SALSA; ELLE EST ADAPTEE AUX MODELES MESO- VOIRE GRANDE ECHELLE, QUI POSSEDENT UN SCHEMA TURBULENT EN ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE. LE MODELE EST VALIDE A L'AIDE DE VERSIONS UNI- BI- ET TRI-DIMENSIONNELLES FACE AUX OBSERVATIONS ET FACE AUX RESULTATS OBTENUS A L'AIDE D'UN MODELE DE TURBULENCE D'ORDRE 3. LES TESTS UNI-DIMENSIONNELS PORTENT SUR LE CAS D'UNE COUCHE LIMITE NUAGEUSE MARINE SURMONTEE D'UN BANC DE STRATOCUMULUS ET DETERMINEE OU PAR LA CONVECTION OU PAR L'EFFET DE CISAILLEMENT DE VENT. LE MODELE EST EGALEMENT APPLIQUE A UN CAS BI-DIMENSIONNEL D'ECOULEMENT D'AIR FROID SUR UNE MER PLUS CHAUDE, QUI REVELE UNE TRANSITION NUAGEUSE OU LA NEBULOSITE VARIE ENTRE 0 ET 100%. LA SIMULATION TRI-DIMENSIONNELLE D'UNE COUCHE LIMITE CONTINENTALE OBSERVEE PENDANT LA CAMPAGNE HAPEX-MOBILHY PRESENTE UN DERNIER TEST DU MODELE. LE MODELE MONTRE UN FONCTIONNEMENT RAISONNABLE AUSSI BIEN EN ATMOSPHERE CLAIRE QU'EN ATMOSPHERE NUAGEUSE. NEANMOINS, LA SIMULATION DE LA NEBULOSITE DANS LA COUCHE LIMITE CONTINENTALE EST NETTEMENT PLUS DIFFICILE QUE CELLE DE LA COUCHE LIMITE MARINE, CAR ELLE DEMANDE LA CONNAISSANCE PRECISE DES CONDITIONS EN SURFACE. ON MONTRE EGALEMENT L'UTILITE DU SCHEMA DE NEBULOSITE PARTIELLE QUI PERMET NON SEULEMENT UNE REPRESENTATION PLUS REALISTE DU CHAMP DE NUAGE, MAIS ASSURE AUSSI UNE MEILLEURE STABILITE DU MODELE EN EVITANT UNE CONDENSATION ABRUPTE COMME C'EST LE CAS AVEC UN SCHEMA CONVENTIONNEL DE CONDENSATION TOUT OU RIEN

Author: Quentin Rodier
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Pages : 211

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Améliorer la représentation de la couche limite stable constitue un des grands challenges de la prévision numérique du temps et du climat. Sa représentation est clé pour la prévision du brouillard, du gel des surfaces, des inversions de température, du jet de basse couche et des épisodes de pollution. De plus, à l'échelle climatique, la hausse de la température moyenne globale de l'air en surface impacte davantage les régions polaires : améliorer la représentation de la couche limite stable est un enjeu important pour réduire les incertitudes autour des projections climatiques. Depuis une quinzaine d'années, les exercices d'intercomparaison de modèles GABLS ont montré que le mélange turbulent dans la couche limite stable est généralement surestimé par les modèles de prévision du temps. En effet, de nombreux modèles intensifient artificiellement l'activité de leur schéma de turbulence afin d'éviter une décroissance inévitable du mélange lorsque la stabilité dépasse un seuil critique en terme de nombre de Richardson gradient. Ce problème numérique et théorique n'est pas en accord avec de nombreuses observations et simulations à haute résolution qui montrent une activité turbulente séparée en deux régimes : un régime faiblement stable dans lequel l'atmosphère est turbulente de manière continue et intense, et un régime très stable dans lequel la turbulence est très intermittente, anisotrope et faible en intensité. Ces travaux de thèse s'articulent autour de deux parties dont l'objectif principal est d'améliorer la paramétrisation de la turbulence dans le modèle atmosphérique de recherche Méso-NH développé conjointement par Météo-France et le Laboratoire d'Aérologie, et dans le modèle opérationnel AROME. Cette étude utilise une méthodologie communément employée dans le développement de paramétrisations qui consiste à comparer des simulations à très haute résolution qui résolvent les structures turbulentes les plus énergétiques (LES) à des simulations uni-colonnes d'un modèle méso-échelle. Plusieurs simulations 3D couvrant différents régimes de stabilité de l'atmosphère sont réalisées avec Méso-NH. Les limites du modèle LES en stratification stable sont documentées. Une première partie répond à la problématique de la surestimation du mélange dans le régime faiblement stable. Une expression originale pour la longueur de mélange est formulée. La longueur de mélange est un paramètre clé pour les schémas de turbulence associés à une équation pronostique pour l'énergie cinétique turbulente. Cette longueur de mélange non-locale combine un terme de cisaillement vertical du vent horizontal à une formulation existante qui repose sur la flottabilité. Le nouveau schéma est évalué dans des simulations 1D par rapport aux LES d'une part ; et dans le modèle opérationnel AROME par rapport aux observations de l'ensemble du réseau opérationnel de Météo-France d'autre part. Une deuxième partie apporte des éléments d'évaluation d'un schéma combinant deux équations pronostiques pour les énergies cinétiques et potentielles turbulentes. En condition stable, le flux de chaleur négatif contribue à la production d'énergie potentielle turbulente. L'interaction entre les deux équations d'évolution permet, via une meilleure prise en compte de l'anisotropie et d'un terme à contre gradient dans le flux de chaleur, de limiter la destruction de l'énergie turbulente dans les modèles. Dans les cas simulés, cette nouvelle formulation ne montre pas un meilleur comportement par rapport à un schéma à une équation pour l'énergie cinétique turbulente car le mécanisme d'auto-préservation n'est pas dominant par rapport au terme de dissipation. Il conviendra d'améliorer la paramétrisation du terme de dissipation dans le régime très stable.

Author: Laurent Keirsbulck
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Languages : fr
Pages : 249

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CETTE ETUDE A PERMIS D'IDENTIFIER LES MOUVEMENTS ORGANISES DANS UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE SUR PAROI LISSE OU RUGUEUSE. DEUX TECHNIQUES DE MESURES SONT UTILISEES : L'ANEMOMETRIE A FIL CHAUD ET LA P.I.V. DANS UN PREMIER TEMPS, L'ARSENAL CLASSIQUE UTILISANT L'ANALYSE CONVENTIONNELLE A ETE MIS EN UVRE (MOMENTS D'ORDRE ELEVES, ANALYSE SPECTRALE, CORRELATIONS SPATIO-TEMPORELLES...). DANS UN DEUXIEME TEMPS, UNE APPROCHE FONDEE SUR LES METHODES CONDITIONNELLES A PERMIS EN PARTICULIER D'EXTRAIRE LA PARTIE COHERENTE DU SIGNAL ANEMOMETRIQUE ET D'EN ANALYSER L'INTENSITE, L'ECHELLE ET LA FREQUENCE. LES INFORMATIONS FOURNIES PAR CHACUNE DE CES TECHNIQUES SE REVELENT COMPLEMENTAIRES ET OFFRENT UNE VISION GLOBALE DES PHENOMENES. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT L'INFLUENCE DES RUGOSITES DE TYPE K SUR LES STRUCTURES DE LA TURBULENCE. CETTE INFLUENCE S'EXERCE NON SEULEMENT DANS LA REGION DE PROCHE PAROI, MAIS EGALEMENT DANS LES REGIONS EXTERNES. PLUSIEURS METHODES ONT PERMIS DE MONTRER QUE LA RUGOSITE DE TYPE K AUGMENTE LE DEGRE D'ISOTROPIE. L'ANALYSE DES TERMES DU BILAN D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE MONTRE QUE TOUT MODELE DE TURBULENCE DOIT TENIR COMPTE DE LA GEOMETRIE DE LA SURFACE AFIN DE PREDIRE CORRECTEMENT LES CARACTERISTIQUES DE TRANSPORT DE L'ECOULEMENT. CETTE ETUDE MONTRE EN PARTICULIER QUE CE TYPE DE RUGOSITE SE CARACTERISE PAR UNE PREDOMINANCE DE BALAYAGES CONTRAIREMENT A LA PAROI LISSE OU LES MOUVEMENTS COHERENTS SONT ESSENTIELLEMENT DE TYPE EJECTIONS.

Author: Cedrick Ansorge
Publisher: Springer
ISBN: 3319450441
Category : Science
Languages : en
Pages : 180

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This thesis presents a study of strong stratification and turbulence collapse in the planetary boundary layer, opening a new avenue in this field. It is the first work to study all regimes of stratified turbulence in a unified simulation framework without a break in the paradigms for representation of turbulence. To date, advances in our understanding and the parameterization of turbulence in the stable boundary layer have been hampered by difficulties simulating the strongly stratified regime, and the analysis has primarily been based on field measurements. The content presented here changes that paradigm by demonstrating the ability of direct numerical simulation to address this problem, and by doing so to remove the uncertainty of turbulence models from the analysis. Employing a stably stratified Ekman layer as a simplified physical model of the stable boundary layer, the three stratification regimes observed in nature— weakly, intermediately and strongly stratified—are reproduced, and the data is subsequently used to answer key, long-standing questions. The main part of the book is organized in three sections, namely a comprehensive introduction, numerics, and physics. The thesis ends with a clear and concise conclusion that distills specific implications for the study of the stable boundary layer. This structure emphasizes the physical results, but at the same time gives relevance to the technical aspects of numerical schemes and post-processing tools. The selection of the relevant literature during the introduction, and its use along the work appropriately combines literature from two research communities: fluid dynamics, and boundary-layer meteorology.

Author: Jean Cousteix
Publisher: Éditions Cépaduès
ISBN: 2854282108
Category : Aerodynamics
Languages : fr
Pages : 31

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Author: Latifa Skandaji Rezg
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Languages : fr
Pages : 132

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Dans cette thèse l'étude expérimentale présentée concerne la réduction du frottement et de la turbulence dans une couche limite. Cette réduction est produite par des oscillations transversales périodiques appliquées au niveau de la paroi sur laquelle se développe une couche limite turbulente. Les simulations numériques directes de Jung et al. (1992) de l'écoulement de canal soumis à des oscillations périodiques, dans la direction transversale, sont à l'origine de cette étude. Elles montrent en effet, une réduction de l'activité turbulente et du frottement qui peut atteindre jusqu'à 40%. Ces réductions ont été également observées dans d'autres études de simulations numériques directes d'une couche limite tridimensionnelle sous l'action d'un gradient de pression transversal constant appliqué a l'écoulement. Les processus qui sont à la base de ces réductions ont été attribués à une modification fondamentale de la structure de l'écoulement très près de la paroi et notamment à une modification de l'interaction qui existe entre les "streaks" et les tourbillons longitudinaux. Les résultats obtenus dans cette étude confirment ces mécanismes et montrent de bon accord avec les simulations de Jung et al. (1992). Les principaux résultats sont les suivants : L'analyse de la tension de Reynolds uv dans les quatre quadrants montre une augmentation de l'intensité des fluctuations de vitesses longitudinales positives, liée à un changement du mécanisme de production de la turbulence près de la paroi. Les corrélations spatio-temporelles de la fluctuation de vitesse longitudinale ainsi que les mesures de vorticite montrent des changements importants aux niveaux des structures "typiques" de la couche limite. On observe notamment une augmentation de l'espacement transversal moyen entre les "streaks", une diminution de la période moyenne des éjections ainsi qu'une réorientation des structures dans la direction transversale. Les bilans effectués à partir de l'équation de transport de l'énergie cinétique montrent, dans la zone ou le cisaillement transversal est important, une réduction du terme de diffusion visqueuse de l'énergie qui tend à atténuer la diminution de l'énergie cinétique turbulente.

Author: Céline Lo
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Languages : fr
Pages : 165

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Cette étude a pour objectif le développement et la validation d'un modèle de turbulence au second-ordre bas-Reynolds indépendant des paramètres géométriques liés aux parois (normales et distances). Ce modèle a été développé sur la base du modèle proposé par Gerolymos et Vallet en 2001. Cette nouvelle fermeture comprend une nouvelle modélisation de la diffusion de pression, du terme de redistribution et du tenseur de dissipation. En particulier, la partie lente du terme de redistribution et la partie anisotrope du tenseur de dissipation de l'équation de transport des tensions de Reynolds sont découplées, contrairement au modèle de Gerolymos et Vallet. La validation de ce modèle a été réalisée sur plusieurs configurations : écoulement dans un canal plan 1-D quasi-incompressible et compressible, écoulement subsonique sur une plaque plane 2-D, intéraction onde de choc/couche limite turbulente en écoulement 2-D supersonique avec décollement, écoulement subsonique 2-D dans un diffuseur asymétrique plan avec large zone de recirculation, écoulement 3-D dans un canal coudé en S. Les résultats obtenus sont satisfaisants et améliorent ceux du modèle de Gerolymos et Vallet, notamment concernant la prédiction du décollement et du recollement de la couche limite et du coefficient de pression. Une étude détaillée des termes de l'équation de transport des tensions de Reynolds par des calculs a priori a été minutieusement effectuée. Cette analyse a été possible grâce à la base de données de simulation numérique directe d'un écoulement quasi-incompressible dans un canal plan 1-D développée au cours de la thèse de Dorothée Sénéchal en 2009. Celle-ci donne accès à toutes les corrélations triples de vitesse intervenant dans le calcul de la corrélation pression-vitesse de l'équation de transport des tensions de Reynolds ainsi qu'à la décomposition en partie lente et rapide, homogène et inhomogène, proposée par Chou, de toutes les corrélations faisant intervenir la fluctuation de pression. Afin de fournir une représentation commune à tous les modèles pour le terme de redistribution, une base de représentation pôlynomiale incluant les termes inhomogènes a été développée. Nous avons mis en évidence que la prédiction de l'équation de transport du taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente ne pouvait pas influencer la prédiction proche paroi des tensions de Reynolds. Une des conclusions de cette étude est que la modélisation d'une équation de transport pour le tenseur de dissipation doit être envisagée pour prédire correctement le comportement proche paroi de la turbulence. Finalement, des suggestions sont données pour améliorer le modèle

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: Joël Deleuze
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CETTE ETUDE EXPERIMENTALE PORTE SUR LA STRUCTURE D'UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE SUPERSONIQUE. DANS DES CONDITIONS DELICATES, LES DONNEES ACQUISES PAR VELOCIMETRIE LASER DOPPLER SONT DEFINIES COMME REPRESENTATIVES DES PHENOMENES PHYSIQUES. L'ETUDE DE LA COUCHE LIMITE SUPERSONIQUE SANS GRADIENT DE PRESSION MONTRE QUE LE COMPORTEMENT DE LA TURBULENCE EST PROCHE DU MODELE INCOMPRESSIBLE, POUR LES NOMBRES DE REYNOLDS ET DE MACH CONSIDERES. L'ANALYSE PORTE ENSUITE SUR L'INTERACTION ENTRE UNE COUCHE LIMITE ET UNE ONDE DE CHOC INCIDENTE, QUI PROVOQUE SON DECOLLEMENT ET GENERE UNE ONDE DE CHOC REFLECHIE, PUIS UN EVENTAIL DE DETENTE. EN AVAL DE L'INTERACTION, LES EFFETS DE CETTE PERTURBATION SUR LA STRUCTURE DE LA COUCHE LIMITE PEUVENT ETRE ASSIMILES A CEUX D'UN GRADIENT DE PRESSION ADVERSE. A TRAVERS LE CHOC REFLECHI, LA PRODUCTION DE TURBULENCE EST FORTEMENT AMPLIFIEE. AU-DESSUS DE LA ZONE DE RECIRCULATION, LA CONJUGAISON DES EFFETS DE COMPRESSION ET DE COURBURE DES LIGNES DE COURANT PROVOQUE UN CHANGEMENT DE SIGNE DE LA TENSION DE CISAILLEMENT. UNE ZONE DE PRODUCTION NEGATIVE D'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE EST EGALEMENT MISE EN EVIDENCE, INDIQUANT QUE LE TRANSFERT D'ENERGIE DU MOUVEMENT MOYEN VERS LE MOUVEMENT TURBULENT EST LOCALEMENT LIMITE, VOIRE INVERSE