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The flow induced by the clearance between the tip of an isolated airfoil and an end-plate is investigated numerically, using a zonal approach with large-eddy simulation in the region of interest. The results are analyzed in comparison with available experimental data, presented in a companion paper. The incoming boundary layer and the pressure distribution around the blade are evaluated. The description of the inflow-jet deviation, with an averaged approach, enables to represent the proper loading on the airfoil. Also, particular attention is paid to the powerful tip-leakage vortex. The vortex characteristics are investigated using specific functions to locate its center and quantify its width. Overall, good results are obtained for the flow statistics and spectra. Furthermore, a very good description of the far-field pressure is achieved using the acoustic analogy, and the results confirm that the tip-flow essentially radiates in the central frequency range (0.7 kHz, 7 kHz).

International audience

International audience; This numerical study aims at getting further insight into singular solutions of the 2D Euler equations for non-smooth initial data, in particular for vortex sheets, similar to Caflisch et al 1. For this, high resolution simulations of vortex layers in 2D incompressible Euler flows are performed using the characteristic mapping method 2. An example of such a flow can be found in figue 1a. The method is a semi-Lagrangian method that evolves the flow map using the gradient-augmented level set method. Due to the semi-group structure of the flow map, it can be decomposed into sub-maps (each over a finite time interval), and thus the error can be controlled by choosing appropriate remapping times. Composing the flow map then yields exponential resolution in linear time and thus fine scale flow structures can be resolved in unprecedented detail. Here the roll-up process of vortex layers is studied varying the thickness of the layer showing its impact on the growth of palinstrophy and curvature of the center-line. The self-similar structure of the vortex core is investigated in the vanishing thickness limit, as can be seen in figure 1b. Conclusions on the non-uniqueness of weak solutions of 2D Euler for non-smooth initial data are drawn and the presence of flow singularities is revealed.

Severe accidents’ modeling is required for the design and safety analysis of ASTRID, a Generation IV Sodium-cooled Fast Reactor under development in France. This thesis aims at contributing to identify the driving processes of ASTRID’s severe accidents scenarios. First, a stability criterion is developed to analyze the beginning of an unprotected loss of flow accident. This stability criterion assesses whether the decreasing flow is stable or unstable, leading to the core disassembly. This criterion also considers power variations during the loss of flow, which former stability criteria do not take into account. Then, the driving processes of a transient involving a fuel vaporisation followed by its vapor expansion are identified using a dimensional analysis. The simplifications justified by this dimensional analysis are considered further to develop a numerical tool that computes the mechanical energy transmitted to the core vessel in case of fuel vaporisation. The thermal exchange between the expanding fuel vapor and the sodium coolant is especially analyzed. The tool is validated by comparing its results to experimental measures and to another tool’s computations. In the end, parametric studies are done in order to assess the tool computations’ variability induced by physical uncertainties or modeling options.; La démarche de conception et de sûreté du réacteur ASTRID, démonstrateur de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium, implique la modélisation de scénarios d’accidents graves qui font intervenir une fusion du cœur du réacteur. L’objectif de la thèse, en soutien à cette modélisation, est de contribuer à l’identification des processus susceptibles de faire bifurquer un scénario d’accident grave. Deux phases d’un scénario sont traitées pour cela. Tout d’abord, le début d’une séquence de perte de débit primaire non protégée est analysé à l’aide d’un critère analytique développé pendant la thèse, visant à prédire la bifurcation de la décroissance du débit vers un état stabilisé ou bien vers un état instable, menant à la dégradation du cœur. Ce nouveau critère, qui présente l’intérêt de tenir compte de l’effet de l’évolution de la puissance sur la stabilité du débit, est vérifié à l’aide d’un outil de calcul dédié aux accidents de perte de débit non protégés. Dans un second temps, les processus prépondérants impliqués dans une vaporisation de combustible liquide suivie d’une détente de sa vapeur, consécutives à une excursion de puissance accidentelle, sont identifiés via une analyse dimensionnelle. En reprenant les résultats de cette analyse, un outil de calcul est par la suite développé, dont l’objet est de déterminer l’énergie mécanique transmise à la cuve du réacteur lors de la détente. La question du transfert thermique entre la vapeur de combustible se détendant et le caloporteur est particulièrement étudiée. Cet outil est validé via une comparaison à des résultats expérimentaux et à des résultats de calculs issus d’un autre code. Des études paramétriques permettent enfin de quantifier la variabilité des résultats due au choix de modélisation et aux incertitudes sur les données physiques employées.

Foams are assemblies of gas bubbles in a liquid matrix that are used in several applications (building construction, ore flotation, cosmetics, food, etc). Foam is an out of equilibrium material (therefore instable) and a complex fluid intermediate between solid and liquid. Relating these macroscopic properties to foam dynamics and to foam scales (bubbles, liquid films, and surfactants) is still an open question, in particular regarding the coupling between the flow and surfactant dynamics. Because they allow to trace surfactants (difficult to do experimentally), and to deal with complex geometries (beyond the theoretical lubrication approximation), numerical simulations are a suitable tool to identify the dissipation mechanisms occurring at bubbles and liquid film scales. We thus implemented for the first time in two-phase flow level-set simulations, the surfactant dynamics –diffusion, adsorption/desorption– and its coupling with fluid mechanics –surfactant advection and stress jump across evolving interfaces. The developed code is used to simulate 2D bubble rearrangements under shear stress. These rearrangements represent the process of flow in foams, and can be the cause of foam instability. We thereby obtain a complete description of these dynamics. We study in particular the mechanical response of the system, varying the Péclet, Capillary and Biot numbers. We show that the presence of surfactants and their dynamics can affect bulk dissipation, thereby modifying the flow nature (extensional or shear flow), by changing the boundary condition at liquid/gas interfaces (mobile or rigid interfaces). The presence of surfactants can also be responsible for an effective surface dissipation, related to the work of surface forces. This dissipation is maximal for Péclet number values close to unity. Finally, we present some preliminary results regarding the effect of surface viscosity., Les mousses sont des assemblées de bulles de gaz dans une matrice liquide que l’on rencontre dans de nombreuses applications (bâtiment, extraction de matières premières, cosmétique, alimentaire, etc). La mousse est un matériau hors équilibre (donc instable) et un fluide complexe intermédiaire entre solide et liquide. Relier ces propriétés macroscopiques à la dynamique de la mousse à ses différentes échelles (bulles, films, tensioactifs) reste une question ouverte, en particulier concernant le couplage entre les écoulements et la dynamique des tensioactifs. Parce qu’elles permettent un suivi des tensioactifs (inaccessible expérimentalement) et d’appréhender des géométries complexes (au-delà des approches théoriques en approximation de lubrification), les simulations numériques constituent un outil adapté pour identifier les mécanismes de dissipation à l’échelle des bulles et films. Nous avons donc implémenté, pour la première fois dans des simulations level-set d’écoulements diphasiques, la dynamique des tensioactifs —diffusion, adsorption/désorption—et son couplage avec la mécanique des fluides —advection des tensioactifs et sauts de contrainte à l’interface. Le code développé est utilisé pour simuler des réarrangements de bulles 2D sous cisaillement, qui constituent le processus élémentaire de l’écoulement d’une mousse, pouvant être à l’origine de leur déstabilisation par coalescence. Nous accédons ainsi à une description complète de cette dynamique. Nous étudions en particulier la réponse mécanique du système, en fonction du nombre de Péclet, du nombre capillaire et du nombre de Biot. Nous montrons que la présence des tensioactifs et leur dynamique peuvent non seulement affecter les mécanismes de dissipation en volume, en modifiant la nature des écoulements (extensionnel ou de cisaillement) par le changement de condition aux limites aux interfaces liquide-gaz (interfaces mobiles ou rigides), mais également en étant à l’origine d’une dissipation effective de surface, liées au travail des forces de surface, contribution qui est maximale pour des nombres de Péclet proches de 1. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires sur l’effet de la viscosité de surface.

Hydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation., La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastique.

This thesis describes the development of a numerical model for local scour caused by bed-mounted obstacles, combining the hydrodynamic and morphological processes. The basis of the numerical model is the multiphase flow field solver in the open-source CFD toolbox OpenFOAMR which is released by OpenCFD Ltd. The hydrodynamic module of the model solves the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with either a k-ε or a k-ω model. There are two interfaces in the simulation domain: the free surface between water and air, which is tracked using the Volume of Fluid (VOF) method, and the interface between the water and the sediment, which is represented by a finite area mesh constructed from the bottom boundary of the finite volume mesh. A morphological module which has been developed as part of the project consists of three components: a sediment transport model which includes suspended load and bed load transport; the Exner equation to compute the bed deformation, and a sand-sliding mechanism to restrict the bed slope angle to be smaller than the angle of repose. The morphological changes are incorporated into the hydrodynamic field through deformation of the computational mesh. Additional boundary conditions and parallel computing corrections are also added into the model. Each individual part of the model has been validated separately with corresponding preliminary test cases including the rough wall functions, the performance of the VOF method, the suspended load transport model and the sand-sliding mechanism. The numerical model is then applied to study two-dimensional scour caused by a submerged jet issuing from an opening under sluice gate. Comparison of the simulation results with the experimental measurements proves the ability of the model for conducting two-dimensional simulations and the limitations of the model are also discussed. Finally, the model is applied to study the three-dimensional flow field and scour formation around an obstacle in flow. Initially, the bed deformation is not activated in the model. The horseshoe vortex formed in front of an obstacle in water and the turbulent flow field around a cylinder on smooth and rough beds are simulated. Two types of simulations for the hydrodynamic module are used: a rigid lid simulation with a slip boundary condition to represent the air-water interface, and a free surface simulation including both the water and air domains with the free surface tracked by the VOF method. The influences of the variation of the water depth on the flow field are identified and discussed. Comparison with the experimental data also confirms the importance of the water surface variation on the flow field. Next, the bed is allowed to deform in the model. The temporal development of three-dimensional scour around a cylinder on live-bed in a steady current is simulated. The development of the scour with time and the computed maximum scour depths in front of and behind the cylinder agree quite well with the experimental measurements. The influences of the scour process on the flow field are also studied and the performance of the numerical model is discussed., Cette thèse porte sur le développement d’un modèle numérique de l’affouillement causée par des obstacles montes sur le lit, combinant les processus hydrodynamiques et morphologiques. Le modèle numérique est basé sur le solveur de champ d’écoulement polyphasique de l’outil CFD open-source OpenFOAMR qui est distribue par OpenCFD Ltd. Le module hydrodynamique du modèle résout les équations de Navier-Stokes avec moyennes de Reynolds (RANS) et les modèles des turbulences k-ε ou k-ω. Il existe deux interfaces dans le domaine de simulation: la surface libre entre l’eau et l’air, qui est suivi par la méthode de Volume de Fluide (VOF); et l’interface entre l’eau et le lit du sédiment, qui est représentée par un maillage de surface finie déformable construit à partir de la limite en bas du maillage de volume fini. En outre, un module morphologique qui a été développé dans le cadre du projet se compose de trois composantes: un modèle de transport de sédiments comprenant la charge suspendue et le charriage; l’équation d’Exner pour mesurer la déformation du lit; et un mécanisme de glissement du sable pour limiter la pente du lit à être plus petite que l’angle de repos du sédiment. Le changement morphologique est incorporé dans le modèle hydrodynamique par la déformation du maillage. Des conditions limites spéciales et des corrections nécessaires pour le calcul en parallèle sont également ajoutées au modèle. Chaque partie du modèle est validée séparément avec les tests préliminaires correspondants, y compris les fonctions de paroi rugueuse, les performances de la méthode VOF, le modèle de transport de charge suspendu et le mécanisme de glissement de sable. Le modèle numérique est ensuite appliqué pour étudier un affouillent bidimensionnelle cause par un jet immerge provenant d’une ouverture sous écluse. Comparaison des résultats de la simulation avec des données expérimentales prouve la capacité du modèle. Et les limites du modèle sont également discutées. Enfin, le modèle est appliqué à l’étude du champ d’écoulement tridimensionnel et de la formation d’affouillement autour d’un obstacle dans l’écoulement. Tout d’abord, la déformation du lit n’est pas activée. Le tourbillon en fer à cheval devant un obstacle et le champ d’écoulement turbulent autour d’un cylindre sur un lit lisse ou rugueux sont simulés. Deux types de simulation pour le module hydrodynamique sont effectués: une simulation qui utilise une surface fixe et rigide pour représenter l’interface air-eau, et une simulation incluant à la fois les domaines de l’eau et de l’air avec la surface libre suivie par la méthode VOF. Les influences de la surface libre sur le champ d’écoulement sont identifiées et discutées. La comparaison avec les données expérimentales confirme l’importance de la déformation de la surface libre sur le champ d’écoulement. Ensuite, le lit est autorisé à se déformer et le développement temporel de l’affouillement tridimensionnelle autour d’un cylindre sur le lit est simule. Le développement temporel d’affouillement et la profondeur maximale du trou calcule devant et derrière le cylindre conviennent assez bien avec les mesures expérimentales. Les influences de l’affouillement sur le champ d’écoulement sont aussi étudiées et la performance du modèle numérique développé est discutée.

The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process., Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités.

The rotor-stator wake-interaction tonal noise, generated by the impingement of rotor wakes onoutlet guide vanes, plays a crucial role in the aerodynamic noise of axial-flow ducted fan stages. Thelatter are widely used in most aeronautic propulsion and air-conditioning systems. The noise predictionby means of numerical simulations remains expensive, especially at the preliminary design stage whennumerous configurations must be tested. In this respect, the analytical approach chosen in this thesisprovides a well suited alternative. The analytical modeling based on an isolated-airfoil response functioncan not reproduce the cascade effect introduced by the large number of stator vanes. Conversely, drasticapproximations are required to extend the current cascade response functions to three-dimensionalconfigurations. The proposed modeling based on the mode-matching technique simply introduces thecascade effect in an annular rotor-stator stage. A rectilinear cascade response function is firstly presentedto account for the acoustic transmission through the stator along with the wake-interaction noise.In this context, a linearized and non-viscous analysis is carried out, in which the acoustic and vorticalmodes of a gas are coupled at rigid physical boundaries. The velocity perturbations issued from thewakes are written as a sum of convected gusts. Their impingement on the cascade of vanes generatesacoustic waves propagating upstream, downstream of the cascade, as well as inside the inter-vane channelsof the stator, seen as a periodic array of bifurcated waveguides. The duct cross sections at theleading-edge and the trailing-edge of the vanes are seen as interfaces on which the continuity of thefluctuating pressure, axial velocity and vorticity is fulfilled. A system of linear equations is obtained,then solved by means of modal projections and matrix inversions. The acoustic field is then uniformlycalculated in the whole domain. Comparisons with rectilinear cascade response functions show a verygood agreement with predictions based on the Wiener-Hopf technique. The configuration of an annularcascade is addressed by introducing the Bessel functions as radial shape functions, expressing threedimensionaleffects. Finally, a procedure is presented to account for the heterogeneity of the statorvanes, typical of modern fan architectures. This approach is based on the combinaison of the leadingedgedipole principle and the cascade response function derived from the mode-matching technique.The edge-dipole principle identifies Amiet’s solution for the unsteady loading and the radiation of adipole approached very close to the edge of a half plane. The predictions provided by this modeling,applied in a two-dimensional configuration, are finaly compared to measurements performed in the testcampaign of the SEMAFOR project., Le bruit tonal d’interaction rotor-stator, généré par l’impact des sillages issus des pales d’un rotorsur la grille d’aubes d’un stator redresseur, contribue de manière déterminante au bruit d’origineaérodynamique des turbomachines axiales carénées, qui équipent une large part des systèmes de propulsionaéronautique et de conditionnement d’air. La prédiction du bruit par l’utilisation de simulationsnumériques demeure onéreuse, notamment dans les premières phases de conception lorsque de nombreusesconfigurations doivent être testées. Dans cette optique, l’approche analytique choisie dans cettethèse apporte une alternative tout à fait appropriée. Les modèles analytiques basés sur une fonctionde réponse aéroacoustique de profil isolé ne permettent pas de reproduire l’effet de grille engendrépar le nombre important d’aubes de stator. Inversement, de fortes approximations sont nécessairespour décliner les fonctions de réponse de grilles d’aubes existantes dans des configurations tridimensionnelles.Le formalisme proposé, basé sur la méthode de raccordement modal, permet d’introduiresimplement l’effet de grille dans une géométrie annulaire d’étage rotor-stator. Un modèle de réponse degrille rectilinéaire bidimensionnel est tout d’abord présenté pour la transmission d’ondes acoustiques àtravers le stator ainsi que pour la génération de bruit par l’impact de rafales hydrodynamiques. Dansce cadre, une analyse linéaire et non visqueuse est considérée, pour laquelle les modes acoustique ettourbillonnaire d’un gaz sont couplés par le biais des frontières rigides. Les perturbations de vitessesliées aux sillages sont modélisées comme des rafales convectées. Leur impact sur la grille de statorgénère des ondes acoustiques se propageant en amont, en aval ainsi que dans les espaces inter-aubesdu stator, vu comme un réseau périodique de guides d’ondes. Les sections de bords d’attaque et defuite des aubes sont considérées comme des interfaces sur lesquelles la continuité des fluctuations depression, de vitesse axiale et de vorticité est vérifiée. Un système d’équations est ainsi obtenu, puisrésolu par des projections sur les bases modales du conduit et des inversions matricielles. Le champacoustique rayonné est ainsi déterminé uniformément dans tout le domaine. Les résultats issus de cesmodélisations sont comparés à ceux des fonctions de réponse de grilles d’aubes rectilinéaires issues dela littérature, montrant un très bon accord avec les modèles basés sur la technique de Wiener-Hopf. Leformalisme est par la suite étendu aux grilles annulaires par l’ajout de fonctions de Bessel comme fonctionsde forme radiale exprimant les effets tridimensionnels. Finalement, une procédure est présentéepour rendre compte de l’hétérogénéité des aubes de stator, caractéristique des nouvelles architecturesde turbomachines. Cette méthodologie est basée sur l’emploi conjoint du principe du dipôle de bordd’attaque et de la fonction de réponse aéracoustique de la grille de stator à l’aide de la technique deraccordement modal. Le principe de dipôle de bord identifie le chargement instationnaire des aubesinduit par l’impact de rafales hydrodynamiques, calculé par le formalisme d’Amiet, avec la trace duchamp de pression acoustique produit par un dipôle placé au voisinage du bord de l’aube. Les prédictionsissues de ce modèle, appliqué dans un cadre bidimensionnel, sont ensuite comparées à des mesuresobtenues pendant la campagne d’essais du projet SEMAFOR.

In the electricity production, one central key to reduce damages and losses due to wetness in steam turbines is the study of liquid films. These thin films are created by the deposition of droplets and are highly sheared. This film may then be atomized into coarse water. At the moment, no comprehensive and validated model exists to describe this phenomenon. A 2D model based on a integral formulation associated with closure laws is developed to represent this film. Compared to classical Shallow-Water equation, the model takes into account additional effect : mass transfer, droplet impact, shearing at the free surface, surface tension, pressure gradient and the rotation. The model properties (hyperbolicity, entropy, conservativity, linear stability, Galilean invariance and rotational invariance) has been analyzed to judge the pertinence of the model. A new 2D code is implemented in a free module of the code EDF Code_Saturne and a finite volume method for unstructured mesh has been developed. The verification of the code is then carried out with analytical solutions including a Riemann problem. The model, which degenerates into classical Shallow-Water equations for the case of a falling liquid film on a inclined plane, is validated by the experiment of Liu and Gollub, 1994, PoF and compared to reference models (Ruyer-Quil and Manneville, 2000, EPJ-B et Lavalle, 2014, PhD thesis). Another study depicts a sheared film under low-pressure steam turbine conditions and is validated by the experiment of Hammitt et al., 1981, FiI. Lastly, the code film is coupled to 3D steam data around a fixed blade of a BP100 turbine, from Blondel, 2014, PhD thesis. This industrial application shows the feasibility of liquid film's simulation in real steam turbine condition., Dans la production d'électricité, un des leviers centraux pour réduire les détériorations et les pertes causées par l'humidité dans les turbines à vapeur est l'étude des films liquides. Ces films minces, sont crées par la déposition de gouttes et sont fortement cisaillés. Des gouttes peuvent ensuite être arrachées du film. A l'heure actuelle, aucun modèle complet et validé n'existe pour décrire ce phénomène. Un modèle 2D à formulation intégrale associé à des lois de fermetures a été dérivé pour représenter ce film. Comparé aux équations classiques de Saint-Venant, le modèle prend en compte davantage d'effets: le transfert de masse, l'impact des gouttes, le cisaillement à la surface libre, la tension de surface, le gradient de pression et la rotation. Une analyse des propriétés du modèle (hyperbolicité, entropie, conservativité, analyse de stabilité linéaire, invariance par translation et par rotation) est réalisée pour juger de la pertinence du modèle. Un nouveau code 2D est implémenté dans un module de développement libre du code EDF Code_Saturne et une méthode de volumes finis pour un maillage non-structuré a été développée. La vérification du code est ensuite effectuée avec des solutions analytiques dont un problème de Riemann. Le modèle, qui dégénère en modèle classique de Saint-Venant pour le cas d'un film tombant sur un plan inclinée, est validé par l'expérience de Liu and Gollub, 1994, PoF et comparé à des modèles de références (Ruyer-Quil and Manneville, 2000, EPJ-B et Lavalle, 2014, PhD thesis). Un autre cas d'étude met en scène un film cisaillé en condition basse-pression de turbine à vapeur et, est validé par l'expérience de Hammitt et al., 1981, FiI. Enfin, le code film est couplé aux données 3D du champ de vapeur autour d'un stator d'une turbine basse-pression du parc EDF, issues de Blondel, 2014, PhD thesis. Cette application industrielle montre la faisabilité d'une simulation d'un film en condition réelle du turbine à vapeur.

Infrasounds are acoustic signals of frequency lower than about 20 Hz. They are generated by a large variety of natural events, such as volcanic eruptions or earthquakes, and by artificial sources, like nuclear or chemical explosions and supersonic booms. Infrasonic waves can propagate through the different atmospheric layers up to very large distances, from few hundreds to thousands of kilometres, and can potentially carry relevant information about their source. For this reason, within the framework of the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty (CTBT), infrasound recordings are widely employed to monitor clandestine nuclear tests. Infrasound modelling has classically been based on simplified equations. Ray tracing and parabolic models have been the most commonly used techniques. Their efficiency in terms of computational cost is however obtained at the expense of generality and some of the main phenomena affecting infrasound propagation are inherently excluded by these methods. Over the past decade, progress has been made towards the simulation of acoustic propagation by directly solving the fluid dynamics equations. Understandably, this approach is expected to allow a finer description of atmospheric propagation and to lead to a better interpretation of experimental observations. In the present thesis, three main objectives have been achieved. First of all, using ray theory, a characterization of nonlinear effects and absorption induced by thermo-viscous and vibrational relaxation phenomena on the propagation of infrasonic signals generated by explosive sources has been carried out. Direct numerical simulations of the three-dimensional unsteady compressible Navier-Stokes equations have been then performed to calculate the sound field generated by an infrasonic source in a realistic atmosphere. Computations have been carried out using a low-dispersive and low-dissipative finite-difference time-domain method, for very large source amplitudes and for source frequencies of order of 0.1 Hz, up to altitudes of 140 km and ranges of few hundreds of kilometres. The scattering from small-scale inhomogeneities, of characteristic dimension of the same order as the wavelength of the infrasonic wave, has been investigated. The penetration in the shadow zone induced by diffraction phenomena at the thermospheric caustic has also been studied. Two-dimensional benchmarks specific to infrasound atmospheric propagation have been finally formulated and reference solutions have been computed. They aim to allow the assessment of the accuracy of numerical solvers as well as the evaluation of the range of validity of the classical approaches., Les infrasons sont des ondes acoustiques de fréquence inférieure à environ 20 Hz qui sont produits par une grande variété de sources naturelles (éruptions volcaniques, séismes, etc.) ou artificielles (explosions chimiques, avions, tirs de mine, etc.). Ils peuvent se propager dans l’atmosphère terrestre jusqu’à de très grandes distances, de quelques centaines à plusieurs milliers de kilomètres, et transportent des informations importantes concernant leur source. Pour cette raison, la mesure des ondes infrasonores représente aujourd’hui une des principales techniques utilisées dans le cadre du Traité d’interdiction complète des essais nucléaires (TICE) pour la détection, la localisation et l’identification de sources. La modélisation de la propagation atmosphérique des infrasons a été classiquement réalisée par des approximations géométriques, comme le tracé de rayons, ou par la résolution d’équations paraboliques. Grâce à un coût de calcul raisonnable, allant de quelques secondes à une heure, ces approches sont largement employées dans le domaine opérationnel. Leur efficience est néanmoins obtenue au détriment de la complexité physique de la propagation atmosphérique. Les avancées récentes de la simulation numérique directe en aéroacoustique rendent cependant envisageable la résolution directe des équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles, permettant ainsi de décrire sans approximation la propagation infrasonore. Dans la présente thèse, trois objectifs principaux ont été poursuivis. En utilisant une méthode de tracé de rayons, une caractérisation des effets non linéaires, visqueux, thermiques et de relaxation sur les ondes infrasonores produites par des sources explosives a été d’abord effectuée. La propagation non linéaire des signaux infrasonores dans l’atmosphère terrestre a été ensuite examinée à l’aide de simulations tridimensionnelles directes des équations de Navier-Stokes instationnaires et compressibles. Des sources de très grande amplitude et de fréquence de l’ordre de 0.1 Hz ont été considérées. Les calculs ont été menés jusqu’à des distances de propagation de plusieurs centaines de kilomètres et jusqu’à des altitudes de l’ordre de 140 km. Une étude détaillée de la diffusion par les petites échelles de l’atmosphère a été effectuée. Une première analyse de la pénétration en zone d’ombre provoquée par des phénomènes de diffraction au niveau des caustiques a été également réalisée. Des cas test bidimensionnels ont été enfin formulés et des solutions de référence ont été déterminées afin de permettre la validation numérique de codes de calcul et l’évaluation des erreurs commises par les approximations usuelles.

The following experimental and numerical investigations aim at the deep understanding of the flow field in the 3.5 stages high-speed axial compressor CREATE, studied on a 2 MW test rig at the Laboratory of Fluid Mechanics and Acoustics (LMFA) in Lyon, France. This work focuses on three major objectives: Firstly, a global description of the flow field with an identification of limitations to the used exploration methods; Secondly, the characterization of the effect of stator-stator clocking in a high-speed compressor; Thirdly, the identification of instabilities arising at low mass flow rates for confirming studies on low-speed compressors and giving new insights.This work demonstrates that a mis-interpretation of steady performance data occurs easily due to measurement constraints and correction coefficients are proposed. At certain locations in the compressor, the flow field exploration (experimental and numerical) methods are identified to be challenged. This identification will initiate further development of the methods. The main mis-predictions of the simulations concern the over-prediction of the blockage induced by the tip leakage flow and eventually an over-predicted pressure rise. Furthermore, the measurements provided by the pneumatic pressure probes over-estimate the static pressure upstream of the stators. This error is induced by the interaction between the stator potential field and the probe it-self. In addition, the laser Doppler anemometry method over-estimates the velocity downstream the stators. The transport of the rotor wakes through the stators might not be correctly captured with the seeding particles in this high-speed compressor.The investigation of the stator clocking reveals only a small global effect within the measurement uncertainty band. Several contributions to the weak effect of clocking are identified by analysis of the flow structure transport, namely the time-mean mixing out of the stator wakes and the deformation of wakes along their flow path. The local effect of clocking depends on the span-height because of the variation of the circumferential position of the stator wakes and the stator blade shape over the span-height. Local possible positive and negative effects of clocking are identified and are shown to be almost in balance in this compressor. Furthermore, this work demonstrates that the unsteadiness in the flow field is not linked conclusively to the stator clocking.In this compressor, the arising instabilities depend on the operating point and flow field exploration methods. At stable operating points and nominal compressor speed, the numerical results reveal a rotating disturbance in the rotors 2 and 3, whereas the measurements show a rotating disturbance only in the first rotor and only at part speed. In both cases the disturbance exhibits rotating instability like characteristics. An exhaustive numerical study allows to exclude the commonly assumed influence of rotor-stator interactions on the rotating disturbance and pinpoints its source. New insights into the stable behavior and periodicity of the measured rotating instability are derived contrary to the unstable behavior suggested by the naming and literature. This disturbance is shown to evolve into rotating stall cells when approaching the stability limit. At nominal compressor speed, a spike type surge inception is identified I n the measured field. A precise description of the abrupt onset of the spike cell and its difference to a rotating stall cell are presented., Les études expérimentales et numériques suivantes visent à la compréhension profonde de l’écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE, étudié sur un banc d’essai de 2 MW au Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique (LMFA) à Lyon, France. Ce travail a trois objectifs principaux : D’abord, une description globale de l’écoulement avec une identification des limites aux méthodes d’exploration utilisées ; Ensuite, la caractérisation de l’effet du clocking stator-stator dans un compresseur à haute-vitesse ; Troisièmement, l’identification des instabilités à faibles débits pour confirmer les études sur les compresseurs à basse-vitesse et contribuer à plus de compréhension.Il est montré qu’une mauvaise interprétation des données de performance stationnaire se fait facilement en raison des contraintes de mesure et des coefficients de correction sont proposés. À certains endroits dans le compresseur, des limites aux méthodes d’exploration (expérimentales et numériques) de l’écoulement sont identifiées. Cette identification va permettre la poursuite du développement des méthodes. Les principales erreurs de prédiction des simulations concernent la surestimation du blocage induit par l’écoulement de jeu et l’augmentation de pression. En outre, les mesures fournies par les sondes de pression pneumatique surestiment la pression statique en amont des stators. Cette erreur est probablement provoquée par l’interaction entre le champ potentiel du stator et la sonde elle-même. De plus, l’anémométrie Doppler laser surestime la vitesse en aval des stators. Le transport des sillages du rotor à travers des stators n’est pas correctement capturé avec les particules d’ensemencement.Le clocking a seulement un petit effet global dans la bande d’incertitude de mesure dans ce compresseur. Plusieurs contributions à ce faible effet de clocking sont identifiées par l’analyse du transport des structures d’écoulement : Le mélange circonférentiel du sillage de stator et la déformation des sillages le long de leur trajet dans l’écoulement. L’effet local du clocking dépend de la hauteur de veine en raison de la variation de la forme des aubages et du transport des sillages. Des effets positifs et négatifs sont présentés, qui globalement se compensent dans ce compresseur. Les instabilités dans ce compresseur dépendent du point de fonctionnement et des méthodes d’exploration de l’écoulement. Aux points de fonctionnement stables et à la vitesse nominale du compresseur, les résultats numériques montrent une perturbation tournante dans les rotors 2 et 3, alors que les mesures montrent une perturbation tournante que dans le premier rotor et seulement à basse vitesse du compresseur. Dans les deux cas, les perturbations montrent des caractéristiques semblables. Une étude numérique permet d’exclure l’influence des interactions rotor-stator sur la perturbation tournante et met en évidence sa source. Des nouvelles connaissances sur le comportement stable et la périodicité du rotating instability (mesuré) sont dérivées contrairement au comportement instable suggéré par la dénomination et la littérature. Il est montré que cette perturbation évolue en cellule de décrochage tournante à l’approche de la limite de stabilité. A la vitesse nominale du compresseur, une entrée en instabilités de type spike est identifiée expérimentalement. Une description précise de l’apparition brutale du spike et sa différence par rapport à une cellule de décollement tournant sont présentées.

Transonic flows, which are common in aeronautical and spatial propulsion systems, produce shock-waves over solid boundaries. When a shock-wave impacts the boundary layer, an adverse pressure gradient is generated and a thickening or even a separation of the boundary layer is induced. If the solid boundary vibrates, the shock-wave oscillates, interacts with the boundary layer and produce a fluctuation of the static pressure at the wall. This induces an exchange of energy between the fluid and the structure which can be stabilising or lead to an aeroelastic instability (flutter).The main objective of this PhD thesis is the modelling of the unsteady behaviour the simulation of the shock-wave/boundary layer interaction for fluid-structure interaction studies. To this end, simulations have been carried out to solve Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations using two equations turbulence model. The method is validated thanks to experimental data obtained on a transonic nozzle dedicated to aeroelastic studies. This method is then use to increase the predictability of flutter events in turbomachinery.A time linearised frequency-domain method is applied to RANS equations. It is shown that the unsteady behaviour of the turbulent boundary-layer contributes to the fluctuating static pressure when the shock-wave boundary layer interaction is strong. Hence, the frozen turbulence assumption is not valid and the turbulence model must be derivated. Thus, the regularisation of the non derivable operators is proposed and applied on k-? Wilcox (2006) turbulence model.The unsteady behaviour of the shock-wave/boundary-layer interaction in a transonic nozzle is evaluated thanks to 2D numerical simulations and shows good agreement with experimental data. When varying the reduced frequency an aeroelastic instability is found, known as transonic flutter. An active control device generating backward travelling pressure waves is then designed and numerically validated.Finally, a methodology is proposed to understand the aerodynamic onsets of transonic flutter. To this end, a preliminary design of a high bypass ratio transonic fan has been carried out. This fan, named ECL5, is dedicated to experimental aerodynamic and aeroelastic studies. The methodology relies on 2D simulations of a tip blade passage and uses linearisation to analyse the contribution of local sources as a function of reduced frequency, nodal diameter and mode shape, Les écoulements transsoniques rencontrés dans le cadre de la propulsion aéronautique et spatiale sont associés à l'apparition d'ondes de choc. En impactant la couche limite se développant sur une paroi, un gradient de pression adverse est généré qui conduit à l'épaississement ou au décollement de la couche limite. Lors de la vibration de la structure, l'onde de choc oscille et interagit avec la couche limite, générant une fluctuation de la pression statique à la paroi. Il s'ensuit alors un échange d'énergie entre le fluide et la structure qui peut être stabilisant ou au contraire conduire à une instabilité aéroélastique (flottement). La modélisation de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite pour l'étude des interactions fluide-structure est l'objet de ce travail de recherche. Il s'appuie sur la résolution des équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) et la modélisation de la turbulence. Les méthodes et modèles utilisés ont été validés à partir de résultats expérimentaux issus d'une tuyère transsonique dédiée à l'étude des interactions fluide-structure. Ces travaux sont ensuite appliqués à l'amélioration de la prédiction du flottement en turbomachine. Une méthode linéarisée en temps permettant la résolution des équations RANS dans le domaine fréquentiel est utilisée. Nous confirmons l'importance de la dérivation du modèle de turbulence lors de la prédiction d'une interaction forte entre une onde de choc et une couche limite décollée. Une méthode de régularisation est présentée puis appliquée aux opérateurs non dérivables du modèle de turbulence k-! de Wilcox (2006). La prédiction de la réponse instationnaire de l'interaction onde de choc / couche limite dans une tuyère est évaluée à partir de simulations bidimensionnelles et présente un bon accord avec les données expérimentales. En évaluant l'influence de la fréquence réduite, une instabilité aéroélastique de type flottement transsonique est identifiée. Un dispositif de contrôle, reposant sur la génération d'ondes de pression rétrogrades à l'aval de la tuyère, est proposé puis validé numériquement. Enfin, une méthodologie est proposée pour comprendre les mécanismes aérodynamiques conduisant au flottement. Pour cela, il a été réalisé un dessin provisoire d'une soufflante transsonique à fort taux de dilution. Cette soufflante, l'ECL5, est destinée à l'étude expérimentale des instabilités aérodynamiques et aéroélastiques. La méthodologie proposée repose sur la simulation 2D d'une coupe de tête et met à profit la linéarisation pour analyser la contribution de sources locales en fonction de la fréquence réduite, du diamètre nodal et de la déformée modale

The tip-leakage flow is a common flow feature in turbomachines. It originates from the relative motion between the blade tip and the end-wall, and the pressure difference across the blade. The tip-leakage flow is extremely complex for its three-dimensional unsteady nature, and its existence leads to many unfavourable effects, such as aerodynamic performance losses and noise emissions. These issues have motivated extensive experimental and numerical researches from both aerodynamic and aeroacoustic points of view. In order to improve the understanding of the tip-leakage flow and its associated broadband noise, a research campaign has been carried out at LMFA. Regarding the tip-leakage flow, this research campaign includes an experiment with advanced measurement technologies, a zonal LES computation and a series of RANS/URANS computations. Both the experiment and the simulations consider a single-airfoil configuration at low Mach number. Experimental and numerical results are analysed systematically and thoroughly in the current study. Finally, efforts are put on the broadband noise modelling and prediction based on the experimental and numerical results. A multi-vortex system with an intense tip-leakage vortex is observed in the experiment. The various analyses of the flow characteristics show a good agreement between the experiment and the ZLES in the blade tip region. The zonal (RANS-LES) approach proves itself to be a powerful tool to provide a detailed description of the tip-leakage flow, with a limited computational cost. However, the RANS and URANS computations globally over-estimate the diffusion of the tip-leakage vortex. Furthermore, the random oscillation of the tip-leakage vortex is investigated using PIV instantaneous flow fields and the wandering amplitude is evaluated. The dynamic response of the tip-leakage vortex is also studied with URANS at selected frequencies. Two far-field noise prediction models, corresponding to two different acoustic sources, are reformulated and implemented with the near-field data from the numerical simulations. These predictions are compared to the far-field measurements. Using the ZLES data as input, the blade-tip self-noise model is found to over-estimate the noise generated in the blade-tip region. The trailing-edge noise model is implemented with the time-averaged ZLES and the RANS near-field data, and yields a very good prediction within a broad range of frequency., L'écoulement de jeu est un phénomène très important dans les turbomachines. Il provient du mouvement relatif entre la pale et la paroi d'extrémité, et la différence de pression à travers la pale. L'écoulement de jeu est extrêmement complexe pour sa nature tridimensionnelle et instable, et son existence conduit à de nombreux effets défavorables, par exemple, les pertes de performance aérodynamique et les émissions de bruit. C'est pourquoi l'écoulement de jeu a motivé de nombreuses recherches expérimentales et numériques. Afin d'améliorer la compréhension du écoulement de jeu et le bruit de large bande associé, une campagne de recherche a été menée au LMFA. En ce qui concerne l'écoulement de jeu, cette campagne de recherche comprend une expérience avec des technologies de mesure avancées, un calcul zonal LES et une série de calculs RANS / URANS. L'expérience et les simulations considèrent une configuration simple de l'écoulement de jeu à un faible nombre de Mach. Les résultats expérimentaux et numériques sont analysés de façon systématique et approfondie dans la présente étude. Enfin, des efforts sont déployés pour la modélisation et la prédiction du bruit à large bande avec des résultats expérimentaux et numériques. On observe dans l'expérience un système à multiple-tourbillon, avec une tourbillon de jeu intense. Les différentes analyses sur les caractéristiques d'écoulement montrent un bon accord entre l'expérience et le ZLES dans la région du écoulement de jeu. L'approche zonale (RANS-LES) s'avère être un outil puissant pour fournir une description détaillée du écoulement de jeu, avec un coût de calcul limité. Cependant, les calculs RANS et URANS surestiment globalement la diffusion de la tourbillon. En outre, l'oscillation du tourbillon de jeu est étudiée en utilisant des champs instantanés de PIV et l'amplitude d'oscillation est évaluée. La réponse dynamique de la tourbillon de jeu est également étudiée avec URANS aux fréquences choisies. Deux modèles de prédiction du bruit en champ lointain, correspondant à deux sources acoustiques différentes, sont reformulés et mis en oeuvre avec les données de champ proche des simulations numériques. Ces prédictions sont comparées aux mesures à champ lointain. En utilisant les données ZLES, le modèle de l’écoulement de jeu sur-estime le bruit généré dans la région de jeu. Le modèle de bruit de bord de fuite est implémenté avec les données ZLES et les données RANS et fournit une très bonne prédiction dans une large bande de fréquence.

The work described in this thesis is motivated by the use of structured packing columns in acid gas treatment and post-combustion CO2 capture. In a counter-current mode, flue gases react with the liquid that flows down over metal sheets, the geometrical complexity of which allows increasing the specific interfacial area, and thereby the overall efficiency of the process. In the context of multiscale modeling of structured-packing contacting devices, the focus in this work is on the gas-liquid flows at the smallest geometrical scale of packing sheets, of the order of the liquid film thickness, aiming to improve understanding and modeling of two-phase flows and wetting phenomena in structured packings. The ultimate objective is to build up a CFD methodology to reproduce 3D two-phase flows over complex surfaces such as structured packing sheets. For this purpose, progress is necessary both in pertinent computational methods and in the adaptation of experimental methods for observing liquid film flows over complex surfaces. This thesis therefore consists of computational and experimental parts. Flows over structured packing sheets may exhibit dry zones, and hence (moving) contact lines, the numerical simulation of which presents a computational challenge due to the disparity in length scales involved. Here, the methodology for large-scale numerical simulations of flows with moving contact lines consists in resolving the flow down to an intermediate scale and modeling effects of smaller ones. The parallelized freeware Two-Phase Level-Set has been extended for this purpose. First though, because some level-set methods have been reproached to yield mass conservation issues, an assessment is made of the mass conservation properties of a range of level-set methods. It is demonstrated that the combined use of some spatial and temporal discretization schemes allows to drastically reduce mass conservation errors in level-set methods. Having thus implemented a level-set method with satisfactory performance at such tests (and others), a novel numerical method is proposed to perform 3D large-scale simulations of flows with moving contact lines in level-set, under realistic conditions. Validation tests of axisymmetric droplet spreading in a viscous, and in an inertial regime, simulated in 3D, and sliding drops are shown to be in excellent agreement with prior experimental and numerical work. The results show that complex contact-line dynamics observed in prior experimental studies on sliding droplets can be simulated using the present large-scale methodology. To facilitate dissemination of this work in industrial applications, a similar subgrid model has been implemented in a commercial volume-of-fluid code; results of validation tests are shown to be in excellent agreement with other work. These computational developments are accompanied by an experimental campaign to observe liquid film flows over structured packing sheets. All experimental methods used herein are tested and validated for flat and wavy films down an inclined plane before being used for observing liquid film flows over packing sheets. The film thickness is measured at local troughs and crests of small-scale corrugations of the structured packing sheet, for different flow rates, by Chromatic Confocal Imaging. Power laws of the Reynolds number for the mean liquid film thickness are suggested, with significant differences for measurements at crests compared to that at troughs. Interface velocity measurements are also performed by PIV and PTV using hydrophobic particles. Results reveal that the liquid tends to deviate from troughs of large-scale corrugations, and seems to exhibit local extrema of the velocity magnitude corresponding to troughs and crests of small-scale corrugations. [...], Ces travaux de thèse s'incrivent dans le cadre du traitement de gaz acides et captage CO2 dans les colonnes à garnissages structurés. Les gaz à traiter réagissent avec un liquide s'écoulant à contre-courant sur des plaques métalliques dont la compléxité géométrique permet d'accroître l'aire d'échange, et donc l'efficacité du procédé. Dans un contexte de modélisation multi-échelles des contacteurs à garnissages structurés, les écoulements gaz-liquide à la plus petite échelle géométrique des plaques de garnissages (de l'ordre de l'épaisseur du film liquide) sont étudiés, pour améliorer la compréhension et la modélisation des écoulements diphasiques et phénomènes de mouillage dans les garnissages. L'objectif final est de développer une méthodologie CFD pour reproduire des écoulements diphasiques 3D sur des géométries complexes telles que les plaques de garnissages. Pour ce faire, il est nécessaire de progresser en méthodes numériques et de proposer des méthodes expérimentales pour observer des écoulements de film liquide sur des géométries complexes. Ces travaux comprennent une partie numérique et une partie expérimentale. Un écoulement sur une plaque de garnissage structuré peut présenter des zones sèches, et donc des lignes de contact (dynamiques), ce qui présente un défi en simulation numérique à cause des différentes échelles de l'écoulement. La méthodologie employée ici en simulation numérique consiste à résoudre l'écoulement jusqu'à une échelle intermédiaire en modélisant les effets des plus petites échelles. Le code de calcul Two-Phase Level-Set a été utilisé et modifié dans ce but. Différentes méthodes level-set ont d'abord été testées de manière à identifier une méthode satisfaisante quant à la réduction des erreurs de conservation de masse, un problème rencontré en level-set. Il est ici montré que certaines combinaisons de schémas de discrétisation spatiale et temporelle permettent de réduire considérablement ces erreurs de conservation de masse. Après avoir réalisé de nombreux tests de validation, une nouvelle méthode numérique est proposée pour simuler les grandes échelles d'écoulements diphasiques 3D avec ligne de contact dynamique en level-set, dans des conditions réalistes. La méthode est ici validée pour des écoulements axisymétriques de gouttes simulés en 3D, en régime visqueux et en régime inertiel, et pour des écoulements de gouttes sur plan incliné. Les résultats sont en très bon accord avec d'autres travaux numériques et expérimentaux. Afin de faciliter l'utilisation de cette méthodologie pour des applications industrielles, un modèle sous-maille similaire a été implémenté dans un code VOF commercial; les résultats sont aussi en très bon accord avec d'autres travaux. En plus de ces développements numériques, une campagne expérimentale est mise en oeuvre pour observer des écoulements de film liquide sur une plaque de garnissage structuré. Les méthodes expérimentales employées sont d'abord testées et validées pour des écoulements de film plat ou ondulé sur plan incliné, et ensuite utilisées pour observer des écoulements de film sur des plaques de garnissage. L'épaisseur de film liquide est mesurée aux creux et aux crêtes des picots des plaques de garnissages, pour différents débits, par imagerie confocale chromatique. Des lois de puissance de l'épaisseur de film en fonction du Reynolds sont proposées; celles-ci sont très différentes suivant la position des relevés de mesure, aux creux ou aux crêtes des picots. La vitesse à l'interface de l'écoulement gaz-liquide est aussi mesurée, par PIV et PTV, en utilisant des particules hydrophobes. Les résultats montrent que le liquide a tendance à dévier du creux des canaux (corrugations), et la norme de la vitesse semblent présenter des extremums correspondant aux creux et crêtes des picots. [...]

The hydrodynamic bearing provides good damping properties in rotating machineries. However, the performances of rotor-bearings systems are highly impacted by nonlinear effects that are difficult to analyze. The rotordynamics prediction requires advanced models for the flow in the bearings. The surface of the bearings seems to have a strong impact on the lubricant flow, acting on the static and dynamic properties of the rotating parts. This study aims to enhance the simulation of the bearings’ surface state effect on the motion of the rotating shaft. The flexible shaft interacts with textured hydrodynamic bearings. Multi-scales homogenization is used in a multi-physics algorithm in order to describe the fluid-structure interaction. Different models are used to account for the cavitation phenomenon in the bearings. Nonlinear harmonic methods allow efficient parametric studies of periodic solutions as well as their stability. Moreover, a test rig has been designed to compare predictions to real measurements. Several textured shaft samples modified with femto-seconds LASER surface texturing are tested. In most cases the experimental study showed similar results than the simulation. Enhancements of the vibration behaviors of the rotor-bearing system have been revealed for certain texturing patterns. The self-excited vibration, also known as "oil whirl" phenomenon, is stabilized on a wide rotating frequency range. However, the simulation tool does not predict well the enhancements that are observed. Vortices in surface texturing patterns have been revealed numerically with Navier-Stokes equation resolution. These results are opposed to the classical lubrication hypothesis. It is also a possible explanation of the enhancements that are experimentally measured with textured bearings., Le palier hydrodynamique est une solution de guidage en rotation particulièrement appréciée pour ses caractéristiques d’amortissement à hautes vitesses de rotation. Cependant les performances des machines tournantes lubrifiées par un film fluide sont impactées par des effets non linéaires difficiles à analyser. La prédiction du comportement du système par la simulation nécessite une modélisation avancée de l’écoulement de lubrifiant dans le palier hydrodynamique. Enfin, l’état de surface semble avoir un impact important sur l’écoulement du fluide lubrifiant, lui-même agissant sur les caractéristiques statiques et dynamiques des parties tournantes. Cette étude vise à améliorer les modèles numériques liés à l’impact de l’état de surface des paliers hydrodynamiques sur la dynamique de ligne d’arbre. La méthode d’homogénéisation multi-échelles a été utilisée à cet effet dans un algorithme multi-physiques pour décrire l’interaction entre la structure flexible en rotation et les films fluides des supports de lubrification. Différents modèles ont été utilisés pour prendre en compte la présence de zone de rupture de film lubrifiant. Des méthodologies non-linéaires fréquentielles ont été mises en place afin de permettre l’étude paramétrique des solutions périodiques d’un tel système et de leur stabilité. Afin de confronter ce modèle complexe à la réalité, un banc d’essai miniature a également été conçu. Différents échantillons présentant des états de surface modifiés par ablation à l’aide de LASER femto-seconde ont été testés. L’étude expérimentale a permis de vérifier certaines tendances prévues par la simulation. Des améliorations des performances des paliers hydrodynamiques par rapport aux vibrations auto-entretenues du système ont été démontrées pour certaines textures. En revanche toutes les améliorations ne sont pas prédites par les algorithmes d’homogénéisation multi-échelles. La présence de recirculation dans les aspérités du motif a été mise en évidence à partir de la résolution locale des équations de Navier-Stokes. Ce résultat participe à la remise en question des hypothèses classiques utilisées en texturation, et peut justifier les améliorations obtenues expérimentalement avec les paliers texturés.

Collisions, resulting in aggregation of ice crystals in clouds, is an important step in the formation of snow aggregates. Here, we study the collision process by simulating spheroid-shaped particles settling in turbulent flows and by determining the probability of collision. We focus on platelike ice crystals (oblate ellipsoids), subject to gravity, and to the Stokes force and torque generated by the surrounding fluid. We also take into account the contributions to the drag and torque due to fluid inertia, which are essential to understand the tendency of crystals to settle with their largest dimension oriented horizontally. We determine the collision rate between identical crystals, of diameter 300 μm, with aspect ratios in the range 0.005 ≤ β ≤ 0.05, and over a range of energy dissipation per unit mass, ε, 1 ≤ ε ≤ 250 cm2 s−3. For all values of β studied, the collision rate increases with the turbulence intensity. The dependence on β is more subtle. Increasing β at low turbulence intensity () diminishes the collision rate, but increases it at higher ε ≈ 250 cm2 s−3. The observed behaviors can be understood as resulting from three main physical effects. First, the velocity gradients in a turbulent flow tend to bring particles together. In addition, differential settling plays a role at small ε when the particles are thin enough (β small), whereas the prevalence of particle inertia at higher ε leads to a strong enhancement of the collision rate.

This paper presents an experimental validation of an in situ ultrasound technique for tracking the solid-liquid interface during directional solidification of photovoltaic silicon. Ultrasound bursts are introduced from the top into the melt via the tip of a carbon glass waveguide directly plunged into the liquid. Several runs of solidification have been conducted using the same waveguide thus demonstrating its reusability, its mechanical resilience and its appropriate acoustical and chemical compatibility with the melt. We present the times of flight analysis to track the location of the solid-liquid interface. As part of the signal crosses the solidifying ingot, we also measure $c_s$ , the average celerity of sound waves in the solid. Since $c_s$ exhibits a significant dependance on crystal orientation, we consider the possibility to use the echoes to extract some information on the crystalline orientation in the ingot. By quantifying the uncertainties and their dependence with the duration of the experiment in particular, we outline the conditions necessary to detect accurately the average orientation in the solid.

International audience; The present work addresses experimentally the aeroacoustic installation effects of a pair of side-by-side corotating subsonic propellers mounted near a wing trailing edge. This generic configuration mimics future Distributed Electric Propulsion urban air-vehicle architectures, addressed in the framework of the European Union’s H2020 project ENODISE. The installation effects refer to the additional sources of aerodynamic noise caused by blade-wing interaction and their scattering by the wing, compared to the case of isolated propellers. Through a parametric study, the paper aims to find an optimum generic configuration with respect to aerodynamic and acoustic aspects. Wind tunnel tests have been conducted in the anechoic open-jet facility at École Centrale de Lyon. Aerodynamic measurements were taken by static pressure taps onthe wing, whereas aero-propulsive performance was evaluated with load cells. In addition, the far-field sound was measured with a rotation microphone antenna around the setup. The propellers were tested at a constant rotational rate of 7000 rpm in static conditions. Variations in magnitude and directivity of the overall sound pressure levels at the first blade passing frequency tones were explored comprehensively for the different cases. The spectral content of selected cases of interest was examined in greater detail, showing the impacts of acoustic scattering, diffraction, reflection, and shielding depending on the propeller position. The results show positions at which there is significant potential for noise attenuation in both the tonal and broadband noise content. Reductions of up to 5 dB in the overall sound pressure level and 20 dB in the first blade passing frequency were discovered. Additionally, the data show that the installation effect is crucial for analyzing tonal propeller noise. In particular, sound radiation is significantly increased when the blade tips operate close to the trailing edge.

International audience; The broadband noise radiated by turbulent fan wakes interacting with the outlet guide vanes is one of the major broadband noise components of turbofan engines. In this paper, this broadband turbulence interaction noise is studied experimentally in an anechoic wind tunnel on a simplified configuration consisting in a rectilinear cascade of airfoils impinged by a turbulent flow generated by a turbulence grid. The cascade is made of 7 loaded airfoils with an adjustable incidence angle and the upstream flow velocities investigated are up to a Mach number of 0.53. The noise radiated by the cascade is evaluated using a circular array of microphones located in free-field downstream of the cascade, and also using a linear array of microphones flush mounted in the duct upstream of the cascade. A concept of airfoil with inclusions of porous material has been designed based on previous work and manufactured to be tested on this rectilinear cascade configuration. The results of the measurements performed with this airfoil concept are compared to the results of the fully rigid reference airfoil.

Vegetation in rivers is often considered as a source of water resistance which slows down the water conveyance. It is also one of the main component for river equilibrium, insofar as it prevents body erosion by providing bed stabilization, it plays a vital role during floods. It is crucial for sediment transport, water quality and also shelter to provide the necessary habitat for the biodiversity of aquatic species. It is then useful to understand the mechanical behaviour of aquatic canopies resulting from the interaction between vegetation and a water flow. From land-use planning to river management, such a knowledge would also shed light upon plant biomechanics and improve bio-inspired engineering.Traditionally, studies on aquatic vegetation explored its influence on flow properties, like velocity distribution, wake dynamics, turbulence, water conveyance and sediment transport by considering it simply as a rigid or flexible roughness element.This thesis is an experimental work which aims at understanding how a model canopy reacts to a water flow depending on the canopy geometry and the flow conditions. Three different series of experiments are performed.First, the effect of density on the canopy reconfiguration and the corresponding drag reduction is investigated. The drag acting on the canopy, and also on individual sheets, is systematically measured. A strong sheltering effect exists as long as the spacing is smaller than a critical value depending on the sheet width.Then, the canopy is submitted to a wave flow to test its sensibility to a determined frequency. Each stem is found to act like a forced oscillator with a strong resonance at natural frequency (modified by canopy density).Finally, a parallel free flow allows mixing layer instabilities to develop above the canopy. Different behaviour are observed and characterized, especially the large coherent waving called 'monami'; Les canopées sont des assemblées compactes de plantes dont l'étude concerne de nombreuses problématiques environnementales. Des applications technologiques sont également envisageables. Les précédents travaux se sont principalement focalisés sur les écoulements au-dessus des canopées, considérées comme des rugosités de fond. La présence d'un point d'inflexion dans le profil de vitesses dans le fluide autorise le développement d'instabilités de type couche de mélange à l'interface. De plus, la prise en compte de la flexibilité des plantes complique le problème, car leur forme est modifiée par le courant pour réduire la traînée exercée sur elles --c'est le phénomène de reconfiguration-- mais elles ont également une dynamique propre qui peut éventuellement influencer l'écoulement. La démarche envisagée dans cette thèse est essentiellement expérimentale. Elle cherche à comprendre la réaction des tiges à différents types d'écoulements, afin d'étudier les effets collectifs inhérents à la canopée, et d'identifier les mécanismes communs qui en sont à l'origine. On utilise pour cela des tiges modèles très simples dans un canal étroit, ce qui assure une configuration quasi 2D et facilite les observations. Dans un premier temps, on étudie la réaction statique de la canopée à un écoulement établi. L'effet de la densité est très clair tant que les plantes sont assez proches, sinon elles se comportent comme si elles étaient seules. Ensuite, la canopée est soumise à un écoulement oscillant (houle), et, de la même façon, on étudie la différence de réaction entre une tige seule et une tige incluse dans une canopée. La troisième partie s'intéresse à la dynamique de la canopée soumise à un écoulement unidirectionnel, permettant le développement d'instabilités au sommet de la canopée. Le régime de grandes ondulations cohérentes de la canopée, apparenté au ‘monami' de la littérature, est caractérisé

This work concerns the steady, incompressible flow around a semi-infinite, rotating cylinder and its linear-stability properties. The effect of cylinder curvature and rotation on the stability of this flow is investigated in a systematic manner. Prior to studying its stability, we first compute the basic flow. At large Reynolds numbers, a boundary layer develops along the cylinder. The governing equations are obtained using a boundary-layer approximation to the Navier–Stokes equations. These equations contain two non-dimensional control parameters: the Reynolds number (Re) and the rotation rate (S), and are numerically solved to obtain the velocity and pressure profiles for a wide range of control parameters. The initially thin boundary layer grows in thickness with axial distance, becoming comparable and eventually larger than the cylinder radius. Above a threshold rotation rate, a centrifugal effect leads to the presence of a wall jet for a certain range of streamwise distances. This range widens as the rotation rate increases. Furthermore, the wall jet strengthens as S increases. Asymptotic analyses of the flow at large streamwise distances and at large rotation rates are presented. A linear stability analysis of the above flow is carried out using a local-flow approximation. Upon normal-mode decomposition, the perturbation equations are transformed to an eigenvalue problem in complex frequency (ω). The problem depends on five non-dimensional parameters: Re, S, scaled streamwise direction (Z), streamwise wavenumber (α) and azimuthal wavenumber m. The stability equations are numerically solved to investigate the unstable regions in parameter space. It is found that small amounts of rotation have strong effects on flow stability. Strong destabilization by small rotation is associated with the presence of a nearly neutral mode of the non-rotating cylinder, which becomes unstable at small S. This is further quantified using smallS perturbation theory. In the absence of rotation, the flow is stable for all Re below 1060, and for Z above 0.81. However, in the presence of small rotation, the instability becomes unconstrained by a minimum Re or a threshold in Z. The critical curves in the (Z, Re) plane are computed for a wide range of S and the consequences for stability of the flow described. Finally, a large-Z asymptotic expansion of the critical Reynolds number is obtained., Ce travail concerne l’écoulement incompressible et stationnaire autour d’un cylindre semi-infini en rotation, et ses propriétés de stabilité linéaire. L’effet de la courbure et de la rotation sur la stabilité de cet écoulement est étudié de manière systématique. Avant d’étudier la stabilité, nous calculons d’abord l’écoulement de base. A grand nombre de Reynolds, une couche limite se développe le long du cylindre, ce qui permet d’utiliser l’approximation de couche limite des équations de Navier–Stokes. Ces équations dépendent de deux paramètres de contrôle sans dimension, le nombre de Reynolds (Re) et le taux de rotation (S), et sont résolues numériquement pour obtenir les profils de vitesse et de pression pour une large gamme des paramètres de contrôle. Une couche limite initialement mince s’épaissit avec la distance axiale; ainsi, son épaisseur devient comparable et finalement plus importante que le rayon du cylindre. Au-delà d’un certain taux de rotation, les effets centrifuges conduisent `a un jet de paroi le long d’une portion du cylindre. L’extension axiale de ce jet augmente avec le taux de rotation. L’intensité du jet augmente aussi avec S. Des analyses asymptotiques de l’écoulement à grande distance axiale et à fort taux de rotation sont aussi présentées. L’analyse de stabilité linéaire du précédent écoulement est effectuée dans l’approximation locale. Après une décomposition en modes normaux, les équations des perturbations sont transformées en un problème de valeur propre `a fréquence complexe (ω). Ce problème dépend de cinq paramètres sans dimension: Re, S, la distance axiale normalisée (Z), le nombre d’onde axial (α) et le nombre d’onde azimutal (m). Les équations de stabilité sont résolues numériquement pour étudier les régions instables dans l’espace des paramètres. On observe que de faibles taux de rotation ont un effet important sur la stabilité de l’écoulement. Cette forte déstabilisation est associée à la présence d’un mode quasi-marginal pour le cylindre fixe et qui devient instable pour de petites valeurs de S. Ce phénomène est confirmé par une analyse en perturbation `a petit S. Sans rotation, l’écoulement est stable pour tout Re < 1060, et pour Z > 0.81. Mais, en présence d’une faible rotation, l’instabilité n’est plus limitée par une valeur minimale de Re ou un seuil en Z. Les courbes critiques dans le plan (Z, Re) sont calculées pour une large gamme de S et les conséquences pour la stabilité de l’écoulement discutées. Enfin, un développement asymptotique pour le nombre de Reynolds critique est obtenu, valable aux grandes valeurs de Z.

Time-resolved PIV and time-resolved stereo PIV measurements are carried out in the tip leakage vortex of a single non-rotating airfoil placed in the potential core of a flanged rectangular jet in free field conditions. The experiment is based on the improvement of an existing rig: a cambered airfoil (NACA5510) now mounted with a [Formula: see text] angle of attack between two horizontal plates, a [Formula: see text] gap being maintained between the airfoil tip and the lower (casing) plate. The mean flow velocity is [Formula: see text] , which corresponds to a [Formula: see text] Mach number and a chord-based Reynolds number of [Formula: see text] . Unlike in the former experiment carried out with this rig, the boundary layer thickness is now smaller than the gap, which significantly reduces the interaction between the upstream turbulence and the airfoil leading edge as well as the resulting interaction noise. The measurements described here include the far field. The upstream flow is characterised with hotwire anemometry. LDV profiles are also obtained in the tip leakage region and compared to the PIV measurements. The experiment is also designed to provide validation data for unsteady CFD computations of the same configuration as shown in a companion paper.

The present work focuses on the study of the corner separation phenomenon in compressors carried out by experimental investigations on a subsonic linear cascade test rig (Re=3.8x105, M=0.12, blade profile NACA 65-009). Usually, this particular three-dimensional separation takes place in the corner between the blade and the endwall of compressor rows, mostly at hub, both in stators and rotors.Its main features are high total pressure losses and blockage of the flow, with consequent impacts on the efficiency. Whereas time averaged characteristics are well known from the past, only recent advanced experimental studies and improvements of numerical simulations, such as URANS and LES, have permitted to uncover the highly unsteady behavior of corner separation in compressors. Precedent studies on the same test rig have reported an intermittent unsteady behavior of corner separation, called bimodal behavior. In the present thesis it is shown that the bimodal behavior corresponds to two specific states of the flow: a closed separation, almost suppressed, and an open separation characterized by massive blockage and losses. Clearly hub-separation bimodal switches appearing in a real machine could have a first order detrimental effect on the stability of the flow in the compressor. By using high speed PIV coupled with unsteady pressure measurements on the surface of the blade the flow in a single blade passage has been investigated for different incidences. The PIV measurements provide, for the first time, time-resolved flow visualizations of the size switch of the separation with an extended field of view covering the entire blade section. The interaction of random large structures of the incoming boundary layer with the blade is found to be a predominant element that destabilizes the separation boundary and enlarges the recirculation region. Such a massive separation persists until the blockage in the passage causes the breakdown of the largest structures in the aft part of the blade, reestablishing the closed separation state. Such dynamics coincide with the aperiodic intermittent flow regime of diffusers, called transitory stall regime, and the associated Fourier spectra show the largest energy amplitudes in the low frequency range. Conditional ensemble averages of pressure and proper orthogonal decomposition (POD) of velocity fields have been applied to show the feedback effect of the blockage of the separation on the flow angle around the blade leading edge. These results draw the picture of a self-sustained instability caused by the diffusion imposed by the inter-blade passage. To answer the question about the interaction between adjacent corner separations, time-resolved total pressure measurements have been carried out by using high frequency response sensors positioned in bimodal points of multiple passages. The coherent propagation velocity and the linearity of the phase angle found between the signals confirm that the unsteadiness of the separation can propagate in pitch-wise direction. It is interesting to underline that equivalent elements characterize rotating disturbances appearing in annular test rigs. This finally shows that, even in an isolated stator blade row, the intrinsic unsteadiness of corner separation can start the propagation of instabilities. It is the first time that such a propagation effect is observed in a linear compressor cascade., Le présent travail concerne l'étude du décollement de coin de compresseurs par des investigations expérimentaux sur le banc d'essai subsonique grille d'aubes situé au LMFA (Re = 3.8 x 105, M = 0,12, profil NACA 65-009). Habituellement, cette particulière séparation tridimensionnelle a lieu dans le coin entre l'aubage et la paroi du moyeu des rangées d'aubes, également dans les stators et les rotors.Les performances de l’étage sont ainsi dégradées à cause des pertes de charge et du blocage conséquent à la séparation de l’écoulement. Bien que les caractéristiques stationnaires sont bien connues par la littérature, uniquement des récentes études expérimentales avancées combinées aux améliorations de simulations numériques, telles que URANS et LES, ont permis de découvrir le comportement très instable du décollement de coin. Des études préalables sur le même banc d'essai ont rapporté un comportement intermittent du décollement, appelé comportement bimodal. Dans la présente thèse de doctorat, il est montré que le comportement bimodal correspond à deux états spécifiques du champ fluide: une séparation fermée, presque supprimée, et une séparation ouverte caractérisée par un blocage massif. Il est clair que cette commutation bimodale du décollement de coin apparaissant dans une machine réelle pourrait avoir un impact fortement déstabilisant. En utilisant la méthode de mesure PIV haute vitesse couplée à des mesures de pression résolues en temps sur la surface de l'aubage, l'écoulement d'un canal inter-aube a été étudié pour deux différentes incidences. Les mesures PIV fournissent pour la première fois des visualisations résolues en temps et étendues à toute la section de l'aubage de la variation bimodale du décollement. L'interaction des grandes structures aléatoires de la couche limite à l'amont avec le bord d'attaque de l'aubage déstabilise le front du décollement et agrandit la région de recirculation. Une séparation ainsi massive persiste jusqu'à ce que le blocage dans le canal inter-aube provoque la rupture des plus grandes structures constituant la zone de recirculation. Successivement le débit recommence à accélérer et la séparation est presque supprimée. Cette dynamique coïncide avec le régime d'écoulement hautement instationnaire et apériodique des diffuseurs, appelé large transitory stall, caractérisé par des grandes amplitudes d'énergie dans la gamme des basses fréquences du spectre. Des moyennes conditionnelles de pression et la décomposition orthogonale modale (POD) des champs de vitesse ont été appliquées pour montrer l'effet rétroactif du blocage induit par la séparation ouverte sur l'angle local au bord d'attaque. Ces résultats supportent l’hypothèse d'une instabilité auto-entretenue causée par la diffusion imposée dans le stator. En fin, des mesures de pression totale résolues en temps ont été effectuées en utilisant des capteurs à haute réponse en fréquence, situés à la même position dans les différents canaux adjacents. La cohérence et la linéarité de l'angle de phase trouvée entre les capteurs confirment que l'instabilité du décollement peut se propager d'un canal a l'autre, en analogie avec les perturbations tournantes (rotating instabilities) apparaissant dans les bancs d'essai annulaires. Ceci montre pour la première fois que, même dans une grille d'aubes linéaire de compresseur, l'instabilité intrinsèque du décollement de coin peut déclencher la propagation d'instabilités.

International audience; The problem of localizing and quantifying acoustic sources from a set of acoustic measurements has been addressed, in the last decades, by a huge number of scientists, from different communities (signal processing, mechanics, physics) and in various application fields (underwater, aero, or vibro acoustics). This led to the production of a substantial amount of literature on the subject, together with the development of many methods, specifically adapted and optimized for each configuration and application field, the variety and sophistication of proposed algorithms being sustained by the constant increase in computational and measurement capabilities. The counterpart of this prolific research is that it is quite tricky to get a clear global scheme of the state of the art. The aim of the present work is to make an attempt in this direction, by proposing a unified formalism for different well known imaging techniques, from identification methods (acoustic holography, equivalent sources, Bayesian focusing, Generalized inverse beamforming...) to beamforming deconvolution approaches (DAMAS, CLEAN). The hypothesis, advantages and pitfalls of each approach will be clearly established from a theoretical point of view, with a particular effort in trying to separate differences in the problem definition (a priori information, main assumptions) and in the algorithms used to find the solution. Some parallels will be drawn with well-known algorithms developed in the field of applied mathematics, linked to compressive sensing, sparse representations or non-negativity constraints. Illustrations of the specificities, similarities and computational costs of each approach will be shown for different source configurations (coherent/incoherent/extended/sparse distributions).

A laminar boundary layer developing under a free-surface and interacting with an emerging obstacle lead to the creation of a complex recirculation zone called horseshoe vortex upstream from the obstacle. This recirculation zone is composed of a given number of vortices wrapping around the obstacle with various kind of dynamics. The aim of this work is to perform an experimental parametric study of the laminar, and slightly turbulent horseshoe vortex. Measurements are obtained by PIV and trajectographies and detection method based on modal decomposition (POD) and critical points are used to ease the study of the vortex dynamics. This manuscript intends to : (i) Explain the horseshoe vortex main characteristics evolution with the non-dimensional parameters of the flow. (ii) Define a typology of the different observed vortex dynamics. (iii) Identify the physical mechanisms at the origin of those dynamics through the use of a conceptual model. (iv) And finally, show the influence of the obstacle length on the horseshoe vortex., La rencontre entre une couche limite laminaire se développant sur une plaque plane sous une surface libre et un obstacle rectangulaire émergent mène à l’apparition d’une zone de recirculation complexe appelée tourbillon en fer à cheval à l’amont de l’obstacle. Cette zone de recirculation est composée d’un certain nombre de vortex s’enroulant autour de l’obstacle et pouvant présenter des dynamiques variées. Le but de ce travail est de réaliser une étude expérimentale paramétrique du tourbillon en fer à cheval laminaire et faiblement turbulent. Les mesures sont réalisées par PIV et par trajectographies et des méthodes de détection basés sur la décomposition modale (POD) et la détection des points critiques sont utilisées afin de faciliter l’étude de la dynamique tourbillonnaire. Ce manuscrit se propose de : (i) Déterminer l’évolution des caractéristiques du tourbillon en fer à cheval en fonction des paramètres adimensionnels de l’écoulement. (ii) Mettre en place une typologie des différentes dynamiques exhibées. (iii) Déterminer les mécanismes à l’origine de l’apparition de ces différentes dynamiques à l’aide d’un modèle conceptuel. (iv) Et finalement, étudier l’influence de la longueur de l’obstacle sur le tourbillon en fer à cheval.

The transport of solid particles inside a laboratory-scale turbulent boundary-layer is studied by numerical simulations, to obtain a better understanding of the mechanisms associated with wind erosion of soil. The presence of one or several Gaussian hills allows a study of the topographic effects on the transport, deposition and re-emission of solid particles. The carrier fluid motion is resolved in a Large Eddy Simulation (LES). Wall models are implemented to better account for the effects of turbulent flow near the terrain. Particle trajectories are calculated using a Lagrangian tracking. Take-off and rebound models are developed in order to take into account particle emissions and impacts at the wall. In the first part, the flow over transversal Gaussian hills is simulated and validated by comparison with different experiments. According to Oke [1988], the flow inside an urban canopy can be schematically characterised into different flow regimes depending on the relative localisation of the obstacles at the ground. This concept is applied to the case of sand dunes, assimilated to 2D hills in this study. The focus is on the recirculation zone (RZ) on the lee side, which has the characteristic of increasing the residence time and the interaction fluid/particle in general, particle trapping and deposition in particular. The variations of RZ with different hill geometries and Reynolds numbers are examined. A study on the roughness sublayer is conducted in order to determine the roughness effects due to the layer of solid particles on the wall. The second part of the work is devoted to the simulation of solid particle transport over the Gaussian hills. The objective is to improve the modelling of particle take-off, rebound and the two-way coupling between the fluid and the particle. A first work of validation is conducted by using the complete model of solid particle transport developed in this thesis. In particular, the evolution of particle emission flux predicted by the take-off model is in accordance with classical saltation models and experiments from the literature. Over the Gaussian hills, analysis of particle transport is conducted using concentration and mean velocity fields. Two mappings are realised. The first indicates the intensity of the local and instantaneous flow structures that arguably regulate the re-entrainment of particles trapped inside the RZ. The second shows the accumulation of particles on the wall. These results highlight zones prone to wind erosion and particle deposition around the hills. Last but not least, the fluxes of particle trapping and deposition inside the RZ are quantified and compared to the incoming flux from upstream. These fluxes, albeit relatively weak in comparison to the incoming one, contribute potentially to dune migrations and desertification., Afin de mieux comprendre les mécanismes liés à l’érosion du sol sous l’effet du vent, le transport de particules solides dans un écoulement de couche limite turbulente à l’échelle d’une soufflerie est étudié à l’aide de simulations numériques. La présence d’une ou plusieurs collines Gaussiennes au sol permet d’étudier les effets de la topographie sur le transport, le dépôt et la réémission de particules solides. L’écoulement du fluide porteur est résolu par la Simulation des Grandes Échelles (SGE). Des modèles de paroi pour la vitesse du fluide sont implémentés afin de mieux représenter l’écoulement proche d’une colline. Le mouvement des particules est pris en compte par un suivi Lagrangien. Des modèles d’envol et de rebond sont développés et utilisés pour prendre en compte l’émission et l’impact au sol des particules. Dans la première partie, l’écoulement au-dessus de collines transversales est simulé et validé par des comparaisons avec différentes expériences. Selon Oke [1988], l’écoulement dans la canopée urbaine peut être schématiquement caractérisé par différents régimes en fonction du positionnement relatif des obstacles. Ce concept est appliqué au cas des dunes, assimilées à des collines dans notre étude. L’accent est mis sur la zone de recirculation (ZR) formée derrière ces collines. Les variations de la ZR sont examinées en fonction de différents paramètres dont la configuration des collines et le nombre de Reynolds. De plus, une étude portant sur la sous couche rugueuse est effectuée de façon à déterminer l’effet de la rugosité due à la couche de particules solides au sol. La seconde partie du travail porte sur la simulation des particules au-dessus des collines. L’objectif est l’amélioration des modélisations concernant l’envol, le rebond et le couplage entre le fluide et les particules. Un premier travail de validation est réalisé en utilisant le modèle complet de transport des particules solides. En particulier, l’évolution du flux d’émission des particules, estimé par le modèle d’envol, en fonction du nombre de Shields, donne des résultats comparables aux modèles classiques de saltation et aux expériences de la littérature. Au-dessus des collines, le transport des particules solides est étudié par des profils de concentration et de vitesse moyenne. Pour analyser les résultats, deux cartographies sont réalisées. La première donne l’intensité des événements locaux et instantanés qui seraient à l’origine de l’évacuation des particules piégées au sein de la ZR. La seconde montre la distribution des particules déposées au sol. Ces résultats permettent d’identifier des zones sujettes à l’érosion et à l’accumulation autour des collines. Enfin, les flux des particules piégées et déposées à l’intérieur de la ZR sont quantifiés et comparés aux flux des particules émises en amont. Ces flux, bien que faibles par rapport au flux entrant, contribueraient aux migrations des dunes et à l’avancée des déserts.

To increase turbomachinery design, manufacturers have to comprehend complex aeroelastic phenomena involving compressors like fluid-structure interaction limit cycles of fans. The understanding and the modeling of these phenomena involve developing complex solvers coupling techniques and validating these techniques with bench tests. The bench test of the CREATE compressor is instrumented to study the coupling between aerodynamic instabilities and structure vibration, in particular on the first stage rotor, and allows to validate numerical techniques. The flow modeling upstream to the first stage with the Turb’Flow flow solver (targeting turbomachinery applications) shows that, to have accurate results, inlet limit conditions must take into account. The ingestion of non-homogeneous flow upstream to the inlet guide vane is accurately modeled. This phenomenon can appear upstream to fans and interact with structure Eigen-modes. Explicit partitioned strong coupling considered in time domain was implemented in a Turb’Flow flow solver. As there is a risk of time shift at the fluid-structure interface, careful attention should be paid to energy conservation at the interface. This conservation is crucial when displacements are large and when strong non-linear behaviors occur in both fluid and structure domains, namely shock waves, flow separations and non-linear structural damping. In parallel with coupling technique development, the three-order implicit Runge-Kutta scheme (RKI-3) was implemented and validated on a structure dynamic case (transonic turbine blade vibration) and on a case of shock waves propagation. The RKI-3 scheme allows increasing the time step of one order of magnitude with the same accuracy. There is a CPU time gain for structure dynamics simulations, but no for URANS simulations. However, the RKI-3 scheme can be to use for fluid-structure coupling simulations. The coupling technique was validated on a test case involving tube in which the shock wave impinges on a cross flow flexible panel, initially at rest. This case allows modeling an interaction between sonic flow and a panel movement with a tip clearance. Some numerical simulations were carried out with different temporal schemes. The RKI-3 scheme has no influence on results (compared with Gear and/or Newmark scheme) on the energy conservation at the fluid-structure interface. Compared to experimental results, pressure is in fairly good ix Liste des publications agreement. The analysis of numerical results highlighted that a vertical shock tube with up and down waves creates pressure fluctuation. Frequency is under predicted and amplitude is not in fairly good agreement. The panel root modeling might be questionable.; Pour améliorer la conception des turbomachines, les industriels doivent appréhender des phénomènes aéroélastiques complexes présents dans les compresseurs comme les cycles limites d’interaction fluide-structure des fans. La compréhension et la modélisation de ces phénomènes impliquent de développer des modèles numériques complexes intégrant des phénomènes multi-physique et de valider ces modèles à l’aide de bancs d’essais. Le banc d’essai du compresseur CREATE est instrumenté pour étudier des instabilités aérodynamiques couplées à des vibrations, notamment sur le rotor du premier étage, et permet de valider des modèles numériques. La modélisation de l’écoulement en amont du premier étage du compresseur à l’aide du logiciel Turb’Flow, développé pour l’étude des écoulements dans les compresseurs aéronautiques, a permis de mettre en évidence l’importance des conditions limites d’entrée pour l’obtention de résultats précis. En particulier, il a été possible de modéliser correctement l’ingestion d’une alimentation non-homogène en entrée de la roue directrice d’entrée. Ce phénomène peut se produire en amont des fans et interagir avec un mode de la structure. Une stratégie de couplage partitionné fort explicite dans le domaine temporel a été introduite dans le logiciel Turb’Flow. Comme cette méthode présente un risque de décalage temporel à l’interface fluide-structure, une attention particulière a été portée à la modélisation de la conservation de l’énergie à cette interface. La conservation de l’énergie à l’interface est cruciale quand les déplacements sont importants et quand un comportement non-linéaire fort apparaît entre le fluide et la structure (onde de choc et amortissement structurel nonlinéaire). Parallèlement au développement du module aéroélastique, le schéma implicite de Runge- Kutta d’ordre 3 en temps (RKI-3) a été développé et évalué sur un cas de dynamique (vibration d’une aube de turbine transsonique) et sur un cas de propagation d’onde de choc. L’utilisation du schéma RKI-3 permet d’augmenter, à iso-précision, d’un ordre le pas de temps par rapport aux schémas de Gear et de Newmark. S’il apporte un gain en temps CPU pour l’étude de la dynamique des structures, il est pénalisant dans le cadre de simulation URANS. Cependant, le schéma RKI-3 est utilisable dans le cadre de simulations couplées fluide-structure.

With the advancement of modern fan architectures the lack of experimental benchmarks for the research community became apparent in the recent years. Enormous effort in method development could not be validated on representative geometries and motivated the development of the open-test-case ECL5/CATANA. A carbon fibre fan stage has been designed by Ecole Centrale de Lyon and shared with the community in 2021.The fan is representative of a modern Ultra High Bypass Ratio (UHBR) architecture with sonic design speed. The reference configuration has been investigated experimentally on a novel test facility with multi-physical instrumentation. In this publication the results of the first experimental campaign are presented with a detailed analysis of the aerodynamic performance and system symmetry. The presented results comprise full stage mappings across the whole operating range for three main speedlines (55%, 80% and 100%) using performance rakes, unsteady wallpressure arrays, tip-clearance and stagger-angle measurements.Radial profiles of intake boundary layer and rotor-exit conditions at selected conditions complete the full validation dataset for steady and unsteady aerodynamic simulations. Results are discussed in comparison to blind-test RANS simulations of different international institutes. Significant predicition inaccuracies of the tip flow and corner separations of the stator are observed and reveal the requirement of real-blade-geometry measurements at running conditions. This paper is accompanied by a publication with a focus on aeroelastic instabilities observed near the stability limit. The results represent a comprehensive dimensional benchmark dataset and allow method validation on multiple levels of fidelity for the aerodynamic and aeroelastic research community

Lateral cavities are free-surface dead-zones located on the side of a fluvial or coastal main flow. As the typical velocities are much larger in the main flow than in the cavity, a mixing layer appears at the interface between both regions. This mixing layer is able to transfer between the main flow and the cavity momentum which then sets the fluid in the cavity in motion and also passive scalar, such as a pollution coming from upstream. The objective of this work was then to investigate the characteristics of the mixing layer, which specificity comes from the fact that it is constrained between the upstream and downstream geometrical corners. It was possible to observe the origin and alternation of the transversal fluid motions: from the cavity towards the main flow and conversely. Regarding the motion in the cavity, the choice was made to keep a constant main flow and to measure the 2D horizontal velocity field using PIV as the extension of the cavity increases. The flow pattern then passes from a 2-cell patterns aligned in the direction of the main flow to a single-cell pattern, then a 2-cells patterns aligned along the direction perpendicular to the main flow and finally a complex 3D pattern for the widest cavity. Then a modification of the experimental set-up permitted to investigate the passive scalar exchanges from the main stream towards the cavity. It was possible to understand the processes responsible for such transfer and to quantify the transfer capacity. The analysis dimensional revealed that in the present subcritical, smooth simplified geometry cavity, the three parameters possible responsible for the modification of the transfer capacity are the geometrical aspect ratio of the cavity, the Reynolds number of the main flow and finally the normalized water depth. It was then shown that the impact of the cavity geometry remains negligible but that the Reynolds number and the normalized water do impact this passive scalar transfer capacity.; Les cavités latérales sont des zones mortes à surface libre situées sur le côté d’un écoulement fluvial ou côtier. Les vitesses caractéristiques au sein de la cavité étant beaucoup plus faibles que celles de l’écoulement, une couche de mélange se développe à l’interface entre ces deux régions. Cette couche de mélange peut alors transférer de la quantité de mouvement de l’écoulement vers la cavité et ainsi mettre en mouvement la cavité et peut aussi transférer de la masse entre les deux régions, telle une pollution venant de l’écoulement amont. L’étude de cette thèse a alors consisté à étudier les caractéristiques de la couche de mélange, qui est rendue spécifique par le fait qu’elle se développe entre deux coins géométriques formés par l’intersection entre les parois de la cavité et celles de l’écoulement principal. Nous avons alors pu identifier l’origine et l’alternance des mouvements de fluide dans la direction transverse: de la cavité vers l’écoulement et inversement. Concernant la mise en mouvement de la cavité, le choix a été fait de considérer un écoulement principal fixé et de modifier l’extension de la cavité dans la direction perpendiculaire à l’écoulement, passant ainsi d’une cavité rectangulaire alignée avec l’écoulement principal à une cavité allongée dans le sens opposé. La mesure de champ de vitesse par PIV 2D a alors montré une forte évolution de la forme de l’écoulement à mesure que la géométrie de la cavité évolue : un système avec deux cellules alignées dans le sens de l’écoulement à un système à une seule cellule, puis un système à deux cellules et enfin un système complexe 3D ont ainsi été observés pour une cavité de plus en plus allongée. Ensuite, une modification du dispositif expérimental a permis de mesurer de deux façons différentes le transport de scalaire de l’écoulement principal vers la cavité, de comprendre les processus associés à ce transfert et enfin de quantifier cette capacité de transfert pour différents écoulements principaux et différentes géométries de cavités. Nous avons notamment montré que la géométrie de la cavité a peu d’effet alors que le nombre de Reynolds et la profondeur d’eau normalisée ont un effet majeur sur cette capacité de transfert de masse entre les deux régions.

The present research focuses on the recirculation zone developing downstream of an expansion in a shallow open-channel flow with a specific attention on its length. The work consists of combined experimental and numerical approaches. The dimensional analysis and previous studies permit to express the dimensionless recirculation length as a function of 3 parameters: the friction number S, the ratio between the water depth and the expansion step h/d and the geometrical aspect ratio Rb. Nevertheless, varying either S or h/d on the experimental set-up without affecting the other is a complicated task which was not performed by previous studies. Following this approach permitted to obtain an unexpected bell shape for the L/d=f(S) curve, differing form the literature results. In order to improve the approach and vary S and h/d independently, a 3D numerical campaign was performed and proved that L/d actually depends both on S and h/d parameters and that the bell shape is in fact the consequence of the opposite influence of both parameters. Moreover, the precise experimental analysis of themixing layer at the frontier between the main flow and the recirculation for flows with different S and h/d values showed that the recirculation length is governed by the lateral confinement due to the reattachment wall and the size of the eddies present in the mixing layer. Hence, an integral approach is adopted, using balances of momentum and of energy at the whole flow scale, showing: i) that the shear force exerted along the mixing layer is negligible compared to the other forces and ii) that the meaning of S parameter is to quantify the intensity of the bottom friction of the whole flow on these balance. The following regimes can thus be encountered: i) according to the bed friction S values, the flow can be non-frictional (small S) or frictional (large S) and ii) according to the relative water depth, the flow can be vertically unconfined (large h/d) or confined (small h/d). An empirical correlation permitting to estimate the recirculation length L/d as a function of S, Rb and h/d is finally obtained and appears to fairly fit the numerical calculations and experimental measurements.; Le travail présenté ici a pour objet l’étude de la zone de recirculation qui se développe à l’aval d’un élargissement brusque ayant lieu dans un canal à surface libre, avec une attention particulière portée sur la longueur de recirculation. Ce travail consiste en une approche combinée expérimentale et numérique. L’analyse dimensionnelle ainsi que les travaux préliminaires antérieurs à cette thèse montrent que la longueur de recirculation adimensionnée dépend de 3 paramètres que sont : le nombre de frottement S, la hauteur d’eau adimensionnée par la taille de l’élargissement h/d et enfin le rapport géométrique de l’élargissement Rb. Cependant, faire varier dans les expériences S ou h/d sans affecter l’autre paramètre s’avère être une tâche très délicate qui a été négligée dans les études précédentes. En utilisant cette même approche, les résultats présentés ici font état d’une forme de cloche très inattendue de la courbe : L/d= f (S). Ces résultats sont en fort désaccord avec ceux de la littérature. Afin d’améliorer notre approche et de faire varier S et h/d indépendamment, une campagne de modélisation numérique 3D est menée et prouve que L/d dépend en fait des deux paramètres considérés S et h/d et que la forme de cloche résulte des influences opposées de ces deux paramètres. De plus, l’analyse de la couche de mélange qui prend place entre la zone de recirculation et l’écoulement principal, mesurée expérimentalement pour 4 écoulements à différentes valeurs de S et h/d montre que la longueur de la zone de recirculation est gouvernée par le confinement latéral dû à la paroi latérale et à la taille des cellules turbulentes advectée le long de la couche de mélange. Pour aller plus loin, les bilans de quantité de mouvement et d’énergie à l’échelle de l’écoulement dans son ensemble montrent que i) la force de cisaillement exercée le long de la couche de mélange est négligeable par rapport aux autres forces mises en jeu et ii) que la réelle signification de S est de quantifier l’intensité du frottement du fond à l’échelle de l’écoulement global intervenant dans ces bilans. Les différents régimes d’écoulement qui peuvent être rencontrés dépendent donc: i) selon la valeur du nombre de frottement S l’écoulement peut être frictionnel (S élevé) ou non-frictionnel (S faible) et ii) selon la valeur de la hauteur d’eau adimensionnelle, l’écoulement peut être confiné verticalement (faible valeur de h/d) ou non-confiné (forte valeur de h/d). Une corrélation empirique permettant d’estimer la longueur de la zone de recirculation L/d en fonction des paramètres S, Rb and h/d est finalement obtenue. Elle s’avère être en bon accord avec les calculs numériques et les mesures expérimentales.

Mes activités de recherche se placent sous la thématique générale des instabilités en mécanique des fluides. Je m'intéresse plus particulièrement aux écoulements qui sont ouverts et qui se développent en espace, comme par exemple les couches limites ou les sillages. Mon travail porte sur les aspects locaux/globaux, linéaires/non linéaires, convectifs/absolus, primaires/secondaires de ces instabilités. Dans toutes ces recherches je m'efforce de mener de front les analyses théoriques et les études numériques ; j'ai également conçu un dispositif expérimental, inspiré par des résultats théoriques et numériques. C'est précisément la mise en œuvre conjointe de ces différentes approches qui a permis de mieux comprendre la dynamique d'un certain nombre d'écoulements.

Fire Safety Engineering studies often rely on the use of Computational Fluid Dynamics, but several recent studies (e.g. Dalmarnock 2007, Arcueil Numérique 2009) have highlighted significant differences between experimental data and the results of numerical simulations. The numerical models are often rather sensitive to the choice of boundary conditions, and may depend on key parameters which are poorly understood. The research presented in this thesis addresses some of these questions, using the CFD code FDS to simulate a set of experimental test cases, and to test the sensitivity of the simulations to different input parameters. The general configuration studied is that of a thermal plume generated by a heated plate, either rising freely or else impacting on a ceiling. Radial profiles of 1st and 2nd order statistics of temperature and velocity agree well with published data, as does the axial variation of Mass, Momentum and Buoyancy fluxes, and the local Richardson number. A detailed study of the entrainment coefficient shows that this varies with distance from the heat source, between about 0.4 and 0.1; this is explained by the dependence of entrainment on the local Richardson number and the density difference between the plume and the ambient air. The comparison between simulations has also been used to investigate the applicability of different sub-grid scale models for this type of flow. Finally, a methodology has been developed for evaluating the sensitivity of the calculations to different input parameters, and the method has been applied to a test configuration representing a fire in a building. The results show the relative importance of both explicitly-defined parameters that characterize the situation (thermal power of the fire, ventilation regime inside the building) and implicit model parameters., Lors des études de désenfumage, le recours à la mécanique des fluides numérique, par l’emploi de codes tridimensionnels (CFD), est de plus en plus employé. Cependant, suite aux études de Dalmarnock (2007) et d’Arcueil (2009), il a été montré que les résultats numériques peuvent s’éloigner de façon significative des résultats expérimentaux. Ces différences peuvent être notamment induites par des faibles erreurs de certains paramètres clés, ce qui limite l’utilisation prédictive de ces codes dans les études d’ingénierie de la sécurité incendie. Dans ce cadre, cette thèse est consacrée à la simulation numérique d’écoulement induit par une source de chaleur. Les simulations sont réalisées avec le code FDS, largement utilisé par la communauté incendie, afin d’étudier sa capacité à reproduire la dynamique de ces écoulements. L’étude se porte principalement sur la simulation d’un panache, créé par une plaque chauffante, avec une comparaison détaillée à des résultats expérimentaux. Les résultats des simulations montrent que, les profils radiaux des statistiques en un point de vitesse et température d’ordre 1 et 2, sont en très bon accord avec les résultats de la littérature. Les évolutions des flux de masse, de flottabilité et de quantité de mouvement, ainsi que celle du nombre de Richardson du panache, sont également bien reproduites. Après avoir validé la simulation, l’évolution du coefficient d’entraînement avec la hauteur a pu être examinée en détail, montrant que ce coefficient diminue en s’éloignant de la source de chaleur, passant de 0.4 en partie proche de la source à 0.1 en partie éloignée. Cette évolution a pu être expliquée par une dépendance du coefficient d’entraînement avec le nombre de Richardson local du panache et le rapport des masses volumiques entre le panache et l’air ambiant. La thèse a également permis de montrer que les variables étudiées sont sensibles à différents modèles de sous maille. Pour finir, une méthodologie a été proposée pour étudier la sensibilité de différents paramètres d’entrée de simulation et appliquée sur un cas réaliste d’incendie dans un bâtiment. Cette analyse a permis de mettre en évidence plusieurs paramètres explicites (paramètres définis en concertation avec le propriétaire du bâtiment, les services d’incendie et les autorités compétentes) qui modifient les résultats de la simulation : la puissance du foyer, le débit d’extraction des gaz chauds, mais également certains paramètres implicites (paramètres définis par le modélisateur) comme le débit d’insufflation au niveau des entrées d’air frais.

The aim of this thesis is to develop a numerical method to predict the acoustic radiation, either in a light or in a heavy fluid, from a structure excited by a Turbulent Boundary Layer (TBL), in the presence of a pressure gradient. The proposed methodology consists in three steps: the characterization of the mean flow from a steady-state RANS calculation, the modeling of the wall-pressure fluctuations from semi-empirical models, and the vibro-acoustic calculation in response to fluctuating pressure.In this study, a particular attention is given to the effects of a pressure gradient in the mean flow, which occurs in most of the industrial applications. To analyze those effects, we first propose a study of a flow case with negative and positive pressure gradient, which corresponds to previous measurements in a wind tunnel. This validation step highlights the significance of taking into account the pressure gradient in the global modeling.To estimate the vibro-acoustic response of the TBL-excited structure in the low and mid frequency band, a difficulty lies in the coupling between the deterministic vibro-acoustic model and the statistical wall-pressure model. Several approaches are studied to inject the hydrodynamic excitation in the vibro-acoustic model: a) by considering a spatially allocated excitation; b) by modeling the excitation with a plane wave field; c) by using a reciprocity principle; d) by using samples of uncorrelated plane waves. These approaches are tested on a heavy fluid test case which permits to study the influence of calculations parameters and to discuss the advantages and disadvantages of each method. The vibro-acoustic calculations are performed with the PTF approach (Patch Transfer Functions), which allows taking into account the heavy fluid-structure coupling without increasing time computation. Moreover in order to treat the high frequency range using SEA method (Statistical Energy Analysis), theoretical developments are proposed with simplifying assumptions to estimate the injected power to the structure from the expression of the wall-pressure fluctuations in the wavenumber domain.A last part is dedicated to the extension of these vibro-acoustic methods in order to take into account the spatial evolution of the TBL in the presence of a pressure gradient. The formalism relies on a decomposition of the structure into zones on which different wall-pressure cross-spectra are applied. This approach is applied on an industrial test case of a turbulent flow on a submarine sail profile. The influence of the hypothesis necessary to the decomposition is first studied with a homogeneous excitation. The interest to take into account the spatial evolution of the TBL in the radiated pressure can then be highlighted in this case., L’objectif de la thèse est de développer une méthode de calcul pour prédire le rayonnement acoustique, en fluide léger ou en fluide lourd, d’une structure excitée par une Couche Limite Turbulente (CLT) en présence d’un gradient de pression statique. La méthodologie proposée comporte trois étapes : la caractérisation de l’écoulement moyen par un calcul RANS stationnaire, la modélisation des fluctuations de pression pariétale à l’aide de modèles semi-empiriques et le calcul vibro-acoustique en réponse aux pressions fluctuantes.Nous portons dans ce travail une attention particulière aux effets d’un gradient de pression statique dans l’écoulement, présent dans la plupart des cas industriels. Pour mettre en lumière ces effets nous proposons l’analyse d’un cas d’écoulement avec gradient de pression négatif puis positif correspondant à des mesures réalisées en tunnel aérodynamique. Cette étape de validation souligne l’importance de la prise en compte du gradient de pression dans la modélisation globale.Une des difficultés pour estimer la réponse vibro-acoustique de la structure excitée par la CLT dans les basses et moyennes fréquences repose sur le couplage entre le modèle déterministe vibro-acoustique et les modèles statistiques de pression pariétale. Plusieurs approches sont étudiées pour introduire l’excitation hydrodynamique dans le modèle vibro-acoustique : a) en modélisant l’excitation par une distribution de forces ponctuelles ; b) en modélisant l’excitation par un champ d’ondes planes ; c) en utilisant un principe de réciprocité ; d) en utilisant des échantillons d’ondes planes auxquelles sont associées des phases aléatoires. L’application de ces différentes approches sur un cas test en fluide lourd permet d’étudier l’influence des paramètres de calcul et d’établir les avantages et inconvénients propres à chacune des méthodes. Les calculs vibro-acoustiques sont alors réalisés par l’approche PTF (Patch Transfer Functions) qui permet de traduire le couplage structure-fluide lourd sans trop augmenter le coût des calculs. Par ailleurs, pour traiter les hautes fréquences en utilisant la méthode SEA (Statistical Energy Analysis), des développements théoriques sont proposés avec les hypothèses simplificatrices associées qui permettent d’estimer la puissance injectée par la CLT à partir de fluctuations de pression exprimées dans le domaine des nombres d’onde.La dernière partie est consacrée à l’adaptation des méthodes pour prendre en compte l’évolution spatiale de la CLT en présence d’un gradient de pression. Le formalisme repose sur une décomposition de la structure en différentes zones auxquelles on associe des interspectres de fluctuations de pression différents. Cette approche est appliquée sur un cas industriel d’écoulement sur un massif de sous-marin. La décomposition suppose que l’on néglige l’effet des corrélations des pressions entre les zones. L’influence de cette hypothèse est tout d’abord étudiée avec un cas d’excitation homogène. Enfin l’intérêt de prendre en compte l’évolution spatiale de la CLT dans les calculs de la pression rayonnée est mis en évidence sur ce cas.

International audience; The effect of elevation variation on sonic boom reflection is investigated using real terrain data. To this end, the full two-dimensional Euler equations are solved using finite-difference time-domain techniques. Numerical simulations are performed for two ground profiles of more than 10 km long, extracted from topographical data of hilly regions, and for two boom waves, a classical N-wave, and a low-boom wave. For both ground profiles, topography affects the reflected boom significantly. Wavefront folding due to terrain depression is notably highlighted. For the ground profile with mild slopes, the time signals of the acoustic pressure at the ground are, however, only slightly modified compared to the flat reference case, and the associated noise levels differ by less than 1 dB. With steep slopes, the contribution due to wavefront folding has a large amplitude at the ground. This results in an amplification of the noise levels: a 3 dB increase occurs at 1% of the positions along the ground surface, and a maximum of 5-6 dB is reached near the terrain depressions. These conclusions are valid for the N-wave and low-boom wave.

Research of the past decades has shown that the operating range of modern fans and compressors is often limited by aeroelastic phenomena before the onset of pure aerodynamic instability. Prediction of these mechanisms is challenging for state-ofthe-art numerical methods, particularly for configurations with flexible wide-chord blades. To provide a benchmark configuration for the community, the composite-material fan stage ECL5, representative of near future Ultra-High-Bypass Ratio architectures has been designed at Ecole Centrale de Lyon and recently shared as an open-test-case. In research program CATANA, different configurations with variable tuning and intake geometries are investigated experimentally, and here we present a comprehensive aeroelastic study of the tuned reference configuration. The study encompasses the investigation of the whole subsonic and transonic operating range using multi-physical instrumentation. A characterization of structural properties under running conditions is analyzed in comparison to individual blade measurements and FEM-predictions. The stability limit is investigated at different speedlines. At transonic conditions, rotating stall occurred without aeroelastic precursors. Severe nonsynchronous-vibrations were observed at subsonic speeds and limited the operating range before the onset of rotating stall. Through a detailed analysis of the aeroelastic coupling mechanism, a full characterization of interacting modes is presented. The challenging prediction of this coupled phenomenon and the discrepancy to aeroelastic simulations are discussed. This paper is accompanied by a detailed aerodynamic study, and together a complete dataset including measurements of aerodynamic performance, radial flow profiles, blade-individual tipclearance, stagger angle, vibration amplitudes and unsteady pressure fields at the rotor tip are provided. The results are a promising benchmark for future method development, particularly involving high-fidelity methods.

Sonic boom propagation over urban areas is studied using numerical simulations based on the Euler equations. Two boom waves are examined: a classical N-wave and a low-boom wave. Ten urban geometries, generated from the local climate zone classification [Stewart and Oke (2012), Bull. Am. Meteorol. Soc. 93(12), 1879–1900], are considered representative of urban forms. They are sorted into two classes, according to the aspect ratio of urban canyons. For compact geometries with a large aspect ratio, the noise levels and the peak pressure, especially for the N-wave, are highly variable between canyons. For open geometries with a small aspect ratio, these parameters present the same evolution in each urban canyon, corresponding to that obtained for isolated buildings. A statistical analysis of the noise levels in urban canyons is then performed. For both boom waves, the median of the perceived noise levels mostly differs by less than 1 dB from the value obtained for flat ground. The range of variation is greater for open geometries than for compact ones. Finally, low-frequency oscillations, associated with resonant modes of the canyons, are present for both compact and open geometries. Their amplitude, frequency and decay rate vary greatly from one canyon to another.

The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage., L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu.

Improving the performance of current aeronautical turbines is an important issue in a context of severe economical and environmental constraints. In a turbofan, the inter-turbine channel which is located between the High-Pressure (HP) turbine and the first Low Pressure (LP) vane is characterized by a complex flow. Therefore aerodynamic structures coming from the HP turbine (wakes, vortices and showkwaves) strongly interact between each other and affect the LP vane flow field. This generates efficiency losses of the overall configuration. This PhD thesis aims at studying the aerodynamic phenomena between a HP turbine and the first LP vane and at analyzing the mechanisms creating aerodynamic losses. A previous experimental campaign, which was carried out on a facility including a HP turbine coupled to a LP vane, enabled to gather flow field measurements in planes located in the inter-turbine channel and downstream of the LP vane. In comparison with these experimental data, the numerical simulations done with elsA software intend to reproduce accurately the 3D, unsteady and turbulent nature of the flow within this configuration. The work can be divided into three mains steps. As a first step, steady simulations with a sliding mesh treatment enable to understand the general aspects of the flow. An assessment of the effects of RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) turbulent predictions and of spatial numerical schemes on the aerodynamic structures present in the configuration is carried out. As a second step, the advanced turbulence approach ZDES (Zonal Detached-Eddy Simulation) is considered for the LP vane flow prediction. The unsteady aerodynamic structures coming from the upstream HP rotor are set as an inlet boundary condition of the computational domain. The ZDES approach is compared to a URANS (Unsteady RANS) approach on the same computational domain. The generation and dissipation of the wakes and vortices are significantly different on the two simulations, and thus impact the creation of aerodynamic losses. Finally, URANS simulations enable to better understand the interaction effects between the different blade rows. First, the unsteady phase-lagged approaches that take into account a single rotor and stator assess the important unsteady effects in the inter-turbine channel. They finally lead to the implementation of a multipassages phase-lagged computation that takes into account the two stators and the rotor in order to model all the existing determinist interactions. In order to quantify them accurately, a modal decomposition of the unsteady flow field is set up. The interaction levels linked to the different blade rows are therefore quantified and the impact of the aerodynamic losses is evaluated., L’amélioration des performances des turboréacteurs actuels est un enjeu crucial dans un contexte de contraintes économiques et environnementales fortes. Au sein du turboréacteur, le canal inter-turbines, localisé à l’interface entre la turbine Haute Pression (HP) et le premier distributeur Basse Pression (BP), est le siège d’écoulements très complexes. Ainsi, les structures aérodynamiques issues de la turbine HP (sillages, tourbillons et ondes de choc) interagissent fortement entre elles et impactent l’écoulement du distributeur BP, engendrant ainsi des pertes de rendement de l’ensemble de la configuration. Ce travail de thèse s’attache à étudier les phénomènes d’interactions aérodynamiques entre une turbine HP et le premier distributeur BP et à analyser les mécanismes à l’origine des pertes aérodynamiques dans le distributeur BP. Une campagne expérimentale antérieure, réalisée sur un banc d’essai comprenant une turbine HP couplée à un distributeur BP, avait permis de recueillir des mesures de l’écoulement dans des plans situés dans le canal inter-turbines et à l’aval du distributeur BP. En lien avec ces résultats expérimentaux, les simulations numériques menées dans cette étude avec le logiciel elsA s’attachent à restituer précisément la nature tridimensionnelle, instationnaire et turbulente de l’écoulement au sein de cette même configuration. Ces travaux se développent alors en trois étapes principales. Dans un premier temps, une étude stationnaire avec traitement plan de mélange permet de comprendre et quantifier les aspects généraux de l’écoulement. Une évaluation de l’effet de la modélisation turbulente RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) et du schéma numérique spatial sur les structures aérodynamiques présentes dans la configuration est réalisée. Dans un deuxième temps, une modélisation turbulente avancée de type ZDES (Zonal Detached-Eddy Simulation) est employée pour la résolution de l’écoulement dans le distributeur BP. Les structures aérodynamiques instationnaires issues de la roue HP amont sont modélisées par une condition limite à l’entrée du domaine de calcul. L’approche ZDES est comparée à une approche Unsteady RANS (URANS) sur la même configuration. La formation et la dissipation des sillages et des tourbillons est significativement différente entre les deux modélisations, ce qui impacte de manière importante la génération des pertes aérodynamiques. Enfin, des simulations URANS de plusieurs configurations permettent de mieux comprendre les effets d’interaction entre les différentes rangées d’aubes. Ainsi, les approches instationnaires chorochroniques prenant en compte un seul rotor et un seul stator évaluent des effets instationnaires importants dans le canal inter-turbines. Ces approches conduisent à la mise en oeuvre d’un calcul sur une configuration multipassages-chorochronique prenant en compte les deux stators et le rotor afin de modéliser complètement les interactions déterministes existantes. Afin de quantifier celles-ci avec précision, une décomposition modale du champ instationnaire est mise en place. Les niveaux d’interactions liées aux différentes roues sont alors quantifiés et l’impact sur les pertes aérodynamiques est évalué.

We study the stability of shear-thinning (pseudoplastic) fluid films flow down an inclined plane. This problem is of interest in many industrial applications such as coating, and may explain the manifestation of a specific kind of surface waves, appearing in some spectacular environmental flow configurations such as debris flows or surge waves. We focus on fluids obeying the Carreau law. An optical technique called electrocapillarity has been implemented in order to determine the surface tension and viscosity, at values of the shear rate as small as 10−3s−1, by studying the damping of propagating capillary waves. The main objective of this work is to experimentally study the linear stability of shear-thinning fluid films flow. For a fixed inclination angle, the experimental study essentially consists in measuring the cutoff frequency and wavelength of primary waves, and then determining the critical Reynolds number. The experimental results presented in the (Re, k) and (Re, c) planes are in good agreement with the numerical results, and confirm the destabilizing effect of the shear-thinning properties in comparison with the Newtonian case (the critical Reynolds number is smaller, and the ratio between the marginal waves celerity and the flow velocity at the free surface is larger). Finally, we discuss the validity of the Squire’s theorem in the case of generalized Newtonian fluids film flow down an inclined plane. Analytically, the Orr-Sommerfeld problem with respect to 3D disturbances is not equivalent to a 2D problem, and the numerical results show that the Squire’s transformations can only be used in the Newtonian case, Nous étudions la stabilité de l'écoulement de fluide rhéofluidifiant (pseudoplastique) sur plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités intéresse ici particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage (papeterie, photographie), ou le secteur environnemental dans la compréhension de certaines situations exceptionnelles (coulées de boues, laves torrentielles, écoulements de glaciers). Nous modélisons la viscosité des fluides utilisés par la loi de Carreau. Afin de caractériser nos fluides, nous utilisons l'électrocapillarité comme technique optique consistant à étudier la propagation et l'atténuation d'ondes capillaires. Les résultats de mesures permettent en particulier de déterminer la viscosité à valeur de cisaillement aussi faibles que 10−3s−1. Notre objectif est d'étudier expérimentalement la stabilité de films rhéofluidifiants sur plan incliné. Pour des valeurs fixées de l'angle d'inclinaison, nous avons déterminé le seuil critique expérimental et tracé la courbe marginale de stabilité sur les plans (Re, k) et (Re, c) pour nos différents fluides. Nous trouvons que nos résultats expérimentaux sont en bon accord avec les résultats numériques, et confirment l'effet rhéofluidifiant déstabilisant relativement au cas Newtonien. Nous discutons enfin la validité du théorème de Squire en écrivant l'équation d'Orr-Sommerfeld généralisée aux ondes 3D et aux fluides de Carreau. Analytiquement, les relations de Squire ne sont pas vérifiées, et les résultats numériques montrent que les relations de Squire ne s'écrivent que dans le cas Newtonien

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.

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 main objective of this thesis is to characterise the flow fields observed in an ab- dominal aortic aneurysm (AAA) under different physiological conditions during its progressive enlargement. An axisymmetric AAA, modeled as an inflation of gaus- sian shape on a vessel of circular cross-section, is considered in the present study. This means that the results are more significant for the early stages of growth of an AAA. The model AAA is characterized by a maximum height H and width W , made dimensionless by the upstream vessel diameter. To begin with, the flow char- acteristics in AAAs are investigated using steady flows. The global linear stability of the base flows is analysed by determining the eigenfrequencies and eigenfunctions of small-amplitude perturbations. In order to understand the instability mechanisms, the energy transfer between the base flow and the perturbations is computed. The flow in relatively shallow aneurysms (of relatively large width) become unstable by the lift-up mechanism and have a perturbation flow which is characterized by sta- tionary, growing modes. More localized aneurysms (with relatively small width) become unstable at larger Reynolds numbers, presumably by an elliptic instability mechanism; in this case the perturbation flow is characterized by oscillatory modes. For the case of pulsatile flows, two types of physiological flowrate waveforms are considered in our study, corresponding to rest and exercise conditions. The flows are observed to remain attached to the walls during the systolic phase, with flow separation generally observed during the deceleration after the peak systole. Dur- ing this phase, the vorticity is found to roll-up into a vortex at the proximal end. This vortex enlarges with time and impinges at the downstream end of the AAA, resulting in large spatial gradients of wall shear stress (WSS) along the wall, which are not found in the healthy case. The flow conditions are observed to vary signifi- cantly with Womersley (Wo) and Reynolds (Re) numbers, with the flow remaining attached to the walls for longer times, as the Womersley number Wo increases. The principal effect of increasing Re is that the primary vortex formed after peak systole is stronger. Clinically relevant flow characteristics of aneurysmal flow, i.e. detache- ment of flow and impingement on the distal end, the presence of low oscillatory WSS within the AAA, are observed even for very shallow aneurysms. For deep aneurysms, multiple vortices are observed throughout the cycle within the AAA cavity. Stability analysis of pulsatile base flows reveals that the maximum values of the perturbations are observed near the distal end of the AAA. However, they are not entirely confined to the AAA cavity and extend downstream, implying that once an AAA is formed, the disturbed flow conditions spread even to the unde- formed arterial walls downstream of the AAA. Finally, by considering two equiva- lent AAA shapes modeled by a sinusoidal and a gaussian function, the sensitivity of these results with respect to the details of the geometry has been established., Le principal objectif de cette thèse est de caractériser l'écoulement dans un anévrisme abdominal aortique (AAA) sous différentes conditions physiologiques et à différents stades de son développement. Cette étude est consacrée aux AAA ax- isymétriques, modélisés comme une dilatation de profil gaussien et de section circu- laire. Ainsi, les résultats s'appliquent surtout aux étapes précoces du développement d'un AAA. Le modèle d'AAA est caractérisé par une hauteur maximale H et une largeur W , l'unité de mesure étant le diamètre d'entrée de l'artère. Pour com- mencer, la dynamique est étudiée pour les écoulements stationnaires. La stabilité globale de ces écoulements de base est analysée en calculant les valeurs propres et les fonctions propres pour des perturbations de faible amplitude. Pour comprendre les mécanismes d'instabilité, le transfer d'énergie entre l'écoulement de base et les perturbations est calculé. L'écoulement pour des AAA peu profonds (ou de grande longueur) se déstabilise par un mécanisme de 'lift-up' et les perturbations ampli- fiées sont stationnaires. Des anévrismes plus localisés (ou plus profonds) deviennent instables pour des nombres de Reynolds plus élevés, sans doute par instabilité el- liptique ; dans cette situation, les perturbations sont des modes oscillants. Dans le cas des écoulements pulsés, deux types de profil de débit physiologique ont été considérés dans cette étude, correspondant à une situation de repos ou d'exercice physique. Ces écoulements restent collés aux parois pendant la phase de systole et un écoulement décollé est généralement observé pendant la décélération après le maximum de systole. Dans cette phase, un vortex se forme à l'extrémité aval. Ce vortex s'agrandit au cours du temps et impacte l'extrémité aval de l'AAA, ce qui conduit à de forts gradients de contrainte pariétale, qui ne sont pas observés dans les cas sains. Il a été observé que les conditions d'écoulement varient significative- ment avec les nombre de Womersley (Wo) et de Reynolds (Re); l'écoulement reste attaché aux parois plus longtemps pour des nombres de Womersley croissants. Le principal effet d'une augmentation de Re est un renforcement du vortex primaire qui se forme après le maximum de systole. Les décollements de l'écoulement, l'impact de vortex au bord aval de l'AAA ou encore de faibles contraintes pariétales oscil- lantes (des caractéristiques importantes dans les cas d'anévrismes pathologiques) sont observés même pour des anévrismes de faible profondeur. Pour des anévrismes plus développés, des vortex multiples sont observés tout au long du cycle dans la cavité de l'AAA. Une analyse de stabilité de ces écoulements de base pulsés a mon- tré que le maximum des perturbations se développe vers l'extérmité aval des AAA. Cependant, les perturbations ne sont pas complètement confinées dans la cavité de l'AAA et se développent aussi au-delà en aval. On en déduit qu'une fois qu'un AAA s'est développé, les perturbations affectent aussi les artères saines en aval de l'AAA. Enfin, en considérant deux profils équivalents d'AAA, de formes sinusoï- dale et gaussienne, la sensibilité des résultats aux détails de la géométrie a pu être établie.

In addition to conventional turbomachinery problems, both the behavior and performances of steam turbines are highly dependent on the vapour thermodynamic state and the presence of a liquid phase. EDF, the main French electricity producer, is interested in further developing its' modelling capabilities and expertise in this area to allow for operational studies and long-term planning. This PhD thesis explores the modelling of wetness formation and growth in a steam turbine and an analysis of the coupling between the liquid phase and the main flow unsteadiness. To this end, the work in this thesis took the following approach. Wetness was accounted for using a homogeneous model coupled with transport equations to take into account the effects of non-equilibrium phenomena, such as the growth of the liquid phase and nucleation. The real gas attributes of the problem demanded adapted numerical methods. Before their implementation in the 3D elsA solver, the accuracy of the chosen models was tested using a developed one-dimensional nozzle code. In this manner, various condensation models were considered, including both polydispersed and monodispersed behaviours of the steam. Finally, unsteady coupling effects were observed from several perspectives (1D, 1D − 3D, 3D), demonstrating the ability of the method of moments to sustain unsteady phenomena which were not apparent in a simple monodispersed model., Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l'état de la vapeur et notamment au taux d'humidité qu'elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d'améliorer l'utilisation et l'évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l'humidité dans un corps de turbine et l'étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d'humidité est prise en compte à l'aide d'un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d'eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l'aide d'un code monodimensionnel avant d'être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l'écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d'observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l'humidité et le champ principal.

Over the years numerical modelling and simulation techniques have constantly been improved with the increase in their use. While keeping the computational resources in mind, numerical simulations are usually adapted to the required degree of accuracy and quality of results. The conventional Reynolds Average Navier Stokes (RANS) is a robust, cheap but less accurate approach. Large Eddy Simulation (LES) provides very detailed and accurate results to the some of the most complex turbulence cases but at higher computational cost. On the other hand, Direct Numerical Simulation (DNS) is although the most accurate of the three approaches but at the same time it is computationally very expensive which makes it very difficult to be applied to the most of the complex industrial problems. The current work is aimed to develop a deeper understanding of multi-hole Gasoline Direct Injection (GDI) sprays which pose many complexities such as; air entrainment in the multi-hole spray cone, Jet-to-Jet interactions, and changes in the spray dynamics due to the internal flow of the injector. RANS approach is used to study multi-hole injector under cold, hot and superheated conditions. Whereas, LES is utilized to investigate the changes in the dynamics of the single spray plume due to the internal flow of the GDI injector. To reduce computational cost of the simulations, dynamic mesh refinement has been incorporated for both LES and RANS simulation. A thorough investigation of air entrainment in three and six hole GDI injectors has been carried out using RANS approach under non superheated and superheated conditions. The inter plume interactions caused by the air entrainment effects have been analysed and compared to the experimental results. Moreover, the tendencies of semi collapse and full collapse of multi-hole sprays under non superheated and superheated conditions have been investigated in detail as well. A methodology of LES has been established using different injection strategies along with various subgrid scale models for a single spray plume. In GDI multi-hole sprays, the internal flow of the injector plays a very crucial role in the outcome the spray plume. A separate already available internal flow LES simulation of the injector has been coupled with the external spray simulation in order to include the effect of nozzle geometry and the cavitation phenomenon which completely change the dynamics of the spray., Cette thèse porte sur la simulation des jets de gouttes générés par des pulvérisateurs essence haute pression, pulvérisateurs qui sont un point clef des systèmes de combustion automobile de la présente et future génération devant diminuer les émissions de CO2 et de polluants. Dans un premier temps les jets de gouttes (" sprays ") sont simulés par simulation moyennée. Les résultats de simulation d'un jet donnant des résultats en moyenne satisfaisant, l'interaction de jets en injecteurs multi-trous est alors simulée. Les résultats sont cohérents par rapport aux mesures d'entraînement d'air. La simulation permettant d'avoir accès au champ complet 3D, le mécanisme d'interaction jet à jet et de développement instationnaire du spray est décrit en détail. La formation d'un mouvement descendant au centre du spray et celle d'un point d'arrêt central sont trouvés. Finalement, Ces résultats sont étendus au cas surchauffé, cas où la pression dans la chambre est inférieure à la pression de vapeur saturante. Un modèle simple semi-empirique est proposé pour tenir compte de la modification des conditions proches de la buse d'injection. Le modèle prédit correctement les tendances des variations de paramètres et capture la forme générale du spray qui se referme sur lui-même. La seconde grande partie est consacrée au développement d'un modèle de spray par l'approche des grandes échelles (SGE), limité ici aux cas non évaporant. Il comprend la modélisation de sous-maille de la dispersion turbulente, des collisions-coalescence et des termes d'échange de quantité de mouvement de sous-maille. L'effet du choix du modèle de sous-maille pour la viscosité turbulente de sous-maille est montré, le choix retenu étant le modèle de Smagorinski dynamique. Afin d'améliorer la représentativité cruciale des conditions d'injections, un couplage faible est réalisé à partir de résultats de simulations existantes de l'écoulement interne aux buses. Les fonctions densité de probabilité simple et jointes extraits des résultats de simulations sont validés par rapport aux mesures PDA en situation pseudo-stationnaire et la pénétration liquide et la forme du spray est comparée aux visualisations par ombroscopie. Enfin, différentes zones caractéristiques sont identifiées et des longueurs sont notées pour les cas d'injection à 100 et 200bar.