Approved for public release, distribution is unlimited / Resonant excitation tests of rotor blades in vacuum spin pits using discrete oil jets showed that impact erosion of the blades could limit test times, but lower excitation amplitudes were produced using mist nozzles. Smaller diameter discrete jets might extend test times, but to fully prevent erosion, oil mist droplet size needed to be 30 microns or less. The present study examined both approaches. Prototype nozzles were developed to create 0.005 inch diameter multiple discrete jets using first alumina, then stainless steel tubing, laser and micro-machine drilling. The latter technique was selected and 50 were manufactured for evaluation in HCF spin tests. A vacuum test chamber was built to observe and photograph spray patterns from the prototype nozzles and from commercially available mist nozzles. An LDV system was used successfully to determine the velocity of the oil droplets within the mist. A complete mapping of mist nozzle sprays is required to allow routine design of blade excitation systems. / Lieutenant, United States Navy

Calcific aortic valve disease is highly prevalent, especially in the elderly. Currently, the exact mechanism of the calcification process is not completely understood, limiting our ability to prevent or cure the disease. Ex vivo investigations, however, have provided evidence that the aortic valve's biological response is sensitive to mechanical forces, including fluid shear stresses, leading to the hypothesis that adverse fluid shear stress environment play a role in leading to valve calcification. This thesis seeks to investigate this hypothesis. A method for performing experimental measurement of time-varying shear stress on aortic valve leaflets under physiologic flow conditions was first developed, based on the Laser Doppler Velocimetry technique, and was systematically validated. This method was then applied to both the aortic surface and the ventricular surface of a normal tricuspid the aortic valve, and then on a congenital bicuspid aortic valve, using suitable in vitro valve models and an in vitro pulsatile flow loop. It was found that in the tricuspid valve, the peak shear stress on the aortic surface under adult resting condition was approximately 15-19 dyn/cm². Aortic surface shear stresses were elevated during mid- to late-systole, with the development of the sinus vortex, and were low during all other instances. Aortic surface shear stresses were observed to increase with increasing stroke volume and with decreasing heart rate. On the ventricular surface, shear stresses had a systolic peak of approximately 64-71 dyn/cm² under adult resting conditions. During late systole, due to the Womersley effect, shear stresses were observed to reverse in direction to a substantial magnitude for a substantial period of time. Further, it was found that a moderately stenotic bicuspid aortic valve can experience excessive unsteadiness in shear stress experienced by its leaflets, most likely due to the turbulent forward flow resulting from the stenosis, and due to the skewed forward flow. To demonstrate that the measured shear stresses can have an effect on the aortic valve biology, ex vivo experiments were performed in specific to determine the effects of these various shear stress characteristics on the biological response of porcine aortic valve leaflets, using the cone and plate bioreactor. It was found that unsteady shear stress measured in the bicuspid valve resulted in increased calcium accumulation. Further, it was found that low shear stresses and high frequency shear stresses resulted in increased calcium accumulation. Thus, shear stress was found to affect aortic valve pathology, and low and unsteady fluid shear stresses can enhance pathology.

Ce travail s’intéresse à l’analyse expérimentale du développement de la zone de mélange turbulente (ZMT) produite par une instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM). Les expériences sont réalisées au sein d’un tube à chocs vertical, et l’analyse s’appuie sur des mesures simultanées mettant en œuvre des techniques expérimentales de type capteurs de pression pariétaux, visualisations strioscopiques résolues en temps et mesures de vitesse par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Une caractérisation de l’installation expérimentale est tout d’abord effectuée en situation homogène (air pur, sans mélange), afin de déterminer la qualité de l’écoulement de base et connaître le niveau de turbulence de fond du tube à chocs. Les configurations de mélange, principalement entre de l’air et de l’hexafluorure de soufre (SF6), sont ensuite abordées. On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques globales de la zone de mélange : en particulier à l’évolution de son épaisseur et à son taux de croissance. Plusieurs configurations de mélange sont étudiées en faisant varier différents paramètres expérimentaux tels que la hauteur de la veine d’essais du tube à chocs, la forme de la perturbation initiale de l’interface entre les deux gaz et le nombre d’Atwood, dans le but de déterminer leur influence sur le développement de la ZMT. On montre ainsi une sensibilité du taux de croissance post-rechoc à plusieurs de ces paramètres. Des comparaisons avec des simulations numériques réalisées par nos partenaires du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) montrent des tendances similaires entre expériences et simulations sur ce point. L’étude est ensuite complétée par une caractérisation plus locale de la ZMT, en mesurant les niveaux de turbulence en différents points de la veine d’essais à l’aide de la LDV. Après avoir quantifié les contraintes de convergence statistique imposées par l’expérience pour ce type de mesures, on donne une estimation des intensités turbulentes produites par l’écoulement de mélange à différents stades de son développement. / This experimental study sheds some light on the development of the turbulent mixing zone (TMZ) arising from a Richtmyer-Meshkov instability (RMI). The experiments are conducted in a vertical shock tube, and the analysis relies on simultaneous measurements involving pressuretransducers, time-resolved Schlieren visualizations and Laser Doppler Velocimetry (LDV). In a first step, a thorough characterization of the experimental apparatus is conducted in order to qualify the basic flow configuration corresponding to homogeneous situations (pure air withoutmixing), and to evaluate the « background » turbulence level of the shock tube. Mixing configurations (mainly between air and sulfur hexafluoride, SF6) are then investigated. We first focus on a global description of the mixing zone such as the time evolution of its thickness and the corresponding growth rate. We consider several mixing configurations, varying the length of the test section, the shape of the initial interface between the two gases and the Atwood number. A clear influence of some of these parameters is shown on the the post-reshock increasing rate of the mixing zone, in good accordance with numerical results obtained from the Commissariat à l’Energie Atomique (CEA, french atomic energy commission). A more local description of the flow is then obtained in a second step by measuring the turbulence levels at different locations inside the test section thanks to the LDV technique. After quantifying the issues linked to the statistical convergence of the turbulent quantities in such specific configurations, we provide an estimation of the turbulent intensities produced by the mixing at various stages of its development.

L’étude présentée dans cette thèse relève de la mécanique des fluides expérimentale et numérique appliquée aux écoulements pariétaux de refroidissement de chambres de combustion aéronautiques. En présence de phénomènes thermo-acoustiques, comme les instabilités de combustion, il est important d’évaluer si les capacités de l’écoulement pariétal à protéger les parois de chambre restent suffisantes. C’est ainsi que nous nous sommes intéressés aux écoulements de paroi multiperforée soumis à une excitation acoustique. Dans ce but, le banc d’essais MAVERIC a été amélioré grâce à l’installation d’un système qui permet de forcer acoustiquement l’écoulement transverse dans lequel les jets pariétaux débouchent. Nous avons pu alors mettre en évidence la forte sensibilité de ce type d’écoulements à l’excitation acoustique. Le bon accord entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques aux grandes échelles (LES) effectuées est très encourageant dans le cas d’un forçage par onde stationnaire. Le forçage par onde progressive, étudié uniquement par simulations numériques, s’est révélé être capable de modifier significativement la topologie de l’écoulement. Enfin, à partir de l’outil numérique AVBP-AVTP qui permet le couplage de calculs fluide-solide, nous avons réalisé une étude de l’influence de la présence d’une excitation acoustique sur le comportement thermique de l’écoulement autour d’une paroi multiperforée de chambre de combustion. / This experimental and numerical study in the field of fluid mechanics deals with jets-in cross flow configurations that are relevant for the cooling of aero engine combustion chambers. Indeed, in presence of instabilities it is important to determine to which extent the film cooling is able to do its job of preserving the combustion chamber walls from the thermal load. The test facility MAVERIC has been upgraded in order to acoustically force the crossflow in which the jets are discharging. The strong sensitivity of the overall flow unsteady properties to the presence of the acoustic forcing has been clearly evidenced. The agreement between the experimental results and large-eddy simulations proved to be quite encouraging for a stationary acoustic wave whereas the case of a propagating acoustic wave investigated only numerically reveals also quite a significant change of the flow topology. In this context, the effect of the acoustic forcing on the wall thermal behavior has been analyzed thanks to the use of the fluid-solid coupled AVBP-AVTP solver.

Τα ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα συλλέκτη αποθήκης αποτελούνται από μία δεξαμενή αποθήκευσης, της οποίας τμήμα της επιφάνειας της χρησιμοποιείται σαν ηλιακός συλλέκτης. Συνήθως το ρευστό της αποθήκης είναι το νερό χρήσης. Στο υπό εξέταση σύστημα το νερό χρήσης θερμαίνεται έμμεσα, διερχόμενο μέσα από σωληνώσεις εναλλάκτη θερμότητας που τοποθετείται στο εσωτερικό της παραλληλεπίπεδης δεξαμενής. Για την εντατικοποίηση της μετάδοσης θερμότητας προς το νερό χρήσης, δημιουργείται ανάδευση του ρευστού του δοχείου μέσω κυκλοφορητή, ο οποίος τίθεται σε λειτουργία μόνο όταν υπάρχει ζήτηση ζεστού νερού. Προς αποφυγή παραμορφώσεων τοποθετούνται πτερύγια συγκράτησης που ενώνουν τις δύο μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν τα ροϊκά φαινόμενα στο εσωτερικό του ICS που έχει περιγραφεί προηγουμένως, με στόχο τη μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής μεταξύ των δύο κυκλωμάτων νερού. Για την παρατήρηση του ροϊκού πεδίου καθώς και την λήψη μετρήσεων ταχυτήτων κατασκευάστηκε πειραματική συσκευή με διαφανή τοιχώματα από Plexiglas. Ελήφθησαν μετρήσεις ταχυτήτων και διακυμάνσεων με χρήση συστήματος Laser Doppler διπλής ακτίνας. Για την οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου τοποθετήθηκαν σωματίδια πολυστερίνης στο εσωτερικό της συσκευής. Ελήφθησαν ψηφιακές φωτογραφίες και βιντεοσκοπήσεις του ροϊκού πεδίου. Για την υπολογιστική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό λογισμικό FLUENT. Αναπτύχθηκε υπολογιστικό μοντέλο και επιλύθηκε με όλα τα διαθέσιμα μοντέλα τύρβης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σειρά υπολογιστικών προσομοιώσεων, στις οποίες διερευνήθηκε η βέλτιστη θέση και το μέγεθος των στομίων ανακυκλοφορίας, η βέλτιστη διάταξη των πτερυγίων συγκράτησης και η βέλτιστη θέση του εναλλάκτη. Επιπλέον προσδιορίστηκε υπολογιστικά και πειραματικά ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου. Τέλος, τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν και με πειραματικά αποτελέσματα άλλων εργασιών. Τα συμπεράσματα που εξάγονται έχουν ως ακολούθως: Το μοντέλο τύρβης standard k-ω δίνει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Το υπολογιστικό μοντέλο θεωρείται πιστοποιημένο μετά από πειραματική επιβεβαίωση ταχυτήτων και θερμοκρασιών. Το στόμιο ανακυκλοφορίας δεν πρέπει να τοποθετείται κάθετα στις μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής, ενώ η διάμετρος του πρέπει να είναι 1/2" ή και μικρότερη. Ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου είναι περίπου 35 s. Τα πτερύγια συγκράτησης πρέπει να ακολουθούν τις ροικές γραμμές. Ως βέλτιστη θέση του εναλλάκτη θεωρείται όταν τοποθετείται σε επαφή με το τοίχωμα. / Integrated Collector Storage (ICS) solar systems use part of the hot water storage as collector, i.e. half of the storage surface is used as absorber. Usually, the storage medium serves also as the energy transfer medium (service hot water). In the examined ICS, the service water is heated indirectly, passing through a serpentine heat exchanger placed inside the tank. The heat transfer from the stored water to the service water is intensified by the agitation of the stored water. A simple solution is the recirculation of the stored water by a small pump, which is functioning whenever a request for hot water exists. Fins in suitable positions, connect the front and back surface of the ICS, to withstand the deformation due to pressures by the tank water. In the present PhD thesis, the flow phenomena inside the ICS previous mentioned, are investigated. The aim is the maximization of the heat transfer between the two water circuits. An experimental device was constructed by transparent Plexiglas, for flow visualization and velocity measurements. A dual beam Laser Doppler Velocimetry (LDV) system was used to measure velocities. Polystyrene particles were added in the comprised water, for the visualization of the path lines. Photographs and video films were also taken. The commercial code FLUENT is used for the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. A CFD model is developed and solutions are obtained using all the available turbulence models. Three main factors that influence the performance are optimized: the position and size of the recirculation ports, the arrangement and size of the interconnecting fins and the heat exchanger placement. The settling time, i.e., the time required for the flow field to be fully developed, is computed both numerically and experimentally. The previous analysis leads to the following conclusions: The standard k–ω model is selected as the most appropriate. The model is validated, with good agreement, against experimental measurements of velocities and temperatures. The placement of the inlet recirculation port perpendicular to the main surfaces of the ICS should be avoided, while its diameter should be 1/2" or less. The settling time is computed about 35s. The interconnecting fins, of the two main ICS surfaces should follow the flow filed path lines. The optimal placement of the tube heat exchanger is in contact with the two major surfaces of the storage tank.

Afin d’alléger les moteurs d’avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d’autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L’aspiration de la couche limite sur les aubages s’est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l’aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L’objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d’aubages fortement chargés, intégrant l’aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d’aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d’aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d’aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d’aubages par prescription de la distribution de courbure de l’extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu’une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d’aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l’emploi d’une fente d’aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l’aide du code de calcul elsA de l’ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d’aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique de l’Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l’expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d’aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l’impact de la distribution du taux d’aspiration suivant l’envergure sur l’efficacité de l’aspiration. Etant donné l’importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d’aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d’aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l’aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d’aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L’épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel. / In order to reduce the mass of aircraft jet engines as well as their fuel consumption, manufacturers tend to make the compression system of their engines more compact, since this component represents approximately 40% of the total mass. However, for a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages implies increasing the aerodynamic load per stage. This all the more increases the risk of flow separation on the blades ultimately resulting in a decrease in performance. Boundary layer suction on the blade has proven to be very promising to suppress this deleterious flow separation and meet the needs of high aerodynamic loads. Nevertheless, boundary layer suction significantly modifies the static pressure distribution on the blades, making traditional design approaches unsuitable. Therefore, the objective of this Ph.D. work is to develop a new method and new criteria for the design of highly loaded compressor blades, integrating boundary layer suction into the design process. This design method relies on a two-step aspiration strategy. First, passive control of the separation point location is applied via curvature and diffusion in order to make it insensitive to operating conditions. Second, active control through boundary layer suction aims at placing the suction slot with respect to the separation point location, in order to minimize the necessary suction mass flow rate required to reattach the flow. To put this strategy into practice, a blading technique that consists of prescribing the curvature distribution on the suction side of the blade and the cross-section distribution of the blade passage is developed. In association with a fast pre-design tool, as well as an overall total pressure loss coefficient including aspiration, this method allows the design of a subsonic aspirated stator cascade with flow turning of 60 degrees, for an inlet Mach number of 0.5,giving a Diffusion Factor of 0.73. This performance at the design point is obtained for an overall total pressure loss coefficient of 2.5%, aspirating 1.1% of the inlet mass flow rate. Nevertheless, these two values can be respectively reduced to 2.1% and 0.8% by rounding the edges of the suction slot. This bi-dimensional numerical study has been carried out with the elsA solver from ONERA. To experimentally validate this design method and the associated numerical tools, a planar cascade is built and tested at low speed at the Laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon. At mid-span, results from the experiment and from tri-dimensional numerical simulations confirm the relevance of the design approach. This comparison then discloses the impact of the suction mass flow rate distribution along the span, on the efficiency of aspiration. Given the importance of tri-dimensional flows encountered in the experiment and simulations, a generalization in three dimensions of the aspiration strategy is proposed and numerically applied on the same cascade. By simultaneously controlling the boundary layers developing on the blades and on the endwalls,it is possible to almost entirely suppress the corner separations present in the blade passage. However, one disadvantage is that the suction mass flow rate undergoes a strong increase, moderating this benefit. The thickness of the inlet boundary layers appears to be also a key factor in the success of boundary layer control by aspiration, in a tri-dimensional context.