Malgré les progrès faits dans les dernières décennies en CFD, les techniques RANS instationnaires pour les turbomachines multi-étages sont toujours très couteuses en temps de calcul, réduisant leur intérêt en conception industrielle. Grâce à une analyse de Fourier, les équations instationnaires de Navier-Stokes peuvent être considérées comme 2N+1 équations stationnaires couplées par un terme source. Cette approche calcule efficacement les écoulements instationnaires périodiques et montre de forts gains en terme de temps de calcul. Cependant, l'expression du terme source est algébrique, ce qui provoque des difficultés dans le calcul de l'inverse de la transformée de Fourier directe. Afin d'améliorer la robustesse et la précision de la méthode, une approche basée sur un échantillonnage temporel non-uniforme est adoptée. Pour réduire le domaine de calcul à un unique passage inter-aube des conditions aux limites de chrochronicité sont développées. Dans un premier temps, un rotor et un stator sont simules avec en une entrée du domaine de calcul une injection qui modélise le sillage de la roue directrice d'entrée. Ainsi, deux fréquences fondamentales sont vues par le rotor. L'influence du contenu fréquentiel dans le rotor (i.e. le nombre d'harmoniques de la fréquence de passage des roues et leurs combinaisons) est analysée. Les résultats sont valides contre ceux obtenus avec des simulations instationnaires classiques. Ensuite, la méthode est appliquée a deux compresseurs industriels, le compresseur transsonique ECL4 et le compresseur d'étude CREATE.

Malgré les progrès faits dans les dernières décennies en CFD, les techniques RANS instationnaires pour les turbomachines multi-étages sont toujours très couteuses en temps de calcul, réduisant leur intérêt en conception industrielle. Grâce à une analyse de Fourier, les équations instationnaires de Navier-Stokes peuvent être considérées comme 2N+1 équations stationnaires couplées par un terme source. Cette approche calcule efficacement les écoulements instationnaires périodiques et montre de forts gains en terme de temps de calcul. Cependant, l’expression du terme source est algébrique, ce qui provoque des difficultés dans le calcul de l’inverse de la transformée de Fourier directe. Afin d’améliorer la robustesse et la précision de la méthode, une approche basée sur un échantillonnage temporel non-uniforme est adoptée. Pour réduire le domaine de calcul à un unique passage inter-aube des conditions aux limites de chrochronicité sont développées. Dans un premier temps, un rotor et un stator sont simules avec en une entrée du domaine de calcul une injection qui modélise le sillage de la roue directrice d’entrée. Ainsi, deux fréquences fondamentales sont vues par le rotor. L’influence du contenu fréquentiel dans le rotor (i.e. le nombre d’harmoniques de la fréquence de passage des roues et leurs combinaisons) est analysée. Les résultats sont valides contre ceux obtenus avec des simulations instationnaires classiques. Ensuite, la méthode est appliquée a deux compresseurs industriels, le compresseur transsonique ECL4 et le compresseur d’étude CREATE. / Despite the progress made in the last decades in CFD, the unsteady RANS techniques for multistage turbomachines are still very costly in computation time. Thanks to Fourier analysis, the unsteady Navier-Stokes equations can be seen as 2N + 1 equations coupled by a source term. This approach efficiently computes unsteady flows and showed significant savings in computation time. However, the source term of the method is algebraic, thus entailing some difficulties in the computation of the inverse of the direct Fourier transform. In order to enhance the robustness and the precision of the HBT, non-uniformly sampled time levels are chosen. To reduce the computational domain to a single blade passage, phaselag boundary conditions are developped. First, a rotor and a stator configuration with a wake injection at the inlet (accounting for an inlet guide vane) is modelled. Thus, two fundamental frequencies are seen by the rotor. The influence of the spectrum in the rotor is addressed. The results are validated against classical unsteady RANS simulations. Then the method is applied to two industrial : the transonic compressor ECL4 and the study compressor CREATE.

La mécanique des fluides numérique a permis d'optimiser de nombreux systèmes dont, notamment, les moteurs d'avions. Dans l'industrie aéronautique, les calculs numériques d'écoulements sont principalement limités à des approches stationnaires de par le coût prohibitif des simulations instationnaires. Néanmoins, les écoulements qui se développent dans les machines tournantes, à savoir les principaux composants d'un moteur d'avion, sont majoritairement périodiques en temps. En partant de cette hypothèse de périodicité temporelle, des approches dites spectrales en temps ont vus le jour il y a plus de quinze ans. Elles restent principalement limitées à des écoulements mono-fréquentiels, à savoir composés d'une seule fréquence de base et de ses harmoniques. Récemment, une méthode d'équilibrage harmonique multi-fréquentielle a été développée et implémentée dans le code de calcul elsA, élargissant le champ des applications possibles. En particulier, l'étude de l'aéroélasticité des machines tournantes multi-étagées devient alors envisageable.Cette thèse se propose d'appliquer la méthode d'équilibrage harmonique multi-fréquentielle pour étudier l'aéroélasticité d'une configuration nouvelle de moteur d'avion: les doublets d'hélices contra-rotatives. La méthode est tout d'abord validée analytiquement et numériquement sur des cas tests linéaires et non-linéaires avec succès. Deux problèmes sont soulevés pour l'utilisation d'une telle méthode sur des configurations aéroélastiques arbitraires: le conditionnement du terme source et la convergence de la méthode. Des approches originales ont été développées afin d'améliorer le conditionnement et de fournir une estimation a priori du nombre d'harmoniques nécessaire pour obtenir un certain niveau de convergence. La méthode d'équilibrage harmonique est ensuite validée sur un cas standard d'aéroélasticité des machines tournantes et montre des résultats très proches de ceux expérimentaux. L'applicabilité de la méthode est finalement démontrée pour la simulation de l'aéroélasticité des doublets d'hélices contra-rotatives. / Computational Fluid Dynamics (CFD) has allowed the optimization of many configurations among which aircraft engines. In the aeronautical industry, CFD is mostly restricted to steady approaches due to the high computational cost of unsteady simulations. Nevertheless, the flow field across the rotating parts of aircraft engines, namely turbomachinery blades, is essentially periodic in time. Years ago, Fourier-based time methods have been developed to take advantage of this time periodicity. However, they are, for the most part, restricted to mono-frequential flow fields. This means that only a single base-frequency and its harmonics can be considered. Recently, a multi-frequential Fourier-based time method, namely the multi-frequential Harmonic Balance (HB), has been developed and implemented into the elsA CFD code, enabling new kinds of applications as, for instance, the aeroelasticity of multi-stage turbomachinery.The present PhD thesis aims at applying the HB approach to the aeroelasticity of a new type of aircraft engine: the contra-rotating open rotor. The method is first validated on analytical, linear and non-linear numerical test problems. Two issues are raised, which prevent the use of such an approach on arbitrary aeroelastic configurations: the conditioning of the multi-frequential HB source term and the convergence of the method. Original methodologies are developed to improve the condition number of the simulations and to provide a priori estimates of the number of harmonics required to achieve a given convergence level. The HB method is then validated on a standard configuration for turbomachinery aeroelasticity. The results are shown to be in fair agreement with the experimental data. The applicability of the method is finally demonstrated for aeroelastic simulations of contra-rotating open rotors.

Ces travaux s'articulent autour du calcul des solutions périodiques dans les systèmes dynamiques non linéaires, au moyen de méthodes numériques de continuation. La recherche de solutions périodiques se traduit par un problème avec conditions aux limites périodiques, pour lequel nous avons implémenté deux méthodes d'approximation : - Une méthode spectrale dans le domaine fréquentiel, l'équilibrage harmonique d'ordre élevé, qui repose sur une formulation quadratique des équations. Nous proposons en outre une extension de cette méthode aux cas de non-linéarités non rationnelles. - Une méthode pseudo-spectrale dans le domaine temporel, la collocation à l'aide fonctions polynômiales par morceaux. Ces méthodes transforment le problème continu en un système d'équations algébriques non linéaires, dont les solutions sont calculées par continuation à l'aide de la méthode asymptotique numérique. L'ensemble de ces outils, complétés d'une analyse linéaire de stabilité, sont intégrés au code de calcul MANLAB. Applications : Un modèle physique non-régulier de clarinette est étudié en détail : à partir de la branche de solutions statiques et ses bifurcations, on calcule les différentes branches de solutions périodiques, ainsi que leur stabilité et leurs bifurcations. Ce modèle est ensuite adapté au cas du saxophone, pour lequel on intègre une caractérisation acoustique expérimentale, afin de mieux tenir compte de la géométrie complexe de l'instrument. Enfin, nous étudions un modèle physique simplifié de violon, avec une non-régularité liée frottement de Coulomb. / Periodic solutions of nonlinear dynamical systems are the focus of this work. We compute periodic solutions through a BVP formulation, solved with two numerical methods: - a spectral method, in the frequency domain: the hogh-order Harmonic Balance Method, using a quadratic formulation of the original equations. We also propose an extension to nonrational nonlinearities. - a pseudo-spectral method, in the time domain : the arthogonal collocation at Gauss point, with piece-wise polynomial interpolation. Both methods lead to a system of nonlinear algebraic equations, and its solutions are computed by a continuation algorithm : the Asymptotic Numerical Method. These methods are embeded in the numerical package MANLAB, together with a linear stability analysis. Application We then apply these methods to physical models of several instruments : a clarinet, a saxophone, and a violin. The clarinet model contains a non-smooth contact between the reed and the mouthpiece. The study focuses on the evolution of frequency, loudness, and spectrum along the branch of periodic solutions when varying the mouth pressure. The saxophone model is very similar, but an experimental characterization of the bore is used in that case. Finally, the violin model with a non-smooth Coulomb contact law and a simplified resonator is studied, showing the variety of models that can be treated using this method.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale et numérique de structures mécaniques non-linéaires soumises à des vibrations sinusoïdales et aléatoires. L'étude prend en compte l'existence d'incertitudes au sein du protocole expérimentale et de la modélisation. Les études expérimentales menées au CEA/CESTA montrent que la réponse des structures assemblées à des sollicitations vibratoires est fortement dépendante du niveau d'excitation d'une part, et que la réponse obtenue possède une variabilité, parfois importante. Ces résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits en simulation avec la méthode de simulation vibratoire linéaire déterministe classique.L'objectif de ces travaux est de proposer et de mettre en place des méthodes numériques pour étudier ces réponses non-linéaires, et de quantifier et propager les incertitudes pertinentes au sein des calculs. Cet objectif passe par l'étude de maquettes d'essai de complexité croissante et sujettes aux mêmes phénomènes vibratoires que les objets d'étude industriels du CEA/CESTA. Les méthodes de simulation vibratoire non-linéaires et les techniques numériques développées dans le monde académique sont adaptées et utilisées dans le contexte industriel du CEA/CESTA.Le premier objet d'étude est une poutre métallique bi-encastrée, dont la non-linéarité est d'origine géométrique. Le modèle associé à cette poutre est un oscillateur de Duffing à un degré de liberté très détaillé dans la littérature scientifique, et qui permet de valider les développements numériques effectués, sur les aspects de l'excitation aléatoire et de la propagation d'incertitudes. Dans un premier temps, les méthodes de tir et d'équilibrage harmonique sont étendues au cas de l'excitation aléatoire et validées sur cette structure académique par comparaison à l'expérience. Dans un second temps, une méthode de propagation d'incertitude non-intrusive est implémentée pour prendre en compte les incertitudes de modélisation identifiées.Le second objet d'étude est une maquette comportant un plot élastomère reliant une masselotte à un bâti. Le comportement non-linéaire de l'élastomère est au c\oe ur de ces travaux de thèse. De nombreux essais vibratoires sont réalisés dans un premier temps pour identifier un modèle non-linéaire de l'élastomère juste suffisant. Dans un second temps, le modèle développé est validé par comparaison aux essais en utilisant et adaptant les méthodes étendues lors de l'étude de la poutre bi-encastrée.Enfin, une maquette d'étude se rapprochant d'un cas d'application industriel est étudiée : la maquette Harmonie-Gamma. Elle compte des interfaces frottantes et des liaisons élastomères. Les essais vibratoires réalisés permettent d'identifier le comportement dynamique linéaire et non-linéaire du système et d'étudier l'évolution de la réponse en fonction du niveau d'excitation. Un modèle numérique est réalisé par éléments finis puis réduit par une méthode de sous-structuration. Les relations non-linéaires sont introduites au niveau des liaisons frottantes et élastomères. La réponse vibratoire de la structure est simulée par la méthode d'équilibrage harmonique couplée à un algorithme de continuation. Les comparaisons essais / calculs sont menées pour les excitations de type sinus balayé et aléatoire, et permettent d'analyser l'apport de chaque non-linéarité dans la réponse de la structure. / This PhD work focuses on the experimental and numerical study of nonlinear structures subjected to both harmonic and random vibrations, in the presence of modeling and experimental uncertainties. Experimental studies undertaken at the CEA / CESTA show a strong dependence of the jointed structures towards the excitation level, as well as a variability in the response for a given excitation level. These experimental results cannot be simulated using the classical determinist linear vibration simulation method.The objective of this work is to propose and set up numerical methods to study these nonlinear responses, while quantifying and propagating the relevant uncertainties in the simulations. This objective involves the study of structural assemblies of increasing complexity and subjected to the same vibratory phenomena as CEA / CESTA industrial structures. Advanced nonlinear numerical methods developed in academia are applied in the CEA / CESTA industrial context.The first test structure is a clamped-clamped steel beam that has a geometrical nonlinearity. The beam is modeled by a Duffing oscillator which is a widely studied model in the field of nonlinear dynamics. This allows for a validation of the numerical developments proposed in this work, first on the issue of random vibrations, and second on the issue of the propagation of uncertainties. The simulations are based on two techniques of reference (shooting method and harmonic balance method). Firstly, the simulation results are validated by comparison with the experimental results for random vibrations. Secondly, the harmonic balance method is used in adequation with a non-intrusive polynomial chaos in order to take into accounts the modeling uncertainties.The second test structure is a mass linked to a solid casing via a vibration-absorbing elastomeric material of biconical shape surrounded by a cage of aluminum. The nonlinear behavior of the elastomer is at the heart of this work. Various vibration tests were performed on this structure in order to identify the simplest nonlinear model possible to answer our queries. The identified model is validated through comparisons between the simulation results and the experimental results for both sine-swept and random vibrations.The central assembly of this work is an industrial assembly with friction joints and vibration-absorbing elastomeric joints, named Harmonie-Gamma. The vibration tests performed exhibit resonance modes as well as a strong dependency of the response with the excitation level. A numerical finite element model is developed and reduced with a substructuration technique. The resulting nonlinear reduced model is simulated using an harmonic balance method with a continuation method. The simulated responses are compared with the experiments and allow for an analysis of coupled nonlinearities in the CEA / CESTA industrial context.