Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Ce mémoire investigue le phénomène de reconnexion visqueuse de deux tourbillons initialement placés de façon orthogonale ou antiparallèle. Les équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible sont résolues directement (DNS) à l’aide d’un algorithme pseudospectral utilisant des expansions périodiques dans les trois directions cartésiennes. La condition de circulation nulle inhérente à cette méthode numérique est contournée en résolvant les équations dans un repère tournant approprié. Une méthode simple utilisant des lignes de vorticité est proposée afin de calculer le pourcentage de reconnexion instantané η de deux tourbillons. Cette méthode est également employée pour séparer le champ de vorticité en ses composantes reconnectées et non-reconnectées, ce qui facilite l’identification visuelle des différentes étapes du processus de reconnexion. Finalement, l’échelle de temps de la reconnexion tourbillonnaire Trec est calculée pour différents nombres de Reynolds (500 ≤ Re ≤ 10000). Il est trouvé que l’ordre de grandeur de Trec varie de façon continue de [symbol] à mesure que Re augmente. / This work focuses on the viscous reconnection phenomenon of two vortex tubes that are initially antiparallel or orthogonal to each other. The incompressible Navier-stokes equations are solved directly (DNS) using a Fourier pseudospectral algorithm with triply periodic boundary conditions. The associated zero-circulation constraint is circumvented by solving the governing equations in a proper rotating frame of reference. A simple method using vortex lines is proposed to compute the instantaneous reconnection level η of two vortices. The proposed method is also used to split the vorticity field into its reconnected and non-reconnected parts, which allows for a clear and intuitive visual identification of the different reconnection phases. Finally, the Reynolds number dependence of the reconnection timescale Trec is investigated for 500 ≤ Re ≤ 10000. The scaling is found to vary continuously as Re is increased from [symbol].

Ce projet présente l’étude expérimentale de l’écoulement à la sortie du diffuseur d’une turbine de type bulbe. La technique de mesure d’anémométrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisée pour les trois montages expérimentaux, situés au-dessus et sur les deux côtés du diffuseur pour obtenir les trois composantes de vitesse. Une importante chute de rendement a été mesurée dans un modèle réduit d’une turbine de type bulbe opérant à forte charge. Des études précédentes ont relié la chute de performance avec les pertes du diffuseur, et en particulier avec la zone de séparation de l'écoulement aux parois du diffuseur. Dans la présente étude, l'écoulement a été étudié à la sortie de la trompette de la turbine, qui est une section du diffuseur qui permet de passer d'une section circulaire à une section rectangulaire. La turbine a été étudiée pour cinq conditions d'opération, qui représentent les différents phénomènes de l'écoulement à la sortie du diffuseur. En plus du champ de vitesse, l'analyse a été effectuée pour le coefficient d’intermittence de la vitesse débitante et pour la composante de la vorticité autour l’axe axial Z. Les résultats révèlent une zone contrarotative dans le diffuseur, qui s'intensifie avec l'ouverture des directrices. L'ouverture des directrices induit une modification aux phénomènes hydrauliques : à partir d'une recirculation de l'écoulement dans la zone centrale pour la condition d'opération à plus faible charge, vers un écoulement de retour induit par la séparation de l'écoulement aux parois pour les conditions d'opérations à forte charge. / This project presents the experimental study of the flow at the diffuser outlet of a bulb turbine. Measurements by laser Doppler velocimetry (LDV) were performed on three experimentals setups located above and on two sides of the diffuser to obtain the three velocity components. An important drop in turbine performances has been measured in a bulb turbine model operated at overload. Previous investigations have correlated the performance drop with diffuser losses, and particularly to the flow separation zone at the diffuser wall. In the present study, the flow has been investigated at the exit of the turbine, which is a diffuser section that transforms from a circular to a rectangular section. The turbine has been operated at five operating points, which are representative of different flow patterns at the diffuser exit. In addition to the average velocity field, the analysis has been conducted based on a backflow occurrence function and on the vorticity level. Results reveal a counter-rotating zone in the diffuser, which intensifies with the guide vanes opening. The guide vanes opening induces a modification of the flow phenomena: from a central backflow recirculation zone at the lowest flowrate to a backflow zone induced by flow separation at the wall at the highest flowrate.

Dans ce mémoire, une approche de calcul de sensibilité utilisée dans le domaine de l'optimisation, appelée la méthode adjointe, est explorée pour estimer et contrôler efficacement l'erreur en mécanique des fluides numérique (MFN). Les développements effectués ont été greffés à Fluent, un logiciel commercial. L'erreur est calculée en effectuant le produit scalaire du vecteur d'erreur de troncature liée à chaque équation de bilan et du vecteur des variables adjointes. Ces dernières sont intrinsèquement liées à une fonctionnelle sélectionnée par l'utilisateur (le rendement, la traînée, les pertes, etc.). En adaptant le maillage avec cette estimation d'erreur, l'adaptation devient très orientée vers le but spécifique de la simulation. Les résultats obtenus montrent que la méthode adjointe permet d'identifier les régions sensibles de la simulation. En adaptant la taille, l'étirement et l'orientation des cellules du maillage en conséquence, il est alors possible d'améliorer la précision numérique ou encore de limiter la taille de maillage requise pour une précision donnée. Quoique se limitant aux cas 2-D stationnaires, les résultats obtenus laissent entrevoir que les maillages adaptés représentent une amélioration substantielle comparativement aux maillages structurés utilisés actuellement. À terme, l'intégration des techniques d'adaptation dans les processus de simulation pourrait fortement influencer les façons de faire de l'Institut de Recherche d'Hydro-Québec (IREQ) ainsi que du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval.

L'objectif de ce travail consiste à développer la méthode de résolution PGD (Proper Generalized Decomposition), qui est une méthode de réduction de modèle où la solution est recherchée sous forme séparée, à la résolution des équations de Navier-Stokes. Dans un premier temps, cette méthode est appliquée à la résolution d'équations modèles disposant d'une solution analytique. L' équation de diffusion stationnaire 2D et 3D, l'équation de diffusion instationnaire 2D et les équations de Burgers et Stokes sont traitées. Nous montrons que dans tous ces cas la méthode PGD permet de retrouver les solutions analytiques avec une précision équivalente au modèle standard. Nous mettons également en évidence la supériorité de la PGD par rapport au modèle standard en terme de temps de calcul. En effet, dans tous ces cas, laPGD se montre beaucoup plus rapide que le solveur standard (plusieurs dizaine de fois). La résolution des équations de Navier-Stokes isothermes et anisothermes est ensuite effectuée par une discrétisation volumes finis sur un maillage décalé où le couplage vitesse-pression a été géré à l'aide d'un schéma de prédiction-correction. Dans ce cas une décomposition PGD sur les variables d'espaces uniquement a été choisie. Pour les écoulements incompressibles 2D stationnaire ou instationnaire, de type cavité entrainée et/ou différentiellement chauffé, les résultats obtenus par résolution PGD sont similaires à ceux du solveur standard avec un gain de temps significatif (la PGD est une dizaine de fois plus rapide que le solveur standard). Enfin ce travail introduit une première approche de la résolution des équations de transferts par méthode PGD en formulation spectrale. Sur les différents problèmes traités, à savoir l'équation de diffusion stationnaire, l'équation de Darcy et les équations de Navier-Sokes, la PGD a montré une précision aussi bonne que le solveur standard. Un gain de temps a été observé pour le cas de l'équation de Poisson, par contre, concernant le problème de Darcy ou les équations de Navier-Stokes les performances de la PGD en terme de temps de calcul peuvent encore être améliorées.

L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau.

The accuracy of the numerical simulation in the prediction of cavitation in cryogenic fluids is of critical importance for the efficient design and performance of turbopumps in rocket propulsion systems. One of the main challenges remains the efficiency in modeling the physics, handling the multiscale properties and developing robust numerical methodologies. Such flows involve thermodynamic phase transition and cavitation bubbles smaller than the global flow structure. Cryogenic fluids are thermo-sensible, then thermal effects and strong variations in fluid properties can alter the cavity properties. The aim of this work is to address the challenge of efficiently modeling cavitating flows when using water and cryogenic fluids. Because of the complexity of the phenomenon, we focus on improving accuracy of the numerical simulation and on proposing some approaches for a strong coupling between numerics and experiments. We first discuss how to simulate cavitation by means of a mixture model. We specifically address two challenges. The first one is associated with the prediction of thermal effect during the phase transition, requiring the solution of the energy conservation equation. The second challenge is associated to the prediction of the number of bubbles, by considering a transport equations for the bubble density. This study is applied to the numerical simulation of a cavitating flow in a Venturi configuration. We observe an improved estimation of temperature and pressure profiles by using the energy equation and the nucleation model. Secondly, we focus on bubble dynamics. Several forms of Rayleigh-Plesset (RP) equations are solved in order to estimate the temperature and pressure during the collapse of the bubble. We observe that, for high Mach number flows, RP modified with a compressible term can predict the bubble behavior more accurately than the classical form of RP. It is necessary to use a complex equation of state for non-condensable gas (van der Waals) in order to have an accurate estimation of the bubble temperature during the collapse phase. We first apply this approach to the water treatment with cavitation, by proposing a model for the estimation of radicals developed during the collapse of the bubble. Secondly, this equation is modified by adding a term of convective heat transfer at the interface between liquid and bubble and it is coupled with a bubbly flow model in order to assess the prediction of thermal effect. We perform a parametric study by considering several values and models for the convective heat transfer coefficient, hb, and we compare temperature and pressure profiles with respect to the experimental data. We observe the importance of the choice of hb for correctly predicting the temperature drop in the cavitating region and we assess the most efficient models. In addition, we perform an experimental study on nitrogen cavitating flows in order to validate numerical prediction of thermal effect, and in order to assess the fundamental characteristics of the nucleation and the transient growth process of the bubble.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

Les écoulements vrillés, qui sont largement utilisés dans les turbines à gaz, sont connus pour être sujet à des bifurcations entre différentes topologies (grandes reconfigurations de l'écoulement) qui peuvent affecter les performances et la sécurité du moteur. Ce travail se concentre sur l'étude de ces bifurcations en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cette étude montre qu'un petit changement dans les conditions dynamique du fluide, induite par les différents modèles de sous-maille utilisés, peut provoquer une transition entre deux régimes d'écoulement distincts lorsque l'écoulement tourbillonnaire est proche des conditions critiques de transition. La sensibilité de la SGE aux modèles de sous-maille est également identifiée comme le résultat d'un manque de résolution à certains endroits critiques, un problème qui est analysé en utilisant une méthode d'adaptation de maillage. L'adaptation de maillage est testée sur des cas académiques et industriels. Ici, par ajustement de la résolution du maillage sur la base des caractéristiques de l'écoulement étudié (raffinement et grossissement de la grille en maintenant constant le coût numérique), des améliorations substantielles peuvent être obtenues, en terme de prédictions de la SGE. Ce travail peut être considéré comme une des premières étapes vers la mise en place d'une procédure standard (reproductible et indépendante de l'utilisateur) de maillage pour la SGE.

Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche effectués depuis ma soutenance de thèse en septembre 2005. L'ensemble s'articule autour de problèmes touchant aux écoulements turbulents, tant monophasiques que multiphasiques abordés principalement d'un point de vue expérimental. Les problèmes traités sont tout autant d'ordre fondamental que plus appliqué. Cette présentation est organisée autour de 3 axes : 1. les instabilités et bifurcations en écoulements turbulents monophasiques ; 2. l'étude des écoulements dans les machines tournantes et leur conception ; 3. la dynamique et les instabilités en écoulements diphasiques. Ces 3 axes ont en commun un certain nombre de traits, comme la caractérisation au moyen d'outils expérimentaux conçus à dessein, l'analyse des données obtenues (signaux temporels ou champs de vitesse LDV/PIV) au moyen du développement d'outils de post-traitement (analyse d'image) et enfin l'intérêt porté aux phénomènes instationnaires et dynamiques.

This study is devoted to the development of moderate-cost methodologies for the aerodynamic simulation of open rotors. The main goals are, on one side, to develop and validate these rapid methodologies, and, on the other side, to better understand the mechanisms behind propeller in-plane loads, also called the 1P loads. To reach the first goal, the HOST-MINT code, based on the lifting-line theory, has been adapted and improved for the unsteady simulation of propellers and open rotors. The code has been assessed by comparison with experimental data and more complex and precise CFD simulations. Finally, the first developments and tests of a Lagrangian/Eulerian coupling strategy between HOST-MINT and the elsA CFD code have been performed. These studies enable to endeavor a number of applications of this type of rapid methodologies in the aerodynamic design of future open rotors. Moreover, these methodologies may be adapted for other domains linked to aerodynamics, such as aeroelastic problems or preliminary aeroacoustic predictions.