Le passage du régime laminaire au régime turbulent s’accompagne d’importantes modifications des propriétés physiques de l’écoulement. Une prévision précise du point du début de la transition laminaire/turbulent revêt donc une importance considérable dans de nombreux domaines pratiques. Lorsque l’intensité des perturbations extérieures est significative, c'est-à-dire dans le cas de couches limites se développant sur une paroi présentant des rugosités ou soumises à une forte turbulence résiduelle (sillage impactant), les mécanismes de formation et d’amplification des instabilités sont profondément modifiés. Ces perturbations sont les modes de Klebanoff (également appelés stries) qui s’amplifient et déclenchent la transition, qualifiée dans ce cas de Bypass. Ces stries sont très énergétiques, caractérisées par des fluctuations de vitesse très importantes (de l’ordre de 10% de la vitesse extérieure), alors que la couche limite conserve son caractère laminaire. La thèse proposée concerne la modélisation de ces stries via la résolution d’une équation de transport pour l’énergie cinétique dite laminaire. Dans un premier temps, le travail du candidat portera sur la modélisation des termes de production et de dissipation de l’énergie cinétique laminaire. Ceux-ci sont liés au processus de réceptivité de la couche limite vis-à-vis des perturbations extérieures et à la dynamique des modes de Klebanoff dans la zone laminaire. Pour ce faire, la thèse s’appuiera sur des études réalisées depuis plusieurs années au sein de l’unité ITAC sur la théorie des perturbations optimales ainsi que sur les travaux numériques et expérimentaux prévus dans le cadre d’un projet de recherche interne Onera. Classiquement cette équation de transport est couplée avec celles correspondant à l’énergie cinétique turbulente et à la dissipation, le mécanisme d’échange entre les énergies cinétiques laminaire et turbulente devra être soigneusement étudié : ce dernier pilote la transition vers la turbulence. Une attention particulière sera portée aux couches limites décollées et plus précisément à la prise en compte de la transition dans ces bulbes. Cette nouvelle modélisation innovante permettra l’amélioration d’une première approche pour le calcul de la transition bypass dans le solveur elsA, développé à l’Onera, et constituera une étape importante vers la mise en place de techniques de prévision de la transition pratiques et performantes. / This work aims to develop a new bypass-transition prediction model based on the Klebanoff modes dynamics. To represent these mode dynamics the Laminar Kinetic Energy (LKE) concept has been chosen, in order to model these mode energy with a new variable. A new deffinition is given to the LKE and a transport equation consequently derived to describe the Klebanoff modes growth and destabilisation. This equation is incorporated in a k-omega turbulence model as done by Walters & Cokljat, to give a three-equation kL-kT-omega formulation. This new model is written in a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) pattern and only uses local variables, it thus can be used in an industrial context.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis. / This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.

Une étude expérimentale et numérique traitant de l'influence de structures tourbillonnaires sur la sédimentation de nuage de particules sphériques sous l'effet de la gravité est présentée dans une première partie de ce manuscrit. L'écoulement est créé par électro-convection, ce qui permet de générer un réseau de vortex contrôlés en vitesse et de taille constante qui imite un écoulement tourbillonnaire. Des techniques de PIV (Particle image-velocimetry) et de suivi de particules sont utilisés pour étudier la sédimentation du nuage.Le nuage est modélisé comme un ensemble de particules ponctuelles pour lesquelles les forces d'interaction hydrodynamiques entre particules sont prépondérantes. Le comportement du nuage est comparé aux prédictions obtenues avec des modèles numériques. Dans une seconde partie est présentée une étude expérimentale et numérique concernant la sédimentation à faible nombre de Reynolds de fibres flexibles dans un fluide visqueux au repos. L'état d'équilibre atteint par la fibre flexible est étudié. Nous identifions trois régimes ayant des signatures différentes sur l'état stationnaire de la fibre flexible: un régime de faibles déformations dans lequel la force de traînée est proportionnelle à celle d'une fibre sédimentant horizontalement par rapport à la gravité; un régime de grandes déformations dans lequel la force de traînée est aussi proportionnelle à la vitesse de la fibre, mais avec un coefficient de traînée qui est celui d'une fibre chutant parallèlement à la gravité; et un régime de reconfiguration élastique où le filament se déforme avec une traînée plus faible qui n'est plus proportionnelle à sa vitesse, mais à la racine carrée de celle-ci / In the first part, a jointed experimental and numerical study examining the influence of vortical structures on the settling of a cloud of solid spherical particles under the action of gravity at low Stokes numbers is presented. We use electro-convection to generate a two-dimensional array of controlled vortices which mimics a simplified vortical flow. Particle image-velocimetry and tracking are used to examine the motion of the cloud within this vortical flow. The cloud is modeled as a set of point-particles for which the hydrodynamic interaction is preponderant. The cloud behavior (trajectory, velocity, aspect ratio, break-up time …) is compared to the predictions of a two-way-coupling numerical simulation. In the second part, a jointed experimentally and numerical study on the dynamics of slender flexible filaments settling in a viscous fluid at low Reynolds number is presented. The equilibrium state of a flexible fiber settling in a viscous fluid is examined using a combination of macroscopic experiments, numerical simulations and scaling arguments. We identify three regimes having different signatures on this equilibrium configuration of the elastic filament: a weak deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling perpendicular to the gravity; a large deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling parallel to the gravity and an intermediate elastic reconfiguration regime where the filament deforms to adopt a shape with a smaller drag which is no longer linearly proportional to the velocity but to the square root of the velocity

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l’ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d’un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d’huile, les segments et la surface de la chemise “contrôlent” la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d’Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l’écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l’écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d’entrée pour simuler un fonctionnement “normal”. Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l’algorithme “classique” pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l’écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l’étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L’unicité de la solution impose l’introduction d’un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L’introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l’existence et l’unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ. / This work deals with the modeling and simulation of contact between piston rings and liner of an engine. In the engine, the piston-rings are in relative motion with respect to the liner. This mechanism is lubricated and the purpose of this piston-ring system is to control sealing between combustion chamber and lower part of engine, keeping under control lubricant quantity on the surfaces. We modeled this phenomenon using the Elrod-Adams models (P-θ), which are conservative parabolic-hyperbolic models, taking into account the cavitation phenomenon (the presence of gas bubbles in fluid, so that it can be understood a multiphased flow) coupled with the Greendwood-Tripp model, which models the elastic contact by a statistical approach. When we focus on the modeling of the oil flow and asperity contacts, we neglect many physical phenomena like scuffing and thermal effects. In the first part, we focus on the kinematics of the engine, from the design to the different models to describe a lubricated contact. We explain all the simplifications in the engine body and the boundary conditions we use in the cavitation model to solve it as a free boundary problem, in particular for the choice of the flow rate to simulate a ``normal functioning''. In the second part, we describe the algorithm implementation and the required modifications when using real surface topography. We compare several surfaces and study the influence of simulation parameters, then we compare the result with experimental data obtained by Renault company. In the third part, we modify the (P-θ) model, to have the same flow rate in the cavitation zone as in the Navier-Stokes model. It can be studied in 2-dimensions, however we only explain the mathematical study in 1D. We study this model as a dynamical system for which the unknown variables are the free boundaries. The uniqueness is imposed by the addition of an adjustable parameter. The local and global behavior in time are determined by geometrical parameters and boundary conditions. In the last part, we compare the new cavitation model with the P-θ model.

Le transport de sédiments en rivières et torrents reste un phénomène mal compris en raison de la polydispersité des particules et de la ségrégation résultante. Il a été mené une étude expérimentale sur un canal permettant d’étudier la ségrégation en charriage d’un mélange de deux classes de billes. Le déplacement collectif des billes est enregistré sous la forme de séquences vidéos. Cette thèse traite des méthodes de traitement d’images développées pour analyser les données obtenues. Premièrement, nous avons développé une méthode de segmentation d’images pour étudier l’influence de l’infiltration de particules fines sur l’évolution d’un lit mobile. Avec cette méthode d’analyse, une étude expérimentale a permis de montrer que l’évolution de la pente du lit présente une décroissance exponentielle. Deuxièmement, nous avons optimisé les algorithmes déterministes de suivi de particules pour permettre l’étude des trajectoires sur l’intégralité du phénomène de ségrégation, ce qui n’était pas possible dans les travaux précédemment effectués à Irstea. Nous avons de plus mis en place des mesures d’évaluation et conçu des vérités terrains afin d’apprécier la qualité des résultats. Des gains de temps, cohérence, précision et mémoire ont été quantifiés. Troisièmement, nous avons développé un nouvel algorithme basé sur le filtrage particulaire à modèles multiples pour mieux gérer les dynamiques complexes des particules et gagner en robustesse. Cette approche permet de prendre en compte les erreurs du détecteur, les corriger et ainsi éviter des difficultés lors du suivi de trajectoires que nous rencontrons notamment avec l’algorithme déterministe / Sediment transport in rivers and mountain streams remains poorly understood partly due to the polydispersity of particles and resulting segregation. Experiments in a channel were carried out to study bedload transport of bimodal bead mixtures. The behavior of the beads is recorded through video sequences. This work is about the development of image processing methods to analyse the obtained data. Firstly, we developed a method of image segmentation to study the infiltration of fine particles and its influence on the evolution of bed mobility. Thanks to this method, an experimental study shows that the bed slope evolution follows an exponential decay. Secondly, we optimised deterministic tracking algorithms to enable the study of trajectories on long-duration phenomena of segregation, which was not possible with previous work done at Irstea. Moreover we set up relevant evaluation measures and elaborated ground truth sequences to quantify the results. We observed benefits in execution time, consistency, precision and memory. Thirdly, we developed a new algorithm based on multiple model particle filtering to better deal with complex dynamics of particles and to gain robustness. This approach allows taking unreliable detections into account, correcting them and thus avoiding difficulties in the target tracking as encountered with the deterministic algorithm

Dans cette thèse, l'application de l'assimilation de données (AD) à la MFN est étudiée, avec comme objectif global de contribuer à l'amélioration de la prévision numérique d'écoulements complexes. L'AD consiste à fusionner les outils de prévision numérique avec des données expérimentales afin d'améliorer l'estimation des paramètres d'entrée du code MFN. Les aspects méthodologiques de l'AD et son application pour des études physiques sont tous deux examinés dans cette thèse. Dans un premier temps, l'AD est utilisée pour une étude théorique de la turbulence de grille. Un modèle spectral pour les écoulements turbulents homogènes et anisotropes est également proposé. Plusieurs méthodes d'AD sont ensuite implémentées pour un code MFN et appliquées à la reconstruction d'écoulements instationnaires et compressibles en présence d'incertitudes sur des paramètres d'entrée de grandes dimensions afin d'évaluer les forces et faiblesses respectives de ces techniques. Des stratégies pour le placement optimal de réseaux de capteurs sont élaborées afin d'améliorer les performances du processus d'AD. Enfin, l'AD est appliquée à l'identification de sources de polluants et à la reconstruction de conditions météorologiques pour des écoulements en milieu urbain prédits par Simulation des Grandes Echelles. / In this thesis, we investigate the use of various data assimilation (DA) techniques in the context of CFD, with the ultimate goal of enhancing the prediction of real-world flows. DA consists in merging numerical predictions and experimental observations in order to improve the estimation of the CFD solver inputs. Both methodological aspects of DA and its potential application to physics investigations are explored for various flow configurations. First, DA is considered for the theoretical analysis of grid turbulence decay. Fundamental aspects of anisotropic homogeneous turbulence are also investigated through spectral modelling. Various DA methodologies are deployed in conjunction with a Navier-Stokes solver and are assessed for the reconstruction of unsteady compressible flows with large control vectors. Sensor placement strategies are developed to enhance the performances of the DA process. Finally, a first application of DA to Large Eddy Simulations of full-scale urban flows is proposed with the aim of identifying source and wind parameters from concentration measurements.

Au cours des dernières décennies, l'angiographie par résonance magnétique a été utilisée comme routine clinique pour l'exploration précise et non invasive des vaisseaux sanguins, ainsi que pour le diagnostic des affections neurovasculaires les plus courantes. Plusieurs méthodes spécifiques ont été développées pour simuler numériquement le procédé de formation des angiographies. Cependant, à ce jour, la plupart des logiciels de simulation IRM avancés sont exclusivement spécialisés dans l'imagerie des tissus statiques. Le présent travail a donc été réalisé pour étendre les possibilités d'un logiciel existant afin de proposer un outil complet pour la simulation IRM des écoulements fluides. L'efficacité de cette approche est démontrée en reproduisant les principales séquences angiographiques et les artéfacts de flux les plus courants. Pour finir, des applications sur des simulations de flux sanguins dans des géométries de vaisseaux réalistes sont présentées. / During the last decades, magnetic resonance angiography has been used as a clinical routine for precise and non-invasive exploration of vessels, as well as for diagnosis of the most common neurovascular diseases. Several dedicated methods were developed to simulate specifically the process of angiographic acquisitions. Though, currently, most of advanced MRI simulators are exclusively specialized in static tissues imaging. This work was carried out to expand the possibilities of one of those simulators in order to propose a complete tool for MRI simulation of flow motion.The efficiency of this approach is proven by replicating the main angiographic pulse sequences and the most common flow artifacts. Finally, applications are provided on simulations of blood flow in realistic vessels geometries.

Cette thèse est consacrée au développement d'outils de simulation numérique permettant d'appréhender les phénomènes multi-physiques complexes (thermique, mécanique des solides, mécanique des fluides et sciences des matériaux) mis en jeu lors d'opérations de soudage TIG (Tungsten Inert Gas) de tôles minces de type 316L utilisées dans l'industrie agroalimentaire. La fusion locale des éléments à assembler par soudage présente en effet l'inconvénient d'induire des déformations locales importantes qui compliquent le montage des pièces. Un autre désavantage est l'apparition de contraintes résiduelles qui impactent la durabilité de la structure soudée. Afin de prédire ces déformations et contraintes pendant la phase de conception, en vue par exemple de les minimiser en jouant sur des paramètres tels que la vitesse d'exécution et l'intensité du courant de soudage, des outils numériques prédictifs ont été développés dans le cadre de ce travail.Un modèle éléments finis 3D de couplage entre la thermique et la mécanique, dans les domaines transitoire et nonlinéaire,a notamment été programmé en langage APDL (Ansys Parametric Design Language) à l'aide du logiciel multi-physique ANSYS. La source mobile de chaleur par soudage a été représentée par un profil Gaussien dont les paramètres ont été calibrés de manière à optimiser la forme géométrique du cordon. Pour ce faire, la surface de réponse d'un plan d'expérience factoriel a été utilisée. Les résultats numériques obtenus sont tout à fait satisfaisants puisque les paramètres de la source de chaleur gaussienne identifiés à l'aide du plan d'expérience factoriel permettent une reproduction fidèle de la géométrie du cordon. La comparaison entre les valeurs expérimentales et calculées de la déviation montre par ailleurs une bonne cohérence avec un écart relatif inférieur à 5%. Afin d'étudier la tension et la conductibilité électrique lors de l'amorçage et du maintien de l'arc de soudure, un modèle axisymétrique bidimensionnel de l'arc électrique a été réalisé en utilisant le logiciel FLUENT. La géométrie réelle des composantes de la torche telles que le diffuseur de gaz, la buse et l'électrode a été prise en compte. Lemodèle intègre un couplage fluide-structure dans lequel les équations électromagnétiques et thermiques sont résolues dans la cathode solide. Les équations supplémentaires régissant l'écoulement sont considérées dans le domaine gazeux où l'arc est généré. Pour le maintien de l'arc, ces équations, qui ont été programmées en langage C++, permettent de s'affranchir de la conductibilité artificielle souvent utilisée dans la littérature. Le modèle permet d'obtenir les champs de température du plasma, les chutes de tension à l'anode et à la cathode de l'appareil de soudage, la tension dans l'arc ainsi que le rendement de l'apport d'énergie. Les résultats numériques indiquent que la température et la vitesse d'écoulement du plasma augmentent avecl'intensité du courant et avec la distance inter électrode. Il en va de même pour le potentiel électrique mais avec une influence plus forte de la distance inter électrode. Enfin, le débit de gaz ne joue aucun rôle sur la température et sur le potentiel électrique. Il influe par contre sur la vitesse d'écoulement du plasma. Plus le débit est élevé, plus la vitesse d'écoulement du plasma est faible. / This thesis is dedicated to the development of numerical simulation tools allowing to understand complex multi-physics phenomena (thermal, solid mechanics, fluid mechanics and sciences materials) involved in TIG (Tungsten Inert Gas) welding operations of 316L thin plate used in the food industry. The local fusion of the elements to be assembled by welding has indeedthe disadvantage of inducing significant local deformations that complicate the assembly of parts. Another The disadvantage is the appearance of residual stresses that impact the durability of the welded structure. In order to predict these deformations and constraints during the design phase, for example in order to minimize them in playing on parameters such as the speed of execution and the intensity of the welding current, digital tools Predictors have been developed as part of this work.A model finite elements 3D of coupling between the thermal one and the mechanics, in the transient and nonlinear domains,was programmed in Ansys Parametric Design Language (APDL) using the software multi-physics ANSYS. The mobile source of heat by welding has been represented by a Gaussian profile whose parameters have been calibrated to optimize the geometric shape of the cord. To do this, the surface of Response of a factorial experiment plan was used. The numerical results obtained are quite satisfactory since the parameters of the Gaussian heat source identified using the factorial experiment planallow a faithful reproduction of the geometry of the cord. The comparison between the experimental values ​​and Calculated deviation also shows good consistency with a relative difference of less than 5%. In order to study the voltage and the electrical conductivity during the priming and the maintenance of the welding arc, a Two-dimensional axisymmetric model of the electric arc was realized using FLUENT software. Geometry actual torch components such as the gas diffuser, the nozzle and the electrode were taken into account. The model integrates a fluid-structure coupling in which the electromagnetic and thermal equations are resolved in the solid cathode. The additional equations governing the flow are considered in the gaseous domain where the arc is generated. For the maintenance of the arc, these equations, which have been programmed in C ++, make it possible to overcome the artificial conductivity often used in the literature. The model allows to obtain the plasma temperature fields, the voltage drops at the anode and at the cathode of the welding, the voltage in the arc as well as the efficiency of the energy input. Numerical results indicate that plasma temperature and flow velocity increase with the intensity of the current and with the inter-electrode distance. The same goes for the electric potential but with a stronger influence of the inter-electrode distance. Finally, the gas flow plays no role on the temperature and on the electric potential. It influences the speed of flow of the plasma. The higher the flow, the higher the Plasma flow rate is low.

En mécanique des fluides (CFD), l'adaptation de maillage anisotrope est reconnue pour sa capacité à réduire le ratio entre le nombre de degrés de liberté et la précision du calcul. Cependant, son application dans le cas d'écoulements compressibles avec des chocs pose les problématiques suivantes : (i) les schémas numériques d'ordre élevé de type shock capturing retombent à l'ordre un dans les chocs, (ii) les senseurs utilisés pour l'adaptation prescrivent dans les chocs des tailles qui tendent vers zéro. Il est donc nécessaire de prescrire une taille minimale. On perd alors tout l'intérêt d'une adaptation anisotrope. On apporte une réponse à ces problématiques en considérant une adaptation anisotrope multi-échelles du maillage basée sur le modèle de maillage continu. On alors montre que le processus adaptatif converge dans les chocs si le schéma numérique utilisé est non compressif. La prescription d'une taille minimale n'est plus nécessaire. On retrouve également un ordre deux de convergence dans tout le domaine, même en présence de chocs. Si on se donne des informations supplémentaires (fonctionnelle précise à observer, équation aux dérivées partielles, schéma numérique utilisé pour la résoudre) les méthodes génériques précédentes ne sont plus op- timales dans la distribution des degrés de liberté. On étudie cette problématique dans le cas particulier des équations d'Euler pour des fonctionnelles scalaires. Ce type d'étude est très bien adapté pour le calcul de grandeurs d'intérêt comme la portance ou la traînée en aérodynamique. On propose une estimation d'erreur a priori pour le contrôle de l'erreur d'approximation sur une fonctionnelle. Cette estimation est ensuite minimisée sur l'espace des maillages continus afin de décrire le maillage anisotrope optimal. Enfin, on applique l'adaptation multi-échelles à la prédiction haute-fidélité du bang sonique.

Cette thèse est composée de trois parties. Dans la première, nous considérons un système d'équations Reynolds Averaged Navier-Stokes en 3D, modélisant le couplage de deux fluides turbulents ( par exemple, océan/atmosphére). Nous proposons un schéma numérique, et nous montrons sa convergence vers l'unique solution du modèle.<br />La seconde partie est consacrée à une extension des méthodes spectrales dans des géométries complexes. Cette nouvelle méthode s'appuie sur deux idées: traitement des conditions aux limites de Dirichlet par pénalisation, en suivant la méthode de Nitsche, et une approximation de la géométrie par des pavés, en utilisant une octree (par exemple). <br />Nous donnons des erreurs de projection polyômiale et des estimations a priori. <br />Enfin, la dernière partie est consacrée au calucl scientifique où on a implémenté en C++ et validé cette méthode dans le logiciel FreeFem3d.