La réduction de la consommation énergétique est actuellement un point important lors de la conception d'un véhicule qu'il soit à moteur thermique (réduction de la consommation d'essence), électrique (augmenter la distance parcourue sans recharger les batteries) ou hybride. C'est dans cette optique que nous chercherons à réduire les forces de traînée aérodynamique qui s'opposent au mouvement de tout véhicule et qui sont donc à l'origine d'une consommation supplémentaire d'énergie. Grâce au développement des outils de calcul, il est aujourd’hui possible de tester sans fabriquer. En effet, grâce à l’essor de la CFD (Computational Fluid Dynamics) il est désormais possible de reproduire tous nos bancs de tests et nos optimisations de façon numérique. Cependant, ces outils ne sont pas encore parfaits et ils nécessitent des ajustements obtenus grâce à la mise en place de tests expérimentaux. C’est ainsi que les caractérisations et optimisations effectuées sur le tricycle hybride étudié et ses sous-systèmes seront réalisées. L'étude portera principalement sur l'aérodynamique externe du tricycle ainsi que sur ses échangeurs thermiques.

L’étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l’acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s’est donc basé sur l’utilisation de techniques sans contact afin de s’affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d’effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l’état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l’évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l’évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l’augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d’examiner l’ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées. / Because of their interesting properties as glass-forming systems, molten silicates play an important role in the geology of the Earth’s crust and mantle and are also of industrial interest for nuclear waste treatment. Research in these areas requires fundamental information on the microscopic structure and dynamics of silicate melts, but such measurements are hampered by the very high melting points of these systems. By extending the technique of aerodynamic levitation to inelastic neutron scattering, and also making use of inelastic synchrotron x-ray scattering, we have obtained results on the microscopic dynamics of silicates both above the melting point and in the supercooled regime. In particular, we have determined the temperature evolution of the viscosity and diffusion coefficient of calcium aluminosilicates, and thereby quantified the decrease in fragility of this glass-forming system as a function of increasing silica content. In parallel with our dynamical studies, we have performed x-ray and neutron diffraction experiments on the same compositions and temperatures in order to examine the local chemical order pertinent to the observed dynamical properties.

L'augmentation de la puissance spécifique du moteur pour une quantité d'énergie consommée donnée, ainsi que le couple à bas régime a toujours été l'un des plus grands défis pour les constructeurs automobiles. Ce but peut être atteint en utilisant un turbocompresseur. Un turbocompresseur automobile est un petit organe entraîné par les gaz d'échappement du moteur à travers une turbine radiale qui transfère mécaniquement l'énergie cinétique au compresseur centrifuge. Le compresseur centrifuge délivre de l'air comprimé aux cylindres pour assurer une meilleure combustion. La technologie a atteint un haut niveau de raffinement, et de nombreuses améliorations ont été étudiées et dans certains cas mises en production. Une large gamme de moteurs à combustion interne et de turbocompresseurs sont disponibles, mais seulement une bonne adaptation entre ces deux composants peut produire un moteur suralimenté efficace. Pour mener à bien les calculs qui permettent d'adapter le moteur au turbocompresseur, il est nécessaire d'avoir une représentation exacte de chaque composant du turbocompresseur et une capacité à déterminer le comportement de l'ensemble du système avec tous ses composants. Dans le cadre de ce travail le compresseur et la turbine sont étudiés pour différents points de fonctionnement et à faible régime en utilisant le code CFD elsA développé par l'Onera. Le travail est divisé en deux parties. La première partie est consacrée à l'étude du compresseur centrifuge avec tous ces composants (roue, diffuseur lisse et volute). Une étude détaillée sur le développement des écoulements secondaires et de l'écoulement de jeu est présentée. La performance de la volute et son influence sur la performance globale du compresseur est également étudiée. Les performances globales du compresseur sont comparées aux mesures expérimentales effectuées à l'ECN et montrent un bon accord. La deuxième partie est consacrée sur l'étude de la turbine à géométrie variable. Seuls le distributeur et la roue sont pris en compte dans les simulations. Une analyse détaillée de l'écoulement dans la turbine est présentée pour deux positions d'ailettes à l'aide des simulations stationnaires et instationnaires. / No abstract

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Le bruit généré par les machines tournantes telles que les hélices, les ventilateurs ou encore les turbomachines est une problématique actuelle importante sur laquelle les industriels sont amenés à travailler. En effet, afin de faire face à l'exigence grandissante des consommateurs, mais aussi à la multiplication des normes environnementales en termes d'acoustique, ils sont amenés à travailler sur le développement de moyens de réduction de bruit afin de diminuer les sources acoustiques de ces systèmes. L'objectif de cette maîtrise est de concevoir une maquette de profil de pale de ventilateur modulable et instrumentée afin de pouvoir recevoir différents moyens de réduction de bruit. Les deux solutions de contrôle qui sont utilisées dans le cadre de ce projet sont deux moyens passifs: le soufflage qui consiste à souffler de l'air sur le bord de fuite de la pale et l'utilisation de dents de scie sur le bord de fuite. Cette maquette est ensuite testée dans la soufflerie anéchoïque du laboratoire du GAUS (Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke) afin d'étudier les effets acoustiques et aérodynamiques de ces différents moyens de réduction de bruit. Les dents de scie montrent une réduction acoustique allant jusqu'à 10 dB sur une plage fréquentielle croissante avec la vitesse de l'écoulement pour un angle d'attaque compris entre 0° et 8°. Le bruit tonal est également fortement atténué par la présence des dents de scie. Pour les forts angles d'attaque, le régime d'écoulement est pleinement turbulent et aucune réduction de bruit n'apparaît. Les mesures aérodynamiques montrent que les dents de scie permettent d'augmenter le mélange au niveau du bord de fuite du profil. Le soufflage montre également une réduction acoustique allant jusqu'à 8 dB à basse fréquence pour les faibles vitesses (<24 m/s) et pour les angles d'attaques allant jusqu'à 8°. Cependant, une forte augmentation du bruit à haute fréquence est engendrée par le bruit du jet de soufflage. D'un point de vue aérodynamique, le soufflage permet d'ajouter de l'énergie au sillage et de l'affiner. Il réduit fortement la taille des fluctuations de vitesse à l'extrados du profil.

La réduction de la traînée aérodynamique des véhicules dans un objectif de diminution de la consommation énergétique est en plein essor aussi bien pour les véhicules électriques que thermiques. Cette étude porte sur un tricycle à motorisation hybride dont la forme et le comportement aérodynamique sont à la frontière entre une motocyclette et une automobile. L'étude s'inspire des avancées scientifiques sur ces deux types de véhicules en matière d'aérodynamique. L'objectif principal est de réduire la traînée aérodynamique du véhicule par des modifications de l'enveloppe externe tout en assurant le refroidissement du moteur thermique et des composants de la chaîne électrique. On développe une optimisation topologique de la position des échangeurs sur le tricycle, on conçoit et fabrique un prototype en fonction des résultats d'optimisation. Ensuite, on valide le prototype par des essais en soufflerie et on caractérise son aérodynamique ainsi que la sensibilité de la traînée du véhicule suivant des paramètres comme la vitesse, l'angle de lacet, etc. En n, l'étude s'oriente vers une approche d'optimisation globale multidisciplinaire permettant d'atteindre l'objectif principal en fonction des contraintes ayant trait au projet.

Dans le contexte actuel d'urgence environnementale, la communauté européenne, sensible à la qualité de l'air et à l'épuisement des ressources fossiles fixe un objectif clair et ambitieux aux constructeurs automobiles pour les émissions de gaz à effet de serre. Les rejets de gaz carbonique ne devraient ainsi pas dépasser 120g/km à l'horizon 2015 et sans doute 90g vers 2018. Le travail de thèse s'insère dans cette dynamique urgente de réduction des émissions de dioxyde de carbone. Il s'agit de réduire la traînée aérodynamique de l'ordre de 20% afin de parvenir aux normes environnementales de 2015 et également de mieux comprendre la physique de la dynamique tourbillonnaire afin d'optimiser les solutions de contrôle. Concrètement, cela consiste à coupler deux méthodes de contrôle d'écoulement : un contrôle passif par la modification de l'état de surface des carrosseries par insertion de milieux poreux et un contrôle actif par la mise en place de jets soufflant et/ou aspirant à l'arrière du véhicule. L'étude est menée en 2D pour la configuration du corps d'Ahmed avec un culot droit puis en 3D pour la configuration avec une lunette inclinée à 25° avec une résolution directe des équations de Navier-Stokes. / In the present environmental urgency, the european community which is alive to the air quality and fossil resources rarefaction determines a clear and ambitious objective to the car makers for the greenhouse gas emissions. The carbon gas discharges will not exceed 120g/km for the year 2015 and probably 90g around the year 2018. The thesis work lies within this urgent dynamics of the carbon dioxide emissions. It is question of reducing the aerodynamic drag of the order of 20% to manage to the environmental limits of the year 2015 and also to better understand the vortex dynamics in order to improve the control solutions. In practical terms, it consists in coupling two flow control methods : a passive control with a wall modification using porous media and an active control with the use of blowing and/or sucking actuators at the car back wall. The study is lead in 2D for the square back Ahmed body and next in 3D for the Ahmed body with a rear window inclined at 25° with a direct resolution of the Navier-Stokes equations.

L’'accélérateur par effet stato en régime sous-détonatif, caractérisés par une vitesse du projectile inférieure à la célérité de la détonation dans le mélange considéré est, à l’'heure actuelle, le mieux connu. La compréhension des phénomènes mis en jeu dans cette technologie est subordonnée à une importante étude expérimentale associée à la mise au point de moyens numériques. C’'est l’'objet du travail présenté dans ce mémoire qui décrit numériquement, à l’'aide d’'un code CFD de combustion turbulente, le processus de combustion qui s’'opère autour du projectile. Les résultats, comparés aux données expérimentales existantes disponibles au Laboratoire de l’'Université de Washington, ont permis de parfaire la fiabilité d’'un code de calcul monodimensionnel en régime sousdétonatif. Les calculs analytiques font intervenir des équations d’'état dont la validité est discutée. La poussée générée par l’'accélérateur est calculée et les valeurs déduites de cette analyse 1D sont en excellent accord avec les expériences. Cette démarche a pour but d’'apporter une contribution en termes de prédiction des performances de poussée d’'un accélérateur à effet stato et de choix du mélange réactif optimal.

Pour les turbomachines, les écoulements de jeu entre parties mobiles et fixes peuvent être une source non négligeable de dégradation des performances. Afin de contrer ces écoulements, on fait souvent appel à un traitement de carter. Cette étude est axée sur la définition, l'analyse et l'optimisation d'un nouveau concept de traitement de carter applicable aux turbomachines basse vitesse. Plusieurs outils numériques sont nécessaires pour mener à bien cette étude. Pour la simulation numérique, il convient de disposer de schémas spatiaux adaptés aux maillages non-uniformes, lesquels sont développés ici. L'analyse pratique du traitement de carter fait intervenir une technique de dérivation d'ordre élevé du champ aérodynamique, permettant ensuite une reconstruction rapide des différentes géométries et des champs aérodynamiques associés. Cette technique de dérivation est couplée avec un algorithme génétique afin d'optimiser le traitement de carter. Un outil d'analyse et de visualisation du front de Pareto est alors employé. Le nouveau traitement de carter proposé est un rainurage hélicoïdal du carter. Ce dispositif est utilisé pour réduire le débit de jeu et la giration de l'écoulement de jeu dans le cas de turbomachines présentant une virole. Le traitement de carter est modélisé afin de valider le concept même du rainurage. L'analyse des performances montre une amélioration par rapport à un jeu standard. L'étude du champ aérodynamique associé aux rainures fait ressortir des structures tourbillonnaires complexes et couplées. Une étude paramétrique permet de caractériser finement le comportement du nouveau traitement de carter relativement aux paramètres géométriques définissant la forme des rainures. On valide l'ensemble des variations obtenues avec la méthode de dérivation d'ordre élevé. Le rainurage est alors optimisé en utilisant la base de donnée constituée par ces variations. L'analyse du front de Pareto permet de choisir une configuration optimale de traitement de carter. Cette solution est appliquée à un ventilateur de refroidissement. L'écoulement et les performances de l'ensemble [rotor+traitement de carter] sont étudiés précisément. Dans cette configuration, on améliore remarquablement les caractéristiques de l'écoulement de jeu.