Bien que les méthodes de calcul peuvent donner de bons résultats, ils ne sont généralement pas en accord avec exactement les données d'essais en vol en raison des incertitudes dans les modelé de calcul de structure et aérodynamiques. Une méthode efficace est nécessaire pour la mise à jour des modelé aeroelastiques en utilisant les données d'essais en vol, les données d'essais de vibration au sol ( GVT ) et les données de soufflerie. Tout d'abord tous les développements ont été valides sur une section de l'aile 2D et sur un modèle 3D simple et après l'approche POD a été applique= a une configuration industrielle (modèle de soufflerie aile-fuselage et modèle d' avions complète). / Although computational methods can provide good results, they usually do not agree exactly with the flight test data due to uncertainties in structural and aerodynamic computational models. An effective method is required for updating computational aeroelastic models using the flight test data along with Ground Vibration Test (GVT) data and wind tunnel data. Firstly all developments have been validated on a 2D wing section and on a simple 3D model and after the POD approach has been applied to an industrial configuration (wing-fuselage wind tunnel model and complete aircraft model).

Tunable diode laser absorption spectroscopy using an external cavity diode laser operating in the infra-red has been developed to monitor CO2 in the freestream of the Longshot hypervelocity facility at the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The Longshot facility offers a unique European facility for ground testing and numerical validation applications, however, some of the traditional data rebuilding aspects are in question. A non-intrusive absorption<p>sensor could significantly aid in improving the knowledge of freestream static values thereby improving the models used in data rebuilding and numerical simulation. The design of such a sensor also expands the spectroscopic capabilities of the Von Karman Institute.<p><p>The absorption sensor is designed around the single P12 (00001)-(30013) rovibrational transition near 1.6µm (6218.09cm-1 specifically) which yields relatively weak direct absorption levels at about 3.5% per meter for typical Longshot freestream conditions. However, when handled carefully, adequate signal-to-noise can be acquired to exploit significant flow information. By being able to operate in this range, total sensor cost can be easily an a factor of two or more cheaper than sensors designed for the deeper infrared. All sensor elements were mounted to a compact portable optics bench utilizing single-mode optical fibers to allow for quick installation at different facilities by eliminating tedious optical realigning. Scans at 600Hz were performed over 20ms of the 40ms test time to extract core static temperature, pressure and velocity.<p><p>These results are compared with the current state of the Longshot data rebuild method. The non-uniform flow properties of the shear layer and test cabin rested gas accumulation was of an initial concern. The temperature and density gradients along with significant radial velocity components could result in DLAS temperature, pressure and velocity that are significantly different than that of the target freestream inviscid core values. Fortunately, with the proper selection of the P12 rotational number, this effect could be more or less ignored as the higher temperature and lower density gas of this region is relatively transparent.<p><p>Ultimately, acquired temperature and density were moderately accurate when compared to Longshot rebuilt results owing primarily to the baseline extraction which poses issues for such low absorption signals. However, the extracted velocity data are quite accurate. This is a definite puls for the sensor as the freestream enthalpy of cold hypersonic facilities is dictated primarily by the kinetic energy contribution. Being able to compare velocity gives insight to the level of vibration non-equilibrium in the flow. The velocity of the DLAS and the Longshot rebuild are quite close. This adds more weight to the argument that vibrational excitation is very low (if present at all) in the free stream and that the van de derWaals equation of state usage and constant specific heat assumption might be an adequate model for the data rebuild after all. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Laminar turbulent transition is known for a long time as a critical phenomenon influencing the thermal load encountered by hypersonic vehicle during their planetary re-entry trajectory. Despite the efforts made by several research laboratories all over the world, the prediction of transition remains inaccurate, leading to oversized thermal protection system and dramatic limitations of hypersonic vehicles performances. One of the reasons explaining the difficulties encountered in predicting transition is the wide variety of parameters playing a role in the phenomenon. Among these parameters, surface roughness is known to play a major role and has been investigated in the present thesis.<p><p>A wide bibliographic review describing the main parameters affecting transition and their coupling is proposed. The most popular roughness-induced transition predictions correlations are presented, insisting on the lack of physics included in these methods and the difficulties encountered in performing ground hypersonic transition experiments representative of real flight characteristics. This bibliographic review shows the importance of a better understanding of the physical phenomenon and of a wider experimental database, including real flight data, for the development of accurate prediction methods.<p><p>Based on the above conclusions, a hypersonic experimental test campaign is realized for the characterization of the flow field structure in the vicinity and in the wake of 3D roughness elements. This fundamental flat plate study is associated with numerical simulations for supporting the interpretation of experimental results and thus a better understanding of transition physics. Finally, a model is proposed in agreement with the wind tunnel observations and the bibliographic survey.<p><p>The second principal axis of the present study is the development of a hypersonic in-flight roughness-induced transition experiment in the frame of the European EXPERT program. These flight data, together with various wind tunnel measurements are very important for the development of a wide experimental database supporting the elaboration of future transition prediction methods. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les mécanismes d’évolution spatio-temporelle des structures turbulentes instationnaires tridimensionnelles, et en particulier ceux rencontrés aux plus grandes échelles, sont à l’origine de phénomènes d’instabilité qui conduisent très souvent à une diminution de la performance des systèmes énergétiques. C’est le cas des variations cycle-à-cycle dans le moteur à combustion interne. Malgré les progrès substantiels réalisés par la simulation numérique en mécanique des fluides, les approches expérimentales demeurent essentielles pour l’analyse et la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu. Dans ce travail de thèse, deux types de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été appliqués et adaptés au banc moteur optique du laboratoire Coria pour étudier l’écoulement en fonction de six conditions de fonctionnement du moteur. La PIV Haute Cadence 2D2C a permis d’abord d’obtenir un suivi temporel de l’écoulement dans le cylindre durant un même cycle moteur ainsi qu’identifier ces variations cycliques. La PIV Tomographique 3D3C a permis ensuite d’étendre les données mesurées vers l’espace tridimensionnel. La Tomo-PIV fait intervenir 4 caméras en position angulaire visualisant un environnement de géométrie complexe, confinée, ayant un accès optique restreint et introduisant des déformations optiques importantes. Cela a nécessité une attention particulière vis-à-vis du processus de calibration 3D des modèles de caméras. Des analyses conditionnées 2D et 3D de l’écoulement sont effectuées en se basant principalement sur la décomposition propre orthogonale (POD) permettant de séparer les différentes échelles de structure et le critère Γ permettant l’identification des centres des tourbillons. / The unsteady evolution of three-dimensional large scale flow structures can often lead to a decrease in the performance of energetic systems. This is the case of cycle-to-cycle variations occurring in the internal combustion engine. Despite the substantial advancement made by numerical simulations in fluid mechanics, experimental measurements remain a requirement to validate any numerical model of a physical process. In this thesis, two types of particle image velocimetry (PIV) were applied and adapted to the optical engine test bench of the Coria laboratory in order to study the in-cylinder flow with respect to six operating conditions. First, the Time-Resolved PIV (2D2C) allowed obtaining a temporal tracking of the in-cylinder flow and identifying cyclic variabilities. Then tomographic PIV (3D3C) allowed extending the measured data to the three-dimensional domain. The Tomo-PIV setup consisted of 4 cameras in angular positioning, visualizing a confined environment with restricted optical access and important optical deformations. This required a particular attention regarding the 3D calibration process of camera models. 2D and 3D conditional analyses of the flow were performed using the proper orthogonal decomposition (POD) allowing to separate the different scales of flow structures and the Γ criterion allowing the identification of vortices centres.

Les simulations numériques représentent un élément central du processus de conception d’un avion complétant les tests physiques et essais en vol. Elles peuvent notamment bénéficier de méthodes innovantes, telle que l’intelligence artificielle qui se diffuse largement dans l’aviation. Simuler une mission de vol complète pour plusieurs disciplines pose d’importants problèmes à cause des coûts de calcul et des conditions d’opérations changeantes. De plus, des phénomènes complexes peuvent se produire. Par exemple, des chocs peuvent apparaître sur l’aile pour l’aérodynamique alors que le mélange entre les écoulements du moteur et de l’air extérieur impacte fortement l’aérothermie autour de la nacelle et du mât. Des modèles de substitution peuvent être utilisés pour remplacer les simulations haute-fidélité par des approximations mathématiques afin de réduire le coût de calcul et de fournir une méthode construite autour des données de simulations. Deux développements sont proposés dans cette thèse : des modèles de substitution utilisant l’apprentissage automatique pour approximer des calculs aérodynamiques et l’intégration de modèles de substitution classiques dans un processus aérothermique industriel. La première approche sépare les solutions en sous-ensembles selon leurs formes grâce à de l’apprentissage automatique. En outre, une méthode de reéchantillonnage complète la base d’entrainement en ajoutant de l’information dans des sous-ensembles spécifiques. Le deuxième développement se concentre sur le dimensionnement du mât moteur en remplaçant les simulations aérothermiques par des modèles de substitution. Ces deux développements sont appliqués sur des configurations avions afin de combler l’écart entre méthode académique et industrielle. On peut noter que des améliorations significatives en termes de coût et de précision ont été atteintes. / Numerical simulations provide a key element in aircraft design process, complementing physical tests and flight tests. They could take advantage of innovative methods, such as artificial intelligence technologies spreading in aviation. Simulating the full flight mission for various disciplines pose important problems due to significant computational cost coupled to varying operating conditions. Moreover, complex physical phenomena can occur. For instance, the aerodynamic field on the wing takes different shapes and can encounter shocks, while aerothermal simulations around nacelle and pylon are sensitive to the interaction between engine flows and external flows. Surrogate models can be used to substitute expensive high-fidelitysimulations by mathematical and statistical approximations in order to reduce overall computation cost and to provide a data-driven approach. In this thesis, we propose two developments: (i) machine learning-based surrogate models capable of approximating aerodynamic experiments and (ii) integrating more classical surrogate models into industrial aerothermal process. The first approach mitigates aerodynamic issues by separating solutions with very different shapes into several subsets using machine learning algorithms. Moreover, a resampling technique takes advantage of the subdomain decomposition by adding extra information in relevant regions. The second development focuses on pylon sizing by building surrogate models substitutingaerothermal simulations. The two approaches are applied to aircraft configurations in order to bridge the gap between academic methods and real-world applications. Significant improvements are highlighted in terms of accuracy and cost gains

La pollution de l’air cause de près de 7 millions de décès annuels dans le monde. L’exposition aux Particules Ultrafines (PUF), polluants parmi les plus néfastes pour la santé, atteint ses niveaux les plus importants en milieu urbain, principalement dus au transport routier. Dans cette thèse, nous examinons les liens entre les champs de concentration en nombre des PUF émises à l'échappement dans le sillage de modèles simplifiés d'automobiles (corps d’Ahmed) et les propriétés de ces écoulements. Ces travaux permettent de mieux comprendre les niveaux d'exposition aux PUF auxquels sont soumis tous les usagers de la route à l’échelle du sillage du véhicule. Trois modèles simplifiés de véhicules ont été utilisés. Ils sont caractérisés par leur angle de lunette arrière permettant de reproduire en soufflerie les structures principales des écoulements de sillage automobile. A l’aide d’une méthode innovante de traitement des données, des mesures de vitesses acquises grâce à des techniques différentes (LDV/PIV) ont été analysées. Elles ont révélé que l’angle d’inclinaison de la lunette a un rôle déterminant sur la structure des écoulements de sillage. Par ailleurs, la comparaison avec les mesures des concentrations en nombre de PUF a permis de montrer que le volume de la structure torique de recirculation en proche culot, dépendant de la géométrie, a un impact majeur sur la dispersion des particules dans la direction verticale. Enfin, il est mis en évidence que les structures tourbillonnaires longitudinales existantes pour une inclinaison intermédiaire de la lunette ont un impact prépondérant sur la dispersion transversale ainsi que sur la symétrie des champs de concentration. / Around 7 million worldwide annual death sare due to air pollution. Among all pollutants, UltrafineParticles (UFP) cause strong adverse effects. Due to road transport, UFP exposure reaches its most significant levels in urban areas. In this thesis, the aim is to assess the links between the wake flow properties of simplified car models(Ahmed bodies) and UFP number concentration fields due to exhaust emission. This study enables the knowledge about UFP exposure levels of all road users at vehicle wake scale to be better understood. Three simplified car models with three corresponding rear slant angles have been used in order to reproduce the principal wake structures of road vehicles in a wind tunnel. Thanks to an innovative data processing method, velocity measurements with two techniques(LDV/PIV) point out the major role of the rear slantangle on the model wake structures. Moreover, comparisons have been made with particle number concentration measurements of UFP in the wake of the same models. We highlighted the link between the volume of the toric recirculation region close to the rear and the vertical dispersion of UFP. Furthermore, longitudinal vortices that exist with the intermediate rear slant angle geometry play an important role on the transversal dispersion as well as on the concentration field symetry.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Le travail de recherche présenté dans ce mémoire vise à étudier l'impact de la flexibilité de la corde sur l'aérodynamique d'ailes oscillantes en régime de propulsion à bas Reynolds pour une application de nano-véhicules aériens et pour ce faire, de développer un outil de modélisation aéroélastique approprié. L'idée de base de ce projet est de considérer une flexibilité discrète avec une aile articulée composée de segments rigides reliés entre eux par des joints torsionnels élastiques. Une telle approche de flexibilité discrète implique la résolution de la dynamique des corps rigides couplée à la résolution d'un écoulement de fluide incompressible. La méthode des particules lagrangiennes vortex est utilisée pour résoudre l'écoulement autour de ces multiples corps rigides en mouvement arbitraire. Le couplage fluide-structure im-plémenté permet de prendre en considération iV segments rigides dont la dynamique est gouvernée à la fois par un mouvement imposé sur l'un d'eux, par les forces aérodynamiques générées par l'écoulement à chaque instant et par les forces élastiques des joints unissant les segments entre eux. L'ajout d'une boucle de sous-itérations supplémentaire dans la méthode vortex a été nécessaire pour doter cette interaction fluide-structure (FSI) d'un couplage "fort". La mise au point d'un tel outil a permis d'étudier l'impact de divers paramètres de flexibilité discrète sur la propulsion à aile oscillante à bas nombre de Reynolds. On constate qu'il est possible d'augmenter les performances d'une aile oscillante en propulsion (soit en poussée ou soit en rendement énergétique) en modifiant la position et la rigidité des articulations élastiques ou le ratio de densité des corps solides par rapport au fluide. Ce travail ouvre donc la voie à l'optimisation de la distribution de flexibilité le long de la corde pour les applications aérodynamiques à faibles nombres de Reynolds.

Ce mémoire documente la recherche sur l'ajout d'une pièce mobile à un modèle de voiture dont le but consiste à capturer de l'énergie de l'écoulement perturbé par le véhicule. Le but général est de réduire l'énergie requise par un véhicule afin de contrer les forces aérodynamiques qui travaillent sur celui-ci lorsqu'il est en mouvement. Le premier objectif du projet a été de modéliser numériquement l'écoulement sur le corps Ahmed et de valider ces résultats. Ensuite, une analyse numérique bidimensionnelle du corps Ahmed est faite en utilisant un modèle de turbulence k-w-SST disponible dans le logiciel OpenFOAM (OF). L'analyse est ensuite modifiée pour inclure une roue à aubes qui capture l'énergie de la vorticité qui se trouve derrière le véhicule. La roue à aubes est modélisée en utilisant une "General Grid Interface" (GGI) et l'énergie capturée est mesurée à l'aide des bibliothèques de forces disponibles dans le logiciel OF. La génération d'énergie atteint 16.1 watts pour les meilleures conditions. On trouve aussi comme effet secondaire une réduction de traînée qui atteint 8.2%. La plupart des simulations sont effectuées en parallèle sur un ordinateur à deux processeurs. Un maillage comprenant 30 000 cellules est utilisé. Les valeurs de y+ sur les parois du véhicule varient entre 60 et 500 pour les simulations avec roue à aubes. Des essais sont effectués pour des vitesses angulaires constantes et variables. L'écoulement atteint en général une stabilité, en moyenne, après 0.2 à 0.3 secondes. Le corps Ahmed est soumis à un écoulement qui se déplace à 60 m/s et cette vitesse est utilisée pour trouver la demande énergétique du véhicule soumis au coefficient de traînée calculé. Les résultats démontrent qu'il y a un certain intervalle de vitesses angulaires qui génère les quantités d'énergie les plus importantes ; cet intervalle est relié à la vitesse angulaire du tourbillon dans lequel la roue à aubes se trouve. La roue à aubes doit être située dans la bulle de séparation arrière du véhicule afin d'éviter d'augmenter la traînée en la plaçant dans l'écoulement non-perturbé. Un algorithme permettant de réguler l'énergie capturée de la roue à aubes en fonction des forces appliquées sur celle-ci est présentement en développement ; il permettra d'atténuer les fluctuations cycliques d'énergie capturée. Dans une application pratique, l'énergie capturée serait convertie en électricité et aurait le double avantage de permettre à un moteur électrique de réguler la vitesse angulaire de la roue en fonction de mesures ou de calculs et d'envoyer l'énergie générée directement à un système de batteries embarqué tel que l'on retrouve dans les véhicules hybrides de nos jours. Le système de roue à aubes aurait son impact le plus important sur des véhicules qui servent majoritairement à de la conduite sur autoroute car c'est là que les forces aérodynamiques atteignent leur intensité maximale.

Boundary-layer transition from a laminar to a turbulent regime is a critical driver in the design of high-speed vehicles. The aerothermodynamic loads associated with transitional or fully turbulent hypersonic boundary layers are several times higher than those associated with laminar flow. The presence of isolated roughness elements on the surface of a body can accelerate the growth of incoming disturbances and introduce additional instability mechanisms in the flow field, eventually leading to a premature occurrence of transition. This dissertation studies the instabilities induced by three-dimensional discrete roughness elements located inside a high-speed boundary layer developing on a flat plate. Two-dimensional local linear stability theory (2D-LST) is employed to identify the instabilities evolving in the three-dimensional flow field that characterizes the wake induced by the roughness elements and to investigate their evolution downstream. A formulation of the disturbance energy evolution equation available for base flows depending on a single spatial direction is generalized for the first time to base flows featuring two inhomogeneous directions and perturbations depending on three spatial directions. This generalization allows to obtain a decomposition of the temporal growth rate of 2D-LST instabilities into the different contributions that lead to the production and dissipation of the total disturbance energy. This novel extension of the formulation provides an additional layer of information for understanding the energy exchange mechanisms between a three-dimensional base flow and the perturbations resulting from 2D-LST. Stability computations for a calorically perfect gas illustrate that the wake induced by the roughness elements supports the growth of different sinuous and varicose instabilities which coexist together with the Mack-mode perturbations that evolve in the flat-plate boundary layer, and which become modulated by the roughness-element wake. A single pair of sinuous and varicose disturbances is found to dominate the wake instability in the vicinity of the obstacles. The application of the newly developed decomposition of the temporal growth rate reveals that the roughness-induced wake modes extract most of their potential energy from the transport of entropy fluctuations across the base-flow temperature gradients and most of their kinetic energy from the work of the disturbance Reynolds stresses against the base-flow velocity gradients. Further downstream, the growth rate of the wake instabilities is found to be influenced by the presence of Mack-mode disturbances developing on the flat plate. Strong evidence is observed of a continuous synchronization mechanism between the wake instabilities and the Mack-mode perturbations. This phenomenon leads to an enhancement of the amplification rate of the wake modes far downstream of the roughness element, ultimately increasing the associated integrated amplification factors for some of the investigated conditions. The effects of vibrational molecular excitation and chemical non-equilibrium on the instabilities induced by a roughness element are studied for the case of a high-temperature boundary layer developing on a sharp wedge configuration. For this purpose, a 2D-LST solver for chemical non-equilibrium flows is developed for the first time, featuring a fully consistent implementation of the thermal and transport models employed for the base flow and the perturbation fields. This is achieved thanks to the automatic derivation and implementation tool (ADIT) available within the von Karman Institute extensible stability and transition analysis (VESTA) tool-kit, which enables an automatic derivation and implementation of the 2D-LST governing equations for different thermodynamic flow assumptions and models. The stability computations for this configuration show that sinuous and varicose disturbances also dominate the wake instability in the presence of vibrational molecular energy mode excitation and chemical reactions. The resulting base-flow cooling associated with the modeling of such high-temperature phenomena is found to have opposite stabilizing and destabilizing effects on the streamwise evolution of the sinuous and varicose instabilities. The modeling of vibrational excitation and chemical non-equilibrium acting exclusively on the perturbations is found to have a stabilizing influence in all cases. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les objectifs de ce mémoire peuvent se scinder en deux parties distinctes. On retrouve tout d'abord un objectif de nature méthodologique qui consiste à réduire les coûts de calcul d'une méthode lagrangienne par particules vortex. Le second objectif est pour sa part davantage relié aux phénomènes physiques et à l'optimisation d'un concept de turbine à aile oscillante. L'objectif méthodologique concerne une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de résoudre des écoulements externes, visqueux et incompressibles, autour de multiples corps en mouvement arbitraire. Avec une telle méthode, le contrôle de la relaxation de la résolution spatiale dans le sillage des corps est plus complexe que dans le cas d'une méthode eulérienne (méthode de grille), puisque la discrétisation des champs est réalisée via un ensemble de particules vortex. Étant donné le nombre sans cesse croissant de ces particules dans le sillage, les coûts de calcul deviennent alors de plus en plus importants. Afin de mieux contrôler cette augmentation du nombre de particules, une approche de redistribution par boîtes est donc proposée et permet à l'utilisateur de définir des boîtes de dimensions et de résolution variables. Les résultats montrent que dans plusieurs simulations, le nombre de particules peut être réduit jusqu'à 50% sans toutefois affecter significativement les prédictions des forces agissant sur les corps. L'atteinte de l'objectif méthodologique s'est avérée nécessaire pour réaliser l'optimisation du rendement d'un concept de turbine à aile oscillante. Cette optimisation a été étudiée via la modification des fonctions de mouvement de l'aile et l'utilisation d'un volet au bord de fuite. Les résultats montrent que la modification des fonctions de mouvement ne permet qu'une faible amélioration du rendement. Toutefois, le déploiement d'un volet permet quant à lui d'aller jusqu'à doubler le rendement pour certaines conditions d'opération.