Cette thèse présente une étude expérimentale sur un voilier instrumenté, menée pour décrire le comportement aéro-élastique des voiles et du gréement pour des navigations au portant. Les formes des voiles utilisées sont des surfaces non développables avec de fortes courbures provoquant une séparation massive de l’écoulement. De plus, les spinnakers sont des voiles fines et souples rendant l’interaction fluide-structure fortement couplée. A cause du non-respect de certaines règles de similitude, le comportement dynamique d’un spinnaker se prête mal à l’étude en soufflerie et nécessite une comparaison avec des mesures in-situ. Les simulations numériques instationnaires modélisant le comportement aéro-élastique des voiles et du gréement doivent être qualifiées et demandent également des validations. C’est pourquoi un système d’instrumentation embarquée est mis en place sur un J/80, un voilier de huit mètres de long. Il s’agit de mesurer dynamiquement la forme en navigation du spinnaker, les efforts dans les gréements dormant et courant, la répartition de pression sur la voile ainsi que le vent et les attitudes du bateau. La forme du spinnaker en navigation est obtenue grâce à un système de mesure photogrammétrique développé pendant la thèse. La précision de ce système, meilleure que 1,5%, permet de mesurer la forme générale de la voile ainsi que les déformations importantes telles que celles liées au faseyement du guindant. L’effort aérodynamique produit par le spinnaker est obtenu grâce à la mesure de l’intensité des efforts et de leurs directions aux trois extrémités (drisse, amure, écoute) ainsi que par la mesure des pressions sur la voile. Le comportement général du spinnaker est analysé en fonction de l’angle du vent apparent. Une nouvelle représentation utilisant les surfaces de Bézier triangulaires est développée pour décrire la forme tridimensionnelle du spinnaker. Quelques points de contrôles suffisent pour représenter la voile et caractériser le type de voile. Un comportement dynamique propre au spinnaker est également étudié. Le réglage supposé optimal d’un spinnaker est à la limite du faseyement, en laissant le guindant se replier légèrement. Cependant ce réglage n’a jamais été scientifiquement étudié auparavant. Nous avons montré qu’il s’agit d’une forte interaction fluide-structure tridimensionnelle où une importante dépression apparaît au bord d’attaque, qui augmente temporairement les efforts, ce qui n’est pas observé avec un réglage plus bordé. / A full-scale experimental study on an instrumented sailing yacht is conducted to better assess the aero-elastic behaviour of the sails and rigging in downwind navigations. The downwind sail shape is a non-developable surface with high curvature leading to massive flow separation. In addition, spinnakers are thin and flexible sails leading to a strongly coupled Fluid-Structure Interaction. Due to the non-respect of some rules of similitude, the unsteady behaviour of downwind sails cannot be easily investigated with wind tunnel tests that would need comparison with full-scale experiments. Moreover unsteady numerical simulations modelling the aero-elastic behaviour of the sails and rigging require validations. An inboard instrumentation system has been developed on a 8 meter J/80 sailboat to simultaneously and dynamically measure the flying shape of the spinnaker, the aerodynamic loads transmitted to the rigging, the pressure distribution on the sail as well as the boat and wind data. The shape of the spinnaker while sailing is acquired by a photogrammetric system developed during this PhD. The accuracy of this new system, better than 1.5%, is used to measure the global shape and the main dynamic deformations, such as the flapping of the luff. The aerodynamic load produced by the spinnaker is assessed by the measurements of the load magnitudes and directions on the three corners of the sail (head, tack and clew), and also by the pressure distribution on the spinnaker. The global behaviour of the spinnaker is analysed according to the apparent wind angle. A new representation using Bézier triangular surfaces defines the spinnaker 3D shape. A few control points enable to represent the sail and can easily characterise the type of sail. A typical unsteady behaviour of the spinnaker is also analysed. Letting the luff of the sail flap is known by sailors as the optimal trim but has never been scientifically studied before. It is found that it is a complex three dimensional fluid-structure interaction problem where a high suction near the leading edge occurs, producing a temporary increase of the force coefficient that would not be possible otherwise.

Ce travail de thèse s’est déroulé dans le cadre d’une convention CIFRE entre mon laboratoire de rattachement C3S (EA4660) et le département Recherche et Développement (R&D) de l’équipe cycliste professionnelle FDJ. Les différentes études que nous avons conduites se sont articulées autour de l’amélioration de la performance sportive chez le cycliste à travers une variable centrale qui est la puissance mécanique qu’il développe lors de la locomotion (Pméca) selon deux axes principaux : 1) l’évaluation et le suivi du potentiel physique avec pour but l’amélioration du processus d’entraînement et 2) l’optimisation de l’interface homme – machine à partir de l’analyse du matériel et des équipements utilisés par les cyclistes dans l’équipe FDJ. / This thesis has been completed as part of a CIFRE agreement between the laboratory C3S(EA4660) and the Research and Development (R&D) department of the FDJ professionalcycling team. The various studies that we conducted centred on analysing sport performanceoptimisation in cyclists through a central variable: the mechanical power output (PO)developed during locomotion. There were two main areas of focus: 1) evaluation andmonitoring of physical potential, with the aim of improving the training process, and 2)optimisation of the human–machine interface via analysis of the materials and equipmentused by the FDJ team cyclists

Dans cette thèse, l’étude des interactions entre des particules ultrafines émises par les pots d’échappement et l’écoulement de sillage créé par le véhicule émetteur a été réalisée principalement selon une approche numérique. Une campagne expérimentale a été conduite à des fins de validation. L’objet de la thèse vise à comprendre l’impact des particules issues des pots d’échappement sur l’environnement proche tant du côté piéton que du côté des passagers des véhicules suiveurs. Pour cela, l’écoulement du fluide a été traité avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien pour les nanoparticules. En effet, cette thèse est conduite en parallèle d’un projet collaboratif financé par l’ADEME (CAPTIHV) dont le but est d’évaluer la qualité de l’air des habitacles des véhicules automobiles, et en particulier de l’infiltration des particules ultrafines issues du trafic environnant. L’étude de la dispersion des particules fines en écoulements turbulents nécessite une analyse fine des structures turbulentes qui s’y développent. Notre étude numérique a donc consisté, en premier lieu, à analyser cette dispersion dans le cas d’un écoulement de sillage classique à l’aval d’un cylindre. Cela nous a permis de caractériser la dynamique d’interactions de nanoparticules solides de carbone avec les structures tourbillonnaires en considérant l’impact de la turbulence et de la diffusion brownienne. Cela a permis d’évaluer l’influence des principaux mécanismes influençant la dispersion. Les résultats de ces simulations nous ont permis de sélectionner les mécanismes/forces importants pouvant influencer la dispersion de telles particules dans le sillage d’un véhicule automobile ; Cela nous a facilité la mise en place et l’analyse des simulations relativement plus complexes de l’aérodynamique du corps d’Ahmed à culot droit en présence des nanoparticules simulant les suies des gaz d’échappement. Les interactions des particules ultrafines avec les structures tourbillonnaires se créant dans le sillage des véhicules ont été évaluées à partir de profils de concentrations et les coefficients de dispersions transversales. La dernière étape a consisté en une campagne d’essais en soufflerie qui nous a permis de caractériser les champs de vitesses moyens et turbulents ainsi que les champs de concentrations particulaires à l’aval du véhicule pour valider les résultats numériques / In this thesis, the study of the interactions between ultrafine particles emitted by the exhaust pipes and the wake flow generated by the emitting vehicle was carried out mainly using a numerical approach. An experimental campaign was conducted for validation purpose. The goal of the thesis is to understand the impact of exhaust particles on the surrounding environment on both the pedestrian and the passengers of the following vehicles. For this purpose, the fluid flow was resolved with an Eulerian type URANS model (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combined to the Lagrangian approach for the nanoparticles trajectories calculation. This thesis is conducted simultaneously with a collaborative project funded by ADEME (CAPTIHV) whose purpose is to assess the air quality of automotive car cabins, and particulate infiltration from the surrounding traffic in particular of ultrafine particles. The study of the dispersion of fine particles in turbulent flows requires a fine analysis of the turbulent structures that develop in such flows. Our numerical study therefore consisted, first, in analyzing this dispersion in the case of a classic wake flow downstream of a cylinder. This enabled us to characterize the interaction of solid carbon nanoparticles with vortical structures evaluating at the same time the impact of turbulence and Brownian diffusion. This allowed determining the influence of the main mechanisms influencing nanoparticles dispersion. In a second step, we replaced the cylinder configuration by a simplified geometry of a motor vehicle, Ahmed body configuration. Therefore, simulations with and without of particles presence have been conducted and have allowed to highlight the swirls structures and to characterize the particles dispersion through particle concentration profiles and the particles dispersion coefficients. The results of these simulations allowed us determining the important mechanisms / forces that can influence the dispersion of such particles in the wake of a ground vehicle; this facilitated the implementation and analysis of relatively more complex simulations of the aerodynamics of the square back Ahmed body in the presence of nanoparticles simulating soot from the exhaust gases. The interactions of ultrafine particles with vortical structures appearing in the wake of vehicles were evaluated from concentration profiles and transverse dispersion coefficients. The final step was a wind tunnel experimental campaign that allowed us to characterize the average and turbulent velocity fields as well as the particle concentration fields downstream of the vehicle to validate the numerical results

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De nombreux procédés actuels mettent en jeu des écoulements diphasiques (sprays agricoles, pharmaceutiques, peinture...). Néanmoins, la connaissance des mécanismes régissant les interactions entre les phases (entraînement, modification des trajectoires des particules, transfert d'énergie...) est encore incomplète, notamment lors de l'injection directe essence, qui représente le cadre de cette étude. Dans cette étude expérimentale, les dynamiques instantanées des deux phases sont étudiées dans un plan pour mettre en évidence les interactions aérodynamiques entre les phases. Pour ce faire, un diagnostic de FPIV diphasique, utilisant un colorant fluorescent pour chaque phase, est développé afin d'acquérir simultanément des images séparées de chaque phase sur deux caméras indépendantes. Ainsi, les vitesses instantanées et simultanées des deux phases sont mesurées sans recourir à un prétraitement des images. Dans un premier temps, ce diagnostic optique est appliqué à la caractérisation d'une injection dans un gaz au repos. L'injection du spray met en mouvement le gaz par le biais d'un transfert de quantité de mouvement du spray vers le gaz. La dispersion des gouttes du spray et le mélange des deux phases qui résultent de ces transferts d'énergie cinétique dépendent du type de spray et également de la pression d'injection. Dans un second temps, ces interactions sont étudiées dans un moteur monocylindre transparent. La comparaison entre les fonctionnements avec et sans injection indique un impact notable de la présence du spray sur l'aérodynamique interne par le développement de nouvelles structures et la modification des caractéristiques du tumble. L'aérodynamique interne du moteur modifie également le développement du spray en comparaison de l'injection dans un gaz au repos. / Two-phase flows are involved in numerous actual industrial processes (agriculture, pharmacy, painting...). However, the complex interactions between phases (entrainment, particle trajectory modification, energy transfer...) are not well understood, especially for the gasoline direct injection, which represents the context of this study. For this experimental study, instantaneous dynamics of both phases are studied in a plan to highlight the aerodynamic interactions between phases. To achieve that, a two-phase FPIV diagnostic, based on using a fluorescent dye for each phase, is developed to simultaneously acquire separated images of each phase on two independent cameras. Instantaneous and simultaneous velocities of both phases are measured without any image pre-processing. Firstly, this optical diagnostic is applied to the characterisation of a spray injection in a gas at rest. The spray drags the gas by a momentum transfer from spray to gas. The spray droplet dispersion and the mixture between the two phases, which result from this kinetic energy transfer, depend on the spray topology and the injection pressure. Then, these interactions are studied in a transparent monocylinder engine. The comparison between cycles with and without injection reveals a significant impact of the spray presence on the internal aerodynamic through the development of new structures and the modification of tumble characteristics. The internal aerodynamic also modifies the spray development in comparison to the injection in a gas at rest.

L’industrie automobile fournie de plus en plus d’effort pour optimiser l’aérodynamique externe des véhicules afin de réduire son empreinte écologique. Dans ce cadre, l’objectif de ce projet est d’examiner les structures tourbillonnaires responsables de la dégradation de traînée et de proposer une solution de contrôle actif permettant d’améliorer l’efficacité aérodynamique d’un véhicule SUV. Après une étude expérimentale de la maquette POSUV échelle réduite, une analyse modale croisée permet d’identifier les structures périodiques corrélées de l’écoulement qui pilotent la dépression sur le hayon. Une solution de contrôle optimale par jets pulsés sur le parechoc arrière, est obtenue avec un algorithme génétique. Celle-ci permet de réduire la dépression du hayon de 20% et l’analyse croisée des résultats instationnaires avec contrôle montre un changement significatif de la distribution spectrale. Après deux études préliminaires sur la rampe inclinée à 25° et sur le Corps d’Ahmed à 47°, la simulation de POSUV à partir d’un solveur LES, en éléments finis, est validé par rapport aux résultats expérimentaux. L’approfondissement des résultats 3D permet de comprendre les pertes aérodynamiques. La simulation de l’écoulement contrôlé permet également d’identifier les mécanismes du contrôle d’écoulements. / The automotive industry dedicates a lot of effort to improve the aerodynamical performances of road vehicles in order to reduce its carbon footprint. In this context, the target of the present work is to analyze the origin of aerodynamic losses on a reduced scale generic Sport Utility Vehicle and to achieve a drag reduction using an active flow control strategy. After an experimental characterization of the flow past the POSUV, a cross-modal DMD analysis is used to identify the correlated periodical features responsible for the tailgate pressure loss. Thanks to a genetic algorithm procedure, 20% gain on the tailgate pressure is obtained with optimal pulsed blowing jets on the rear bumper. The same cross-modal methodology allows to improve our understanding of the actuation mechanism. After a preliminary study of the 25° inclined ramp and of the Ahmed Body computations, the numerical simulation of the POSUV is corroborated with experiments using the cross-modal method. Deeper investigations on the three-dimensional flow characteristics explain more accurately the wake flow behavior. Finally, the controlled flow simulations propose additional insights on the actuation mechanisms allowing to reduce the aerodynamic losses.

The Counter-Rotating Open Rotors (CROR) are identified as a possible alternative to turbofan engines for middle-range aircrafts. Providing significant fuel savings and reducing the green-house gas emissions, they may lead however to an increased noise radiation due to the absence of nacelle shielding. To properly predict the acoustic radiation of such systems is then mandatory both to reduce the source mechanisms of the isolated engine and to offer an optimal noise installation solution. Such an objective is tackled in the present thesis in two steps. In a first part, the research aims at predicting the tonal noise radiated from the first propeller of CROR mounted on the rear fuselage by means of a pylon (pusher configuration), considering both the pylon-wake and the uniform ow effects. From the Ffowcs Williams & Hawkings' formalism, three noise sources are identified. First the unsteady loading is computed using a similar procedure to the one used for the rotor-rotor wake interaction noise prediction. The velocity deficit in the pylon wake is locally expanded in two-dimensional Fourier gusts in a reference frame attached to the front rotor. The unsteady lift induced by each gust on a blade segment is calculated using a linearized analytical response function that accounts for a realistic geometry. The steady loading is the second source contribution and is evaluated using both a software based on the lifting-line theory and some numerical simulations for different reference source surfaces. Finally the thickness noise due to the blade volume displacement is included in the analysis using Isom's formulation. From the linear acoustic assumptions, all these sources modelled as equivalent acoustic dipoles rotating in a uniformly moving atmosphere are then summed to calculate the far-field noise. The whole methodology is assessed against wind-tunnel test data and reference software predictions. A parametric study considering several pylon positionings and pylon-wake configurations with blowing is performed in order to emphasize the relative contribution of the three noise sources. Secondly, the rotor- rotor wake interaction noise being recognized as the most significant contribution in isolated configuration, its modelling is completed by introducing the dynamics of the vortex occurring near the rear-rotor leading edge. A semi-analytical methodology is developed to determine a vortex attached over a at plate embedded in a uniform ow with incidence. Applied to the case of a rear blade going through a front-rotor wake, it provides a first estimate of the noise contribution of the vortex. / Les hélices contrarotatives constituent une alternative possible aux turboréacteurs pour les avions moyens- courriers. Réduisant significativement la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, ils peuvent néanmoins conduire à un rayonnement sonore accru de par l'absence de carénage. Prédire correctement le rayonnement sonore de telles motorisations est donc indispensable pour réduire les mécanismes sources propres au moteur isolé ou assurer une solution d'installation acoustique optimale. Un tel objectif est abordé dans cette thèse en deux temps. Dans un premier temps, l’étude vise à prédire le bruit tonal rayonné par la première hélice d'un moteur monté à l'arrière du fuselage (configuration dite en pousseur), en considérant les effets du sillage du pylône supportant le moteur et de l'écoulement moyen. Partant du formalisme de Ffowcs Williams & Hawkings, trois sources sonores sont identifiées à cet effet. La charge instationnaire, tout d'abord, est calculée en s'appuyant sur une méthodologie similaire à celle utilisée pour la prédiction du bruit d'interaction de sillages entre les deux rotors. Le déficit de vitesse dans le sillage du mât est décomposé localement en rafales bidimensionnelles dans un repère attaché au rotor amont. La portance instationnaire induite par chaque rafale sur un segment de pale est calculée en utilisant une fonction de réponse analytique linéarisée considérant une géométrie réaliste. Deuxième contribution, la charge stationnaire est évaluée au moyen d'un logiciel s'appuyant sur la théorie de la ligne portante mais également via des simulations numériques pour différentes surfaces sources de référence. Enfin, le bruit d'épaisseur associé au déplacement du volume de la pale est inclus dans l'analyse à partir de la formulation d'Isom. D'après les hypothèses de l'acoustique linéaire, toutes ces sources modélisées comme des dipôles acoustiques tournant dans une atmosphère uniforme en mouvement sont ensuite sommées pour calculer le bruit en champ lointain. L'ensemble de la méthodologie est comparé à des données d'essai et des prédictions d'un logiciel de référence. Une étude paramétrique considérant plusieurs positionnements du pylône et des configurations avec soufflage est effectuée afin de bien mettre en évidence les contributions relatives des trois sources sonores. Dans un deuxième temps, le bruit d'interaction de sillages étant reconnu comme la contribution majoritaire en configuration isolée, sa modélisation est complétée en introduisant la dynamique du tourbillon se développant au voisinage du bord d'attaque du rotor aval. Une méthodologie semi-analytique est développée pour déterminer un tourbillon attaché au-dessus d'une plaque plane plongée dans un écoulement uniforme avec incidence. Appliquée au cas d'une pale aval traversant le sillage du rotor amont, elle fournit une première estimation de la contribution sonore du tourbillon.

L'optimisation aérodynamique de forme est un domaine de recherche très actif ces dernières années, en raison notamment de l'importance de ses applications industrielles. Avec le développement de la méthode adjointe, il est aujourd'hui possible de calculer rapidement, et indépendamment du nombre de paramètres de forme, le gradient des fonctions d'intérêt par rapport à ces paramètres. Cette étude concerne l'utilisation des dérivées ainsi obtenues pour perfectionner les algorithmes d'optimisation locale et globale. Dans une première partie, il s'agit d'utiliser ces gradients pour la construction de modèles de substitution, et de profiter de ces modèles pour réduire le coût des méthodes d'optimisation globale. Plusieurs types de modèles sont présentés et combinés à un algorithme de type " évolution différentielle " en utilisant la méthode EGO (Efficient Global Optimization). Cette procédure est appliquée à l'optimisation de fonctions mathématiques, puis à des cas test d'optimisation aérodynamique autour de profils d'aile. Les résultats sont concluants : l'utilisation d'un modèle de substitution permet de réduire sensiblement le nombre d'évaluations nécessaire du modèle physique, et la prise en compte des gradients accentue ce résultat. Dans la seconde partie de ce travail, la méthode adjointe est utilisée pour calculer le gradient des fonctions d'intérêt par rapport aux coordonnées des noeuds de la surface du profil. Un algorithme d'optimisation locale est alors appliqué en utilisant ces points comme paramètres de l'optimisation et le champ de gradient lissé comme direction de descente. Si l'étude est encore à approfondir, les résultats sont encourageants.

Ce travail porte sur le developpement de m ethodes num eriques innovantes pour la conception a ero -acoustique optimale de forme des con gurations supersoniques. Ce manuscrit pr esente tout d'abord l'analyse et le d eveloppement des approches num eriques pour la pr evision du bang sonique . Le couplage du calcul CFD tridimensionnel en champ proche prenant en compte la d ecomposition multipolaire de Fourier et la propagation atmosph erique bas ee sur un algorithme de trac e de rayons est am elior e par l'int egration d'un processus automatique d' adaptation anisotrope de maillage. La deuxi eme partie de ce travail se concentre sur l' elaboration et l'application des techniques de conception pour l'optimisation d'une con guration aile-fuselage supersonique. Un module de conception inverse, AIDA , fournit a partir d'une signature acoustique cible au sol a faible bang sonique la g eom etrie de la con- guration correspondante. Pour am eliorer a la fois les performances acoustique et a erodynamique, des techniques d'optimisation directes de forme sont utilis ees pour r esoudre des probl emes d'optimisation mono et multi- disciplinaires et une analyse d etaill ee est r ealis ee. Des strat egies innovantes bas ees sur la coop eration et les jeux comp etitifs sont en n appliqu ees au probl eme d'optimisation multidisciplinaire o rant une alternative aux algorithmes traditionnels MDO . L'hybridation de ces deux strat egies ouvre la voie a une nouvelle fa con d'explorer le front de Pareto de mani ere e cace. Celle-ci est mise en application sur un cas pratique.

The hypersonic laminar to turbulent transition problem above Mach 10 is addressed experimentally in the short duration VKI Longshot gun tunnel. Reentry conditions are partially duplicated in terms of Mach and Reynolds numbers. Pure nitrogen is used as a test gas with flow enthalpies sufficiently low to avoid its dissociation, thus approaching a perfect gas behavior. The stabilizing effects of Mach number and nosetip bluntness on the development of natural boundary layer disturbances are evaluated over a 7 degrees half-angle conical geometry without angle of attack. <p><p>Emphasis is initially placed on the flow characterization of the Longshot wind tunnel where these experiments are performed. Free-stream static pressure diagnostics are implemented in order to complete existing stagnation point pressure and heat flux measurements on a hemispherical probe. An alternative method used to determine accurate free-stream flow conditions is then derived following a rigorous theoretical approach coupled to the VKI Mutation thermo-chemical library. Resulting sensitivities of free-stream quantities to the experimental inputs are determined and the corresponding uncertainties are quantified and discussed. The benefits of this different approach are underlined, revealing the severe weaknesses of traditional methods based on the measurement of reservoir conditions and the following assumptions of an isentropic and adiabatic flow through the nozzle. The operational map of the Longshot wind tunnel is redefined accordingly. The practical limits associated with the onset of nitrogen flow condensation under non-equilibrium conditions are also accounted for. <p><p>Boundary layer transition experiments are then performed in this environment with free-stream Mach numbers ranging between 10-12. Instrumentation along the 800mm long conical model includes flush-mounted thermocouples and fast-response pressure sensors. Transition locations on sharp cones compare favorably with engineering correlations. A strong stabilizing effect of nosetip bluntness is reported and no transition reversal regime is observed for Re_RN<120000. Wavelet analysis of wall pressure traces denote the presence of inviscid instabilities belonging to Mack's second mode. An excellent agreement with Linear Stability Theory results is obtained from which the N-factor of the Longshot wind tunnel in these conditions is inferred. A novel Schlieren technique using a short duration laser light source is developed, allowing for high-quality flow visualization of the boundary layer disturbances. Comparisons of these measurement techniques between each other are finally reported, providing a detailed view of the transition process above Mach 10. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished