La qualité de l'air en milieu urbain fait désormais partie des préoccupations des autorités responsables des grandes agglomérations. Les décideurs ont besoin d'outils permettant la surveillance de la pollution atmosphérique. Actuellement, il est impossible de connaître précisément la distribution spatiale des polluants. Les associations en charge de la qualité de l'air sont donc très intéressées par tous les moyens susceptibles d'affiner cette connaissance. La télédétection est un de ces moyens, aussi nous nous sommes attachés, au cours de cette thèse, à apporter des éléments de réponse utiles aux praticiens. L'analyse d'images-radar à synthèse d'ouverture (RSO), de l'agglomération nantaise, nous a permis de définir les facteurs influençant la perception de l'environnement urbain dans les images-radar. De cette analyse a découlé une étude pour cartographier la rugosité aérodynamique sur toute la ville. Ce paramètre, caractérisant la morphologie locale, est nécessaire à la modélisation de la dispersion des polluants au-dessus des villes. Nous avons utilisé pour cette cartographie des images-radar seules ou employées conjointement à l'imagerie optique. Une autre étude a été menée visant à obtenir une méthode innovante, faisant usage des données optiques en infrarouge thermique, pour cartographier la distribution spatiale du champ de concentration des particules en suspension (fumées noires). Des facteurs pouvant influencer les interactions entre les polluants et les autres bandes spectrales, du visible et de l'infrarouge, ont été étudiés. Dans un souci d'opérationnalité, que ce soit avec l'imagerie radar ou optique, les résultats des nouvelles méthodes ont été comparés avec ceux obtenus avec des méthodes conventionnelles.

The evaluation of the noise produced by flows has reached a high level of importance in the past years. The physics surrounding flow-induced noise is quite complex and sensitive to various flow conditions like temperature, shape. Empirical models were built in the past for some special geometries but they cannot be used in a general case for a shape optimization for instance. Experimental aeroacoustic facilities represent the main tool for acoustic analyses of flow fields, but are quite expensive because extreme care must be exercised not to introduce acoustic perturbations in the flow (silent facilities). These tools allow a good analysis of the physical phenomena responsible for noise generation in the flow by a comparison of the noise sources and the flow characteristics (pressure, turbulence,...). Nevertheless, the identification and location of noise sources to compare with flow structures requires quite complex methods. The numerical approach complements the experimental one in the sense that the flow characteristics are deeply analyzed where experiments suggest noise production. For the numerical approach, the turbulence modeling is quite important. In the past, some models were appreciated for their good prediction of some aerodynamic parameters as lift and drag for instance. The challenge is now to tune these models for a correct prediction of the noise sources. In the low subsonic range, the flow field is completely decoupled from acoustics, and noise sources can be computed from a purely hydrodynamic simulation before this information is transferred to an acoustical solver which will compute the acoustic field at the listener position. This post processing of the aerodynamic results is not obvious since it can introduce non-physical noise into the solution. This project considers the aspect of noise generation in turbulent jets and especially the noise generated by vortex pairing, as it occurs for instance in jet flows. The axisymmetric version of the flow solver SFELES has been part of this PhD research, and numerical results obtained on the jet are similar to the experimental values. Analyses performed on the numerical results are interesting to go to complete turbulence modeling for aeroacoustics since vortex pairing is one of the basic acoustical processes in vortex dynamics. Currently, a standard static Smagorinski model is used for turbulence modeling. However, this model has well known limitations, and its influence on the noise sources extracted from the flow field is not very clear. For this reason, it is planned to adopt a dynamic procedure in which the subgrid scale model automatically adapts to the flow. We planned also to perform simulations with the variational multiscale approach to better simulate the different interactions between large and unresolved scales. The commercial software ACTRAN distributed by Free Field Technologies is used for the computation of sound propagation inside the acoustic domain.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les avions rencontrent de nombreuses conditions d’opérations au cours de leurs vols, comme le nombre de Mach, l’altitude et l’angle d’attaque. Leur prise en compte durant la conception améliore la robustesse du système et finalement la consommation des flottes d’avions. L’optimisation de formes aérodynamiques contribue à la conception des avions, et repose sur l’automatisation de la génération de géométries ainsi que la simulation numérique de la physique du vol. La minimisation de la trainée des formes aérodynamiques doit prendre en compte de multiples conditions d’opération, étant donne que l’optimisation a une unique condition de vol mène a des formes dont la performance se dégrade fortement quand cette condition de vol est perturbée. De plus, la flexibilité structurelle déforme les ailes différemment selon la condition de vol, et doit donc être simulée lors de telles optimisations. Dans cette thèse, la minimisation de la consommation de carburant au cours d’une mission est formulée en problème d’optimisation. Une attention particulière est apportée au choix des conditions d’opérations à inclure dans le problème d’optimisation, étant donne que celles-ci ont un impact majeur sur la qualité des résultats obtenus, et que le cout de calcul est proportionnel à leur nombre. Un nouveau cadre théorique est proposé pour adresser cette question, offrant un point de vue original et surmontant des difficultés révélées par les méthodes a l’état-de-l’ art en matière de mise en place de problèmes d’optimisation multipoints. Un algorithme appelé Gradient Span Analysis (GSA), est proposé pour automatiser le choix des conditions d’opération. Il est base sur la réduction de dimension de l’espace vectoriel engendre par les gradients adjoints aux différentes conditions de vol. Des contributions de programmation a la chaine d’optimisation ont permis d’évaluer les méthodes aux optimisations du profil académique RAE2822 et de la configuration voilure-fuselage XRF-1, représentative des avions de transport modernes. Alors que les formes résultant d’optimisation mono-point présentent de fortes dégradations de performance hors du point de conception, les optimisations multipoints adéquatement formulées fournissent de bien meilleurs compromis. Il est finalement montre que les interactions fluide-structure ajoutent de nouveaux degrés de liberté, et ont un impact sur les optimisations en de multiples conditions de vol, ouvrant des perspectives en matière d’adaptation passive de forme. / An aircraft encounters a wide range of operating conditions during its missions, i.e. flight altitude, Mach number and angle of attack, which consideration at the design phase enhances the system robustness and consequently the overall fleet consumption. Numerical optimization of aerodynamic shapes contributes to aircraft design, and relies on the automation of geometry generation and numerical simulations of the flight physics. Minimization of aerodynamic shapes drag must take into account multiple operating conditions, since optimization at a single operating condition leads to a strong degradation of performance when this operating condition varies. Besides, structural flexibility deforms the wings differently depending on the operating conditions, so has to be simulated during such optimizations. In the present thesis, the mission fuel consumption minimization is formulated as an optimization problem. The focus is made on the choice of operating conditions to be included in the optimization problem, since they have a major impact on the quality of the results, and the computational cost is proportional to their number. A new theoretical framework is proposed, overcoming and giving new insights on problematic situations revealed by state-of-the-art methods for multipoint optimization problem setup. An algorithm called Gradient Span Analysis is proposed to automate the choice of operating conditions. It is based on a reduction of dimension of the vector space spanned by adjoint gradients obtained at the different operating conditions. Programming contributions to the optimization chain enabled the evaluation of the new method on the optimizations of the academic RAE2822 airfoil, and the XRF-1 wing-body configuration, representative of a modern transport aircraft. While the shapes resulting of single-point optimizations present strong degradations of the performance in off-design conditions, adequately formulated multi-Machmulti- lift optimizations present much more interesting performance compromises. It is finally shown that fluid-structure interaction adds new degrees of freedom, and has consequences on multiple flight conditions optimizations, opening the perspective of passive shape adaptation.

Les drones miniatures à voilures tournantes tendent aujourd'hui à devenir les nouveaux outils du fantassin, grâce à la polyvalence des missions auxquelles ils peuvent être employés. Leur principal atout concerne leur capacité à combiner le vol stationnaire et le vol de translation rapide, dans des environnements étroits et encombrés. Nous proposons ici l'étude d'un nouveau concept de drone atypique appelé GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), qui consiste à amener un véhicule hybride projectile/drone très rapidement sur un site d'intérêt éloigné, en utilisant l'énergie fournie par une arme portable. La première tâche concerne la modélisation aérodynamique du GLMAV. L'identification paramétrique du modèle aérodynamique est alors réalisée à partir de données expérimentales d'efforts, que nous pouvons a priori quantifier par un critère algébrique d'excitabilité persistante. Nous proposons ensuite des techniques de filtrage, afin d'estimer les paramètres anémométriques inconnus mais nécessaires pour connaître l'environnement aérodynamique dans lequel l'engin évolue. De plus, pour palier à la défaillance de capteurs embarqués et qui peuvent affecter l'information de vitesse linéaire après le tir, nous proposons un estimateur d'ordre réduit de la vitesse linéaire. Dans ces deux problèmes d'estimation, nous prouvons la stabilité des observateurs proposés. Enfin, nous proposons une structure de commande pour la stabilisation de l'engin en vol quasi-stationnaire à partir d'un modèle de synthèse linéaire. Les efficacités des méthodes proposées sont illustrées par des résultats de simulations numériques et des essais expérimentaux / The miniature rotary wing UAVs are now tending to become the new tools of the soldier, with the versatility of missions they can be used. Their main advantage concerns their ability to combine the hovering and translational fast flight in narrow and congested environments. We propose the study of a new and atypical UAV concept called GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), which must bring a hybrid projectile/UAV very quickly on a site of interest, using the energy delivered by a portable weapon. The first task concerns the modelling of the aerodynamic GLMAV model. The parametric identification of the aerodynamic model is then realized from experimental load data, that can be a priori quantified by a persistent-excitability-algebraic-criterion. We then propose two filtering techniques to estimate the unknown aerodynamic parameters but needful to determine the aerodynamic environment in which the vehicle operates. In addition, to compensate the failure of embedded sensors that can affect the linear speed information after the shooting, we propose a reduced-order estimator to conserve a good linear speed information. In both estimation problems we prove the stability of the proposed observers. Finally, we propose a control scheme for the stabilization of the aircraft in the quasistationary flight mode from a linearized GLMAV model. The efficiencies of the proposed methods are illustrated through numerical results and experimental tests

La déformation de torsion que subit un profil aérodynamique a une importance capitale car elle a une influence directe sur la valeur des incidences locales et donc sur la valeur locale des densités de portance et de traînée. L'amélioration des performances aérodynamiques passe donc par la connaissance et la maîtrise de ce vrillage. Cette thèse se propose d'y contribuer. Une des méthodes développées actuellement par de nombreux auteurs consiste à munir le profil d'actionneurs permettant de le déformer en torsion de manière à compenser tout ou partie, voire même contrer, la déformation « naturelle » de la structure. Cette méthode, dite de contrôle actif, est certes très efficace, mais elle présente des limitations car elle nécessite l'introduction d'une quantité d'énergie qui peut être importante. La méthode que nous proposons ici pour maîtriser le vrillage du profil consiste à modifier ses conditions d'équilibre interne. En solidarisant ou en désolidarisant des cloisons à l'intérieur du profil, il est possible de déplacer le centre de torsion des sections du profil sans modifier sa forme extérieure. Ces modifications internes induisent donc une modulation du moment de torsion et donc une modulation du vrillage. Ce processus ne demande que très peu d'énergie. A partir d'un profil simple, des simulations ont permis de montrer le potentiel théorique du système proposé. Trois démonstrateurs, de complexité croissante, ont également été réalisés pour évaluer les capacités du contrôle « réactif » de la torsion. La technique a été validée par la deuxième démonstration. Malheureusement, le troisième démonstrateur, beaucoup plus complexe, n'a pas permis, à l’heure actuelle, d'obtenir la validation finale. / The torsional deformation of aerodynamic profiles has to be considered with care because it induces a change in the angle of attack and therefore changes in the local densities of lift and drag forces. The improvement of the aerodynamic performances does require a good knowledge and control of the twist of the airfoil. A method currently developed by a lot of authors consists in inserting in the airfoil some actuators whose action tends to increase or reduce the ‘natural’ deformation of the structure. This method, named active control, is very effective but it has some limitations because it needs a level of energy which can be high. The method we propose to control the twist of the airfoil consists in modifying the internal elastic equilibrium of the structure. By joining or disjoining some walls inside the profile, it is possible to shift the shear center of the profile without any change of its external shape. So, these internal modifications induce variations of the torsional moment and therefore a variation of the twist angle. The process is no energy consuming. By means of a simple profile, simulations have been performed to show the theoretical potential of the proposed system. Three demonstrators have also been designed with increasing complexity to evaluate the feasibility of the ‘reactive’ control of the twist. The technique has been validated by the second demonstrator. Unfortunately, the third demonstrator, much more complex, has not shown the final demonstration.

Les satellites sont mis en orbite en utilisant des lanceurs dont la conception est une des activités principales d’Airbus Defence and Space. Pour ce faire, se baser sur des expériences n’est pas facile : les souffleries ne permettent pas d’évaluer toutes les situations auxquelles un lanceur est confronté au cours de sa mission. La simulation numérique est donc essentielle pour l’industrie spatiale. Afin de disposer de simulations toujours plus fidèles, il est nécessaire d’utiliser des supercalculateurs de plus en plus puissants. Cependant, ces machines voient leur complexité augmenter et pour pouvoir exploiter leur plein potentiel, il est nécessaire d’adapter les codes existants. Désormais, il semble essentiel de passer par des couches d’abstraction afin d’assurer une bonne portabilité des performances. ADS a développé depuis plus de 20 ans le code FLUSEPA qui est utilisé pour le calcul de phénomènes instationnaires comme les calculs d’onde de souffle au décollage ou les séparations d’étages. Le solveur aérodynamique est basé sur une formulation volume fini et une technique d’intégration temporelle adaptative. Les corps en mouvement sont pris en compte via l’utilisation de plusieurs maillages qui sont combinés par intersections.Cette thèse porte sur la parallélisation du code FLUSEPA. Au début de la thèse, la seule version parallèle disponible était en mémoire partagée. Une première version parallèle en mémoire distribuée a d’abord été réalisée. Les gains en performance de cette version ont été évalués via l’utilisation de deux cas tests industriels. Un démonstrateur du solveur aérodynamique utilisant la programmation par tâche au dessus d’un runtime a aussi été réalisé. / There are different kinds of satellites that offer different services like communication, navigationor observation. They are put into orbit through the use of launchers whose design is oneof the main activities of Airbus Defence and Space. Relying on experiments is not easy : windtunnel cannot be used to evaluate every critical situation that a launcher will face during itsmission. Numerical simulation is therefore mandatory for spatial industry.In order to have more reliable simulations, more computational power is needed and supercomputersare used. Those supercomputers become more and more complex and this impliesto adapt existing codes to make them run efficiently. Nowadays, it seems important to rely onabstractions in order to ensure a good portability of performance. Airbus Defence and Spacedeveloped for more than 20 years the FLUSEPA code which is used to compute unsteady phenomenalike take-off blast wave or stage separation. The aerodynamic solver relies on a finitevolume formulation and an explicit temporal adaptive solver. Bodies in relative motion are takeninto account through the use of multiple meshes that are overlapped.This thesis is about the parallelization of the FLUSEPA code. At the start of the thesis,the only parallel version available was in shared memory through OpenMP. A first distributedmemory version was realized and relies on MPI and OpenMP. The performance improvementof this version was evaluated on two industrial test cases. A task-based demonstrator of theaerodynamic solver was also realized over a runtime system.

La simulation numérique des éoliennes flottantes est essentielle pour le développement des Energies Marines Renouvelables. Les outils de simulation classiquement utilisés supposent un écoulement stationnaire sur les rotors. Ces théories sont généralement assez précises pour calculer les forces aérodynamiques et dimensionner les éoliennes fixes (à terre ou en mer) mais les mouvements de la plateforme d’une éolienne flottante peuvent induire des effets instationnaires conséquents. Ceux-ci peuvent par exemple impacter la force de poussée sur le rotor. Cette thèse de doctorat cherche à comprendre et à quantifier les effets de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer des éoliennes flottantes, dans différentes conditions de fonctionnement. L’étude montre que les forces aérodynamiques instationnaires impactent les mouvements de la plateforme lorsque le rotor est fortement chargé. Les modèles quasi-stationnaires arrivent néanmoins à capturer la dynamique des éoliennes flottantes avec une précision suffisante pour des phases de design amont. Les éoliennes flottantes à axe vertical sont elles aussi étudiées pour des projets offshore puisqu’elles pourraient nécessiter des coûts d’infrastructure réduits. Après avoir étudié l’influence de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer de ces éoliennes, une comparaison est menée entre éoliennes flottantes à axe horizontal et à axe vertical. Cette dernière subit une importante poussée aérodynamique par vents forts, induisant de très grands déplacements et chargements. / Accurate numerical simulation of thesea keeping of Floating Wind turbines (FWTs) is essential for the development of Marine Renewable Energy. State-of-the-art simulation tools assume a steady flow on the rotor. The accuracy of such models has been proven for bottom-fixed turbines, but has not been demonstrated yet for FWTs with substantial platform motions. This PhD thesis focuses on the impact of unsteady aerodynamics on the seakeeping of FWTs. This study is done by comparing quasi-steady to fully unsteady models with a coupled hydro-aerodynamic simulation tool. It shows that unsteady load shave a substantial effect on the platform motion when the rotor is highly loaded. The choice of a numerical model for example induces differences in tower base bending moments. The study also shows that state of the art quasi-steady aerodynamic models can show rather good accuracy when studying the global motion of the FWTs. Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) could lower infrastructure costs and are hence studied today for offshore wind projects. Unsteady aerodynamics for floating VAWT sand its effects on the sea keeping modelling have been studied during the PhD thesis,leading to similar conclusions than for traditional floating Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs). Those turbines have been compared to HAWTs. The study concludes that, without blade pitch control strategy, VAWTs suffer from very high wind thrust at over-rated wind speeds, leading to excessive displacements and loads. More developments are hence needed to improve the performance of such floating systems.

Un micro-drone à voilure tournante est l’appareil aérien optimal pour assister un rover d’exploration à lanavigation sur la planète Mars. Toutefois, les écoulements qu’il rencontre sont compressibles à très faiblenombre de Reynolds, ce qui constitue un domaine de l’aérodynamique inédit et quasiment inexploré à cejour. L’objectif de la thèse est de comprendre, simuler et recréer expérimentalement les phénomènes aérodynamiquesliés au régime inédit des écoulements martiens pour concevoir un système propulsif performant.Après avoir validé les outils de simulation numérique, le comportement instationnaire des écoulements estétudié sur des géométries 2D et 3D. L’écoulement est dominé par la viscosité : les couches limites laminairessont épaisses et le décollement a beaucoup d’influence sur son comportement très instationnaire.Par la suite, plusieurs millions de géométries de profil sont évaluées par un processus d’optimisation basésur un code 2D stationnaire. Les profils optimisés sont fortement cambrés (entre 5.5% et 7%) et de faibleépaisseur relative (e/c ∼ 2%). Le bord d’attaque et le bord de fuite sont très cambrés pour permettrerespectivement l’adaptation à l’écoulement incident et la fixation du point de décollement de la couchelimite. À partir des géométries de profils, l’ensemble du système propulsif est optimisé par intégration despolaires 2D. La théorie des éléments de pale permet de déterminer rapidement les configurations les plusperformantes aérodynamiquement. Et une méthode de sillage libre permet l’optimisation de rotors isoléset de systèmes propulsifs coaxiaux. Les rotors ont des solidités et des vrillages importants, ce qui rappelleles formes d’hélices marines. Les simulations Navier-Stokes 3D mettent en évidence la tridimensionnalitédes écoulements sur la pale, elle est fortement corrélée avec la solidité du rotor et le vrillage de bout depale. La rotation stabilise la couche limite et donne lieu à un décollement stable au bord d’attaque pourcertaines géométries. Le dévrillage en bout de pale permet de stabiliser le tourbillon et de diminuer la perteinduite. Un banc de mesure est placé dans un caisson dépressurisé pour estimer les efforts de poussée et decouple générés par les rotors optimisés en conditions aérodynamiques martiennes. Les essais permettentde valider les tendances d’estimation des codes de simulation ainsi que les processus d’optimisation. Laconfiguration bi-rotors coaxiaux, en comparaison avec une configuration à deux rotors adjacents, permetun gain d’encombrement de moitié pour une perte sur la puissance de seulement 15%. C’est la configurationla plus adaptée pour un micro-drone en atmosphère ténue. Un système propulsif coaxial optimisé (dediamètre 30 cm) permettrait de sustenter un micro-drone d’environ 400 grammes en conditions nominalessur la planète Mars. / A micro-rotorcraft is the most suited aerial vehicle for rover navigation assistance on Mars. The martianatmosphere’s density, being hundred times lower than on Earth, requires the micro-drone to hover at highrotational speed. Hence, flows on the blade are both compressible and at very low Reynolds number (fewthousands). It constitutes a new aerodynamic domain to be explored. The purpose of the dissertation isto understand, simulate and experimentally duplicate the aerodynamic phenomena in a view to design anefficient propulsion system. After a phase of validation of the simulation tools, the flows’ unsteady behavioris studied on 2D and 3D geometries. Wall flow is highly viscous : laminar boundary layers are thick andtheir separation has a huge influence on its unsteadiness. Then, several millions of airfoil geometries areevaluated by an optimization process based on a steady 2D solver. As final result, the optimized airfoildisplays a highly cambered shape (between 5.5% and 7%) with low relative thickness (t/c ∼ 2%). Leadingand trailing edges are strongly cambered, allowing proper incoming flow adaptation and late boundarylayer separation. Based on this airfoil geometry, rotor shapes are optimized by two methods. Blade elementtheory provides a quick investigation of the most aerodynamically efficient configurations. And a free wakesolver is applied for the final design of isolated rotors and coaxial dual-rotors. Optimized shapes exhibitimportant twist and solidity, evoking marine propellers. 3D Navier-Stokes simulations highlight the flow’sthree-dimensional mechanisms on the blade, which are highly correlated to the rotor’s solidity and twist.Rotation stabilizes the blade’s boundary layer and a stable leading edge separation is observed in somecases. Blade tip twist reduction diminishes the tip vortex and the induced loss. A thrust and torquemeasurement setup is placed in a depressurized tank for the evaluation of optimized rotors in martianatmospheric conditions. Performed experiments confirm the solvers’ trend and validate the design process.Therefore, chosen coaxial dual-rotors configuration provides an important size gain for a low correspondingpower loss (∼ 15%) compared to adjacent dual-rotors. Coaxial dual-rotors are the optimal configuration fora micro-rotorcraft in low-pressure atmosphere flight conditions. Such propulsion system (with a diameterof 30 cm) could lift a 400 grams micro-rotorcraft in hover on the planet Mars.

Cette étude fondamentale présente des résultats expérimentaux et numériques concernant la dynamique et la stabilité de tourbillons avec écoulement axial, pour des nombres de Reynolds modérés. La première partie de la thèse s'attache à étudier l'instabilité elliptique dans des paires de tourbillons co- et contrarotatifs, avec écoulement axial. L'étude de stabilité de deux tourbillons corotatifs de Batchelor, réalisée avec un code à éléments spectraux, a permis d'identifier clairement des modes de l'instabilité elliptique à structure spatiale complexe, pour différentes valeurs de l'écoulement axial et du nombre d'onde axial. Expérimentalement, l'instabilité elliptique a été mise en évidence dans des paires de tourbillons co- et contra-rotatifs, générées au moyen de deux demi-ailes placées dans un canal hydrodynamique. L'analyse POD (Proper Orthogonal Decomposition) d'images acquises par une caméra rapide a mené à une caractérisation précise du mode de l'instabilité observé, qui implique des perturbations avec des nombres azimutaux m=0 et m=2, remplissant la condition de résonance de l'instabilité elliptique. L'analyse numérique de stabilité des vortex expérimentaux, caractérisés par une méthode de Vélocimétrie Stéréoscopique par Images de Particules, a montré le même mode instable. Les longueurs d'onde et taux de croissance expérimentaux et numériques sont en bon accord. La deuxième partie de l'étude porte sur le "vortex meandering", abord expérimentalement en générant un vortex de bout d'aile. Une analyse détaillée des perturbations du tourbillon permet de mettre ce phénomène en relation avec la théorie de croissance transitoire des perturbations d'un vortex isolé.