Ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec l'équipe cycliste professionnelle Bouygues Telecom, a pour objectif d'étudier les facteurs aérodynamiques et biomécaniques influant sur les performances de cyclistes en course contre la montre (CLM). L'effort de traînée aérodynamique représente 90% de la puissance développée par le coureur en CLM. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans la soufflerie S1L l'institut des Sciences du Mouvement qui a permis de mesurer l'effort de traînée subit par les coureurs en fonction de leur posture et du matériel utilisé. L'analyse par planimétrie de la surface frontale projetée des cyclistes en position de CLM a permis de définir un modèle estimant la surface frontale en fonction de différents paramètres posturaux. L’analyse approfondie des performances aérodynamiques de différents casques de CLM, à l’aide d’un système de mesure PIV-3C (Particle Image Velocimetry 3 Components), a permis de définir une géométrie optimisée de casques de CLM. L'approche biomécanique des performances des coureurs permet d'étudier l'impact de positions sur le rendement du pédalage de coureurs. Cette étude a été réalisée grâce à un modèle de dynamique inverse nécessitant la mise en œuvre de balances de mesure des efforts aux pédales et d'un système d'analyse du mouvement (VICON). Le modèle de dynamique inverse a permis de déterminer les torseurs d'efforts au niveau de chaque articulation en fonction de paramètres posturaux identiques à ceux étudiés dans l'approche aérodynamique. La synthèse des facteurs d'optimisation aérodynamique et biomécanique a permis d'obtenir une amélioration des performances en course de l'ordre de 3%. / The aim of this study is to determine the aerodynamic and biomechanical factors influencing cyclists performance during Time Trial stage (TT). The aerodynamic drag force represents over 90% of the power generated by the cyclist during TT stage. The aerodynamic optimization of the cyclist posture and equipment is thus a main objective. Experimentations were carried out in the wind tunnel S1L of the Institute of Movement sciences, in order to measure the aerodynamic drag force of cyclist according to different configurations. Measurements of the projected frontal led to a modeling of the cyclist frontal area value according to postural parameters. Aerodynamic performance of several TT helmets was characterized by measurement of the velocity fields in their downstream wake using a PIV-3C method (Particle Image Velocimetry 3 components). Results of this study have identified an optimized geometry of TT helmets. The aim of the biomechanical approach is to study the influence of the aerodynamic postural parameters studied on the performance of the cyclists. An inverse dynamics models is used to determine the torques and forces at each leg joint according to the saddle position and the power developed. The inverse dynamic calculation requires measurement of the pedal forces and the cycling motion. The motion analysis system VICON was used and two special 6 components sensors were design for this application. Results of this study have identified postural parameters increasing the performance. The synthesis of the factors influencing aerodynamic and biomechanical performances achieves a performance improvement of about 3%.

<p align="justify">Cette thèse traite de l'étude numérique et expérimentale du transport et de la déposition d'aérosols dans les poumons. La partie numérique du travail porte sur des simulations uni-, bi- et tridimensionnelles du comportement des aérosols dans la structure pulmonaire. Les simulations unidimensionnelles (1D) sont effectuées dans des modèles trompettes et multibranche similaires à ceux utilisés dans les études de transport et de mélange gazeux dans les poumons. Le dépôt total, le profil des dépôts le long des différentes générations de l'arbre bronchique ainsi que la dispersion de boli d'aérosols sont calculés en fonction de la taille des particules et du protocole respiratoire. Un bolus consiste en un faible volume d'aérosols inhalé sous la forme d'un pic de concentration au cours d'une inspiration d'air pur. Les résultats montrent les limitations intrinsèques liées aux modèles 1D quant à la description du transport des aérosols dans les poumons et suggèrent l'utilisation d'équations multidimensionnelles pour décrire le transport de particules. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont alors développées pour décrire le comportement des aérosols dans un modèle représentatif de la zone alvéolaire du poumon humain. Les simulations montrent que les particules ne se déposent pas uniformément sur les parois alvéolaires des conduits mais qu'elles sont principalement localisées près de l'entrée des alvéoles et ceci principalement dans le cas de petites particules (diamètre inférieure à 0.5 mm). De plus, les résultats montrent que le traditionnel coefficient de dispersion utilisé dans l'approche unidimensionnelle ne peut pas être extrapolé dans la zone alvéolaire du poumon.</p> <p align="justify">Finalement, des simulations tridimensionnelles (3D) sont réalisées dans un modèle d'un conduit pulmonaire entouré d'alvéoles et confirment la déposition largement hétérogène des aérosols calculée dans l'étude bidimensionnelle suggérant que les concentrations locales et moyennes en aérosols peuvent être substantiellement différentes.</p> <p align="justify">Parallèlement, des données expérimentales de déposition totale et de dispersion de boli d'aérosols sont obtenues et comparées aux résultats numériques. Des indices tels que la dispersion du bolus expiré, la déposition totale ou le déplacement du mode entre les courbes de concentration des boli inspiré et expiré mesurés au niveau de la bouche ont été évalués. Des simulations numériques similaire aux tests expérimentaux sont également effectuées. Bien qu'une approche relativement simplifiée soit utilisée, il apparaît que les simulations décrivent raisonnablement bien les résultats expérimentaux.</p>

La conception aérodynamique des pales du rotor principal d’un hélicoptère doitsimultanément prendre en compte plusieurs objectifs relatifs aux critères du vol stationnaire etvol d’avancement. Cette thèse vise à développer une boucle d’optimisation automatiséecombinant des algorithmes d’optimisation avancés et des outils de simulation. Deux outils desimulation sont employés pour la prédiction des performances rotor : le code de mécanique devol HOST, ainsi que le code de Mécanique des Fluides Numérique (MFN) elsA. Une analyse deces outils est effectuée pour des cas test bien documentés afin d’estimer leur capacité à prédiredes tendances de performances rotor en fonction de la géométrie de pale. L’influence desparamètres numériques est également caractérisée. Aussi, une stratégie d’optimisation estdéveloppée, permettant la prise en compte de plusieurs objectifs et de contraintes complexes,ainsi que la détermination d’optima globaux pour ce problème multimodale. Suivant cescritères, un algorithme génétique (AG) est sélectionné. Afin de réduire le nombre d’évaluationsnécessaires, une stratégie d’optimisation multi-fidélité est proposée : une optimisationpréliminaire utilisant l’AG et HOST est utilisée pour la réduction de l’espace des paramètres ensélectionnant la zone de haute performance. Ensuite, une surface de réponse est construiteavec des calculs haute-fidélité des pales de haute performance comme vu par l’étapepréliminaire. L’optimisation est finalement effectuée sur cette surface de réponse haute-fidélité.L’approche proposée résulte en une augmentation significative des performances rotor, tout enrespectant le critère industriel relatif au nombre de calculs coûteux comme MFN. L’approcheproposée se révèle être un outil efficace pour la conception de pales du rotor principald’hélicoptère. / The aerodynamic design of helicopter rotor blades requires taking into accountedmultiple objectives simultaneously, to provide a compromise solution for the conflictingrequirements associated to hover and forward flight conditions. The present work aims atdeveloping an automated optimization based on the combination of advanced optimizationalgorithms and simulation tools. As a preliminary step, candidate simulation methods andoptimization algorithms are assessed in detail. Two simulation methods are employed for thecomputation of rotor performance: the in-house Helicopter Overall Simulation Tool (HOST),based on the blade element method, and ONERA’s Computation Fluid Dynamics (CFD) codeelsA. An in-detail analysis of both simulation tools for well documented test cases is carried out,with focus on their capability of predicting trends of the global rotor performance as a function ofblade geometry. The impact of computation settings is also characterized. Then, an optimizationstrategy is developed, allowing the incorporation of multiple objectives and complex constraints,and the detection of global optima for multi-modal problems. Based on these criteria, a geneticalgorithm (GA) is selected. To reduce the number of simulations required to find optimalsolutions, a Multi-Fidelity Optimization (MFO) strategy is proposed: a preliminary low-fidelity GAoptimization stage based on HOST simulations is used to reduce the design space by selectinga high-performance subspace. Then, a CFD-based surrogate model is constructed on thereduced design space by using a sample of high-performance blade from the low-fidelity step.The final optimization step is run on the high-fidelity surrogate. The proposed MFO approachresults in significant rotor performance improvements while using a far lower number of costlyCFD evaluations of the objective functions with respect to a full GA optimization. The proposedapproach is shown to represent an efficient design tool for industrial helicopter rotor blade

Les axes de recherche et les analyses faites dans cette thèse portent sur les méthodes d'ordre élevé en éléments finis appliquées dans le cadre de la résolution des équations de Navier-Stokes et de modèles de turbulence. Elle se décompose en deux thématiques principales: -La mise en oeuvre de méthodes d'ordre élevé dans un code de calcul industriel -L'élaboration d'une méthodologie de création de maillages courbes sur des géométries 3D Une série de cas tests de difficulté croissante a été menée afin de valider ces méthodes. On présente, notamment, un cas complet d'avion où la démarche complète d'obtention du maillage ainsi que le calcul Navier-Stokes et modèle de turbulence sont détaillés et commentés. La motivation, l'apport et les obstacles techniques sont enfin discutés. / The areas of research and analysis covered ​​in this thesis focus on methods using high order finite elements applied for solving Navier-Stokes equations and turbulence models. It consists of two main parts:-The implementation of high-order methods in an industrial computer code -The development of a methodology for creating curved meshes on 3D geometries A series of test cases of increasing difficulty were conducted to validate these methods. We present, moreover, a case of a full aircraft where the process used to obtain the full mesh and the Navier-Stokes/turbulence model calculation are fully described and discussed. Motivation, contribution and technical barriers are finally discussed.

Notre contribution concerne les trois domaines complémentaires suivants: la différentiation automatique de programmes, l'optimisation de formes pour de grands systèmes, l'adaptation de maillages. Dans le chapitre 1 de la partie 1, nous exposons une méthode de calcul de gradients par Différentiation Automatique pour un problème classique d'optimisation de formes. Nous expliquons comment déduire un gradient exact basé sur un état adjoint sans stocker explicitement le jacobien. Le mode adjoint de la DA que nous proposons utilise beaucoup moins d'espace mémoire. Dans le chapitre 2 de la partie 2, nous proposons une méthode de type SQP pour résoudre une classe de problèmes d'optimisation avec contraintes égalités. Le nouvel algorithme permet une résolution simultanée du système d'optimalité. Cette méthode one shot combine efficacité et robustesse. Dans le chapitre 3 de la partie 2, nous étudions une nouvelle stratégie de préconditionnement pour l'optimisation de formes. Nous construisons un préconditionnement multiniveau additif à partir du principe classique de Bramble-Pasciak-Xu et du principe d'agglomération. Nous spécifions aisément le gain en régularité de notre préconditionneur avec un seul paramètre réel. Dans le chapitre 1 de la partie 3, nous étudions le problème du meilleur maillage adapté pour de l'interpolation pure. La résolution du système d'optimalité donne une expression complètement explicite de la métrique optimale en fonction de la fonction à adapter. Dans le chapitre 2 de la partie 3, nous étendons la méthode du chapitre précédent au problème de l'adaptation de maillage pour EDP. Notre méthode repose sur une analyse a priori rigoureuse puis sur une modélisation.

La thèse de Jean-François Simon est consacrée au développement d'un outil de simulation numérique de l'écoulement dans les turbomachines axiales. La démarche proposée a pour but de réduire l'empirisme présent dans les outils de calcul méridien en turbomachines. Cet objectif est atteint en deux étapes, l'une consistant à traiter de manière cohérente les effets dus à la viscosité du fluide dans le plan méridien, l'autre à injecter dans le calcul méridien les tensions déterministes et circonférentielles ainsi que les forces d'aubes. Les équations de Navier-Stokes sont moyennées azimutalement et sont résolues par une approche volumes-finis. La capture des effets dus à la viscosité du fluide le long des parois de carter et de moyeu permet d'éviter l'introduction d'un coefficient de blocage, ou le recours à un calcul couche-limite séparé. Jean-François Simon prolonge en outre l'approche d'Adamczyk par un opérateur de moyenne circonférentielle. Différents termes additionnels apparaissent alors dans les équations du modèle et traduisent entre autres linfluence des phénomènes non axisymétriques. L'importance relative de ces différentes contributions est analysée. Les méthodologies développées sont appliquées à plusieurs cas-tests (rotor simple, étages de compresseur ou de turbine, compresseur multi- étagé), qui permettent d'illustrer l'intérêt de la démarche proposée.

Ce travail présente une méthode de calcul de l'écoulement tridimensionnel instationnaire autour d'un rotor éolien. L'écoulement réel au travers du rotor est remplacé par un écoulement de fluide parfait au travers d'un système tourbillonnaire équivalent. Ce système comporte des tourbillons attachés aux pales et des tourbillons libres détachés des pales. Pour simplifier, la vorticité issue des pales est supposée concentrée dans deux tourbillons à l'extrémité et au pied de chaque pale. Pour calculer l'écoulement résultant et évaluer les efforts instationnaires exercés sur la structure du rotor, une méthode de sillage libre a été mise en œuvre. Dans cette méthode on utilise une description lagrangienne de l'écoulement. L'évolution du sillage à l'aval du rotor est obtenue en suivant l'évolution spatio-temporelle de marqueurs qui représentent les tourbillons issus de l'extrémité et du pied de chaque pale. Pour résoudre l'équation qui gouverne l'évolution du sillage et pour obtenir les positions des marqueurs, une méthode utilisant un schéma explicite prédicteur-correcteur du deuxième ordre est mise en œuvre. La méthode de sillage libre suppose un fluide parfait mais dans ce travail les effets visqueux sont pris en compte. Les vitesses induites par les lignes tourbillonnaires sont supposées limitées par une vitesse maximale du noyau tourbillonnaire. Les coefficients nécessaires pour représenter l'influence de la viscosité sont obtenus expérimentalement. La validation de la méthode proposée est réalisée par comparaison avec des résultats expérimentaux où l'écoulement en aval du rotor est exploré en utilisant la technique de vélocimétrie par image de particules (PIV).

Dans les chambres de combustion aéronautiques, le refroidissement par micro-percage est la technique privilégiée pour protéger les parois contre les gaz chauds. L’air frais provenant du contournement traverse des milliers de perforations inclinées et for- ment des micro-jets. Ces derniers coalescent en un film qui protège les parois du tube a flamme. Avec les moyens informatiques actuels, effectuer une simulation aux grandes échelles d’un moteur réel est impossible. En effet, le nombre de micro-trous est beaucoup trop important pour permettre une résolution détaillée de chacun. Des modèles numériques sont donc nécessaires. Le modèle homogène, développé en 2008, permet de simuler des plaques multiperforees avec des maillages dont la résolution est supérieure a celle du trou. Il ne permet cependant pas de représenter la pénétration ni le mélange des jets avec les gaz chauds. Pour remédier a cela, une approche hétérogène, appelée modèle a trou épaissi, a été développée au cours de cette thèse. La précision étant toujours relative au maillage, une méthode de maillage adaptatif augmentant automatiquement la résolution dans les zones clés a été propose afin d’obtenir de meilleurs résultats pour un faible surcoût. Predire la température des parois du tube a flamme est l’objectif final des ingénieurs. A cet effet, une méthodologie appelée Adiab2colo, permettant d’évaluer la température de paroi a partir d’un calcul adiabatique non résolu, a également été développée. Ces trois techniques sont maintenant couramment utilisées par Safran Helicopter Engine pour la conception des moteurs de demain. / Numerical simulation is progressively taking importance in the design of an aero- nautical engine. However, concerning the particular case of cooling devices, the high number of sub-millimetric cooling holes is an obstacle for computational sim- ulations. A classical approach goes through the modelling of the effusion cooling by homogenisation. It allows to simulate a full combustor but failsin representing the jet penetration and mixing. A new approach named thickened-hole model was developed during this thesis to overcome this issue. A work on improving the mesh resolution onkey areas thanks to an automatic adaptive method is also presented, leading to a clear breakthrough. In parallel, as the flame tube temperature is a cornerstone for the combustor durability,a low-cost approach is proposed to predict it. To meet the time-constraints of design, it is based on thermal modelling instead of a direct thermal resolution.

Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

Dans certains regimes hypersoniques, le rayonnement peut enormement modifier l'ecoulement aerodynamique. Pour de telles applications, il est important d'avoir un modele qui realise un couplage fort entre l'hydrodynamique et le transfert radiatif afin d'avoir un bon comportement de la solution. Cependant, le couplage avec l'equation du transfert radiatif est en general extremement couteux et donc peu raisonnable pour des simulations multidimensionnelles instationnaires. Notre choix est d'utiliser un modele aux moments pour la partie rayonnement, ce qui est bien moins couteux. Celui-ci est base sur une fermeture entropique a la Levermore qui permet de conserver les principales proprietes de la physique. On developpe une version multigroupe de ce modele afin de pouvoir traiter des cas realistes tres dependants de la frequence. Le systeme couple resultant est hyperbolique et possede des proprietes interessantes qui sont etudiees. Ce modele radiatif est couple avec les equations de Navier-Stokes avec une approche totalement implicite et fortement couplee. De plus, pour gagner de la place memoire, on choisit d'utiliser une methode sans Jacobienne, en pratique une methode de type GMRes preconditionne. Cette methode se revele assez rapide pour pouvoir simuler des applications realistes a un cout de calcul raisonnable, ce qui n'est pas le cas de la plupart des modeles courament utilises dans la litterature. Plusieurs applications sont donnees pour illustrer le bon comportement du modele a la fois dans des configurations academiques simplifiees ou l'on peut faire des comparaisons et dans des configurations realistes comme l'ecoulement lors de l'entree atmospherique de sondes superorbitales.