Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Ce mémoire présente une étude numérique du phénomène d'oscillations auto-induites d'une aile rigide montée sur un support élastique. Ces oscillations ont été rapportées expérimentalement au Collège Militaire Royal du Canada par l'équipe du professeur Poirel. Ils ont montré que le phénomène a lieu dans une plage de nombres de Reynolds spécifique où la transition de la couche limite peut survenir : 5 x 10⁴ < Rec < 1.3 x 10⁵. Des oscillations en tangage seulement ainsi qu'en tangage et pilonnement ont été observées. Les oscillations en tangage seulement ont une amplitude d'environ 5 degrés et une fréquence aux alentours de 3 Hz. Les oscillations en tangage et pilonnement ont des amplitudes de tangage pouvant atteindre 65 degrés selon la rigidité structurale et des fréquences allant de 3 à 5 Hz. Le phénomène a été étudié ici par la mécanique des fluides numérique. Le code libre OpenFOAM utilisant la méthode des volumes finis a été utilisé pour simuler le problème aéroélastique. Dans le cas des oscillations en tangage, une très bonne comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux a été obtenue. L'utilisation d'un modèle de transition a entraîné une amélioration par rapport aux simulations numériques réalisées dans le passé et a contribué à mieux élucider la physique en jeu. La séparation de la couche limite laminaire étant le mécanisme déclencheur du phénomène, ces oscillations sont appelées flottement de séparation laminaire. L'impact de 1' intensité turbulente de 1' écoulement sur les oscillations a été étudié et s'est révélé jouer un rôle très important: un haut niveau empêchant l'apparition des oscillations. Le caractère secondaire du rôle joué par les structures d'écoulement à haute fréquence a été démontré ainsi que les différents mécanismes de dissipation d'énergie en jeu. Les oscillations auto-induites en tangage et pilonnement combinés ont également été simulées. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux n'est pas aussi bonne que dans le cas de oscillations en tangage, mais des tendances similaires sont tout de même observées. Lorsque la rigidité structurale en pilonnement est petite, des oscillations de faibles amplitudes en tangage et pilonnement sont obtenues, tel que dans le cas en tangage pure. Lorsque la rigidité structurale est grande, d' importantes amplitudes de tangage sont obtenues qui s'avèrent du même ordre de grandeur que celles observées en expérimental. Ces oscillations diffèrent du cas en tangage puisqu'elles sont caractérisées par un flottement de coalescence plutôt qu'un flottement de séparation laminaire.

L'objectif principal de ce mémoire est de contribuer à la compréhension du phénomène des oscillations en tangage d'une aile rigide montée sur support élastique. Ces oscillations sont observées dans une plage de nombres de Reynolds associés à l'ordre de grandeur de la transition des couches limites pour cette géométrie : 5 x 10⁴ < Rec < 1.2 x 10⁵. Ces travaux expérimentaux réalisés par l'équipe du professeur Poirel au Collège militaire royal ont montré que, dans la configuration nominale, les ordres de grandeur de l'amplitude et de la fréquence des oscillations sont respectivement de 5 et 3 Hz. Afin de contribuer à l'étude phénoménologique de ces oscillations aéroélastiques, une campagne d'essais expérimentaux ciblés a été réalisée à l'automne 2008 dans la soufflerie du Collège militaire royal. Des résultats exposant les effets de l'inertie de l'aile ainsi que du déclenchement de la transition de la couche limite sur l'amplitude et la fréquence des oscillations ont été analysés. Par ailleurs, des simulations numériques de l'écoulement et de la dynamique de l'aile ont été réalisées à l'aide du code commercial Fluent. Ces résultats montrent entre autres l'importance du décollement partiel de la couche limite laminaire qui correspond à une couche cisaillée soumise à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz. Au niveau quantitatif, les simulations prédisent l'amplitude et la fréquence des oscillations avec le bon ordre de grandeur. Pour une étude permettant de produire des résultats plus précis au niveau quantitatif, une approche du type RANS avec modèle de transition ou encore une approche LES seraient envisageables.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La première partie de ce mémoire de maîtrise concerne principalement la validation d'une méthode de calcul des forces et moment instationnaires sur des corps mobiles dans une méthode lagrangienne par particules vortex. La méthodologie développée ne requiert pas la pression, une variable qui n'est plus disponible directement dans notre algorithme lagrangien. La seconde partie vise l'optimisation de systèmes de deux ailes oscillantes à l'aide de simulations numériques en deux dimensions. Les ailes oscillantes considérées effectuent un mouvement de pilonnement (translation transverse) et de tangage (rotation) dans un écoulement pour en soutirer de l'énergie. Dans la configuration en tandem, pour laquelle les ailes sont une derrière l'autre, le positionnement de l'aile arrière influence grandement l'efficacité, qui peut atteindre 40% avec un placement adéquat. Dans la configuration en parallèle, pour laquelle les ailes sont une au-dessus de l'autre, les rendements maximaux atteints sont de l'ordre de 30% en raison de l'augmentation intrinsèque de la fenêtre d'écoulement.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / Ce mémoire concerne l'étude aéroélastique des oscillations auto-soutenues en pilonnementtangage d'une aile portante montée sur des supports élastiques et exposée à un écoulement. De telles oscillations pourraient être utilisées afin de développer un nouveau type de turbine hydrocinétique relativement simple d'un point de vue mécanique. Ceci est possible car les oscillations qui résultent de l'interaction fluide-structure entre l'écoulement, l'aile et ses supports élastiques sont entretenues par un transfert d'énergie de l'écoulement vers la structure. Dans cette étude numérique, le logiciel OpenFOAM-2.1.x est utilisé afin de résoudre le problème aéroélastique. À l'aide de simulations instationnaires en deux dimensions d'un écoulement visqueux à nombre de Reynolds de 500 000, ce type de turbine est optimisé et amplement étudié afin de développer une meilleure compréhension de la physique en jeu. Suite à une optimisation de la turbine à l'aide d'une méthode de type gradients, des efficacités relativement élevées ont été obtenues. En effet, le cas optimal qui est présenté dans cette étude a une efficacité qui est de l'ordre de 34%. Cela correspond à une efficacité relativement élevée lorsqu'elle est comparée à l'efficacité d'une turbine hydrolienne cinématiquement contrainte qui est de l'ordre de 43%. Il faut noter que la version pleinement passive est mécaniquement beaucoup plus simple que la version cinématiquement contrainte. Un tel avantage mécanique peut, en soi, justifier pleinement une efficacité légèrement plus faible. De plus, la solution optimisée proposée dans ce mémoire n'est certainement pas unique et ne correspond pas au seul extremum du vaste espace paramétrique. En fait, d'autres solutions efficaces sont présentées dans ce mémoire et une optimisation complète autour de ces solutions demeure toujours à être effectuée. Dans tous les cas, ces réesultats démontrent le grand potentiel d'utiliser des ailes oscillantes pleinement passives en guise d'hydroliennes efficaces. D'un point de vue physique, ce mémoire met en valeur que le phénomène d'oscillations de cycle limite auquel l'aile est sujette est le résultat d'un flottement de décrochage. Cela est ainsi en raison de la forte interaction entre l'aile et les tourbillons largués pendant le grand décrochage dynamique. En fait, c'est spécifiquement cette interaction entre l'aile et les vortex qui donne lieu au mouvement de tangage. De plus, deux mécanismes responsables des bonnes performances de la turbine ont été mis en valeur. Ces mécanismes sont la synchronisation adéquate entre les deux degrés de liberté, ainsi que le mouvement non sinusoïdal en tangage. / This master's thesis deals with an aeroelastic problem that consists into self-sustained, pitchheave oscillations of an elastically-mounted airfoil. Such oscillations of an airfoil could be used in order to develop a novel fully-passive flow harvester that is relatively simple from a mechanical point of view. Indeed, the motion of an airfoil that is elastically mounted emerges as a result of the fluid-structure interaction between the flow, the airfoil and its elastic supports, and is sustained through a transfer of energy from the flow to the structure. In this numerical study, the OpenFOAM-2.1.x CFD toolbox is used for solving the aeroelastic problem. Through unsteady two-dimensional viscous simulations at a Reynolds number of 500,000, such a fully-passive turbine is optimized and extensively investigated to develop a better comprehension of the physics at play. Following a gradient-like optimization of the turbine, relatively high efficiencies have been obtained. Indeed, the optimal case found in this numerical study has a two-dimensional efficiency in the range of 34%. This is fairly high when compared to the two-dimensional efficiency of a kinematically-constrained turbine, which is in the range of 43%. Further, the fully-passive version of the turbine is far less mechanically complex than its kinematicallyconstrained counterpart. Alone, such a mechanical advantage could justify the slightly lower efficiency of the fully-passive turbine. Nevertheless, the optimized solution suggested within this thesis is certainly not the only local extrema of the vast parametric space pertaining to the aeroelastic device. Other efficient cases have been found, and complete optimizations about these solutions still need to be achieved. Overall, the results demonstrate the great potential of using fully-passive, flapping airfoils as efficient hydrokinetic turbines. From a more physical perspective, this thesis highlights the fact that the airfoil is undergoing limit-cycle oscillations as a result of stall flutter. This is because the interaction between the airfoil and the vortices shed during the dynamic stall events is large. In fact, it is specifically this interaction that mostly accounts for the pitching motion of the airfoil. Further, two fundamental mechanisms have been found to be very beneficial for enhancing the performances of the turbine. These mechanisms are the adequate synchronization between both degrees-offreedom, and the nonsinusoidal shape of the pitching motion.

Cette thèse concerne l’étude des ailes oscillantes flexibles et des méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première contribution concerne le développement d’un algorithme de couplage fluide-structure qui prend en charge les interactions entre un solide élastique en grands déplacements et un fluide incompressible. L’algorithme est basé sur une approche partitionnée et permet d’utiliser des codes numériques de mécanique des fluides et de mécanique des solides existants. L’utilisation d’un terme de compressibilité artificiel dans l’équation de continuité du fluide combinée à des choix algorithmiques judicieux permet d’utiliser cette méthode de couplage efficacement avec un code de mécanique des fluides utilisant une méthode de projection de type SIMPLE ou PISO. La seconde contribution est l’étude de l’effet de flexibilité des ailes sur le vol à ailes battantes. Deux principaux régimes de vol sont mis en évidence concernant la déformation de l’aile : déformation causée par la pression et déformation causée par l’inertie. Les effets de ces régimes sur la topologie de l’écoulement et sur les performance de l’aile en propulsion sont discutés. Il est montré que les cas avec des déformations causées par la pression présentent généralement des efficacités plus élevées avec une flexibilité modérée. Il en est de même pour la force de poussée lorsque l’amplitude de tangage est faible. D’autre part, lorsque les déformations sont causées par l’inertie, les performances de l’aile sont généralement réduites. Certains cas montrent une augmentation marginale des performances lorsque le synchronisme des déformations est optimal, mais ces cas représentent davantage une exception que la norme. Il est également démontré que la flexibilité peut être utilisée comme mécanisme de tangage passif tout en conservant des performances intéressantes. Enfin, un modèle d’aile oscillante flexible non contraint est présenté. Il est démontré que le mouvement de déviation observé dans la nature est une conséquence d’un phénomène aérodynamique de mise en drapeau. / This thesis concerns the study of flexible flapping wings and the related numerical methods. It thus contains two distinct themes. The first contribution is the implementation of an efficient fluid-structure interaction algorithm that handles the interaction of an elastic solid undergoing large displacement with an incompressible fluid. The algorithm is based on the partitioned approach and allows state-of-the-art fluid and structural solvers to be used. Stabilization with artificial compressibility in the fluid continuity equation along with judicious algorithmic choices make the method suitable to be used with SIMPLE or PISO projection fluid solvers. The second contribution is the study of the effects of wing flexibility in flapping flight. The different regimes, namely inertia-driven and pressure-driven wing deformations are presented along with their effects on the topology of the flow and, eventually, on the performance of the flapping wing in propulsion regime. It is found that pressure-driven deformations can increase the thrust efficiency if a suitable amount of flexibility is used. Thrust increases are also observed when small pitching amplitude cases are considered. On the other hand, inertia-driven deformations generally deteriorate aerodynamic performances of flapping wings unless meticulous timing is respected, making them less practical. It is also shown that wing flexibility can act as a passive pitching mechanism while keeping decent thrust and efficiency. Lastly, a freely-moving flexible flapping wing model is presented. It is shown that the deviation motion found in natural flyers is a consequence of a feathering mechanism.

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.