L'utilisation de revêtements abradables pour assurer l'étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d'augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d'aubes de rotor peuvent être à l'origine d'une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d'aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l'usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d'interaction entre l'aube et le revêtement abradable. Elle résulte d'une collaboration entre l'ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique - notamment en dynamique - du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d'une asymétrie du comportement en traction et en compression, l'exploitation en corrélation d'images numériques d'un essai original inspiré de l'essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L'interaction entre l'aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d'aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l'ONERA de Lille

L’utilisation de revêtements abradables pour assurer l’étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d’augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d’aubes de rotor peuvent être à l’origine d’une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d’aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l’usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d’interaction entre l’aube et le revêtement abradable. Elle résulte d’une collaboration entre l’ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique – notamment en dynamique – du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d’une asymétrie du comportement en traction et en compression, l’exploitation en corrélation d’images numériques d’un essai original inspiré de l’essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L’interaction entre l’aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d’aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l’ONERA de Lille / Abradable seals are extensively used in jet engines to ensure smaller rotor/stator dynamic clearances and lead to higher aerodynamic efficiencies. However, the resulting reduced rotor/stator gap can cause excessive seal wear and/or a significant increase in rotor blades solicitation, both of which can be highly detrimental to the engine’s structural integrity. To allow numerical modelling of such accidental scenarios, there is a need to better comprehend the blade/seal interactions as well as the contact forces involved and that can be influenced by the couplings occurring between friction, seal wear and blade vibration.This thesis aims at contributing to a better understanding of the blade/seal interaction mechanisms, in the framework of a cooperation between ONERA de Lille and the Laboratoire de Mécanique de Lille. The abradable material is of Al-Si/hBN type (Metco 320NS), commonly used in low pressure compressors. The physicochemical properties and the mechanical behaviour – under static and dynamic loading – of this abradable material are tested. Given the anti-symmetry of its tension and compression behaviour, use of the Digital Image Correlation technique to analyze an experiment derived from the Brazilian test allows qualification of the damage mechanisms. The friction behaviour of the abradable seal is studied on a tribometer using different contact configurations. Characterisation of the blade/seal interaction and of some of the associated coupling phenomena is done on a dedicated and instrumented device developed at ONERA de Lille

L’analyse de la durée de vie des joints brasés est un challenge pour les industries du spatiale, de l’aéronautique et de la défense qui ont besoin d’équipements très fiables pour des environnements sévères et de longues durées de vie. L’évolution des technologies de boitier électronique, principalement conduite par les marchés civils, introduit de nouvelles architectures et de nouveaux matériaux dont la fiabilité doit être étudiée pour les exigences de ces marchés critiques. Un des éléments critiques d’une carte électronique est l’interconnexion effectué par le joint brasé. Dans ce contexte, les connaissances des propriétés de fatigue des matériaux utilisés pour le joint brasé sont nécessaires pour développer des cartes électroniques, définir les essais accélérés de qualification ou pour réaliser des simulations de durée de vie.Les lois utilisées communément dans l’industrie sont généralement des critères simplifiés comme les lois de Coffin-Manson, basée sur la déformation inélastique, ou Morrow, basée sur l’énergie dissipée. Les déformations plastique et visqueuse sont dans ces lois indissociées et appelées déformation inélastique, supposant que les contributions au dommage des déformations plastique et visqueuse sont similaires. Cependant, la pertinence de ces lois dans le cas du matériau joint brasé et les profils de mission des marchés critiques doit être étudiée. En effet, le joint brasé possède une température de fusion faible qui entraine un comportement visqueux même à température ambiante. Celle-ci est nécessaire à l’étape d’assemblage des boitiers. Ainsi, d’importantes déformations visqueuses sont développées notamment pour les environnements sévères et les longues phases de maintien de ces marchés critiques. Dans ce contexte, il est important de prendre en compte l’interaction fatigue-fluage dans les matériaux joint brasé pour atteindre les exigences de ces applications.Les limitations de la littérature sont le manque de données expérimentales précises dissociant les déformations plastique et visqueuse en essai de fatigue. La représentativité des éprouvettes massiques par rapport à l’application finales est en effet discutable au vue de la microstructure très spécifique du joint brasé. De plus, il n’existe pas de consensus réel sur les modèles matériaux à utiliser. Dans ce contexte, un banc de mesure a été développé dans le but de réaliser des essais de fatigue en cisaillement sur des boitiers électroniques assemblés.Le temps de maintien, la température et la force appliquée ont un impact sur le nombre de cycles à défaillance. La combinaison d’une augmentation de la température avec l’ajout du temps de maintien réduit jusqu’à un facteur dix le nombre de cycles à rupture. Les courbes d’hystérésis du boitier ont été converties en contrainte et déformations plastique et visqueuse dans le joint brasé dans le but de calibrer un modèle matériau et une loi de fatigue. Les résultats montrent que l’intérêt des lois de fatigue utilisées communément est limité. Des résultats utilisant différents dispositifs expérimentaux de la littérature ont été ajoutés pour compléter ceux trouvés. Une loi de fatigue modifiée en fréquence a été testée et montre de meilleures prédictions dans le cas d’essais réalisés à différentes fréquences car elle permet de prendre des effets liés au temps comme la viscosité. Cependant, des limites avec cette loi ont été trouvées dans le cas de sollicitation avec temps de maintien. Une loi de fatigue prenant en compte l’interaction fatigue fluage a ensuite été proposée avec de bonnes prédictions notamment pour des températures plus élevées. L’évolution de la microstructure a montré que le dommage détruit la structure dendritique du joint et la remplace par des joints de tailles plus petites dans la zone proche de la fissure. La coalescence d’éléments a également été observée. Cependant, plus d’investigations sont nécessaires pour définir les marqueurs spécifiques des dommages plastique et visqueux. / Solder joints reliability analysis represents a challenge for the aerospace and defense industries, which are in need of trustworthy equipment with a long lifetime in harsh environments. The evolution of electronic packages, driven by consumer civil applications, introduces new architectures and materials for which reliability needs to be qualified for the constraints of the aerospace and defense applications. One of the most critical elements of an electronic assembly is the solder joint interconnection. In this context, the knowledge of fatigue properties of solder material is required to design the assemblies, to define accelerated tests or to perform lifetime simulations.Fatigue laws used commonly in the industry are generally simplified criteria such as Coffin-Manson relation, based on inelastic deformation, or Morrow relation, based on dissipated energy per cycle. Cyclic creep and plastic strains are mingled and formulated as a unique inelastic strain in these relationships. The underlying assumption is that damage contributions of creep and plasticity phenomena are equivalent. The relevance of these laws in the case of solder joint and the mission profiles of aerospace and defense industries can be discussed. In fact, solder joint materials have low melting temperatures which are required by the assembly manufacturing process, inducing viscous strains even at room temperature. In this context, important viscous strains are developed due to the harsh environment with high temperatures and the long maintain phases of space, defense and avionics industries. Creep-fatigue interaction must be taken into account for solder joint material in order to address these applications requirements.Limitations of the literature are the lack of clear experimental data separating plastic and creep strains during fatigue tests. Representativeness of experimental tests based on bulk samples can be discussed because of the complex microstructure of solder joints. No consensus exists on the mechanical model and the parameters. In this context, an innovative test bench has been developed to perform shear fatigue tests with assembled electronic packages in order to study creep-fatigue interaction in solder joints.Dwell time, temperature and force have an impact on the number of cycles to failure. Combined increase of temperature and dwell time reduces the number of cycles to failure until a factor of 10. The hysteresis response of the package is converted in stress and plastic and viscous strains in order to calibrate a viscoplastic model and a fatigue law. Results show limitations of classic Coffin-Manson fatigue law. Experimental results from the literature have been used to complete our test plan. A frequency modified fatigue model shows increased prediction accuracy for fatigue tests performed at different frequencies. In fact, time-dependent viscous damage is included in the law by the frequency factor. However, limitations of this law have been found in particular for long dwell time configuration. A creep-fatigue model is proposed to dissociate damages from plastic and viscous strains. This fatigue law increases prediction accuracy in the case of high temperature and long dwell time configuration. Microstructure evolutions indicate the destruction of the dendritic structure and replaced by small grains recrystallization in the area close to the fracture. Coalescence of different precipitates is also observed in the damaged area. More investigations on this topic are required in order to evaluate the specific markers of plastic and viscous damages.

Cette recherche se focalise sur les problèmes d’instabilités de combustion hautes fréquences dans les moteurs fusées. Ces instabilités sont connues pour avoir des effets néfastes et peuvent, dans certains cas, causer la destruction du système propulsif. Pour éviter l’apparition de ces instabilités, il est important de connaître les mécanismes qui entretiennent ces phénomènes dynamiques et de comprendre le couplage complexe entre l’injection, la combustion et la résonnance acoustique du système. Ce travail comprend trois parties.La première partie traite de la simulation numérique de jets non-réactifs et réactifs soumis à différentes conditions de modulation afin de comprendre les interactions entre les jets, les flammes et leur environnement. Les calculs numériques de jets ronds non-réactifs ainsi que des flammes plus complexes formées par des injecteurs coaxiaux dans des conditions transcritiques ont été effectuées avec des simulations aux grandes échelles (SGE), adaptées aux conditions gaz réels à l’aide du solveur AVBP-RG. Les jets ronds ont été soumis à des fluctuations de vitesse transverse. Il a été trouvé que pour toutes les amplitudes et fréquences de modulation, le jet est déformé et oscille dans la direction transverse. Ce comportement peut être représenté par un modèle. Les flammes coaxiales ont été soumises à une modulation de débit et de pression. La modulation induit des variations du dégagement de chaleur global. Un modèle mathématique reliant les paramètres modulés au dégagement de chaleur est proposé.La seconde partie contient les travaux expérimentaux. Dans ce cadre, un nouveau banc expérimental a été développé pour l’étude de cavités couplées pressurisées (NPCC). Le couplage entre le plénum (ou dôme) et la chambre a été étudié. Un modèle reliant les fluctuations de pression et de vitesse en sortie des injecteurs a été développé et comparés aux données d’essais. Le banc NPCC a aussi été utilisé pour acquérir plus de connaissances sur le niveau d’amortissement. Les coefficients d’amortissement ont été déterminés.La dernière partie de ce document traite du développement d’un modèle ordre réduit qui représente des mécanismes qui entretiennent et amortissent les instabilités de combustion hautes fréquences. Cette description dynamique a été incorporée dans un code de stabilité haute fréquence (STAHF). Ce code a été utilisé pour étudier un moteur à ergols liquides d’une puissance de 87 MW (le banc BKD du DLR en Allemagne) qui présente des instabilités hautes fréquences. Après le recalage de certains paramètres de contrôle, STAHF a été capable de retrouver des résultats obtenus d’essais au DLR. / This research concerns some of the issues raised by high frequency combustion instabilities in rocket engines. These instabilities are known to have detrimental effects leading, in some cases, to the destruction of the propulsion system. To avoid the appearance of such instabilities it is important to gain an understanding of the processes driving such dynamical phenomena. One has to consider the complex coupling between injection, combustion and the acoustic resonances of the system. The present work contributes to this objective by developing three items.The first deals with numerical simulations of non-reactive and reactive jets submitted to different modulation conditions to understand the interaction between jets, flames and their environment. Numerical simulations of non-reactive round jets as well as more complex flames formed by coaxial injectors operating under transcritical conditions were carried out using large eddy simulation (LES) adapted to real gas situations by making use of the AVBP-RG flow solver. Round jets were submitted to transverse velocity fluctuations. It has been found that for all amplitudes and frequencies of modulation, the modulated jet is deformed and oscillates. This behavior can be represented by a model. The coaxial flames were submitted to mass flow rate and pressure modulation. For these cases it has been found that the modulation induces variations of the global heat release rate. A mathematical relationship between the modulated parameters and the heat release rate has been proposed.The second item includes experimental investigations. For this purpose a New Pressurized Coupled Cavities (NPCC) laboratory test rig has been developed. The possible coupling between the plenum and the thrust chamber was studied. A model, linking pressure and velocity fluctuations between the plenum and the thrust chamber, has been developed. The laboratory test rig was also used to gather some knowledge on the levels of damping and the damping coefficients could be determined.The last item of this document deals with the development of a reduced order dynamical model which includes some of the driving and damping mechanisms of high frequency combustion instabilities. This dynamical description was implemented in a high frequency stability code (STAHF). This code was used to examine a 87 MW liquid rocket engine (BKD operated at DLR, Germany) exhibiting high frequency oscillations. After the adjustment of some control parameters, STAHF was able to retrieve some the features observed in experiments carried out at DLR.

Dans les années à venir, l’industrie de l’aéronautique doit améliorer le contrôle thermique des composants et modules hautement intégrés. Les approches de refroidissement standard, utilisant l’air forcé ne sont plus utilisables. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles technologies capables d’offrir des solutions compatibles avec ces nouvelles problématiques. Une revue bibliographique approfondie est présentée pour montrer les solutions existantes pour l’avionique. Les systèmes à changement de phase, tels que les boucles diphasiques capillaires (LHPs), sont très attractifs puisqu’ils peuvent être utilisés pour transporter la chaleur vers une grande surface d’un radiateur qui dissipera la chaleur vers le milieu ambiant. Une première famille de LHP, conçue et réalisée par la compagnie Atherm, et remplie avec du méthanol, est décrite. Deux autres familles de LHP sont également présentées. La première a été réalisée par la société ATHERM et a un condenseur et des lignes de transports modifiés, afin d’être intégrée sur une carte électronique existante. La deuxième famille, a été conçue et réalisée par l’Institut of Thermal Physics (ITP), sur la base de spécifications similaires. Un banc d’essai expérimental est conçu et réalisé pour tester ces systèmes. Les effets de la charge en fluide, baïonnette, et mèche secondaire, sont observés. Des tests d’orientation et d’accélération sont réalisés sur des LHPs intégrées dans un rack aéronautique. Même une certaine sensibilité aux orientations et accélérations est observée, les LHPs fonctionnement toujours jusqu’à l’accélération maximale testée de 6 G. Un modèle stationnaire d’une boucle diphasique basé sur une approche à plusieurs échelles est développé. Plusieurs niveaux de complexité et de précision peuvent être sélectionnés pour le modèle des composants individuels de la boucle, allant du modèle nodal au modèle 3D. Le modèle est validé avec les données expérimentales. Un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux est obtenu. Les résultats numériques montrent que la charge de fluide dans le réservoir affecte le comportement thermique de la LHP en modifiant la répartition des flux de chaleurs. Des gradients de température importants sont observés dans la plaque du condenseur, et un nouveau tracé de la ligne condenseur est proposé. Plusieurs modifications de l’évaporateur sont analysées. La diminution la plus importante de la résistance thermique de l’évaporateur est obtenue par une bonne disposition des rainures axiales de la mèche, associée à une semelle optimisée, ou à des rainures radiales. / In the coming years, the avionics industry will have to improve the thermal control of both existing and emerging highly integrated electronic components and modules. The standard cooling approaches using forced air are no longer applicable. It is necessary to develop new technologies being able to offer solutions compatible with those new problematic. An extensive literature review is presented to show the existing cooling solutions for avionics. Two-phase passive systems, such as LHPs are very attractive as they may be used as heat spreader, associated with a classical heat sink to dissipate the heat. A first family of LHP, designed and manufactured by the ATHERM Company and filled with methanol as the working fluid is described. Two other LHP families are also presented. The first one was manufactured by ATHERM and has modified condenser and transport line shapes, in order to be integrated into an existing electronic card. The second one was manufactured and designed by the Institute of Thermal Physics, on the same specification basis. An experimental setup is designed and built to test these LHPs. The effects of fluid fill charge, bayonet and secondary wick are observed. Orientation and acceleration tests are conducted on LHPs integrated within an avionic rack. Even if the LHPs exhibited sensitivity to orientation and acceleration, no failure of the LHP was observed up to the maximum applied acceleration (6 G). A steady state model of LHP based on a multi-level approach is developed. Various levels of complexity and precision can be selected for the model of the individual component, going from the nodal to the 3D model. The model is validated with experimental data from the laboratory tests. A good agreement is achieved between the experimental and the numerical data. The numerical results show that the fluid fill charge within the reservoir affects the thermal behavior of the LHP, by modifying the heat flux distribution. High temperature gradients are highlighted in the condenser plate and a redesign of its shape is proposed. Various modifications of the evaporator design are considered. The most important decrease of the evaporator thermal resistance is brought by a good disposition of the axial vapor grooves associated with an optimized saddle shape or radial vapor grooves.