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.

L'étude effectuée au cours de cette thèse s'inscrit dans le contexte du contrôle des écoulements en turbomachines. Suite à l'intérêt avéré de l'aspiration de la couche limite en compresseurs axiaux pour en améliorer les performances, elle vise à évaluer si cette méthodologie de contrôle est pertinente en géométrie radiale. Elle s'appuie pour cela sur un compresseur centrifuge transsonique Turbomeca. Le fonctionnement du compresseur est d'abord analysé sur la base de simulations numériques stationnaires et instationnaires chorochroniques, réalisées grâce au code de calcul elsA développé par l'Onera et en utilisant le modèle de turbulence k-l de Smith. La validité des résultats numériques est vérifiée par comparaison avec les données expérimentales disponibles : performances mono-dimensionnelles et signaux de pressions instationnaires. Ces données sont issues à la fois de la caractérisation expérimentale du compresseur effectuée par Turbomeca et de campagnes de mesures menées a l'ISAE, ou le compresseur est monté sur un banc de recherche dédié à l'étude des interactions entre le rouet et le diffuseur radial. L'analyse détaillée des résultats numériques révèle le développement d'un décollement de coin dans le diffuseur, entre la paroi moyeu et la face en dépression des aubages, lorsque le point de fonctionnement se rapproche du pompage. L'étude topologique du spectre du frottement pariétal permet d'en préciser le lieu et la structure, et de localiser les points singuliers ainsi que la ligne de séparation principale. En stationnaire, la croissance du décollement aboutit au décrochage du diffuseur, et compromet les performances de l'étage de compression et finalement la stabilité numérique. L'exploitation des résultats instationnaires permet de préciser le comportement temporel de l'écoulement : l'étendue du décollement fluctue sous l'effet du défilement des ondes de pression générées par l'interaction rouet-diffuseur, mais les trajectoires des particules fluides impliquées dans le décollement sont en accord avec les lignes de courant du champ de l'écoulement moyenné temporellement. Le décollement instationnaire est fixe, et sa topologie correspond à celle prévue par les simulations stationnaires. En particulier, le lieu du décollement est prévu de façon similaire par les modèles stationnaires et instationnaires. Une stratégie d'aspiration est ensuite développée sur la base de ces observations : une fente de prélèvement est positionnée au voisinage du col de séparation principal, dont le lieu correspond à celui du maximum du gradient de pression adverse stationnaire. Cette stratégie est implémentée au sein des modèles numériques stationnaires et instationnaires. En stationnaire, un prélèvement de 1 % de la valeur totale du débit traversant le rouet permet un contrôle total du décollement dans le diffuseur, et conduit à une augmentation significative de la plage de stabilité numérique. La réduction du débit de prélèvement à 0,3 % du débit total permet un contrôle partiel du décollement, et conduit également à une augmentation de la plage de stabilité numérique. En instationnaire, le décollement de coin initial est contrôlé. Mais les résultats mettent en évidence le rôle majeur joue par le défilement des ondes de pression le long des aubages du diffuseur. Celles-ci se renforcent au passage du col du diffuseur, et engendrent l'existence d'un important gradient de pression adverse instantané. Ce maximum du gradient de pression instantané conduit au développement d'un nouveau décollement de coin, en aval de la fente de prélèvement, et la plage de stabilité des calculs instationnaires n'est pas augmentée. Ces résultats mettent en évidence la possibilité d'agir sur les décollements se produisant dans les diffuseurs radiaux à l'aide de la technique d'aspiration de la couche limite. [...]

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE entre Liebherr-Aerospace Toulouse SAS et le Département d'Aérodynamique Energétique et Propulsion (DAEP) de l'ISAE. L’étude porte sur l'analyse des mécanismes responsables de la perte de la stabilité d'un étage de compression centrifuge. L'objectif industriel sous-jacent est l'élargissement de la plage de fonctionnement stable des compresseurs. Les travaux sont abordés par voie numérique à l'aide du code de calcul elsA, développé par l'ONERA et le CERFACS. Les simulations instationnaires sont effectuées sur la circonférence complète des roues.La topologie de l'écoulement est analysée dans un premier temps selon trois points de fonctionnement stables répartis sur la courbe caractéristique de l'iso-vitesse de design. Cette analyse permet de décrire l'évolution des phénomènes lorsque le débit est réduit. Au voisinage de la ligne de stabilité, l'excès d'incidence sur les aubes du rouet déclenche le décollement de la couche limite sur la face en d’expression. Le guide issu de la zone décollée migre en direction du carter et alimente l'écoulement de jeu. En conséquence, le déficit de vitesse au voisinage du carter s'intensifie et un lâcher périodique de structures tourbillonnaires apparaît à l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal.La perte de la stabilité de l'étage s’établit suite à la naissance d'une perturbation de type « modal » au sein de l'espace lisse. Cette dernière induit de fortes distorsions circonférentielles dans l'étage de compression mais affecte plus particulièrement l'écoulement à l'entrée du rouet. Sur la moitié de la circonférence, l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal ainsi que les structures tourbillonnaires sont déplacées en amont du front de grille. Le taux total-total du rouet chute de manière brutale et entraîne la perte de la stabilité de l'étage.Enfin, la dernière partie de ce travail est dédiée à la mise en place de critères adaptés au modèle stationnaire mono-canal utilisé chez LTS. Ces critères seront utilisés pour améliorer la prédiction de la ligne de pompage en phase de design. Dans un premier temps, la pertinence de l'utilisation du modèle stationnaire au voisinage de la ligne de stabilité est évaluée. Dans un second temps, les influences de la vitesse de rotation et de la géométrie de l’étage sur la topologie sont étudiées.Deux situations sont jugées critiques vis-à-vis de la stabilité. La première concerne l'alignement de l'interface entre l'écoulement de jeu et l'écoulement principal avec le front de grille. La deuxième concerne l'opération du compresseur avec un angle d'écoulement en sur-incidence sur les aubes du diffuseur qui s'établit sur toute la hauteur de veine. / This work results from a CIFRE partnership between Liebherr-Aerospace Toulouse SAS and the Aerodynamics, Energetics and Propulsion Department (DAEP) of ISAE. The main objective is to investigate the mechanisms responsible of the stall onset in a centrifugal compressor operating at the nominal rotational speed. It is part of a larger work which aims at extending the stable operating range of compressors integrated in air conditioning system. The analyses are based on the results of unsteady simulations, in a calculation domain comprising all the blade passages. They are performed with the elsA software developed by ONERA and CERFACS.The investigations show the modifications of the unsteady flow pattern when the mass flow is reduced along the speed line. Near the stability limit, the high incidence angle on the impeller blade leads to a boundary layer separation on the suction side. The fluid in the separation zone moves toward the shroud and enlarges the low momentum flow zone generated by the leakage flow. The interface between the leakage flow and the main flow becomes unstable to the extent of a periodic vortex formation.The path to instability is driven by the growth of a small amplitude disturbance (modal wave) rotating in the vaneless space. The length scale of the wave is equal to the compressor circumference. This perturbation induces distortions and alters the flow characteristics in every location of this subsonic stage, and more specifically the impeller inlet flow structure: the unstable interface between the main flow and the leakage flow is periodically moved upstream of the leading edge plane causing a significant drop of the impeller total-to-total pressure ratio. The last part of this work concerns the definition of criteria which can improve the surge line prediction during the design process in an industrial environment. Therefore, they are adapted to the numerical steady model using the mixing plane approach. To do so, the capacity of the steady model to predict the flow structure when the compressor operates near stall is investigated. Then, the effects of the rotational speed and of the compressor geometry are evaluated. Theses two steps have permitted to define two critical situations regarding the stage stability. The first one is related to the alignment of the interface between the main flow and the leakage flow with the leading edge plane. The second one concerns the compressor operation with positive incidence on the diffuser vane, along the full span.

La présente étude a pour objectif d’évaluer l’effet de l’augmentation du jeu fonctionnel en tête d’aube de la roue mobile sur les performances globales et les instabilités aérodynamiques en compresseur centrifuge à fort taux de pression. Pour ce faire, le compresseur TM-Pi9, développé et produit par Turbomeca, installé sur le banc d’essai 1 MW du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’acoustique, a servi de support de recherche. Les mesures de performances globales, associées à des sondages par anémométrie LASER à effet Doppler ainsi que des enregistrements de pression instationnaire au carter, sur l’ensemble de l’étage de compression, ont permis d’acquérir une base de données expérimentales dans deux configurations de jeu, de la vitesse nominale (Nn) à la vitesse de ralenti (0.6 Nn). Ces résultats sont confrontés et complétés par des simulations numériques stationnaires, instationnaires chorochroniques et 360°, convergées avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS.À la vitesse de croisière, l’élargissement du jeu en tête d’aubage de 6% à 10% (taille du jeu au niveau du bord de fuite des aubes rapportée à la hauteur de veine en sortie de rouet) génère une hausse des débits de jeu, sensiblement proportionnelle à l’augmentation de l’espace fonctionnel. L’accroissement des débits de jeu ne modifie pas la position du sillage de la structure jet-sillage qui reste localisé autour de l’aube intercalaire. Le sillage devient néanmoins plus large. La modification de géométrie engendre principalement une dégradation du taux de pression de l’étage (~3%), imputable aux pertes non-visqueuses dans le rouet, c’est-à-dire une sous-déviation de l’écoulement imposée par le jet issu du jeu. L’élargissement de la hauteur de l’espace fonctionnel provoque une baisse du débit de blocage, conséquence de la réduction de la pression statique au niveau du col du diffuseur. Le rendement de l’étage subit expérimentalement une dégradation de 1%, au point de fonctionnement rendement maximum et aucune évolution proche pompage. La modification du rendement est soumise à deux effets opposés. D’une part, l’augmentation des débits de jeu provoque plus de pertes visqueuses au sein de l’ensemble des écoulements de jeu. Mais d’autre part, le sillage étant plus large, les structures tourbillonnaires sont moins confinées ; en résulte une diminution de la vorticité. L’accumulation d’entropie dans le sillage est ainsi plus faible. Quelles que soient la vitesse de rotation et la configuration de jeu, le pompage est initié de manière brutale dans le diffuseur aubé par un décollement de couches limites sur la face en dépression des aubages, proche du moyeu. Cette séparation résulte de l’interaction entre la couche limite de coin et l’onde de choc détachée du bord d’attaque des aubes du diffuseur. À faible vitesse de rotation et petit débit, une instabilité aérodynamique affecte l’inducteur du rouet (zone située entre le bord d’attaque des aubes principales et le bord d’attaque des aubes intercalaires). Elle peut être associée à une « instabilité tournante du tourbillon de jeu » qui est induite par une surincidence de l’écoulement sur les aubes principales du rouet. Il s’agit d’un phénomène de mild-stall précurseur d’un décollement tournant progressif dans le rouet. Ce dernier n’est cependant pas enregistré car le diffuseur induit le pompage à débit plus important. Des systèmes de contrôle d’écoulement dans le diffuseur et dans le rouet sont alors proposés, afin d’élargir la plage de fonctionnement du compresseur. / This present study is focused on the effect of the impeller blades tip clearance increase on the overall performance and aerodynamic instabilities in high-pressure centrifugal compressor. The test case is a centrifugal compressor stage (TM-Pi9) designed and built by Turbomeca which is used in a helicopter engine. The compressor stage is mounted on the 1 MW test rig of the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon in France. Experimental investigations consist in the overall performance acquisitions, LASER Doppler Anemometry measurements and unsteady pressure measurements up to 150 KHz for two tip clearance configurations from the nominal rotation speed to 60% of the nominal rotation speed. Steady and unsteady (phase-lagged and full simulations) simulations are also performed using the elsA code developed by the ONERA and CERFACS. Two tip clearances are tested. In the first case used as reference, the tip gap represents 6% of the section height at the impeller exit. In the second case, the impeller is moved axially, which results in an increased tip gap essentially in the radial part of the impeller. Thus in the second case, the tip clearance at the impeller exit corresponds to 10% of the section height. At the cruise rotation speed, from the reference to the increased tip clearance configurations, the tip leakage mass flows are increased. The tip leakage mass flow increase is quasi-proportional to the tip clearance height enlargement. But the position of the wake of the jet-wake flow pattern is not affected by the modification of the tip leakage mass flows. However the wake becomes wider. The tip clearance modification mainly deteriorates the total-to-static pressure ratio (~3%),which is due to inviscid losses in the impeller (under-deviation of the flow near the blades tip). A lower choking mass flow is reached in the increased tip clearance case compared with the reference configuration, due to the static pressure drop at the diffuser throat. The isentropic stage efficiency is experimentally decreased by 1% at the peak efficiency operating point. Near surge, no change in the stage efficiency is measured. From the reference to the increased tip clearance configurations, the stage efficiency is, in fact, subject to two opposite effects. On the one hand, higher tip leakage mass flows cause more viscous losses in the tip leakages and vortices. On the other hand, the wake of the jet-wake flow pattern being wider, the vortices are less confined, resulting in a decrease of the vorticity. The accumulation of entropy in the wake is thus weaker. Whatever the tip clearance configuration and the rotation speed, the surge is triggered by a boundary layer separation near the hub on the suction side of the diffuser vanes. This separation is due to the interaction between the corner boundary layer and the shock wave detached from the leading edge of diffuser vanes. At low rotation speed, disturbances in the inducer (between the leading edge of the main blade and the leading edge of the splitter blade) were recorded. These disturbances can be associated to “rotating tip clearance disturbances” which are generated by the over-flow-incidence on the impeller main blades. This phenomenon is a mild-stall precursor of a rotating stall in the impeller. The rotating stall in the impeller is not recorded because the surge occurs in the diffuser at higher mass flow. Active and passive flow control systems in the diffuser and the impeller are proposed in order to increase the operating range of the TM-Pi9 compressor.

Cette thèse est une contribution au problème du contrôle et de la gestion de l'énergie dans le cadre des systèmes hybrides à base de pompe à chaleur à entrée variable. Après un état de l'art sur les systèmes énergétiques et les pompe à chaleur, une présentation des outils expérimentaux, conçus et exploités tout le long de la thèse, est donnée. La troisième partie est constituée de la modélisation physique de la pompe à chaleur. Il s'agit du composant central utilisé pour le contrôle du système hybride. Ensuite, la stratégie de contrôle est décrite et validée à travers des résultats de simulation puis des expérimentations. La dernière partie est dédiée à la gestion d'énergie du système hybride. Plus précisément, un algorithme permettant d'optimiser l'énergie produite est proposé, puis, validé sur des sites représentatifs en France ; le cas d'étude considéré. / This thesis is a contribution to the problem of control and management of energy within the heat-pump-based hybrid systems with variable input power. After a state of the art on energy systems and heat pump, a presentation of experimental tools, designed and operated throughout the thesis is given. The third part consists of the physical modeling of the heat pump. This is the central component used for the control of the hybrid system. Then, the control strategy is described and validated through the simulation results and the experiments. The last part is dedicated to the energy management of hybrid system. Specifically, an algorithm to optimize the energy produced is proposed and validated on representative sites in France ; the study-case of this work.

La pile à combustible se présente comme l'une des sources sûres du temps post pétrole ; cependant elle a du mal à s'imposer du fait de la non-maîtrise de nombreux aspects, notamment du système auxiliaire tel que le groupe moto-compresseur assurant l'alimentation en air de la pile, et qui consomme près de 20% de son énergie. Une meilleure maîtrise du système groupe moto-compresseur permettra d'accroître le rendement énergétique. La thèse présentée a été mené dans la continuité du projet du laboratoire SET de l'UTBM de mise en place d'une plate-forme Hardware-in-The-Loop (HIL) de conception de moto-compresseurs pour l'alimentation en air de pile à combustible PEMFC dédiée aux véhicules. La thèse a donc porté sur la modélisation d'un compresseur volumétrique de type Roots tri-lobes et du développement d'un modèle et du contrôle d'un système assurant l'alimentation en air d'une pile à combustible. Dans la première phase du travail, des études sont menées sur les différentes technologies de compresseurs (turbocompresseurs, compresseurs volumétriques) afin de voir leurs possibles intégrations dans un système d'alimentation en air d'une pile à combustible. Ces études montrent que même si le compresseur centrifuge et le compresseur scroll semblent être plus adaptés, le compresseur Roots-tri-lobes reste un candidat potentiel du fait de ces nombreux avantages : efficacité volumétrique, rendement, compacité, peu d'émission sonore, etc. La seconde phase porte sur le développement d'un modèle du compresseur Roots tri-lobes basé sur la détermination analytique des volumes de contrôle et de toutes les sections de fuite en fonction de l'angle de rotation avec un minimum d'hypothèses simplificatrices. Un modèle thermodynamique est associé au modèle géométrique afin de déterminer les autres grandeurs tels que la pression (P), la température (T) et les débits massiques (q). Le modèle est implémenté en VHDL-AMS pour la simulation. La troisième phase permet de valider le modèle, en mettant en place un banc d'essais dimensionné, automatisé, équipé de capteurs et un système d'acquisition et de commande dSPACE. Les résultats simulés comparés à l'expérimentation montrent des résultats très satisfaisant. La dernière phase de ces travaux consiste à la modélisation d'un système d'alimentation en air à partir d'éléments constitutifs de base c'est-à-dire : le compresseur Roots tri-lobes, le collecteur, et une vanne. Le modèle ainsi conçu est validé à partir du même banc d'essais, mais cette fois avec l'ajout d'une vanne papillon pour le contrôle de la pression. Deux dispositifs de contrôle à savoir : proportionnel intégral et la logique floue sont proposés pour le contrôle du système. L'implémentation des contrôleurs sur le banc d'essais permet de valider les travaux de modélisation et de simulation.

Cette étude a pour objectif d’étudier différentes approches de modélisation de la turbulence sur un compresseur centrifuge industriel à fort taux de pression afin d’essayer d’élargir notre compréhension des différents phénomènes physiques mis en jeu et leur interaction avec la turbulence. D’abord, la sensibilité au maillage et au modèle turbulence est évalué sur des calculs RANS. Une analyse de simulations LES est ensuite effectuée. En particulier, une étude de l’effet de la turbulence sur l’écoulement et une comparaison aux résultats RANS et expérimentaux est réalisée. Enfin, deux approches hybrides DES sont étudiées afin d’exposer les problèmes rencontrés par ces modèles sur cette configuration. Il en résulte une évaluation des différentes méthodes et de leur applicabilité future dans un contexte industriel. / This study aims to assess the abilities of existing numerical simulation methods to predict the complex physical phenomena occurring in an industrial centrifugal compressor and especialy the effect of turbulence on the different flow features. RANS simulations are first performed using various turbulence model, then LES simulations and finally, two simulations using RANS/LES hybrid models of DES type are carried out. The whole compressor operating range is simulated using RANS, but because of LES and DES high computational costs, attention is focussed on the nominal operating point. Particular care is devoted to determine the impact of grid refinement on the simulation results. To this end, simulations are performed on three grids, respectively composed of over 8, 26 and 165 million cells. Even though the grids used do not fulfill the mesh refinement criteria recommended in the litterature for an accurate wall-resolved LES simulation, the simulation performed on the denser grid provides interesting conclusions on the turbulence generation and its interaction with the mean flow.The hybrid DES approches used involve a shield function to prevent the boundary layers to be computed in LES. However, this function is found to be unsuited to this centrifugal compressor flow. Indeed, the RANS and LES regions are not correctly located and most of the tip leakage flow is resolved using a RANS approach, preventing the development of turbulence.This work allowed us to evalute the various approches and highlight some of the problems and advantages of each for the simulation of this centrifugal compressor.

L'optimisation des performances non nominales des pompes à chaleur réversibles contribue à la réduction des consommations énergétiques du secteur tertiaire. Une modélisation thermodynamique détaillée d'une pompe à chaleur destinée au secteur tertiaire (compresseur, condenseur, détendeur, évaporateur) en régime non nominal est réalisée. Le modèle de pompe à chaleur validé par expérimentation en laboratoire et in-situ est couplé à un modèle de calcul des besoins thermiques de bâtiment afin d'évaluer les performances saisonnières de la PAC et d'améliorer la conception en fonction de ce critère. Des voies d'optimisation des performances saisonnières sont évaluées suivant deux axes principaux : -Optimum du point de vue local : optimisation par rapport à une courbe de besoins donnée ; interviennent la régulation de puissance, la conception orientée mode chaud ou orientée mode froid. Ces simulations sont réalisées sur un bâtiment tertiaire de type neuf ou existant. Une étude de sensibilité des résultats au climat du lieu d'installation est également réalisée. -Optimum du point de vue industriel : par l'intégration de composants innovants à fort enjeu concurrentiel pour un bon positionnement vis-à-vis de l'étiquetage européen des systèmes de climatisation. Les améliorations de performance sont complétées par une étude technico-économique, basée sur la décomposition des coûts de la PAC selon ses principaux composants. On détermine finalement le temps de retour de la machine optimisée en fonction du type de bâtiment et du climat.

Pour améliorer la conception des turbomachines, les industriels doivent appréhender des phénomènes aéroélastiques complexes présents dans les compresseurs comme les cycles limites d’interaction fluide-structure des fans. La compréhension et la modélisation de ces phénomènes impliquent de développer des modèles numériques complexes intégrant des phénomènes multi-physique et de valider ces modèles à l’aide de bancs d’essais. Le banc d’essai du compresseur CREATE est instrumenté pour étudier des instabilités aérodynamiques couplées à des vibrations, notamment sur le rotor du premier étage, et permet de valider des modèles numériques. La modélisation de l’écoulement en amont du premier étage du compresseur à l’aide du logiciel Turb’Flow, développé pour l’étude des écoulements dans les compresseurs aéronautiques, a permis de mettre en évidence l’importance des conditions limites d’entrée pour l’obtention de résultats précis. En particulier, il a été possible de modéliser correctement l’ingestion d’une alimentation non-homogène en entrée de la roue directrice d’entrée. Ce phénomène peut se produire en amont des fans et interagir avec un mode de la structure. Une stratégie de couplage partitionné fort explicite dans le domaine temporel a été introduite dans le logiciel Turb’Flow. Comme cette méthode présente un risque de décalage temporel à l’interface fluide-structure, une attention particulière a été portée à la modélisation de la conservation de l’énergie à cette interface. La conservation de l’énergie à l’interface est cruciale quand les déplacements sont importants et quand un comportement non-linéaire fort apparaît entre le fluide et la structure (onde de choc et amortissement structurel nonlinéaire). Parallèlement au développement du module aéroélastique, le schéma implicite de Runge- Kutta d’ordre 3 en temps (RKI-3) a été développé et évalué sur un cas de dynamique (vibration d’une aube de turbine transsonique) et sur un cas de propagation d’onde de choc. L’utilisation du schéma RKI-3 permet d’augmenter, à iso-précision, d’un ordre le pas de temps par rapport aux schémas de Gear et de Newmark. S’il apporte un gain en temps CPU pour l’étude de la dynamique des structures, il est pénalisant dans le cadre de simulation URANS. Cependant, le schéma RKI-3 est utilisable dans le cadre de simulations couplées fluide-structure. / To increase turbomachinery design, manufacturers have to comprehend complex aeroelastic phenomena involving compressors like fluid-structure interaction limit cycles of fans. The understanding and the modeling of these phenomena involve developing complex solvers coupling techniques and validating these techniques with bench tests. The bench test of the CREATE compressor is instrumented to study the coupling between aerodynamic instabilities and structure vibration, in particular on the first stage rotor, and allows to validate numerical techniques. The flow modeling upstream to the first stage with the Turb’Flow flow solver (targeting turbomachinery applications) shows that, to have accurate results, inlet limit conditions must take into account. The ingestion of non-homogeneous flow upstream to the inlet guide vane is accurately modeled. This phenomenon can appear upstream to fans and interact with structure Eigen-modes. Explicit partitioned strong coupling considered in time domain was implemented in a Turb’Flow flow solver. As there is a risk of time shift at the fluid-structure interface, careful attention should be paid to energy conservation at the interface. This conservation is crucial when displacements are large and when strong non-linear behaviors occur in both fluid and structure domains, namely shock waves, flow separations and non-linear structural damping. In parallel with coupling technique development, the three-order implicit Runge-Kutta scheme (RKI-3) was implemented and validated on a structure dynamic case (transonic turbine blade vibration) and on a case of shock waves propagation. The RKI-3 scheme allows increasing the time step of one order of magnitude with the same accuracy. There is a CPU time gain for structure dynamics simulations, but no for URANS simulations. However, the RKI-3 scheme can be to use for fluid-structure coupling simulations. The coupling technique was validated on a test case involving tube in which the shock wave impinges on a cross flow flexible panel, initially at rest. This case allows modeling an interaction between sonic flow and a panel movement with a tip clearance. Some numerical simulations were carried out with different temporal schemes. The RKI-3 scheme has no influence on results (compared with Gear and/or Newmark scheme) on the energy conservation at the fluid-structure interface. Compared to experimental results, pressure is in fairly good ix Liste des publications agreement. The analysis of numerical results highlighted that a vertical shock tube with up and down waves creates pressure fluctuation. Frequency is under predicted and amplitude is not in fairly good agreement. The panel root modeling might be questionable.

Cette thèse est le fruit d’un partenariat entre la société Johnson Controls et l’université Bordeaux1. L’objectif s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement de pompe à chaleur innovante et est de développer un compresseur centrifuge à haute compression. Pour ce faire, un modèle numérique a été créé afin de simuler l’écoulement dans ce type de compresseur. Afin de respecter des impératifs industriels, une première géométrie a été établie par modifications itératives de divers paramètres et analyse des performances induites. L’écoulement a ensuite été étudié plus précisément, particulièrement pour mieux comprendre l’apparition des décollements. Enfin, une étude instationnaire de l’écoulement dans le diffuseur a été effectuée. Au delà des phénomènes physiques étudiés et appréhendés au cours de ce processus, c’est avant tout une méthodologie qui valorise ce travail. / This thesis is the result of a partnership between the company Johnson Controls and the university Bordeaux1. The objective is part of a project to develop innovative heat pump and involves the design of a high head centrifugal compressor. To do this, a numerical model is created to simulate the flow in this kind of compressor. To observe industriel deadlines, a first geometry was established by iterative changes of various parameters in analysing induced effiencies. The flow was then studied further, especially to better understand the onset of flow separation. Finally, a study of unsteady flow in the diffuser was performed. Beyond the physical phenomena investigated and comprehended during this process, it is firstly a methodology that values this work.