Thèse de doctorat : sciences. Mécanique et énergétique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2007. / 136 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Mécanique et énergétique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. 136 réf.

Cette thèse vise à élargir nos connaissances sur les couches limites turbulentes (CLT) soumises à un gradient de pression adverse (CLT-GPA). Les points de mire de cette thèse sont les structures cohérentes et les mécanismes de transfert d'énergie dans les CLT-GPA avec de petits et grands déficits de vitesse. Pour faire cela, nous avons généré des bases de données de deux CLT-APG hors équilibre par simulation numérique directe. La première couche limite atteint un Re[indice θ] de 8000 et un paramètre de forme de 1.4 à 3.2. Il s'agit de la base de données principale utilisée tout au long de la thèse. La deuxième base de données a été obtenue avec le même domaine et les mêmes conditions limites que la première. La seule différence est que la turbulence est artificiellement éliminée de la région interne de la couche limite. Cette deuxième base de données est utilisée pour examiner l'effet de la région interne sur la turbulence dans la région externe. À des fins de comparaison, nous utilisons aussi des bases de données d'un écoulement de Poiseuille plan, de deux couches limites sans gradient de pression et de deux écoulements à cisaillement homogène. Les structures porteuses d'énergie et celles qui transfèrent l'énergie sont examinées à l'aide des distributions spectrales et des corrélations en deux points. L'analyse révèle que les structures porteuses d'énergie possèdent des caractéristiques spatiales et spectrales semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, contrairement aux écoulements précédents, la turbulence devient prédominante dans la région externe au lieu de la région interne. Le pic interne du spectre de (⟨u²⟩) n'existe pas dans le cas à grand déficit de vitesse. De plus, les corrélations en deux points montrent que l'organisation spatiale a aussi changé. En ce qui concerne les structures qui transfèrent l'énergie, les structures associées à la production, la pression-déformation et la dissipation se comportent comme les structures porteuses d'énergie. Les distributions spectrales de ces mécanismes sont semblables dans les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Dans le cas à grand déficit de vitesse, les distributions de production et pression-déformation dans la direction normale à la paroi changent parce que la région externe devient dominante. Cependant, les spectres 2D et le rapport de forme des structures sont semblables dans tous les cas. Les structures de production et de pression-déformation sont analysées plus en détail en utilisant leur taille relative et leur position dans la direction normale à la paroi, comme révélé par les distributions spectrales. Les résultats montrent que les spectres de production et pression-déformation ont des caractéristiques semblables dans chaque région (interne et externe) peu importe le déficit de vitesse. Dans la région interne, les résultats suggèrent que le cycle de régénération de la turbulence de proche paroi, ou un autre mécanisme possédant les mêmes caractéristiques spectrales, existe dans les CLT-GPA à grand déficit de vitesse. En ce qui concerne la région externe, la CLT-GPA à grand déficit de vitesse se comporte davantage comme une couche cisaillée libre que les CLT-GPA avec de petits déficits de vitesse et les écoulements canoniques. Mais aucune instabilité de type point d'inflexion n'a été détectée. L'effet de la turbulence de la région interne sur les structures de la région externe est examiné par l'intermédiaire des caractéristiques spatiales des structures porteuses de cisaillement turbulent à l'aide de données volumétriques spatio-temporelles. Les résultats montrent que la région externe n'est pas significativement affectée par la turbulence de la région interne. Les caractéristiques spatiales des structures dépendent principalement du cisaillement moyen. De plus, le rapport de forme des structures évolue de la même façon dans les deux régions externes de CLT-GPA (originale et modifiée) et dans l'écoulement à cisaillement homogène lorsque la taille des structures est normalisée avec l'échelle de longueur de Corrsin. La conclusion générale est que les mécanismes de transfert d'énergie turbulente restent les mêmes dans une région indépendamment du déficit de vitesse. La raison pour laquelle les distributions d'énergie et du transfert d'énergie varient dans la CLT-GPA à grand déficit de vitesse est probablement le changement du profil de cisaillement moyen dû au déficit de vitesse croissant. / This thesis aims to expand our knowledge about turbulent boundary layers (TBLs) developing under adverse pressure gradients (APG). The main focus of this thesis is coherent structures and energy transfer mechanisms in APG TBLs with small and large velocity defects. For this, two novel non-equilibrium APG TBL direct numerical simulation databases are generated. The first database is a non-equilibrium APG TBL with Re[subscript θ] reaching 8000 and a shape factor spanning between approximately 1.4 and 3.2. It is the main database utilized throughout the thesis. The second database has identical domain and boundary conditions to the first one. The difference between them is that turbulence in the inner layer of the second database is artificially eliminated. This second database is generated to examine the effect of the inner layer on the outer layer turbulence. For comparison purposes, a channel flow case, two zero pressure gradient (ZPG) TBLs and two homogeneous shear turbulence (HST) databases from the literature are employed. The energy-carrying and -transferring structures are examined using the spectral distributions and two-point correlations. The analysis reveals that energy-carrying structures in small defect APG TBLs and canonical flows have similar spatial and spectral features. In the large defect case, turbulence in the inner layer, which is the dominant region in canonical flows and small defect APG TBLs, loses its importance and outer-layer turbulence becomes dominant. The inner peak in the ⟨u²⟩ spectra does not exist in the large-defect case. Moreover, two-point correlations show that the spatial organization becomes different in the large-defect case as well. Regarding the energy-transferring structures, production, pressure-strain and dissipation structures behave in a similar fashion to the energy-carrying structures. The spectral distributions show that the canonical flows and small defect APG TBLs behave very similarly. The shape of the spectra is qualitatively similar in both cases. In the large defect case, the wall-normal distributions of production and pressure-strain become different since the outer layer becomes dominant. However, the shape of 2D spectra and the aspect ratio of structures are alike in all cases. The production and pressure-strain structures are analyzed in more detail using the relative size and wall-normal positions with respect to each other and energetic structures using spectral distributions. The results show that production and pressure-strain spectra have similar features in both the inner and outer layers regardless of the velocity defect, despite the differences in energetic structures. In the inner layer, the results suggest that the near-wall cycle or another mechanism with similar spectral features exists in large defect APG. As for the outer layer, an interesting result is that in large-defect APG TBLs it acts more like a free shear layer than in small-defect APG TBLs or canonical flows. Besides that, production and inter-component energy transfer mechanisms are similar in all cases regardless of velocity defect. No inflection point instability in the outer layer of the large-defect APG TBLs was detected. The effect of the near-wall region on the outer-layer layer structures is examined through Reynolds-shear-stress carrying structures' spatial features by detecting individual structures using spatio-temporal volumetric data. The results show that the outer layer is not significantly affected by the inner-layer turbulent activity. The structures' spatial features mostly depend on the mean shear. The aspect ratio of Reynolds-shear-stress carrying structures remains almost identical in the outer layer when the inner-layer turbulence is eliminated. Moreover, the aspect ratio follows a similar trend in both outer layers of APG TBLs and HSTs when the structures' size is normalized with the Corrsin length scale. The overall conclusion is that energy transfer mechanisms remain the same within one layer regardless of the velocity defect. The reason why the wall-normal distribution of energy and energy transfer dramatically changes in the large defect case is probably the change in the mean shear profile due to the increasing velocity defect.

Thèse doctorat : Acoustique : Villeurbanne, INSA : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 107-112.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

L'objet de cette thèse porte sur la compréhension des structures cohérentes d'une couche limite turbulente soumise à un fort gradient de pression adverse, et qui a aussi subie une transition brusque de fort gradient de pression favorable à un gradient de pression adverse. L'installation expérimentale permet d'obtenir des conditions d'écoulement correspondant au décrochage d'une aile. De grands ensembles de champs de vitesse instantanée sont acquis par "Particle Image Velocimetry" dans des plans à la paroi alignés avec l'écoulement à trois positions différentes dans la direction de l'écoulement dans la région de gradient de pression défavorable. Les investigations sur les champs instantanés de vitesse prouvent que la région supérieure de la couche limite est densément peuplée avec des signatures de tourbillons hairpin et des paquets de hairpins qualitativement semblables à ceux rencontrées dans la couche limite turbulente à gradient de pression nul. Puisque les paquets de hairpin voyagent avec la petite dispersion de vitesse, les groupes de hairpin semblent être arrangés de façon cohérente dans la direction de l'écoulement. On constate que les paquets de hairpins se prolongent parfois au-delà d'une longueur de 2[delta] et contiennent 3 à 12 tourbillons. En plus, l'estimation stochastique linéaire et les corrélations spatiales entre l'intensité des tourbillons "pro-grade/prograde" indiquent également que les empreintes sont qualitativement semblables aux paquets de hairpin trouvés dans les champs instantanés. L'angle moyen de croissance des paquets de hairpin dans la direction de l'écoulement est approximativement 11°, ce qui est plus important que dans la couche limite turbulente à gradient de pression nul. Les hairpins individuels sont aussi légèrement plus inclinés par rapport à la paroi et plus rapprochés dans la couche limite turbulente avec gradient de pression adverse. Ces différences de propriétés de hairpin sont consistantes avec les différences de taux de déformations moyens dans les deux écoulements. L'intensité des têtes de hairpin normalisée par l'échelle de temps de Zagarola-Smits a une valeur plus élevée dans le cas à gradient de pression nul par rapport à l'écoulement présent et, dans la moitié inférieure de la couche limite diminue dans la direction de l'écoulement dans ce dernier. Tout proche de la paroi, la population de hairpins diminue dans la direction de l'écoulement, alors qu'elle augmente dans la région supérieure. Ces différentes tendances des populations et d'intensité de hairpin sont compatibles avec celles des tensions de Reynolds et de la production de turbulence. C'est également compatible aux résultats rapportés que des hairpins sont la source majeure de la production de turbulence. Finalement, la taille des tourbillons normalisée par l'épaisseur de la couche limite diminue légèrement dans la direction de l'écoulement. Puisque l'écoulement moyen évolue rapidement, il est donc possible que les structures turbulentes répondent avec un certain retard aux changements de l'écoulement moyen.

L'objectif de cette thèse est d'étudier numériquement l'aéroacoustique à faibles nombres de Mach(M inf 0.3) pour un écoulement de couche limite turbulente épaisse affleurant une cavité, sur la base de simulations numériques à grandes échelles (LES). Un profil de vitesse en loi puissance et pour une couche limite d'équilibre ont servi comme conditions en entrée du domaine de calcul. La couche limite d'équilibre, sans et avec gradient de pression adverse, a été résolue par une approche asymptotique basée sur une formulation déficitaire avec un nouveau modèle de longueur de mélange. Ce dernier a été validé pour améliorer les comparaisons avec les expériences et les simulations numériques directes. Des simulations LES ont permis de regarder l'influence de l'épaisseur de la couche limite turbulente amont sur le mode d'oscillation d'une cavité L/D=4. Un accord satisfaisant avec les expériences d'Haigermoser et l'émergence du mode de cisaillement a été obtenu pour la vitesse amont de 5.8m/s. Le mode était de type sillage pour les deux autres cas tests (20et40m/s). Finalement, une simulation 3D a montré que le mode de sillage est un artefact du calcul 2D. En utilisant l'analogie de Lighthill-Curle et les champs de pression in stationnaire issus de la simulation, nous avons déterminé les niveaux de pression sonore dans le champ proche et lointain. Conformément aux expériences d'Haigermoser, une faible directivité vers l'amont est trouvée. Le mode de sillage influence très fortement les niveaux de pression acoustique. / The objective of this thesis is to study numerically the aeroacoustics of low Mach number (M inf 0.3) fow with thick turbulent boundary layer past a cavity based on Large Eddy Simulation (LES). Velocity profiles from power law and equilibrium turbulent boundary layer were imposed as inlet conditions on the computational domain. The equilibrium turbulent boundary layer profles (zero and adverse pressure gradient) have been generated using a symptotic approach with an improved mixing length model. A good agreement is observed between the computed boundary layer profiles and the profiles obtained from experiments and direct numerical simulations. LES results present the infuence of the thickness of the incoming turbulent boundary layers on the mode of oscillation in the shallow cavity of L/D=4. An agreement with the experiments of Haigermoser and the shear mode have been found for the upstream velocity 5.8m/s. Wake mode was observed for the other two test cases at 20 and 40m/s. A 3D cavity simulation is performed to show that the wake mode observed in the 2D calculations is an artifact. The hydrodynamic pressure feld obtained from the 2D simulation is used as an input to the acoustic analogy (Lighthill-Curle's analogy), to compute the acoustic pressure feld at the near and far feld of the cavities. Conforming the experiments of Haigermoser, a weak directivity of sound propagation was observed. Shear mode infuences the sound pressure levels strongly.

Cette étude, en partenariat avec l'AFB (Agence Française pour la Biodiversité), a pour objectif decomprendre le devenir des sédiments qui ont été bloqués dans des barrages hydrauliques. Lorsdes « chasses » (lâchers massifs d’eau) réalisées pour assurer la continuité écologique des coursd'eau avec retenues, une certaine quantité de sédiments est relarguée en aval de la retenue, cessédiments sont ensuite transportés sur un fond de rugosités immobiles à différentes échelles(gravier, galets, rochers). L'objectif de cette thèse est donc d'étudier comment la présence degrains grossiers et immobiles peut avoir un effet sur les différentes échelles du transport desédiment. Au travers de trois études expérimentales en canaux hydrauliques à surface libre, danslesquelles les grains grossiers immobiles sont modélisés par une canopée d'hémisphèresrégulièrement espacés, différents impacts de la présence des rugosités immobiles sont mis enexergue. Une étude préliminaire a tout d'abord pour objectif de comprendre comment l'apparitiond'une rugosité isolée dans du sédiment a pour effet de modifier les conditions d’hydrodynamiquelocale à l’amont de cette rugosité, en particulier par la mise en place d'un système de tourbillon(tourbillon en fer à cheval) pouvant accentuer le taux d'érosion locale. Ce tourbillon, trèsdocumenté pour des rugosités à géométrie simple, demeure très peu étudié dans le casd'obstacle aux parois courbées de type grains de rivière. Cette étude montre alors que lesdimensions et l'intensité du tourbillon en fer à cheval sont plus faibles dans le cas d'un obstacleaux parois inclinées et courbées que dans le cas d'un obstacle aux parois normales au fond, cephénomène étant expliqué par la facilité du fluide à contourner et l'obstacle, et donc la diminutiondu gradient de pression adverse à l'amont de l'obstacle, responsable du décollement de la couchelimite incidente et de la formation du tourbillon en fer à cheval. Dans une seconde étude,l'hydrodynamique locale proche de sédiment placé dans un patch d'hémisphères est mesuré, pourdifférents niveaux de découvrement du patch et pour du sédiment collé au fond du canal. Ilapparaît qu'en fonction du découvrement ($P = k/R$ avec $k$ la hauteur découverte d'unerugosité et $R$ sa hauteur totale), de forte variations locales de contrainte et de niveaux deturbulence au fond se mettent en place, le sédiment étant soumis à des sur-contraintesimportantes à l'arrière des rugosités pour $P = 20\%$, mais protégés pour des découvrementsplus importants. Une analyse par quadrants montre alors que ce phénomène peut être expliquépar la capacité des événements turbulents instantanés de forte intensité à pénétrer entre leshémisphères pour atteindre le sédiment. Une troisième étude dans un canal aux dimensions plusimportantes consiste à analyser la déstabilisation d’un lit sédimentaire initialement plat etrecouvrant totalement une canopée d’hémisphères immobiles. En début de la déstabilisation du lit,des dunes se forment et croissent, jusqu'à ce que leur volume devienne limité par l'apport initial desédiment. Des zones érodées apparaissent alors entre ces dunes, dans lesquelles on observe dusédiment protégé entre les hémisphères immobiles. Il apparaît alors que cette protection estdépendante de la dimension des zones érodées. Sur les temps longs et après évacuation desdunes en aval du canal, l'effet de protection des hémisphères immobiles sur le sédiment est misen avant, avec en particulier l'obtention d'une forte dépendance du taux d'érosion des grains enfonction du niveau de découvrement des hémisphères, un ralentissement soudain de l'érosionétant obtenu pour $P \sim 50 %. Ce changement de régime est expliqué en lien avec les résultatsde l’étude précédente sur les groupes d’hémisphères.

L’objectif de cette étude est d’analyser expérimentalement l’interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d’écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d’ogivesafran de gouvernail ». L’originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d’écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l’ordre de l’épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d’hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d’inflow (zone d’apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l’alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

Ce travail doctoral porte sur la synthèse expérimentale de champs de pression acoustique aléatoires sur des surfaces planes. L'objectif principal de cette reproduction est de pouvoir tester le comportement vibroacoustique de panneaux plans sous l'action de deux champs de pression aléatoires : le champ acoustique diffus et la couche limite turbulente. Une étude théorique et numérique est tout d'abord présentée, qui aborde la formulation de ce problème de reproduction sur la base de la théorie de l'holographie acoustique plane de champ proche, et qui permet de vérifier que celle-ci permet une résolution de ce problème. L'influence de nombreux paramètres est également étudiée et des points critiques dans la mise en oeuvre expérimentale de l'approche sont identifiés, parmi eux la densité élevée de sources nécessaire pour la reproduction d'une couche limite turbulente. Une première mise en oeuvre expérimentale est détaillée. Trois approches, celle basée sur l'holographie, une seconde sur la synthèse de champs sonores (ou Wave Field Synthesis ) ainsi qu'une troisième basée sur les moindres carrés sont utilisées pour le calcul des amplitudes complexes des sources de reproduction. Le concept d'antenne synthétique, pour lequel un petit élément d'un réseau est déplacé pour créer un réseau de grandes dimensions en post-traitement, sera utilisé pour résoudre une majorité des points critiques dans la mise en oeuvre. Des indicateurs vibroacoustiques fréquentiels tels que le Transmission Loss (TL) sont obtenus pour un panneau d'aluminium simplement supporté, et la comparaison avec des résultats de calculs numériques montrent que ces approches permettent l'estimation de ce TL sous les deux champs aléatoires d'intérêt. La possibilité d'estimer le TL dans le domaine des nombres d'onde est également illustrée. Une seconde mise en oeuvre expérimentale est réalisée sous la forme d'une comparaison entre la méthode décrite ci-dessus et la méthode des chambres couplées, couramment utilisée pour l'estimation du TL. Pour un panneau composite aéronautique représentatif et pour un champ acoustique diffus, les écarts entre les résultats obtenus par les deux méthodes sont jugés acceptables, et permettent une seconde validation. Parallèlement, une autre application a concerné la reproduction d'un champ acoustique diffus sur la surface d'un matériau poreux, afin d'en estimer le coefficient d'absorption sous ce champ excitateur. L'approche théorique de cette estimation est décrite et validée expérimentalement sur une mousse de mélamine, prouvant qu'elle est réalisable sous des champs acoustiques synthétisés et montrant un potentiel pour des mesures in situ. Suite à la conclusion de ce mémoire qui rappelle les résultats importants obtenus dans le cadre de ce travail doctoral, une possibilité de mesure des fluctuations de pression pariétale liées à la couche limite turbulente est finalement présentée en annexe.