Les décollements d'écoulement induits par choc et leur éventuel réattachement sur paroi sont observés dans de nombreuses configurations d'intérêt pratique, incluant les entrées d'air, les profils transsoniques ou les tuy`eres de lanceurs spatiaux. Ces phénom`enes mettent en jeu des interactions complexes entre couches limites et ondes de choc ou de détente conduisant à des instationnarités à basses fréquences dont l'origine reste aujourd'hui à élucider. Cette étude vise d'une part à proposer une stratégie numérique permettant de prévoir plus précisément ces phénom`enes de décollement et d'autre part d'identifier les principaux mécanismes physiques qui pilotent l'évolution de leur structure globale. L'étude porte plus particuli`erement sur les configurations de décollements libres ou séparés apparaissant en tuy`ere optimisée en poussée opérant en régime surdétendu. Différents mod`eles phénoménologiques sont ainsi testées pour décrire l'évolution du champ de pression instationnaire et dissymétrique en fonction du niveau de surdétente. La stratégie numérique proposée repose sur la combinaison de schémas à capture de choc d'ordre élevé (WENO 5), d'algorithmes d'intégration implicite en temps et d'une modélisation de la turbulence étendant l'approche Detached Eddy Simulation via l'ajout de corrections de réalisabilité. Une large plage de niveaux de surdétente est considérée, à la fois en condition d'entrée stabilisée et transitoire, afin de clarifier les conditions d'existence des différents régimes de décollements libres et restreints, ainsi que l'évolution temporelle de la morphologie globale de l'écoulement transitant entre ces deux régimes. L'évolution instationnaire de l'écoulement est simulée sur des temps suffisamment longs pour permettre une analyse spectrale des contributions des premiers modes azimutaux à la dynamique basse fréquence du champ de pression pariétale.

Le contrôle d'écoulement permet d'éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s'intéressent plus particulièrement au contrôle actif d'écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l'équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l'écoulement autour du modèle à l'aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l'écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d'une séparation sur le volet, un peu comme sur l'extrados d'une aile d'avion. L'utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d'étudier et d'optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi

Le décollement de la couche limite sur un volet est responsable de pertes de performances importantes, telles qu'une chute de la portance et une augmentation de la traînée, lors des phases de décollage et d'atterrissage d'un avion. Les aéronefs modernes sont équipés de volets dont le déploiement laisse apparaître une fente qui permet d'augmenter la portance aux faibles vitesses. Les mécanismes de déploiement associés sont lourds et complexes. Dans le but de les simplifier, l'idée consiste à supprimer la fente entre le volet et l'aile, et à la remplacer par un dispositif de contrôle du décollement de type " soufflage pulsé ". Les travaux de thèse proposent l'adaptation temps-réel en boucle fermée des paramètres du soufflage, c'est-à-dire la quantité de mouvement injectée dans l'écoulement et la fréquence de forçage. Les algorithmes de contrôle développés durant l'étude ont permis de répondre à deux objectifs, le premier étant de maintenir l'écoulement attaché lors d'un braquage progressif du volet, et le second de garantir une portance maximale malgré le décollement qui survient inévitablement aux forts angles de braquage lorsque l'apport de quantité de mouvement du contrôle est trop faible. Ces deux objectifs se classent respectivement dans le cadre du contrôle direct du décollement (flow separation control) et le cadre du contrôle des écoulements décollés (separated-flow control).

L'amélioration de la performance des turbomachines fonctionnant loin de leur point d'adaptation passe par la maîtrise des phénomènes instationnaires qui se produisent dans ces différents organes. L'étude présentée ici se concentre sur les interactions entre une roue de ventilateur centrifuge et son diffuseur. Elle vise, par des mesures de pression sur les différentes parois du diffuseur, ainsi que par des sondages dans les canaux inter-aubages à analyser finement ces phénomènes instationnaires et notamment les décollements fluctuants apparaissant sur les aubes à sur débit, et à mesurer leur influence sur la performance du diffuseur. Dans un second temps, un dispositif de contrôle passif de ces décollements utilisant des générateurs de vortex est proposé. Plusieurs configurations sont testés et leurs résultats sont comparés

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation.

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation. / More and more knowledge related to flows behind road vehicles must be provided to improve their aerodynamic performances. This PhD thesis deals with experimental studies carried out in a wind tunnel, and enables analysis and understanding of physical mechanisms related to three-dimensionnal and unsteady separated flows that develop behind road vehicles. More specifically, it focuses on the generic model of Ahmed body that recreates flows behind common fastback cars (rear window and rear part). This study compares two models with different shape, the first one having a sharped edge between the roof and the rear window enabling the development of a separated region, and the second one having a rounded edge preventing separation. Analysis and understanding of the time averaged topology of both flow configurations are performed to characterize interactions between the three-dimensionnal separation and the other structures. More specifically, it is observed that suppressing separated region over the rear window changes the flow topology behind the rear base with a drag reduction of approximately 10%. Results show that the influence of the separated region is not strong enough to modify the location of the longitudinal vortical structures, which develop at each side of the model, but is strong enough to slightly modify their intensity. Spectral analysis of the velocity and pressure fluctuations indicates that the separated region is characterized by pseudo-periodic unsteady activities. Proper Orthogonal Decomposition of instantaneous velocity and pressure fields shows that these activities are respectively related to a flapping mechanism of the separated zone moving between a shrinked state and an enlarged state, and a large scale vortices emmission resulting from the shear layer of the separated region.

Le tremblement est un phénomène qui touche diverses parties de l'avion, pouvant créer des problèmes de fatigue structurelle ou de confort et limiter l'enveloppe de vol. Il est par conséquent important de comprendre ce phénomène afin de mieux le prévoir. Quatre types de tremblement sont étudiés dans cette thèse, le tremblement de l'empennage horizontal, le tremblement intrados voilure, le tremblement de l'APF et le tremblement de l'extrados voilure. La première partie du mémoire détaille la physique de ces phénomènes à partir d'informations recueillies dans la littérature et de l'analyse de différentes campagnes d'essais en soufflerie. Cette partie met ainsi en évidence les caractéristiques instationnaires propres à chaque type de tremblement. La deuxième partie présente l'état de l'art sur la prévision du tremblement, permettant de montrer non seulement les défauts associés aux méthodes antérieures de modélisation mais également les avantages de l'utilisation de certains outils comme l'approche numérique pour mieux comprendre ces phénomènes. Finalement, la troisième partie présente le nouveau modèle semi-empirique basé sur les fonctions de cohérence et développé pour mieux représenter les phénomènes de tremblement étudiés. Une validation de ce modèle a été effectuée sur les différentes campagnes d'essais en soufflerie, donnant des résultats probants pour la plupart des phénomènes étudiés. / The buffeting is a phenomenon that can affect various parts of the aircraft creating problems of structural fatigue or comfort as well as limiting the flight envelope. It is hence important to understand this phenomenon in order to be able to better predict it. Four types of buffeting are studied in this thesis, the horizontal tail plane buffeting, the wing lower surface buffeting, the APF buffeting and the wing upper surface buffeting. The first part of the thesis describes the physics of these phenomena based on the information collected in the literature and analysis of different wind tunnel test campaign data. This section highlights the unsteady characteristics of each buffeting phenomenon. The second part presents the state of the art of the buffeting prediction, showing not only the difficulties associated with previous modelling methods but also the benefits of the use of certain tools such as CFD to better understand these phenomena. Finally, the third part presents the new semi-empirical model based on coherence functions and developed to better predict the different types of buffeting. A validation of this model was performed on various wind tunnel tests campaigns giving very good results for most of the analysed phenomena.

L'amélioration de la performance des turbomachines fonctionnant loin de leur point d'adaptation passe par la maîtrise des phénomènes instationnaires qui se produisent dans ces différents organes. L'étude présentée ici se concentre sur les interactions entre une roue de ventilateur centrifuge et son diffuseur. Elle vise, par des mesures de pression sur les différentes parois du diffuseur, ainsi que par des sondages dans les canaux inter-aubages à analyser finement ces phénomènes instationnaires et notamment les décollements fluctuants apparaissant sur les aubes à sur débit, et à mesurer leur influence sur la performance du diffuseur. Dans un second temps, un dispositif de contrôle passif de ces décollements utilisant des générateurs de vortex est proposé. Plusieurs configurations sont testés et leurs résultats sont comparés / The performance improvement of turbomachinery operating at off-design conditions can be achieved by the understanding of unsteady phenomena which are occuring in its components. The present study is focussing on the interaction between a centrifugal impeller fan and its vaned diffuser. It aims at analysing precisely these unsteady phenomena (and especially the fluctuating separated region identified on the vanes wall) and their consequences on the diffuser performance by three holes probe and unsteady pressure measurements. In a second step, devices for a passive control of the separation are introduced. Several configurations are tested and their results are compared

Le décollement de coin est un phénomène pouvant apparaître sur les avions au niveau par exemple de la jonction voilure/fuselage. Cela dégrade les performances de l'appareil. Considérant le peu de connaissances relatives à ce sujet, les avionneurs choisissent généralement des modifications empiriques pour y faire face. Cette thèse a consisté à étudier la dynamique d'un écoulement de jonction simplifié caractérisé par un décollement de coin modéré, et à évaluer des méthodes numériques couramment employées dans l'industrie pour la prévision de ces écoulements. Les travaux ont débuté avec une synthèse bibliographique. Les phénomènes présents au sein d'un écoulement de jonction simplifié ont été détaillés et les trois principaux sont le tourbillon en fer à cheval, le tourbillon de coin et le décollement de coin. Ensuite, à l'aide de l'approche numérique et de données expérimentales, il a été montré que le décollement de coin modifiait significativement le champ turbulent et que sa dynamique était apparentée à celle du tourbillon en fer à cheval. La comparaison de différents modèles de turbulence a confirmé que l'anisotropie de l'écoulement de coin devait être prise en compte dans la modélisation pour générer des simulations numériques comparables aux observations faites en soufflerie. L'étude du décollement de coin doit encore être poursuivie sur d'autres configurations pour permettre une éventuelle généralisation de ces résultats et les compléter. L'approche numérique doit aussi être améliorée afin de pourvoir à la complexification des situations, et l'utilisation de la ZDES mode 3 permettrait également de progresser dans la compréhension physique des écoulements de jonction. / Corner flow separation may occur on airplanes at the wing/fuselage junction for instance. Airplanes performances are then likely to be reduced. This issue is still not thoroughly understood and therefore, many wind-tunnel and flight tests are carried out in order to prevent the occurrence of this phenomenon. This thesis has consisted in studying the dynamics of a simplified junction flow characterized by the presence of a mild corner separation, and in investigating some of the standard CFD methods used in the industry for those kind of flows. First, a literature review showed that the main features of junction flows are the horseshoe vortex, the corner vortex and the corner separation. Thereafter, through the use of numerical and experimental data, it has been shown that the corner separation significantly influenced the turbulent field and its unsteady behavior was linked to the horseshoe vortex one. Comparisons between standard and advanced turbulence models have confirmed that second order closures are needed to accurately predict corner separations. Other juncture flows applications can still be further investigated in order to broaden the application spectrum of the present results. The understanding of the physics of juncture flows may also be improved, for instance using eddy resolving simulations such as ZDES mode 3. Robustness and accuracy of the advanced turbulent closures should be increased to allow reliable juncture flow computation at early design stages.

Le décollement de la couche limite sur un volet est responsable de pertes de performances importantes, telles qu'une chute de la portance et une augmentation de la traînée, lors des phases de décollage et d'atterrissage d'un avion. Les aéronefs modernes sont équipés de volets dont le déploiement laisse apparaître une fente qui permet d'augmenter la portance aux faibles vitesses. Les mécanismes de déploiement associés sont lourds et complexes. Dans le but de les simplifier, l'idée consiste à supprimer la fente entre le volet et l'aile, et à la remplacer par un dispositif de contrôle du décollement de type " soufflage pulsé ". Les travaux de thèse proposent l'adaptation temps-réel en boucle fermée des paramètres du soufflage, c'est-à-dire la quantité de mouvement injectée dans l'écoulement et la fréquence de forçage. Les algorithmes de contrôle développés durant l'étude ont permis de répondre à deux objectifs, le premier étant de maintenir l'écoulement attaché lors d'un braquage progressif du volet, et le second de garantir une portance maximale malgré le décollement qui survient inévitablement aux forts angles de braquage lorsque l'apport de quantité de mouvement du contrôle est trop faible. Ces deux objectifs se classent respectivement dans le cadre du contrôle direct du décollement (flow separation control) et le cadre du contrôle des écoulements décollés (separated-flow control). / Boundary layer separation from flaps is responsible for large performance losses during take-off and landing phases of an aeroplane flight, including loss of lift and drag increase. On modern aircraft, a slot located between the wing and the flap enables to increase lift at low speed. To manage this slot, flap deployment systems are very complex and heavy. It would be of interest to simplify them and replace the slot by separation control devices whose parameters such as injected momentum and forcing frequency can be adapted in closed-loop and real-time. The present study aims at developing algorithms to control those parameters in order to fulfill two objectives, the first one is to maintain the flow attached when the flap is progressively deflected, the second one is to provide maximum lift despite of massive separation at high flap deflection angles, when the momentum injected into the flow is no more sufficient to reach full reattachment. In the literature, the first objective is related to the framework of flow separation control, and the second one to the framework of separated-flow control