Aujourd'hui, la politique européenne incite les industriels de l'automobile à concevoir des véhicules "propres", ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu'ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l'origine de l'augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d'écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé "Corps de Ahmed" par une combinaison d'actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s'articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d'actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique.

Décollements are important tectonic elements in thin-skinned fold-thrust belts. However, few studies have addressed the internal structure of décollements because most are deeply buried and internal features typically cannot be resolved in seismic reflection images. Upper Jurassic evaporite exposures in the Potosí uplift of northeastern Mexico provide a unique tectonic window into the décollement of the Laramide-age Sierra Madre Oriental fold belt. In order to constrain the three-dimensional geometry of décollement structures, I mapped a ~20 km2 portion of the décollement at a scale of 1:10,000. I created a new stratigraphy for the décollement interval during mapping, and made detailed structural observations at targeted sites. The ~900 m thick décollement interval consists of gypsum with five carbonate members (up to 120 m thick) and numerous thin (<5 m) carbonate interbeds. These carbonate units delineate map-scale structural patterns and define two structural domains. The middle and upper parts of the décollement in the western domain contain map-scale folds with local map-scale boudinage and thrust faults. The eastern domain exposes the lower part of the décollement, and contains thrust repetitions of carbonate members and a regionally-persistent basal shear zone. These map relationships indicate a stratigraphic variation in structural style. Western domain folds and eastern domain thrust sheets both appear to be related kinematically to overburden folding. In contrast, the basal shear zone accommodated décollement-parallel shear strain in response to overburden translation. Folding and faulting of carbonate members and intervening gypsum units drove localization of simple shear into the basal shear zone, because only the lowermost gypsum interval maintained a favorable orientation sub-parallel to the regional transport direction throughout deformation. This investigation demonstrates that décollements have complex internal structural patterns that are below typical seismic resolution and lateral variations in structural style that cannot be reconstructed from single well cores or small outcrops. Décollement stratigraphy controls variations in strain magnitude within the décollement interval, so that previous models that invoke homogeneous strain within the décollement are incorrect. Complex, laterally-variable structural style and stratigraphic control of strain distribution could be general characteristics of décollements where the décollement interval contains significant contrasts in bed rheology. / text

Pour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement. / To improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow.

Aujourd’hui, la politique européenne incite les industriels de l’automobile à concevoir des véhicules “propres”, ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu’ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l’origine de l’augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d’écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé “Corps de Ahmed” par une combinaison d’actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s’articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d’actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique. / Nowadays, the car manufacturers are forced by the european policy to follow more and more strict rules concerning the design of “clean” automotives, in order to reduce the gas emissions responsible for the greenhouse effect. The engineers have to consider innovative solutions based on flow control, particularly for flow separation which generally has deleterious effects on aerodynamic performance. Indeed, the separation phenomena, inherent to the bluff bodies, are at the origin of thedrag increase and consequently of the fuel consumption. The work presented in this thesis is dedicated to combinated flow separation control from simplified hatchback geometry (Ahmed body) by a synthetic jet. The thesis focuses on two main axes. The first axis has allowed the characterization of synthetic jets actuators, the frequencies and the optimal amplitudes with regard to various criteria were so identified and analyzed. The second axis was dedicated to study the separation flow structures response from local periodic disturbances in order to pursuing the physics knowledge involved in the aerodynamic drag control.

La performance du système de compression des turbomachines est limitée en grande partie par les décollements tridimensionnels; ils sont plus importants au niveau des parois internes où le fluide a tendance à décélérer dans les zones de faible impulsion. Ce travail de recherche met en œuvre l'aspiration de la couche limite afin de maîtriser les décollements dans les compresseurs. Ceci est obtenu par la mise en place de dispositifs d'aspiration sur le moyeu etle profil de l'aube afin de prélever judicieusement le fluide à faible énergie dans les couches limites et ainsi augmenter le taux de compression par étage. Cette thèse est issue de travaux de recherche réalisés conjointement avec l'Ecole Centrale de Lyon (ECL), l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'ONERA. Ces travaux ont été financés par la Commission Européenne dans le cadre du programme NEWAC et l'entreprise SNECMA.Le cas test est une grille annulaire de redresseur conçu pour fonctionner avec des conditions d'entrée transsoniques. Des calculs stationnaires tridimensionnels RANS sont réalisés afin de définir la plage de fonctionnement de la grille en mettant l'accent sur l'étude des topologies d'écoulement aube-a-aube afin de comprendre la formation et la progression du décollement de coin au moyeu avec des incidences d'entrée croissantes. L'aspiration est réalisée sur le moyeu par une fente afin de mieux maîtriser les décollements tridimensionnels et ainsi accroître le taux de compression et la plage de fonctionnement. L'aspiration est sensible au débit massique aspiré; de faibles débits aspirés conduisent à des topologies d'écoulements complexes avec des performances dégradées, tandis que des débits aspirés plus élevés permettent de supprimer le décollement de coin et d'améliorer la performance à l'exception du point de plus forte incidence. L'analyse des topologies montre une recirculation de l'écoulement entre la cavité d'aspiration et la veine. Ce phénomène d'écoulement tridimensionnel très complexe influe sur la performance des aubages. Ainsi l'étude des topologies permet d'orienter le choix dans l'implémentation de systèmes conduisant à une meilleure maîtrise des écoulements.Cette stratégie d'aspiration est étudiée expérimentalement à l'EPFL où l'aspiration a été mise en œuvre au moyeu. Une nouvelle série d'études numériques réalisées avec les conditions d'entrée mesurées sur le banc d'essais associées à des hypothèses de calcul conduisent à une assez bonne concordance entre les mesures d'essais et la simulation numérique. En particulier, le décollement de coin est bien prédit par les calculs numériques.Des études théoriques ont été menées afin d'appliquer l'aspiration sur le profil de la pale et ainsi améliorer la capacité de diffusion des pales. Des études de sensibilité ont été réalisées sur divers paramètres tels que le positionnement des fentes d'aspiration et le débit aspiré qui ont conduit au choix d'une configuration finale retenue pour les essais. Des études réalisées avec de multiples et plus petites fentes d'aspiration sur le profil de la pale montrent le bien fondé de l'application d'un contrôle d'écoulement localisé sur les points critiques associés à des décollements. Ceci montre l'enjeu d'atteindre des niveaux de performance supérieurs avec des débits aspirés plus faibles.

La performance du système de compression des turbomachines est limitée en grande partie par les décollements tridimensionnels; ils sont plus importants au niveau des parois internes où le fluide a tendance à décélérer dans les zones de faible impulsion. Ce travail de recherche met en œuvre l'aspiration de la couche limite afin de maîtriser les décollements dans les compresseurs. Ceci est obtenu par la mise en place de dispositifs d'aspiration sur le moyeu etle profil de l’aube afin de prélever judicieusement le fluide à faible énergie dans les couches limites et ainsi augmenter le taux de compression par étage. Cette thèse est issue de travaux de recherche réalisés conjointement avec l'Ecole Centrale de Lyon (ECL), l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'ONERA. Ces travaux ont été financés par la Commission Européenne dans le cadre du programme NEWAC et l’entreprise SNECMA.Le cas test est une grille annulaire de redresseur conçu pour fonctionner avec des conditions d'entrée transsoniques. Des calculs stationnaires tridimensionnels RANS sont réalisés afin de définir la plage de fonctionnement de la grille en mettant l'accent sur l'étude des topologies d’écoulement aube-a-aube afin de comprendre la formation et la progression du décollement de coin au moyeu avec des incidences d'entrée croissantes. L’aspiration est réalisée sur le moyeu par une fente afin de mieux maîtriser les décollements tridimensionnels et ainsi accroître le taux de compression et la plage de fonctionnement. L'aspiration est sensible au débit massique aspiré; de faibles débits aspirés conduisent à des topologies d’écoulements complexes avec des performances dégradées, tandis que des débits aspirés plus élevés permettent de supprimer le décollement de coin et d'améliorer la performance à l’exception du point de plus forte incidence. L'analyse des topologies montre une recirculation de l'écoulement entre la cavité d'aspiration et la veine. Ce phénomène d’écoulement tridimensionnel très complexe influe sur la performance des aubages. Ainsi l'étude des topologies permet d’orienter le choix dans l’implémentation de systèmes conduisant à une meilleure maîtrise des écoulements.Cette stratégie d’aspiration est étudiée expérimentalement à l'EPFL où l'aspiration a été mise en œuvre au moyeu. Une nouvelle série d'études numériques réalisées avec les conditions d'entrée mesurées sur le banc d’essais associées à des hypothèses de calcul conduisent à une assez bonne concordance entre les mesures d’essais et la simulation numérique. En particulier, le décollement de coin est bien prédit par les calculs numériques.Des études théoriques ont été menées afin d’appliquer l'aspiration sur le profil de la pale et ainsi améliorer la capacité de diffusion des pales. Des études de sensibilité ont été réalisées sur divers paramètres tels que le positionnement des fentes d’aspiration et le débit aspiré qui ont conduit au choix d’une configuration finale retenue pour les essais. Des études réalisées avec de multiples et plus petites fentes d’aspiration sur le profil de la pale montrent le bien fondé de l'application d’un contrôle d’écoulement localisé sur les points critiques associés à des décollements. Ceci montre l’enjeu d'atteindre des niveaux de performance supérieurs avec des débits aspirés plus faibles. / The performance of the compression system of a gas turbine engine is limited for a large part by the three-dimensional separations occurring in the high pressure compressors. The effects of flow separation are more important in the endwall regions where the fluid tends to decelerate and accumulate in regions of low momentum. The theme of this research work is to implement boundary layer aspiration to control flow separations in high pressure compressors. This is achieved by implementing aspiration devices on the endwall and blade profile to judiciously remove low energy fluid in the boundary layers that enables higher pressure rise per stage. This thesis is a joint scientific work associating Ecole Centrale de Lyon (ECL), Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) and ONERA. The European Commission under the frame of the programme NEWAC and the enterprise SNECMA has financed this research work. The test case is a stator blade row designed to operate with transonic inlet conditions. Three-dimensionalsteady state RANS computational studies are done to define the operating range of the cascade with emphasis on the study of blade-to-blade flow topologies to understand the formation and progression of the corner separation on the hub wall with increasing inlet incidences. Boundary layer aspiration is implemented on the hub wall to control the threedimensional flow separations to improve the pressure rise and the operating range. The aspiration strategy is sensitive to the aspirated massflow; lower aspirated flow rate results incomplex flow separation topologies with deteriorated performance, while higher aspirated flow rate is found to suppress the corner separation and improve the diffusion capability except at the highest incidence point. The analysis of flow topologies shows the recirculation of flow between the aspiration cavity and the blade passage; a highly complex three-dimensionalflow phenomena that influences the blade performance. The study of flow topologies is instrumental in developing rationales for the implementation of flow control.This aspiration strategy is studied experimentally at EPFL where aspiration has been implemented on the hub wall. A new set of numerical studies done with inlet conditions measured from the test bench associated with rational hypothesis concludes this task with reasonable agreement between the experiments and numerical simulation. In particular, the hub corner separation is predicted well by CFD.Computational studies are done to implement aspiration on the blade profile to improve the diffusion capability of the blades; various sensitivity parameters such as aspiration slot locations, aspirated flow rate are studied and a configuration is finalised for the experiments to be followed. Some studies are performed with smaller and multiple slots on the blade profile. The results show the merit of applying localised flow control on the critical points associated with flow separation demonstrating the scope to achieve higher levels of performance with lower aspirated flow rates.

Dans le contexte des avions plus électriques, le potentiel de récupération d'énergie de ventilateurs de refroidissement embarqués est étudié. Ces compresseurs conventionnels, utilisés uniquement au sol, fonctionnent en autorotation libre en vol. Dans cette dernière configuration, appliquer un couple donné sur l'arbre permet de récupérer de l'énergie électrique, le ventilateur fonctionne alors en autorotation chargée (mode turbine). Cependant, ces géométries conventionnelles obtiennent de faibles rendements turbine, causés par des incidences fortement négatives conduisant à des décollements massifs. Il est alors nécessaire de concevoir une machine axiale réversible capable de fonctionner de manière duale en mode compresseur et turbine, avec une performance élevée dans les deux cas. Ce nouveau concept permet de capitaliser l’équipement tout au long de la mission. Dans cette étude, l'adéquation de l'approche quatre-quadrants et du formalisme psi-phi à propos du mode dual de turbomachines est soulignée, au détriment des représentations classiques séparant les performances compresseur et turbine. Une analyse du fonctionnement du mode compresseur à l'autorotation chargée a permis de mettre en évidence les propriétés génériques des écoulements d'autorotation ainsi que ce qui fait la spécificité des machines duales. Les mécanismes de l’écoulement et les paramètres géométriques impactant la performance le long de la ligne de fonctionnement ont également été identifiés. Le concept de machine duale est validé grâce aux grands rendements obtenus en essais. Enfin, une géométrie optimisée est proposée et des recommandations liées au design de machines duales sont données. / In the more electric aircrafts context, the in-flight windmilling operation of conventional onboard axial fans is regarded as a functioning mode that enables energy recovery. Poor turbine efficiencies of classical geometries, due to massive separations, require to design a reversible machine. The latter allows a dual compressor/turbine functioning with high performances in both modes to capitalize the equipment throughout the mission. In this study, the relevance of psi-phi formalism to multi-quadrant approach is underlined. The flow analysis from compressor to load-controlled windmill enables to highlight generic properties of windmilling flows as well as dual machines specificities. The flow mechanisms and geometrical parameters impacting the performances along the operating line are also identified. Finally, an optimized dual machine design is proposed.

La politique européenne recommande aux industriels de l'aéronautique de concevoir des aéronefs capables de proposer une réduction de 50% du bruit perçu, de 50% de la consommation et de 80% des émissions de gaz NOx d'ici 2020. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu'ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle en boucle fermée du décollement d'une rampe arrondie par un jet synthétique réglable en fréquence et en amplitude. Le mémoire s'articule autour de deux axes principaux. Le premier axe a permis d'étudier la réponse du décollement à une perturbation périodique par simulations numériques de type LES afin de poursuivre la compréhension de la phy- sique impliquée dans le contrôle et de définir des objectifs de contrôle. Les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second axe a été consacré au contrôle en boucle fermée de la réponse quasi-statique du système par l'application de stratégies de régulations PID, extremums-seekings optimisés et logique floue. Leur conception a nécessité l'identification d'un modèle boîte-noire non-linéaire NARX. Les algorithmes non-linéaires, en particulier celui par logique floue, se sont montrés particulièrement performants. La démarche a été validée grâce à une application en temps réel d'une régulation extremum-seeking sur simulation RANS instationnaire.