On se propose d'analyser le régime transitoire de décrochage à l'aide de la simulation numériqueinstationnaire de type DNS. Cette approche permet de reproduire avec fidélité l'écoulementdans la région critique de Bulbe de Décollement Laminaire au bord d'attaque, encoreimpossible à modéliser ou mesurer avec précision. Après une étape de validation, la sensibilitédu BDL au niveau de turbulence extérieure est étudiée et comparée favorablement à celleétablie récemment dans la littérature. La phase d'établissement du décollement massif depuisle BDL est reproduite en réalisant de petites variations d'incidence à travers l'angle critiqued'apparition du décrochage. Ce raisonnement "aux petites perturbations" permet de reproduirel'éclatement du BDL communément rattaché au décrochage statique. La déstabilisation de larégion de BDL est alors étudiée à l'aide d'une base de données instationnaires et moyennes quipermet pour la première fois de rendre compte des déformations 3D du BDL. Conservant ceprotocole, et faisant varier la vitesse du profil, on est en mesure d'évaluer l'influence de cettedernière sur le régime transitoire. Des mouvements de rotation de plus forte amplitude angulaireont permis de mettre en évidence un mécanisme de décrochage sensiblement différent duprécédent. La couche de mélange surplombant le BDL s'enroule alors pour donner naissance àun tourbillon énergétique (Leading Edge Vortex), communément associé au décrochage dynamique.Enfin, l'analyse du champ de vitesse moyen a permis de valider un critère empiriqued'apparition de l'éclatement du BDL, qui s'est révélé pertinent aussi bien pour les mouvementsde faible amplitude que ceux plus amples.

On se propose d’analyser le régime transitoire de décrochage à l’aide de la simulation numériqueinstationnaire de type DNS. Cette approche permet de reproduire avec fidélité l’écoulementdans la région critique de Bulbe de Décollement Laminaire au bord d’attaque, encoreimpossible à modéliser ou mesurer avec précision. Après une étape de validation, la sensibilitédu BDL au niveau de turbulence extérieure est étudiée et comparée favorablement à celleétablie récemment dans la littérature. La phase d’établissement du décollement massif depuisle BDL est reproduite en réalisant de petites variations d’incidence à travers l’angle critiqued’apparition du décrochage. Ce raisonnement ”aux petites perturbations” permet de reproduirel’éclatement du BDL communément rattaché au décrochage statique. La déstabilisation de larégion de BDL est alors étudiée à l’aide d’une base de données instationnaires et moyennes quipermet pour la première fois de rendre compte des déformations 3D du BDL. Conservant ceprotocole, et faisant varier la vitesse du profil, on est en mesure d’évaluer l’influence de cettedernière sur le régime transitoire. Des mouvements de rotation de plus forte amplitude angulaireont permis de mettre en évidence un mécanisme de décrochage sensiblement différent duprécédent. La couche de mélange surplombant le BDL s’enroule alors pour donner naissance àun tourbillon énergétique (Leading Edge Vortex), communément associé au décrochage dynamique.Enfin, l’analyse du champ de vitesse moyen a permis de valider un critère empiriqued’apparition de l’éclatement du BDL, qui s’est révélé pertinent aussi bien pour les mouvementsde faible amplitude que ceux plus amples. / High fidelity numerical simulation is used to study the transitory flow involved during the staIl ofan airfoil at high angle of attack. The nearly DNS resolution in the Laminar Separation Bubbleprovides the required accuracy to reproduce this complex flow that still represents a challenge forboth experimentation and modeling. The numerical procedure is comprehensively validated withparticular attention to the LSB region. The sensitivity of the LSB to an external disturbance ismonitored on the airfoil and is favorably compared with a recent study on flat plate in the literature.The destabilization of the LSB during staIl is reproduced with a small variation of the angle ofattack through the critical angle. The LSB bursting, typical of a static leading edge staIl, is thusreproduced. A comprehensive study of the unsteady events during the transitory flow is performedby means of a high frequency sampling of spanwise and short time averaged data base. Ofparticular interest is the 3D deformation of the flow captured by using a large spanwisecomputational domain (one chord length). The influence of the motion dynamic is then explored.The transitory is significantly affected by a high angular amplitude motion. The shear-Iayer in theLSB undergoes a roll-up which is found to be responsible for the formation of the Leading EdgeVortex, typical of a dynamic staIl configuration. An empirical criterion for the prediction of burstingis then assessed using the statistical data base. Results are found to surprisingly match the incipientof staIl in both static and dynamicaJ conditions.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions - deux composantes (2D-2C) et deux dimensions - trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.

Dans le cadre de la production d'électricité par énergie renouvelable, cette thèse a pour objectif de contribuer à l'amélioration des performances hydrodynamiques des hydroliennes à flux transverse conçues par HydroQuest. Pour y parvenir, deux axes d'étude principaux sont proposés. Le premier consiste à améliorer la compréhension de la performance de l'hydrolienne et de l'écoulement en son sein par voie numérique. L'influence du paramètre d'avance ainsi que celle de la solidité de l'hydrolienne sont étudiées. Les écoulements mis en jeux étant complexes, une méthode de type Simulation des Granges Échelles 3D est utilisée afin de les restituer au mieux. Le phénomène de décrochage dynamique, qui apparaît pour certains régimes de fonctionnement de l'hydrolienne, fait l'objet d'une étude à part entière sur un cas de profil oscillant.Le second axe se concentre sur les carénages de l’hydrolienne qui font l'objet d'une procédure d'optimisation numérique. Afin de pouvoir réaliser les nombreuses simulations requises en un temps réaliste, des méthodes de type Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes 2D moins coûteuses et fournissant une précision suffisante pour ce type d'étude sont utilisées. / Within the renewable electricity production framework, this study aims to contribute to the efficiency improvement of the Vertical Axis Hydrokinetic Turbines designed by HydroQuest. To achieve this objective, two approaches are used. The first consists in the improvement of the comprehension of the turbine efficiency such as the flow through the turbine by numerical means. The influence of the tip speed ratio such as the turbine soldity are investigated. The flow through the turbine is complex. A 3D Large Eddy Simulation type is thus used. The dynamic stall phenomenon which could occur in Vertical Axis Hydrokinetic Turbines is also studied in a oscillating blade configuration.The second approach consists in the numerical optimization of the turbine channeling device. To perform the high number of simulations required, a 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation type is used.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé. / The Darrieus wind turbine has entered a period of renewed interest over the last years because it may stand for an alternative solution to produce electricity in urban areas. In particular, high solidity wind turbine can be chosen to take benefit from some of its key properties for use near populated city areas. Conversely, some aerodynamic problems arise. This type of wind turbine operates at low tip speed ratio for which dynamic stall has a very significant role. The goal of this work is to provide valuable data to complement the knowledge of the dynamic stall phenomenon that occurs on a vertical axis wind turbine in order to improve existing numerical models. This study relies on a combined analysis of numerical and experimental results. The numerical simulations are based on a bidimensional unsteady vortex panel method. Effects of viscosity are introduced by adding corrections computed with a semi-empirical dynamic stall model. The experimental work focuses on the dynamics of the shed vortices existing in the vicinity of the rotor as a result of dynamic stall. The set-up consists of a straight-bladed wind turbine tested in a wind tunnel. Unsteady pressure distribution measurements along the chord and velocity fields measurements by particle image velocimetry were carried out. Results indicate how the characteristics of dynamic stall are conditioned by the tip speed ratio. Stall inception delay, magnitude of the dynamic stall vortex effects and its convection velocity were evaluated. Blade/Vortex interaction was analyzed through the observation of the vortical system downstream of the rotor. In addition, a critical review of the suitability of the Leishman-Beddoes model to effectively simulate the effects of dynamic stall was accomplished.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions – deux composantes (2D-2C) et deux dimensions – trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine. / This PhD thesis has been carried out within the framework of the HARVEST project. This research program, initiated in 2001 by the LEGI laboratory (Grenoble, France), is devoted to the development of a new marine turbine concept inspired from Darrieus turbines in order to convert kinetic energy of marine, tidal or river currents into electric energy. This work has been focused on the development of an experimental apparatus based on two dimensions – two components (2D-2C) and two dimensions – three components (2D-3C) Particle Image Velocimetry. The objective is to provide an experimental database for the local validation of 2D and 3D RANS computations and to improve our understanding of unsteady hydrodynamics phenomena experienced in this type of turbine and especially of dynamic stall. Comparison between measurements and computations enabled to identify strengths and limitations of numerical models for various operating conditions of this type of turbine.

L'enveloppe de vol des hélicoptères est limitée par le décrochage dynamique, que le contrôle d'écoulement permet de surmonter. Malgré de nombreuses études, aucun dispositif de contrôle ne s'est révélé utilisable sur un rotor. Conçu par l'ONERA, un Vortex Generator déployable (DVG) s'est révélé efficace pour limiter les effets du décrochage dynamique d'un profil OA209 en oscillation de tangage. Mais l'étude de cet actionneur est nécessaire avant son application. Le travail exposé dans le présent mémoire s'attache à reproduire par simulations numériques l'écoulement du décrochage dynamique contrôlé par DVG afin d'identifier les phénomènes physiques en jeu. Après une première partie bibliographique dédiée au contrôle de décrochage dynamique et aux Vortex Generators, une seconde partie a été consacrée à valider et étudier la simulation numérique du contrôle du décrochage statique. L'écoulement induit a pu être ainsi caractérisé par les interactions tourbillonnaires présentes du fait de l'épaisseur du DVG et qui réduisent l'efficacité du contrôle. Cette analyse a permis d'élaborer une modélisation préliminaire du DVG. Dans une troisième partie, la validation et l'étude de la simulation numérique du contrôle du décrochage dynamique a mis en évidence un effet de contrôle similaire au cas statique, et la décomposition en modes propres orthogonaux de l'écoulement contrôlé a montré une altération du mode lié au tourbillon de décrochage dynamique. Ce travail valide la simulation numérique mise en place, laisse entrevoir des perspectives d'amélioration du dispositif de contrôle et permet la simulation numérique ultérieure du contrôle de décrochage dynamique de voilure tournante. / The helicopter flight envelope is limited by dynamic stall, which can be reduced by flow control actuation. Numerous studies are dedicated to the alleviation of dynamic stall, however no actuator has ever been used on real rotor configuration. A new deployable Vortex Generator-type actuator called DVG has been designed by the ONERA and proved its efficiency over pitch-oscillating dynamic stall control of an OA209 airfoil. However, the control effect must be in-depth analyzed before further application. Therefore, the present works aims at reproducing the dynamic stall control through numerical simulations,in order to investigate the physics involved. After a first part dedicated to the literature review of dynamic stall control and Vortex Generators, a second part considered the validation and investigation of the static stall control. DVG-induced secondary flow has been characterized by its vortex interactions, which reduce the control efficiency because of the DVG thickness. This analysis made a preliminary modeling of the DVG possible. In a third part, validation and investigation of the dynamic stall control have been performed, and the actuation showed strong similarities with the static case. Eventually, Proper Orthogonal Decomposition of the flow brought evidence of Dynamic Stall Vortex mode distortion thanks to DVG presence. This work validates the numerical simulation methodology, lets hope possible improvement of the actuator design and allows further numerical simulations of dynamic stall control over real helicopter blades.

Cette thèse est consacrée à l'étude d'amortisseurs passifs non linéaires innovants pour le contrôle de l'instabilité de flottement sur un profil d'aile à deux degrés de libertés. Lorsqu'un profil d'aile entre en flottement, il oscille de façon croissante jusqu'à se stabiliser sur un cycle limite dont l'amplitude peut être significative et détériorer sa structure. Le contrôle a ainsi deux objectifs principaux : retarder l'apparition de l'instabilité et réduire l'amplitude des cycles limites. Avant d'étudier l'influence des amortisseurs passifs, l'instabilité de flottement, et notamment le régime post-flottement, a été étudié. Une expérience de flottement sur une plaque plane a été menée et sa modélisation, prenant en compte le phénomène de décrochage dynamique, a été réalisée. Concernant le contrôle passif, le premier type d'amortisseur étudié est un amortisseur hystérétique réalisé à l'aide de ressorts en alliage à mémoire de forme. La caractéristique principale de tels amortisseurs est que leur force de rappel étant hystérétique, elle permet de dissiper une grande quantité d'énergie. L'objectif principal est ainsi de réduire l'amplitude des cycles limites provoqués par l'instabilité de flottement. Cet effet escompté a été observé et quantifié expérimentalement et numériquement à l'aide de modèles semi-empiriques. Le second type d'amortisseur utilisé est un amortisseur non linéaire de vibration accordé. Il est composé d'une petite masse connectée au profil d'aile à l'aide d'un ressort possédant une raideur linéaire et une raideur cubique. La partie linéaire de ce type d'amortisseur permet de retarder l'apparition de l'instabilité tandis que la partie non linéaire permet de réduire l'amplitude des cycles limites. L'influence de l'amortisseur non linéaire de vibration accordé a été étudiée analytiquement et numériquement. Il a été trouvé que l'apparition de l'instabilité est significativement retardée à l'aide de cet amortisseur, l'effet sur l'amplitude des cycles limites étant plus modeste. / The aim of this thesis is to study the effect of passive nonlinear absorbers on the two degrees of freedom airfoil flutter. When an airfoil is subject to flutter instability, it oscillates increasingly until stabilizing on a limit cycle, the amplitude of which can be possibly substantial and thus damage the airfoil structure. The control has two main objectives : delay the instability and decrease the limit cycle amplitude. The flutter instability, and the post-flutter regime in particular, were studied first. A flutter experiment on a flat plate airfoil was conducted and the airfoil behavior was modeled, taking into account dynamic stall. Regarding the passive control, the first absorber studied was a hysteretic damper, realized using shape memory alloys springs. The characteristic of such dampers is their hysteretic restoring force, allowing them to dissipate a large amount of energy. Their main goal was thus to decrease the limit cycle amplitude caused by the flutter instability. This expected effect was observed and quantified both experimentally and numerically, using heuristic model. The second absorber studied was a nonlinear tuned vibration absorber. This absorber consists of a light mass attached to the airfoil through a spring having both a linear and a cubic stiffness. The role of the linear part of such absorber was to repel the instability threshold, while the aim of the nonlinear part was to decrease the limit cycle amplitude. It was found, analytically and numerically, that the instability threshold is substantially shifted by this absorber, whereas the limit cycle amplitude decrease is relatively modest.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier, une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentré sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé.