Thèse de doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 365.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Lille 1, 1977. N°: 646.

Th. 3e cycle--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 150.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Les écoulements à déplacement se produisent fréquemment dans les applications naturelles et industrielles. Bien que les déplacements Newtoniens aient été pris en considération dans une grande variété d’études théoriques et expérimentales dans les dernières décennies, un nombre considérable de fluides pratiques présentent des caractéristiques viscoplastiques, rendant la prévision du comportement des écoulements plus difficile. Les écoulement de déplacement viscoplastiques sont généralement contrôlés par un équilibre entre diverses forces, y compris la force visqueuse, la force de flottabilité, la force d’inertie, contrainte d’écoulement, etc., en plus de caractéristiques miscibles et non miscibles. Une compétition entre ces forces peut conduire à des comportements imprévisibles et exotiques de déplacement. Permettant une compréhension approfondie de ces écoulements, dans cette thèse de doctorat nous avons étudié l’écoulement à déplacement d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans une géométrie simple, c.-à-d. un canal étroit et confiné. Dans la première partie de cette thèse (chapitres 1 à 3), nous étudions expérimentalement les écoulements à déplacement non-miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien. En particulier, nous analysons le mouvement d’air dans un gel de Carbopol, dans une cellule de Hele-Shaw de section rectangulaire. Cette géométrie est composée de deux plaques parallèles rigides. Nous étudions les résultats en termes d’efficacité de déplacement et de morphologie des modèles d’écoulement. Nous démontrons que les comportements complexes du gel Carbopol, c.-à-d. les fortes propriétés viscoplastiques et les faibles propriétés viscoélastiques, affectent les caractéristiques d’écoulement de déplacement. Ensuite, nous étendons cette étude au déplacement d’un gel de Carbopol par une huile de silicone afin de considérer les effets de la mouillabilité sur l’écoulement. Nous observons qu’une combinaison de comportements viscoplastiques et de mouillabilité exerce un impact significatif sur les modèles d’écoulement à déplacement, pour lesquels quatre régimes d’écoulement différents sont identifiés : un régime capillaire, un régime de contrainte d’écoulement, un régime visqueux et un régime élastoinertiel. Enfin, nous étudions les impacts du rapport d’aspect de la section transversale de la cellule sur les caractéristiques de déplacement viscoplastique. Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4 à 5), nous étudions numériquement les écoulements à déplacement miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans un long canal plan 2D. Pour un déplacement «heavy-light», l’analyse des modèles d’écoulement en fonction de divers paramètres sans dimension nous permet d’identifier trois régimes d’écoulement distincts : déplacements «center-type»/«slump- type», «back flow»/«no-back flow» et déplacement «stable/instable». Nous décrivons les effets du rapport de viscosité des fluides, de la flottabilité, de la contrainte d’écoulement et de l’inclinaison du canal sur les régimes d’écoulement susmentionnés. / Displacement flows frequently occur in natural and industrial applications. Although Newtonian displacements have been considered in a wide range of theoretical and experimental studies in the recent decades, a considerable number of practical fluids exhibit viscoplastic features, making it hard to predict the flow behaviors. Viscoplastic displacement flows are generally controlled by a balance between a variety of forces, including viscous, buoyant, inertial, yield stress, etc., in addition to miscible and immiscible features. A competition between these forces may lead to exotic, unpredictable displacement flow behaviors. To provide a deep understanding of these flows, in this Ph.D. thesis we investigate the displacement flow of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a simple flow geometry, i.e., a narrow confined channel. In the first part of this thesis (Chapters 1-3), we experimentally study immiscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid. In particular, we analyze the invasion of air into a Carbopol gel in a rectangular cross-section Hele-Shaw cell. This flow geometry is composed of two rigid parallel plates with a small gap. We study the results in terms of the displacement efficiency and morphology of the flow patterns. We demonstrate that the complex behaviors of the Carbopol gel, i.e., strong viscoplastic properties and weak viscoelastic properties, affect the displacement flow features. We then extend this study to the displacement of a Carbopol gel by silicon oil in order to consider the effects of wettability on the flow. We observe that a combination of viscoplastic behaviors and wettability exerts a significant impact on the displacement flow patterns, for which four different flow regimes are identified a capillary regime, a yield stress regime, a viscous regime and an elasto-inertial regime. Finally, we investigate the impacts of the cell cross-section aspect ratio on viscoplastic displacement flow features. In the second part of this thesis (Chapters 4-5), we numerically study miscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a long 2D plane channel. For a heavy-light displacement, analyzing the displacement flow patterns as a function of various dimensionless parameters allows us to identify three distinct flow regimes center/slump-type, back/no-backflow and stable/unstable displacements. We describe the effects of the viscosity ratio of fluids, buoyancy, yield stress and channel inclination on the aforementioned flow regimes.

Dans un contexte où la demande en électricité varie fréquemment et que l'utilisation de production d'électricité intermittente telle que l'éolien et le solaire est privilégiée, il est nécessaire d'avoir un moyen de production pour stabiliser le réseau. L'hydroélectricité est une option attirante puisqu'elle est renouvelable et a un temps de réponse au changement très rapide. Cette stabilisation entraîne cependant une augmentation drastique d'arrêts et départs des turbines hydrauliques, ce qui a un effet néfaste sur la durée de vie. En effet, d'importantes contraintes ont été observées lors du démarrage de certaines turbines, sans pour autant que soit comprise l'origine de cet effet. Afin d'améliorer notre compréhension sur la dynamique de la turbine en démarrage, des mesures expérimentales sur modèle réduit en laboratoire sont essentielles. Cette thèse présente l'évolution du comportement dynamique de l'écoulement lors de différentes séquences de démarrage sur le modèle réduit d'une turbine bulbe. Les bancs d'essai en circuit fermé comme celui installé au laboratoire de machines hydrauliques (LAMH) ne permettent pas en général de conserver constante la chute d'essai pour des phénomènes transitoires comme un démarrage. Cette recherche propose donc une méthode ingénieuse pour surmonter ce problème. Afin d'obtenir des conditions similaires aux turbines prototypes, les caractéristiques d'ouverture des directrices (angle finale, vitesse d'ouverture) ont du être adaptées. Basées sur une analyse dimensionnelle, elles sont déterminées pour évaluer l'effet de la vitesse d'ouverture des directrices sous une chute constante. L'ouverture finale des directrices est déterminée pour atteindre une vitesse unitaire choisie pour le modèle. Les trois vitesses d'ouverture sélectionnées représentent, toutes proportions gardées, ce qui peut être observé sur des prototypes. Cette étude propose également une technique innovante pour obtenir l'évolution du débit au cours du démarrage à l'aide d'un système de vélocimétrie par image de particules résolu dans le temps. L'évolution des quantités globales de la turbine, telles que le couple et le débit, est différente pour les basses et la haute vitesses d'ouverture. Un certain degré d'universalité est observé sur les nombres sans dimension pour les deux faibles vitesses d'ouverture. Pour la haute vitesse, l'écoulement semble avoir de la difficulté à suivre l'évolution du schéma d'ouverture des directrices. D'autre part, l'analyse du champ de pression sur les pales lors de la phase d'accélération de la roue montre que la roue opère comme une turbine à impulsion jusqu'à ce que le couple atteigne sa valeur maximale. Même si la machine réagit davantage comme une turbine à réaction par la suite, des phénomènes locaux apparaissent et entraînent la formation de structures importantes dans la roue, comme par exemple un écoulement de retour. Lorsque la turbine atteint le régime sans charge, à la fin de l'ouverture, la roue tourne à la vitesse unitaire choisie. Dans ces conditions, deux phénomènes sous-synchrones et des tourbillons inter-aubes sont présents. Ces phénomènes sous-synchrones sont constitués de une ou deux structures tournant autour de l'axe de la roue, en alternance apparemment aléatoire. Ce caractère bistable influence le champ de pression sur les pales dont l'évolution dépend des structures présentes. De plus, l'intensité des tourbillons inter-aubes qui apparaissent lorsque le couple atteint sa valeur maximale est également influencée par ces phénomènes. / In a context where the electricity consumption varies frequently and the use of intermittent power generation such as wind and solar is trendy, it is necessary to have a means of generation to stabilize the grid. Hydropower is an attractive option because it is renewable and has a very fast response time to load variation. However, the use of hydraulic turbines to stabilize the grid leads to a drastic increase in their stops and startups, which has a critical effect on the lifetime of the runner. Indeed, significant stresses have been observed during the start-up of some turbines, without understanding where this effect comes from. In order to improve our understanding of the dynamics of the turbine during start-up, experimental measurements on scale models in a laboratory are essential. This thesis presents the evolution of the dynamic behaviour of the flow during different startup sequences on a model scale bulb turbine. Closed-loop test benches such as the one at Laval University's LAMH are interesting because they allow experimental analyses to be undertaken on a wide range of turbines while being compact. However, they do not generally allow to keep the pressure head constant for transient phenomena such as start-up. This study proposes a first attempt to study the transient regime of start-up on this type of test bench. In order to obtain conditions similar to prototype turbines, the opening characteristics of the guide vanes (final angle, opening speed) had to be adapted. Based on a dimensional analysis, the characteristics of the experiment are determined in order to evaluate the effect of the opening speed of the guide vanes under a constant pressure head. The final opening of the guide vanes is determined in order to reach a unit speed chosen for the model. The three selected opening speeds represent, in all proportions, what can be observed on prototypes. This study also proposes an innovative technique to obtain the evolution of the flow rate during start-up using a time-resolved particle image velocimetry system. The turbine shows a different behavior between the two lowest opening speeds and the high opening speeds. The global turbine quantities such as torque and flow rate have different evolutions. A certain degree of universality is observed on the dimensionless numbers for the two lowest opening speeds. For the high speed, the flow seems to have difficulty to follow the evolution of the opening sequence of the guide vanes. In addition to the study on the global quantities of the turbine, the analysis of the pressure field on the blades during the acceleration phase of the runner presents some interesting characteristics. It shows that the runner operates like an impulse turbine until the torque reaches its maximum value. Even if the machine works more like a reaction turbine afterwards, local phenomena occur which lead to the formation of important structures in the runner, such as a return flow. When the turbine reaches speed no-load regime, at the end of the opening, the runner rotates at the selected unit speed. Under these conditions, two sub-synchronous phenomena and inter-blade vortices are present. These sub-synchronous phenomena are made up of one or two structures rotating around the axis of the runner, in apparently random alternation. This bistable character influences the pressure field on the blades whose evolution depends on the structures present. In addition, the intensity of the inter-blade vortices that appear when the torque reaches its maximum value is also influenced by these phenomena.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.