Ce mémoire de maîtrise présente l'étude réalisée an d'obtenir une mesure de référence du frottement pariétal dans le canal hydrodynamique conçu par Coulaud (2013). Ce canal est destin é à étalonner des capteurs de frottement pariétal afin de pouvoir obtenir un meilleur aperçu de l'écoulement dans les turbines hydrauliques. Le canal hydrodynamique du laboratoire doit alors représenter un écoulement de Poiseuille plan dont le frottement pariétal moyen est connu. Ainsi, le frottement pariétal moyen a été obtenu par une mesure du gradient longitudinal de pression. Utilisée lors des essais préliminaires de Coulaud (2013), cette méthode a été améliorée par l'emploi d'un manomètre à 13 colonnes d'eau. À cause du rapport de forme du canal, le frottement pariétal moyen obtenu par le gradient longitudinal de pression doit être corrigé (Vinuesa et al., 2015) pour devenir une valeur de référence. Afin de vérifier ces résultats, une autre méthode de mesure du frottement pariétal basée sur les fluctuations des composantes débitante et transversale de la vitesse a été mise en place. Un système de vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) a été utilisé pour ces expériences. Avec les deux méthodes de mesure, la tendance d'évolution du frottement pariétal moyen en fonction du nombre de Reynolds est identique. Par contre, un écart significatif entre les valeurs obtenues est mesuré. En effet, par la méthode utilisant le LDV, la valeur du frottement pariétal moyen est toujours supérieure à celle issue du gradient longitudinal de pression. Dans l'objectif de confirmer que l'écoulement dans la section centrale du canal était conforme à l'écoulement de Poiseuille plan, le même système LDV a été utilisé. En effet, les profils transversaux des grandeurs moyennes et des niveaux de turbulence des composantes débitante et transversale de la vitesse ont montré que l'écoulement est pleinement développé et bidimensionnel. / This Master's thesis presents the study conducted to obtain a reference measurement of the wall shear stress in the hydrodynamic channel designed by Coulaud (2013). This channel is destined to calibrate wall shear stress sensors in order to get a better understanding of the flow in hydraulic turbines. The laboratory's hydrodynamic channel therefore needs to recreate a planar Poiseuille flow in which the mean wall shear stress is known. Thus, mean wall shear stress was obtained by measuring longitudinal pressure gradient. Used during preliminary tests of Coulaud (2013), this method was improved with a 13 water columns manometer. Because of the aspect ratio of the channel, wall shear stress obtained by this method needs a correction (Vinuesa et al., 2015) to provide a reference value. In order to verify those results, another wall shear stress measurement method based on fluctuations of longitudinal and transverse velocity components was performed. A laser Doppler velocimetry system was used for these experiments. Both methods present the same trends. However, a significant deviation between obtained values is measured. Indeed, with the LDV method, mean wall shear stress values are always greater than those from longitudinal pressure gradient method. To conform that the flow in the central core of the test section was equivalent to a planar Poiseuille flow, the LDV system was used. Indeed, transverse profiles of mean and turbulent levels of longitudinal and transverse velocity components demonstrate that the flow is fully developped and two-dimensional.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Ce mémoire de maîtrise porte sur la modélisation numérique de la problématique d'ingestion de gaz chauds dans la cavité rotor-stator du premier étage d'une turbine à gaz moderne. Dans le contexte de développement d'une aviation plus écologique, ce sujet mérite une attention marquée car des gains importants en ce qui a trait à l'efficacité globale du moteur peuvent être atteints par de meilleurs designs de joints rotor-stator limitant l'ingestion. La modélisation physique des phénomènes affectant l'ingestion devient alors essentielle afin de développer une meilleure compréhension des écoulements et mécanismes en présence. C'est dans cette optique que Pratt & Whitney Canada a mandaté le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l'Université Laval afin de conduire une étude approfondie du phénomène d'ingestion. Ce mémoire a donc pour objectif principal de décrire le développement, l'application et la validation de certaines techniques de simulation numérique visant à caractériser qualitativement et quantitativement le phénomène d'ingestion observé à travers le joint et dans la cavité du groupe rotor-stator d'une turbine à gaz. Une investigation des limites de fiabilité d'une telle modélisation numérique dans un contexte réel d'opération du moteur est également présentée. La paramétrisation adéquate du problème et la validité d'extrapoler des résultats numériques d'ingestion obtenus aux conditions "banc d'essai" afin de prédire l'ingestion réelle aux conditions "moteur" font également partie des sujets abordés dans ce mémoire. La méthodologie développée considère deux phases de calculs menant à des diagnostics d'ingestion par le biais d'un marqueur passif. Une série de validations numériques et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont également présentées. La méthodologie de modélisation numérique est considérée robuste et fiable, mais seulement partiellement validée.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Le présent mémoire a comme objectif principal de procéder à la simulation d'un aspirateur de turbine existant en utilisant le DES, soit une nouvelle approche de modélisation de la turbulence. Il est postulé que la meilleure représentation de l'écoulement instationnaire qui existe dans cette partie de la machine pourrait faire la lumière sur la discordance entre la courbe de rendement applatie mesurée en centrale et la courbe prédite par les simulations RANS. Afin de procéder à ces simulations avancées, l'approche DES est d'abord testée avec un cas d'écoulement tourbillonnant dans un diffuseur conique pour lequel des données expérimentales sont disponibles. Par la suite, le cas de l'aspirateur réel est traité et plusieurs comparaisons entre les approches RANS, URANS et DES sont dégagées. Les résultats démontrent l'importance d'établir une méthodologie rigoureuse pour appliquer l'approche DES à un écoulement tourbillonnant dans un diffuseur. Principalement, le phénomène néfaste propre au DES de la séparation induite par le maillage (GIS) se manifeste très facilement pour ce type d'écoulement. Il est montré que les modèles qui protègent la couche limite, nommément les modèles DDES SA et DDES SST, sont beaucoup plus polyvalents et mieux adaptés à ces écoulements. Aussi, l'analyse des conditions d'entrée a montré, tant pour le diffuseur que pour l'aspirateur, que le niveau de viscosité tourbillonnaire qui y est prescrit doit être significativement plus faible que celui imposé en RANS. Les résultats finaux montrent une claire supériorité de l'approche DDES sur l'approche URANS pour prédire les instationnarités présentes pour les cas étudiés. Plus particulièrement pour l'aspirateur, le DDES permet de faire une analyse du tourbillon de sortie de roue et de ses caractéristiques associées à la charge. Par rapport à la prédiction de la performance, l'utilisation du DDES ne modifie pas la forme de la courbe de rendement. Il semble que la prédiction de la performance de l'aspirateur soit majoritairement gouvernée par la modélisation RANS en proche paroi et que le plateau dans la courbe de rendement mesurée ne soit pas entièrement attribuable à un phénomène instationnaire prenant place au centre de l'aspirateur.

Cette étude traite de l'optimisation d'un échangeur de chaleur constitué d'une juxtaposition de différentes couches de matériaux poreux. Grâce à un réseau interne de pores, un fluide refroidissant est libre de circuler à travers l'échangeur par convection naturelle. La problématique consiste à déterminer la distribution optimale de porosité et l'ordonnancement idéal des matériaux de la série de couches qui minimisent la température maximale dans le refroidisseur. Au cours de cette analyse, la chaleur transmise au système émane d'une plaque chaude adjacente au stratifié. Le flux thermique est donc fixe sur cette frontière. Le champ de température et l'écoulement, déterminés selon les caractéristiques physiques et dimensionnelles du stratifié, sont calculés de manière numérique. Les équations de conservation de quantité de mouvement et d'énergie sont résolues par une méthode basée sur les volumes finis. Le processus d'optimisation se rattachant à la distribution de porosité et à l'assignation des matériaux dans le stratifié est réalisé à l'aide d'un algorithme génétique (AG). De plus, une composition optimale du système, correspondant à un minimum global, peut être atteinte sous certaines contraintes, s'exprimant notamment en matière de coût et de masse. Cette approche permet également de dimensionner l'échangeur, car l'AG a la capacité d'éliminer une portion du stratifié afin de répondre aux exigences demandées. / In order to meet modem engineering needs in terms of cooling Systems (e.g., cooling of electronics), porous structures (e.g. metallic foams) are regarded as an interesting alternative to fins due to their large surface of heat transfer per volume. In this paper, we investigate the optimal configuration of a porous medium structure in order to reduce its thermal resistance. The System studied represents a stacking of porous layers, in which a cooling fluid circulates, adjacent to a heat-generating surface. The flow within the staking is driven by natural convection. The objective of this work is to minimize the hot spot temperature of the system. The design variables are the porosities and materials of each layer. The thermal performance is evaluated with a CFD code based on the finite volume approach. The hot spot temperature minimization is pursued under global mass and cost constraints, with a genetic algorithm (GA). The GA determines the optimal porosities and solid material of each layer. Purthermore, the optimal total length of the stacking is indirectly determined by the GA as layers can be added or removed in order to improve the global performance and satisfy the constraints. The results of the present study reveal that an appropriate distribution of porosity and material benefits the minimization of the temperature in a layered porous medium.

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence. / This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.

En aérodynamique automobile, les écoulements sont caractérisés par des structures fortement décollées, tridimensionnelles et instationnaires qui sont à l'origine de la trainée du véhicule et de la génération de bruit. Une configuration modèle générique de cette aérodynamique a été proposée. On étudie de manière expérimentale l'interaction du sillage tridimensionnel d'un disque de diamètre D placé à une distance H d'une paroi. Sur la base de cet écoulement, l'objectif est de développer une analyse instationnaire des structures de l'écoulement et de leur couplage avec la pression fluctuante. On a mis en oeuvre pour cela des moyens d'essais modernes tels que la mesure synchronisée pression/vitesse ou la mesure HS-PIV (High Speed - PIV) et développé des moyens d'analyse (analyse corrélatoire, outils lagrangien FTLE, moyenne conditionnelle et estimation stochastique). Pour H/D=0.75, le battement du sillage associé au lâcher tourbillonnaire est mis en évidence. Les moyennes de phase, déterminées à l'aide d'une analyse POD du signal de pression, associent le déplacement vertical du sillage au lâcher de structures cohérentes dans le plan de symétrie. L'utilisation de l'estimation stochastique de type spatio-temporelle, dont la supériorité par rapport à l'approche spatiale a été démontrée, a permis de montrer que les structures cohérentes sont reliées de manière linéaire aux fluctuations de pression. Pour H/D=0.3, l'interaction du sillage du disque avec la paroi a considérablement changé. Dans la zone proche du point de décollement, il a été montré à l'aide de l'outil lagrangien FTLE que la fréquence dominante de 30Hz sur les DSP de pression est associée aux fluctuations du point de décollement.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse porte sur la dynamique des grandes échelles des écoulements géophysiques turbulents, en particulier sur leur organisation en écoulements parallèles orientés dans la direction est-ouest (jets zonaux). Ces structures ont la particularité d'évoluer sur des périodes beaucoup plus longues que la turbulence qui les entoure. D'autre part, on observe dans certains cas, sur ces échelles de temps longues, des transitions brutales entre différentes configurations des jets zonaux (multistabilité). L'approche proposée dans cette thèse consiste à moyenner l'effet des degrés de liberté turbulents rapides de manière à obtenir une description effective des grandes échelles spatiales de l'écoulement, en utilisant les outils de moyennisation stochastique et la théorie des grandes déviations. Ces outils permettent d'étudier à la fois les attracteurs, les fluctuations typiques et les fluctuations extrêmes de la dynamique des jets. Cela permet d'aller au-delà des approches antérieures, qui ne décrivent que le comportement moyen des jets.Le premier résultat est une équation effective pour la dynamique lente des jets, la validité de cette équation est étudiée d'un point de vue théorique, et les conséquences physiques sont discutées. De manière à décrire la statistique des évènements rares tels que les transitions brutales entre différentes configurations des jets, des outils issus de la théorie des grandes déviations sont employés. Des méthodes originales sont développées pour mettre en œuvre cette théorie, ces méthodes peuvent par exemple être appliquées à des situations de multistabilité. / This thesis deals with the dynamics of geophysical turbulent flows at large scales, more particularly their organization into east-west parallel flows (zonal jets). These structures have the particularity to evolve much slower than the surrounding turbulence. Besides, over long time scales, abrupt transitions between different configurations of zonal jets are observed in some cases (multistability). Our approach consists in averaging the effect of fast turbulent degrees of freedom in order to obtain an effective description of the large scales of the flow, using stochastic averaging and the theory of large deviations. These tools provide theattractors, the typical fluctuations and the large fluctuations of jet dynamics. This allows to go beyond previous studies, which only describe the average jet dynamics. Our first result is an effective equation for the slow dynamics of jets, the validityof this equation is studied from a theoretical point of view, and the physical consequences are discussed. In order to describe the statistics of rare events such as abrupt transitions between different jet configurations, tools from large deviation theory are employed. Original methods are developped in order to implement this theory, those methods can be applied for instance in situations of multistability.

Dans cette thèse nous étudions trois modèles décrivant la dynamique de l’écoulement d’un fluide à densité variable, dans des échelles spatio-temporelles grandes. Dans ce cadre, le mouvement relatif induit par des forces extérieures,comme la force de Coriolis ou la poussée hydrostatique, s’avère être beaucoup plus important que le mouvement intrinsèque du fluide induit par le transport des particules. Une tel déséquilibre contraint ainsi le mouvement, induisant des structures persistantes dans l’écoulement du fluide.D’un point de vue mathématique, l’une des difficultés consiste en l’étude des perturbations induites par les forces extérieures, qui se propagent à grande vitesse.Ce type d’analyse peut être effectué au moyen de plusieurs outils mathématiques ;on choisit ici d’employer des techniques caractéristiques de l’analyse de Fourier,comme l’analyse des propriétés dispersives des intégrales oscillantes.Tout au long de cette thèse, on se restreint à considérer des domaines spatiaux sans frontière : c’est le cas de l’espace entier, ou encore de l’espace périodique. Les modèles considérés sont donc les suivants: équations primitives dont les nombres de Froude et de Rossby sont comparables,et pour lesquelles la diffusion verticale est nulle, fluides stratifiés dans un régime à faible nombre de Froude, fluides faiblement compressibles et tournants dans un régime où les nombres de Mach et de Rossby sont comparables.On prouve que ces systèmes propagent globalement dans le temps des donnés peu régulières. Nous n’imposons jamais de condition de petitesse sur les données initiales. Toutefois, on prendra en compte certaines hypothèses spécifiques de régularité, lorsque des raisons techniques l’imposent. / In this thesis we discuss three models describing the dynamics of density-dependent fluids in long lifes pans and on a planetary scale. In such setting the relative displacement induced by various external physical forces, such as the Coriolis force and the stratification buoyancy, is far more relevant than the intrinsic motion generated by the collision of particles of the fluid itself. Such disproportion of balance limits hence the motion, inducing persistent structures in the velocity flow.On a mathematical level one of the main difficulties relies in giving a full description of the perturbations induced by the external forces, which propagate at high speed. This analysis can be performed by the aid of several tools, we chose here to adopt techniques characteristic of harmonic analysis, such as the analysis of the dispersive properties of highly oscillating integrals.All along the thesis we consider boundary-free, three-dimensional domains, and inspecific we study only the case in which the domain in either the whole space or the periodic space . The models we consider are the following ones : primitive equations with comparable Froude and Rossby number and zero vertical diffusivity, density-dependent stratified fluids in low Froude number regime, weakly compressible and fast rotating fluid in a regime in which Mach and Rossbynumber are comparable. We prove that these systems propagate globally-in-time data with low-regularity. Nosmallness assumption is ever made, specific constructive hypothesis are assumed on the initial data when required.

Dans le secteur automobile, la réduction de l'émission des gaz à effet de serre (CO2) passe par l'amélioration du rendement des véhicules ; pour cela, la réduction des pertes par frottement est actuellement privilégiée. Nous nous intéressons dans cette thèse à l'étude de la topographie des surfaces des chemises de moteurs afin de réduire le frottement entre la chemise et les segments du piston, sans détériorer la consommation d'huile. Nous avons axé notre travail sur le développement de quatre outils numériques que nous présentons dans ce qui suit. Lors des travaux antérieurs sur le même sujet, des outils d'analyse, de décomposition et de simulation de surface ont été développés par Decencière et Jeulin, grâce aux apports de la morphologie mathématique. Nous les utilisons dans le cadre de notre travail aux fins d'opérations d'analyse, filtrage, décomposition ou correction d'images. Un outil de simulation de textures est développé afin de générer de nouvelles surfaces, meilleures en termes de frottement et de consommation d'huile, tout en respectant certaines contraintes fonctionnelles par rapport aux paramètres d'une surface de référence. Un modèle de prédiction du frottement hydrodynamique entre segment et chemise est développé. Cet outil permet, notamment, de remplacer des expériences souvent coûteuses ou difficiles à mener. En partant de la résolution des équations de Navier-Stokes ou de Reynolds, l'écoulement 3D entre la chemise et les segments (animés d'une vitesse donnée par la cinématique du système) est simulé. Après la validation du modèle en le confrontant avec des écoulements analytiques simples ou des mesures expérimentales, il est utilisé pour remonter à de nombreuses mesures globales ou locales permettant d'évaluer les performances des surfaces en termes de frottement, charge, transport de lubrifiant, etc. Des travaux d'optimisation de texture sont menés, ayant comme critère de classification les mesures fournies par l'outil de prédiction, afin d'obtenir des enseignements importants sur les valeurs optimales de certains paramètres des textures. Un outil d'optimisation stochastique de formes est également développé, dans le but de mener une optimisation plus exhaustive des motifs élémentaires des textures de surface périodiques. Enfin, à partir des résultats obtenus à la suite de ces travaux d'optimisation, des nouveaux dessins de surface, générés à l'aide de l'outil de simulation, sont soumis aux tests. Ces nouvelles textures présentent des performances a priori intéressantes, qui mériteraient d'être vérifiées expérimentalement.