Dans le contexte de l’aérodynamique ferroviaire, l’une des problématiques majeures concerne le développement de solutions écologiques permettant le refroidissement d’équipements de toiture et nécessitant le moins de maintenance possible. L’une des voies de recherche potentielles s’appuie sur le refroidissement par convection forcée basée sur le mouvement de fluide extérieur au travers des équipements lors du déplacement du train. Cela nécessite d’avoir des informations sur le comportement dynamique de l’écoulement au voisinage de ces derniers. Ces éléments chauffants sont généralement positionnés de façon proche les uns des autres, pour des considérations d’encombrement, donnant naissance à une succession de cavités profondes à bords non affleurants. Malheureusement ce type d’écoulement de cavité n’est quasiment pas étudié dans la littérature bien qu’il présente de fortes variations par rapport à ses homologues dits “symétriques”. Les écoulements de cavités génèrent également des instationnarités associées à des phénomènes de décollement complexes qui peuvent engendrer divers types de nuisances, comme par exemple du bruit rayonné ou des vibrations de structures. Dans la perspective du contrôle d’écoulement avec pour objectif le refroidissement de certaines zones dites “thermiquement mortes”, nous nous sommes intéressés à la dynamique des écoulements au voisinage des cavités à bords asymétriques, pour ensuite aborder le phénomène d’oscillation hydrodynamique potentiellement induite, en portant une attention particulière aux cas asymétriques. Cette étude a permis de mettre en évidence la persistance de modes propres pour les cas d’asymétrie et également de proposer une adaptation du modèle de Rossiter aux écoulements de cavité profonde asymétrique. / In the framework of railway aerodynamics, one of the major problems concerns the development of ecological solutions for cooling roof equipment requiring the least maintenance as possible. One of the potential way of improvement relies on forced convection cooling based on the movement of external fluid through the equipment when the train moves. This requires the knowledge of the dynamic behavior of the flow. These heating elements are generally positioned close to each other for reasons of space, giving rise to a succession of deep cavities with non-flush edges. Unfortunately, this type of cavity flow is almost not studied in the literature although it has strong variations compared to the “symmetrical” cases. Cavity flows also generate instationnarities associated with complex separation phenomena that can generate various types of noises, such as acoustic noise or structural vibrations. In the perspective of flow control in the aim to cool some areas called “thermally dead”, we are interested into the flow dynamics at the vicinity of the cavities with asymmetric edges, and then address the phenomenon of hydrodynamic oscillation potentially induced, with a particular attention to asymmetric cases. This study made it possible to highlight the persistence of modes for asymmetric cases and also to propose an adaptation of the Rossiter model to asymmetric deep cavity flows.

Les écoulements instationnaires au-dessus de surfaces discontinues produisent d'important bruit aérodynamique. L'objectif de ce travail de thèse est l'étude aéroacoustique d'écoulement au-dessus de cavités bidimensionnelles rectangulaires, et de trouver des stratégies de réduction du bruit. Des simulations numériques directes des équations bidimensionnelles de Navier-Stokes compressibles ont été réalisées afin d'étudier l'influence des conditions initiales sur le mode d'oscillation de l'écoulement pour des cavités profonde et peu profonde. Les résultats montrent que dans le cas de cavités profondes, l'écoulement oscille selon un régime de couche de cisaillement suivant le second mode de Rossiter, et ce quelle que soit la condition initiale choisie. En revanche, dans le cas de cavités peu profondes, le régime d'oscillation observé peut être en couche de cisaillement ou bien en mode de sillage suivant la condition initiale choisie. Une analyse de sensibilité d'écoulement dans le cas de cavités profondes a été réalisé en utilisant une méthode adjointe. Les équations adjointes ont été forcées par une perturbation localisée sinusoïdale soit de la quantité de mouvement suivant x adjointe (au voisinage de la couche de cisaillement), soit de la densité adjointe (loin de la cavité). Les résultats désignent une région de l'écoulement très sensible à l'ajout de masse, et localisée au voisinage du coin supérieur amont de la cavité. Par conséquent, un actionneur de type soufflage/aspiration placé au bord d'attaque de la cavité agira sur les fluctuations de quantité de mouvement suivant x au voisinage de la couche de cisaillement et sur les fluctuations de pression au loin. / The unsteady flow over surface discontinuities produces high aerodynamic noise. The aim of this thesis is to study the aeroacoustics of two-dimensional rectangular cavities and to find strategies for noise reduction. Direct Numerical Simulation of the compressible Navier-Stokes equations is performed to investigate the influence of the initial condition on the oscillation modes in deep and shallow cavities. Results show that the deep cavity oscillates in shear layer regime at the second Rossiter mode regardless of the initial condition. On the other hand different initial conditions lead to a shear layer or wake mode in the shallow cavity case. A sensitivity analysis of the deep cavity is done by the use of adjoint methods. Local sinusoidal perturbations of x-momentum and density are applied to the adjoint equations. The results show a high sensitivity region to mass injection at the upstream corner. Therefore an actuator placed at the leading edge will modify the velocity fluctuations reaching the trailing edge and hence the pressure fluctuations in the far-field.

Ce travail est consacré au développement des méthodes lagrangiennes comme alternatives ou compléments aux méthodes euleriennes conventionnelles pour la simulation d'écoulements incompressibles en présence d'obstacles. On s'intéresse en particulier à des techniques ou des solveurs eulériens et lagrangiens cohabitent dans le même domaine de calcul mais traitent différents termes des équations de Navier-Stokes, ainsi qu'à des techniques de décomposition de domaines ou différents solveurs sont utilisés dans chaques sous-domaines. Lorsque les méthodes euleriennes et lagrangiennes cohabitent dans le même domaine de calcul (méthode V.I.C.), les formules de passage particules-grilles permettent de représenter la vorticité avec la même précision sur une grille fixe et sur la grille lagrangienne. Les méthodes V.I.C. ainsi obtenues combinent stabilité et précision et fournissent une alternative avantageuse aux méthodes différences-finies pour des écoulements confinés. Lorsque le domaine de calcul est décomposé en sous-domaines distincts traités par méthodes lagrangiennes et par méthodes euleriennes, l'interpolation d'ordre élevé permet de réaliser des conditions d'interface consistantes entre les différents sous-domaines. On dispose alors de méthodes de calcul avec décomposition en sous-domaines, de type Euler/Lagrange ou Lagrange/Lagrange, et résolution en formulation (vitesse-tourbillon)/(vitesse-tourbillon) ou (vitesse-pression)/(vitesse-tourbillon). Les différentes méthodes développées ici sont testées sur plusieurs types d'écoulements (cavité entrainée, rebond de dipôles de vorticité, écoulements dans une conduite et sur une marche, écoulements autour d'obstacles) et comparées à des méthodes de différences-finies d'ordre élevé.