<p> This numerical study focuses on the implementation of active flow control using synthetic jets on vertical-axis wind turbine (VAWT) blades. This study demonstrates that synthetic-jet based flow control improves the efficiency of the turbine and reduces the risk of structural fatigue. </p><p> In VAWTs, the blades experience a significant variation in the angle of attack over each rotation cycle and associated with it are sudden changes in the flow-induced loading on the blades. For example, a sudden variation in blade loading is experienced due to the detachment of the leading edge vortex at high angles of attack. This is in-turn reduces the axial force and hence the overall power output of the turbine. Additionally, such force variations lead to structural fatigue and possibly failure. Current simulations consider a cross-section of a three-blade VAWT model (with straight blades). VAWT models with two different airfoils, NACA 0018 and DU 06-W-200, are considered at tip-speed-ratios of 2 and 3. In these simulations, unsteady, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations along with the Spalart-Allmaras turbulence model are employed, where stabilized finite element method is utilized along with an implicit time-integration scheme. </p><p> The idea of using synthetic jets is to control the variation in flow-induced loading during each rotation cycle. At first the dominant location of the flow separation is determined for both airfoils. The jets are then placed at this location. Jet parameters of blowing ratio and reduced frequency are specified within a range (i.e., O(0.5-1.5) and O(1-10), respectively) and their effects on jet performance are studied. The jets are activated only in a selected portion of the rotation cycle. This is referred to as the partial cycle control in contrast to the full cycle (the latter is found to be detrimental). For given jet parameters, simulations results are used to determine whether the jets improve axial force, flow separation and blade-vortex interaction. At blowing ratio of 1.5 and reduced frequency of 5, we observe above 12% increase in the average axial force over the rotation cycle for both airfoils.</p>

<p> Direct computational simulations of wave propagation through prestressed, microcrack-damaged media are conducted to study the interaction between the prestress and stress wave parameters. Tensile and compressive waves, tensile and compressive prestresses and various orientation distributions of microcrack damage are analyzed. The relationships among the input wave amplitude, wavelength and prestress magnitude and the output wave speed and wave attenuation are studied. The results show that wave speed and attenuation depend on the prestress and the wavelength in a complex way. In the cases of compressive waves traveling through tensile prestress and tensile waves passing through compressive prestress, the wave response depends on the ratio of the amplitude of the applied stress pulse to the magnitude of the prestress (defined as R). </p><p> In direct simulations of unidirectional waves through uniaxially prestressed microcrack-damaged media, the simulations show that the compressive wave speed through tensile prestressed media increases gradually with an increase in R, while the tensile wave speed in media under compressive prestress, decreases with increase in R, but the change is abrupt at a particular R value. In the cases of sufficiently small R, the wave speeds match the results of Su et al. (2007) where the cracks are always open or always closed. However, above a certain wavelength (a cut-off wavelength), the wave speed is a constant function of wavelength and, furthermore, this cut-off wavelength varies with R. The wavelength above which the wave is relatively unattenuated also varies with R. We observed significantly increased attenuation for R values 1 &le; R&le; 5 for both the case of compressive waves travelling through tensile prestress and tensile waves passing through compressive prestress. </p><p> In a 2D cylindrical wave propagation study, the reduction in group velocity of a compressive wave in bi-axial tension prestressed damaged media is significant as prestress is introduced (R is decreased), on the other hand, the group velocity of a tensile wave in bi-axial compression prestressed damaged media rises with decrease in R, but the rise is sudden at a particular R value. In both the cases, at small R (R&le;10) the group velocity asymptotically approaches the effective media results of Su et al. (2007) where the cracks are always open or always closed. Bi-axial tension prestressed media is highly attenuative for compressive waves and the attenuation depends on R and the microcrack orientation distribution. </p><p> The generalized self-consistent method (GSCM) with elastic averaging is used to determine the effective properties of microcrack-damaged media under general uniaxial prestress. It predicted the properties fairly well for R&ge;2.5 for uniaxial tension prestressed media and above R&ge;10 for uniaxial compression prestressed media. It predicts the highest wave speeds when compared with the wave speeds determined by the direct numerical simulations for uniaxial tension prestressed media. A simple and quick time averaging method is devised to predict the approximate effective properties of the prestressed damaged media.</p>

<p> The purpose of this study was to use a systematic approach to model the welding parameters for tungsten inert gas (TIG) welding of two thin pieces of titanium sheet metal. The experiment was carried out using a mechanized welding equipment to consistently perform each trial. The Latin Hyper Cube sampling method for data generation was applied to four input variables and the Kriging interpolation technique was used to develop surrogate models that map the four input variables to the three output parameters of interest. A total of fifty data points were generated. To utilize the minimal amount of weld samples, Kriging models were created using five sets of data at a time and the surrogate model was tested against an actual data output. Once the models have been generated and verified, an attempt is made to optimize the output variables individually and as a multi-objective problem using genetic algorithm (GA) optimization.</p>

The dynamic implosion of five thin-walled metal cylinders of different strengths (aluminum 6061-O, aluminum 6061-T6, steel 1018, and stainless steel 304) was studied experimentally at two constant mass-to-explosive (M/C) ratios. The velocity history of the inner surface of the imploding cylinder was recorded via photonic Doppler velocimetry (PDV). The time histories and peak velocities were compared to an analytic model and LS-DYNA hydrocode simulations. A Gurney-based model for the acceleration of the wall using a detonation pressure-based time constant gave good agreement with both the experiments and simulations. The deceleration caused by strength effects was modeled analytically and then compared with the entire velocity history. Wall thickening was directly observed by PDV in a high explosive loading case and then verified with both numerical simulation and an analytic model. Buckling instability theory was reviewed and the experiments were analyzed in its context. / L'implosion dynamique de cinq cylindres métalliques à épaisseurs minces ayant des résistances différentes (aluminium 6061-O, aluminium 6061-T6, acier 1018, et de l'acier inoxydable 304) à un rapport constant masse-explosif (M/C) a été étudiée. L'historique de la vitesse de la surface intérieure du cylindre a été enregistré par vélocimétrie photonique Doppler (VPD). Les évolutions des vitesses ont été comparées à un modèle analytique et des simulations d'hydrocode fait en LS-DYNA. Un modèle Gurney pour l'accélération de la paroi à l'aide d'une constante de temps en fonction de la pression détonique a donné un bon accord avec les expériences et les simulations. La décélération causée par les effets de la résistance de matériel a été modélisée analytiquement et comparée à l'évolution de vitesse d'expérience. L'épaississement de la paroi a été observé directement par VPD dans un cas de charge explosif élevée et ensuite vérifiée avec la simulation numérique et un modèle analytique. Finalement, l'effet d'instabilités causées par le flambage des tubes a été observé et les expériences réalisées ont été analyses dans son contexte.

Contact between rotating and stationary parts within aero-engines may be initiated during operation due to various causes, such as manoeuvre loads or nonuniform casing deformations associated to temperature gradients. One location where this can occur is between the blades and casings of compressor or turbine stages. The resulting contact forces can cause significant vibrations to occur on both structures. At certain critical rotational speeds, so-called modal coincidence may occur — a resonance of rotor and casing frequencies featuring specific modal characteristics.The current industrial standard is to analyze modal coincidence in a purely linear framework. By performing modal analysis over the rotational speed range representative of normal operating conditions of the engine, resonant conditions are considered: only modes of a matching nodal diameter are considered to produce potentially harmful interactions. These interactions are then moved outside of normal operating conditions by applying small geometric changes to the rotor or casing structures, thereby explicitly changing the associated eigenmodes and their frequency.This methodology, although considered robust, does not give any quantitative information on what occurs at these critical speeds. This dissertation expands the current approach, by considering full 3D finite element contact simulations, assuming cyclically symmetric structures, with contact managed on blades around the circumference. Considered is a dedicated test bench geometry, designed to produce significant modal interactions. At the time of writing this dissertation, no experimental data is available to validate results.An established numerical algorithm to study contact interactions of axial compressor and turbine stages has been adapted to treat the increased geometric and numerical complexity by considering a full flexible impeller geometry subject to 3D contact constraints with a flexible casing.As an extension to the computationally intensive time marching simulations of contact interactions, a novel approach for finding periodic solutions to unilateral contact constrained systems is presented. By reformulating the period of interest in a time-discretized manner and approximating the equation of motion over the discretized period, a system of algebraic equations subject to inequality constraints is obtained. Solutions can be found by employing dedicated linear complementarity problem solvers, such as Lemke's algorithm. / Les déformations du carter associées aux gradients de température et les charges de manœuvre sont connus pour générer des contacts entre parties tournantes et parties fixes, notamment entre sommet d'aubes et carter, dans les turbomachines aéronautiques. Les forces de contact qui en résultent peuvent induire des vibrations importantes sur les deux structures et, à certaines vitesses de rotation dites critiques, le phénomène de coïncidence modale peut se produire, conduisant à une résonance des modes du rotor et du carter.Le standard industriel actuel est d'analyser la coïncidence modale dans un cadre purement linéaire. En effectuant une analyse modale des deux structures sur la plage de vitesses de rotation du fonctionnement normal du moteur, seules les résonances de modes à même diamètre nodal sont considérées. Ces interactions sont ensuite déplacées en dehors de la plage de vitesses grâce de légères variations géométriques permettant de modifier les modes propres associés.Cette méthode, bien que considérée comme robuste, ne donne pas d'informations quantitatives sur les phénomènes apparaissant lors des interactions. Cette thèse propose d'étendre cette approche, en réalisant des simulations temporelles avec des modèles éléments finis 3D en symétrie cyclique avec contact en sommet d'aube. La géométrie considérée est celle d'un compresseur haute pression d'un moteur d'hélicoptère, conçu pour reproduire des coïncidences modales de manière significative dans un banc d'essais. Au moment de la rédaction de ce mémoire, aucune donnée expérimentale n'était disponible.Un algorithme numérique développé pour l'étude d'interactions au sein de compresseurs axiaux a été adapté, afin de pouvoir traiter des contraintes de contact 3D associées à la géométrie du compresseur centrifuge étudié et au carter environnant, les deux structures étant considérées comme entièrement flexible.En parallèle de ces coûteuses simulations temporelles, une nouvelle approche pour le calcul de solutions périodiques de systèmes soumis à des contraintes de contact unilatéral est proposée. En formulant la période d'intérêt de manière discrète et en approximant l'équation du mouvement sur cette période, un système d'équations algébriques soumis à des contraintes d'inégalité est obtenu. Des solutions sont déterminées en utilisant des solveurs dédiés aux problèmes de complémentarité linéaire, tels que l'algorithme de Lemke.

Ride is the isolation of passenger and cargo from terrain inputs on a movingvehicle. While most lunar rover designs assign this duty to shock absorbers, DrPeter Radziszewski and Dr Sudarshan Martins propose it be supplied in largerpart by the wheels. Their invention, dubbed iRings, consists of a 24 inch diameterchainmail tire carcass filled with thousands of polypropylene spheres. When spunbeyond a critical speed, their centripetal acceleration compresses them against thechain-mail, which lacking any structure, adopts their bulk stiffness, damping andshape. In this thesis, measurements of iRings' free response to an impulse whilespinning are analysed to create a linear single degree of freedom contact model.The model's damping ratio drops from 0.8-0.9 at 0 rpm to 0.01 at 131 rpm as bothits stiffness and damping decrease with speed. The transition occurs close to theDavis critical speed of 54 rpm. Throughout, natural frequency remains constantat 3-4 Hz despite large fluctuations in stiffness. This is likely because iRingsoscillates as a result of plastic and not elastic deformation. This model is matchedin-silico to the Canadian Space Agency's (CSA) rovers Juno and Artemis and thewhole is tested on a sinusoidal lunar analogue terrain supplied by the CSA. TheiRings wheel is found to supply comparable, but slightly inferior isolation thana pneumatic tire, the Carlisle AT-489. Nevertheless, iRings proves itself to be apassively adaptive suspension component and with improvements to its stiffness,could surpass the pneumatic wheel. / Le comfort des passagers et cargo d'une vhicule consiste de l'isolation qu'ilfournisse du terrain sur lequel il se dplace. Alors que la plupart des vhiculeslunaires comblent ce besoin avec des absorbeur de chocs, Dr Peter Radziszewskiet Dr Sudarshan Martins proposent que les roues prennent encore plus la relve.Leur invention, surnomm iRings, consiste d'une enveloppe en cote de mail rempliede miliers de sphres en polypropylne. Lorsqu'elles se font tourner au dl d'unevitesse critique, les sphres font une pression sure le cote de mail qui, ayant aucunestructure, adopte leur amortissement, rigidit et forme. Dans cette thse, la mesurede la raction naturelle une impulsion d'une roue iRings en train de tourner estanalyse pour crer une systme linaire un seule degr de libert reprsentative de soncontact. Son rapport d'amortissement descends de 0.8-0.9 0 tour par minute(tpm) jusqu' 0.01 131 tpm du au fait que son amortissement et rigidit diminuentavec la vitesse. La transition se manifeste autour de la vitesse criticale Davis de 54tpm. Tout au long, sa frquence naturelle reste entre 3-4 Hz malgr des fluctuationsimportantes de rigidit. La fait qu'iRings se trouve a osciller cause de dformationplastique et non lastique. Ce modle est intgre in silico avec Juno et Artemis,voitures lunaires de l'Agence Spatiale Canadienne (ASC), et par la suite le tout estexcite par une surface sinusoidale spcifie par l'ASC. La roue iRings fournisse uneisolation similaire cependant infrieure une roue pneumatique, le Carlisle AT-489.Nanmoins, iRings prouve qu'elle peut servir d'amortisseur auto-adaptif et qu'avecquelques amliorations sa rigidite, pourrait surpasser la roue pneumatique.

This thesis examines preferential diffusion effects in laminar and turbulent premixed combustion. Stretched, fuel-lean, laminar flames of methane, propane and hydrogen are studied experimentally in a counter-flow flame configuration to investigate the effect of Lewis number on stretched flames. Laminar flame results show that a maximum reference flame speed exists for mixtures with Le >= 1 at lower flame-stretch values than the extinction stretch rate. A continually-increasing reference flame speed is measured for Le << 1 mixtures until extinction occurs when the flame is constrained by the stagnation point.Turbulent counter-flow flame experiments are then performed for these mixtures, using high-blockage turbulence-generating plates to produce turbulence intensities on the order of u'/sLo = 1 to 10. Measurements of average and instantaneous velocity within the turbulent flame are performed by time-resolved particle image velocimetry measurements. Average and instantaneous flame front position is also measured by Rayleigh spectroscopy.Measurements of average turbulent burning velocity demonstrate the ambiguity in definitions of the burning velocity and the difficulty of examining turbulent flame chemistry using averaged measurements. Instantaneous statistics are shown to be superior tools for studying turbulent combustion. The probability-density functions (PDF) of the local flamelet burning velocities for Le >= 1 mixtures show that the instantaneous flamelet burning velocities increase with increasing turbulence intensity and flame stretch. The PDF for the Le ~= 1 mixture has a sharply skewed shape at high turbulence intensity and has a sharp drop-off in probability at a velocity that corresponds with the experimentally-measured maximum reference flame speed from the laminar flame experiments. In contrast, in the Le << 1 turbulent flames, the most-probable instantaneous flamelet burning velocities increase with increasing turbulence intensity and can significantly exceed the maximum reference flame speed measured in counter-flow laminar flames at extinction.These results are reinforced by instantaneous flame position measurements. Flame front location PDFs show the most probable flame location to be linked to velocity PDFs. Furthermore, hydrogen PDFs are recognizably skewed as u'/sLo increases, indicating a tendency for the Le << 1 mixture to propagate farther into the unburned reactants. These results support the leading edge theory of premixed turbulent flame propagation for flames in which preferential diffusion effects are expected.In the study of turbulent flames, this work promotes the use of local, instantaneous statistics as a tool for describing experimental results and studying fuel chemistry. / La thèse porte sur les effets de diffusion préférentiels en combustion prémélangée laminaire et turbulente. Les flammes étirées laminaires de méthane, de propane et d'hydrogène sont étudiés expérimentalement dans une configuration de flamme à contre-courant pour mesurer l'effet du nombre de Lewis sur la vitesse de flamme étirée. Résultats de flamme laminaire montrent qu'il existe une vitesse de référence maximale pour les mélanges avec Le >= 1 à des valeurs d'étirement plus faibles que la valeur d'extinction. Une augmentation de la vitesse de référence est mesurée pour mélanges Le << 1 jusqu'à l'extinction se produit lorsque la flamme est limitée par le point de stagnation.Expériences de flammes turbulentes à contre-courant sont ensuite effectuées pour ces mélanges, en utilisant des plaques génératrices à haut blocage pour produire des intensités de turbulence de l'ordre de u'/sLo = 1 à 10. Des mesures moyennes et instantanées de la vitesse de la flamme turbulente sont effectuées par vélocimétire image-particule, résolues en temps. La position moyenne et instantanée du front de flamme est également mesurée par spectroscopie Rayleigh.Des mesures de la vitesse moyenne de combustion turbulente démontrent l'ambiguïté dans les définitions de la vitesse de combustion et la difficulté de l'examen de la chimie de la flamme turbulente en utilisant des mesures moyennes. Des statistiques instantanées sont présentés comme outils supérieures pour l'étude de la combustion turbulente. Les fonctions de densité de probabilité (FDP) des vitesses de flammelette locales pour Le >= 1 montrent que la vitesse instantanée de flammelette augmente avec l'augmentation de u'/sLo. Le FDP pour le mélange Le ~= 1 a une forme fortement asymétrique à haute intensité de turbulence et a une forte baisse à une vitesse qui correspond à la vitesse de référence maximale expérimentalement mesurée à partir des expériences laminaires. Finalement, dans les flammes Le << 1, les vitesses instantanées les plus probables augmentent avec l'augmentation de u'/sLo et peuvent considérablement dépasser la vitesse de la flamme de référence maximale mesurée pour flammes laminaires.Ces résultats sont renforcés par mesures de position instantanée de la flamme. Les FDPs de position montrent que la position la plus probable est lié au FDP de vitesse. En outre, les FDPs d'hydrogène sont biaisée avec l'augmentation de u'/sLo, indiquant une tendance de Le << 1 à brûler vers les réactifs, ce qui soutient la théorie du bord d'attaque.Alors que les propriétés moyennes de combustion turbulente perdent d'informations physiques importantes, ce travail favorise l'utilisation de statistiques instantanées comme outil pour décrire les résultats expérimentaux et de décrire la chimie des carburants.

Mitral regurgitation (MR) is a functional heart disease in which blood leaks backward from the left ventricle to the left atrium during systole. Mitral annuloplasty, via open-heart surgery, is the foundation of mitral valve repair used as an adjunct technique for all types of regurgitation. However, the high mortality and morbidity risks associated with cardiopulmonary bypass required in open-heart surgery prevent many patients from undertaking the repair. Thus, there is a need to develop novel percutaneous techniques for mitral valve repair to reduce the open-heart operation risks and, therefore, increase the number of potential candidates for the repair. Suturing the prosthetic ring to the valve tissue is one of the main challenges in percutaneous mitral annuloplasty, which is addressed in this thesis. Engineering solutions for this problem are sought via the optimum design of novel fixation implants for percutaneous annuloplasty. Two self-anchoring implants are suggested: a hook-shaped anchor and a surgical barbed staple. The latter has two variants: the first is made of a rigid metallic core and a flexible polymeric sheath; in the second, the metallic core is replaced with removable insertion needles. Moreover, the first staple is inserted using a compound micro-stapler mechanism, the second using two special needles.The hook-shaped anchor, made from super-elastic nitinol, is shrunken into a hollow needle for delivery and insertion. During insertion, the needle pierces the tissue and the anchor is released inside the tissue hole. The anchor shape is optimized to minimize the stress distribution along its length while shrunken into the delivery needle. The anchor thus elastically opens after insertion and firmly grasps the surrounding tissue.The optimum design of the barbed staples, suggested for percutaneous annuloplasty, is also investigated. In this light, the failure of the mitral valve tissue is experimentally characterized by evaluating the effect of fatigue on the tissue fracturetoughness and its mechanical properties. The staple insertion and the tissue-barb interaction are then modelled, using finite element analysis, to obtain the staple insertion force and the barb anchoring capacity. The tissue-barb FE model is finally utilized within an optimization procedure to find the best shape of the barbs along the staple legs. / La régurgitation mitrale (RM) est une maladie cardiaque fonctionnelle dans laquelle le sang fuit vers l'arrière à partir du ventricule gauche à l'oreillette gauche pendant la systole. L'annuloplastie mitrale, moyennant une opération à coeur ouvert, est le fondement de la réparation de la valve mitrale, utilisée comme une technique d'appoint pour tous les types de régurgitation. Toutefois, le taux de mortalité élevé et les risques de morbidité associées à la circulation extracorporelle nécessaire en chirurgie à coeur ouvert empêchent de nombreux patients d'entreprendre la réparation. Ainsi, il est nécessaire de développer de nouvelles techniques percutanées pour la réparation de lavalve mitrale afin de réduire les risques d'opération à coeur ouvert et, par conséquent, augmenter le nombre de candidats potentiels pour la réparation. Suturer l'anneau prothétique au tissu valvulaire est l'un des principaux défis dans l'annuloplastie mitrale percutanée abordés dans cette thèse. Les solutions d'ingénierie pour ce problème reposent sur la conception optimale de nouveaux implants de fixation visant l'annuloplastie percutanée. Deux implants auto-ancrage sont proposés :une ancre en forme de crochet et une agrafe chirurgicale de fer barbelé. Cette dernière porte deux variantes : la premiére est constituée d'un noyau métallique rigide et une gaine en polymère souple ; dans la seconde, le centre métallique est remplacé avec des aiguilles d'insertion remplacables. Par ailleurs, la première agrafe est insérée à l'aided'un mécanisme de micro-agrafeuse, le second au moyen de deux aiguilles spéciales. L'ancrage en forme de crochet, fabriqué à en nitinol super-élastique, est rétréci dans une aiguille creuse pour faciliter la livraison et l'insertion. Pendant l'insertion, l'aiguille perce le tissu et l'ancrage est libéré à l'intérieur de l'orifice du tissu. La forme de l'ancre est optimisée pour minimiser la distribution des contraintes sur sa longueur, tout en rétrécissant dans l'aiguille de livraison. L'ancre s'ouvre élastiquement après l'insertion et saisit fermement le tissu environnant. La conception optimale des agrafes de fer barbelé, suggérée pour l'annuloplastie percutanée, est également étudiée. Alors, l'échec du tissu de la valve mitrale est caractérisé expérimentalement en évaluant l'effet de la fatigue sur la ténacité à la rupture du tissu et ses propriétés mécaniques. L'insertion des agrafes et de l'interaction des tissusbarbillon sont modélisés, en utilisant l'analyse par éléments finis, afin d'obtenir la force d'insertion des agrafes et la capacité d'ancrage de barbillon. Le modèle par éléments finis du tissu-barbillon est finalement utilisé dans une procédure d'optimisation pour obtenir la meilleure forme des barbillons.

This thesis presents a theoretical study of the nonlinear dynamics and stability of cantilevered shells conveying incompressible fluid for the first time; the steady aspects of the fluid viscosity are examined. The large-amplitude vibrations of geometrically-imperfect cylindrical cantilevered tanks containing quiescent, dense fluid is also investigated. Additionally, qualitative experiments are performed.The nonlinearity is geometric and is related to the large deformations of the structure. The nonlinear model of the shell is based on the modified Flugge's shell theory. The fluid flow is assumed to be irrotational; thus, linearized potential flow theory is utilized to determine the unsteady fluid-dynamic forces, associated to shell motions. The fluid behaviour beyond the free end of the shell is described by an outflow model, which characterizes the fluid boundary condition at the free end of the shell. Upstream of the clamped end, however, it is assumed that the fluid remains unperturbed. The Fourier transform method is employed to solve the governing equations for the fluid.The steady viscosity-related forces (skin friction and pressurization) are obtained by using the time-mean Navier--Stokes equations and are modelled as initial loadings, pre-stressing the shell. The unsteady fluid-dynamic forces, then, act as additional loadings on this pre-stressed configuration. The extended Hamilton's principle is utilized to formulate the coupled fluid--structure system. The displacement components of the shell are expanded by using trigonometric functions for the circumferential direction and the cantilevered beam eigenfunctions for the longitudinal direction. Axisymmetric modes are successfully incorporated into the solution expansion based on a physical approximation. The system is discretized and the resulting coupled non-linear ODEs are integrated numerically. Results with flowing fluid indicate that the shell loses stability through a supercritical Hopf bifurcation, leading to flutter. In the case of external excitation of a shell partially-filled quiescent fluid and with geometric imperfections, the nonlinear behaviour is found to be generally of softening type. Comparison of the theoretical results with the existing experimental data shows good agreement. In the qualitative experiments performed, the shell oscillation amplitudes are measured for a few different flow velocities. It is observed that both amplitude and frequency of the shell motion increase with the flow velocity. / Cette thèse présente pour la première fois une étude théorique sur la dynamique non linéaire et la stabilité des coques aux extrémités à porte-à-faux transportant du fluide incompressible; les effets de la viscosité du fluide stattionaire sur la dynamique du systèm sont également examninés. Les vibrations de grande amplitude de reservoirs cylindriques en porte-à-faux géométriquement imparfaits et contenant du fluide dense stationnaire sont également étudiés. En outre, des expériences qualitatives ont été effectuées.La non-linéarité est géométrique et elle est liée aux grandes déformations de la structure. Le modèle non linéaire développé est basé sur la théorie des coques de Flugge modifiée. L'écoulement du fluide est supposé d'être irrotationnel; ainsi, la théorie des écoulements potentiels linéarisée est utilisée pour déterminer les forces fluidiques dynamique, associées à de mouvements de la coque. Le comportement du fluide au délà de l'extrémité libre de la coque est décrit par un modèle d'écoulement empirique, ce qui caractérise la condition de frontière fluide à l'extrémité libre de la coque. À l'amont de l'extremité encastrée, cependant, il est supposé que le fluide reste imperturbable. La methode de transformée de Fourier est utilisée pour résoudre les équations du fluide. Les forces liées à la viscosité constante (frottement avec la paroi et de pressurisation) sont obtenues en utilisant les équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds et sont modélisées comme de charges initiales, la précontrainte de la coque. Les forces instationnaires des fluides, ensuite, agissent comme de charges supplémentaires sur cette configuration.Le principe de Hamilton modifié est utilisé pour formuler le système couplé fluide-structure. Les composantes du déplacement de la coque sont formulées en utilisant des fonctions trigonométriques de la direction circonférentielle et de fonctions propres de une poutre en porte-à-faux pour la direction longitudinale. Modes axisymétriques sont incorporées avec succès dans l'expansion de la solution basée sur une approximation physique. Le système est discrétisé et les équations différentielles non linéaires couplées résultantes sont intégrées numériquement.Les résultats indiquent que la coque perd sa stabilité via une bifurcation de Hopf, conduisant au flottement. Dans le cas d'excitation externe d'une coque cylindrique modélisant un réservoir partiellement rempli avec d'imperfections géométriques, le comportement non-linéaire est jugé généralement de type de ramollissement. Les résultats théoriques et les données expérimentales existantes sont en bon accord.Dans les expériences qualitatives effectuées, les amplitudes de la coque sont mesurées pour quelques vitesses d'écoulement différentes. On observe que l'amplitude et la fréquence du mouvement de la coque augmentent avec la vitesse d'écoulement.

In the first part of this thesis, one-point and two-point statistics of the Navier–Stokes-alpha-beta (NS-alpha-beta) regularization model in homogeneous isotropic turbulence are explored. The results are compared to the limit cases of the Navier–Stokes-alpha (NS-alpha) model and the NS-alpha-beta model without subgrid-scale (SGS) stress, as well as with high-resolution direct numerical simulation (DNS). After reviewing spectra of different energy norms, probability density functions (PDFs) of the filtered and unfiltered velocity increments along with longitudinal velocity structure functions of the regularization models and DNS results are presented. Differences in the statistical properties of the unfiltered and filtered velocity fields entering the governing equations of the NS-alpha and NS-alpha-beta models are highlighted and the usability of both velocity fields for realistic flow predictions is discussed. The influence of the modified viscous term in the NS-alpha-beta model is studied through comparison to the case where the underlying SGS stress tensor is neglected. Whereas the filtered velocity field is found to have physically more viable PDFs and structure functions for the approximation of DNS results, the unfiltered velocity field is found to have flatness factors close to DNS results. In the second part of this thesis, the a priori testing strategy is adopted to study three different alpha regularization models, namely the NS-alpha model, the Leray-alpha model, and the Clark-alpha model. Specifically, high-resolution DNS data of homogeneous isotropic turbulence is used to compute the mean SGS dissipation, the spatial distribution of the SGS dissipation, and the spatial distribution of elements of the SGS stress tensor. Predictions of the three regularization models are compared to the exact values of the SGS stress tensor, as defined in the filtered Navier–Stokes equations. The potential of the three regularization models to provide good approximations is quantified using spatial correlation coefficients. Whereas the Clark-alpha model exhibits the highest spatial correlation coefficients for the SGS dissipation and the SGS stress tensor elements, the Leray-alpha model provides lower correlation coefficients, and the NS-alpha model exhibits the lowest correlation coefficients of the three models. Our results indicate the presence of an optimal choice of the filter parameter alpha depending on the large-eddy simulation grid resolution. In the third part of this thesis, a simple model for simulating flows of active suspensions is investigated. The approach is based on dissipative particle dynamics (DPD). While the model is potentially applicable to a wide range of self-propelled particle systems, the specific class of self-motile bacterial suspensions is considered as a modeling scenario. To mimic the rod-like geometry of a bacterium, two DPD particles are connected by a stiff harmonic spring to form an aggregate DPD molecule. Bacterial motility is modeled through a constant self-propulsion force applied along the axis of each such aggregate molecule. The model accounts for hydrodynamic interactions between self-propelled agents through the pairwise dissipative interactions conventional to DPD. Detailed studies of the influence of agent concentration, pairwise dissipative interactions, and Stokes friction on the statistics of the system are provided. The simulations are used to explore the influence of hydrodynamic interactions in active suspensions. For high agent concentrations in combination with dominating pairwise dissipative forces, strongly correlated motion patterns and a fluid-like spectral distributions of kinetic energy are found. In contrast, systems dominated by Stokes friction exhibit weaker spatial correlations of the velocity field. These results indicate that hydrodynamic interactions may play an important role in the formation of spatially extended structures in active suspensions. / Dans la première partie de cette thèse, les statistiques du modèle de régularisation Navier–Stokes-alpha-beta (NS-alpha-beta) en turbulence homogène et isotrope sont explorées. Les résultats sont comparés aux cas limites du modèle Navier–Stokes-alpha (NS-alpha) et NS-alpha-beta sans contrainte d'échelle inférieure à la maille, ainsi qu'à la simulation numérique directe en haute résolution. Après avoir examiné les spectres de différentes normes énergie, des fonctions de densité de probabilité, des incréments de vitesse filtrés et non-filtrés ainsi que des fonctions de structure de vitesse longitudinales sont présentés. Les différences dans les propriétés statistiques des champs de vitesse non-filtrés et filtrés qui entrent dans les équations principales du modèle NS-alpha et NS-alpha-beta sont mises en évidence et la facilité d'utilisation des deux champs de vitesse à des fins de prévisions réalistes d'écoulement est discutée. L'influence du terme visqueux modifié dans les équations du modèle NS-alpha-beta est étudiée par comparaison avec le cas où le tenseur d'échelle inférieure à la maille sous-jacent est négligé. Le champ de vitesse filtré se trouve à posséder des fonctions de densité de probabilité et les fonctions de structure physiquement plus viables pour l'approximation des résultats de simulations numériques directes. Dans la deuxième partie de cette thèse, la stratégie de test a priori est adoptée pour étudier trois modèles de régularisation alpha différents, à savoir les modèles NS-alpha, Leray-alpha, et Clark-alpha. Les résultats de simulation numériques directs à haute résolution sont utilisés pour calculer la dissipation moyenne d'échelle inférieure à la maille, la répartition spatiale de la dissipation d'échelle inférieure à la maille, et la distribution spatiale des éléments du tenseur de contraintes d'échelle inférieure à la maille. Des prédictions des trois modèles de régularisation sont comparées aux valeurs exactes du tenseur de contraintes d'échelle inférieure à la maille, telles que définies dans les équations de Navier–Stokes filtrées. Le potentiel des trois modèles de régularisation de fournir de bonnes approximations est quantifié à l'aide de coefficients de corrélation spatiale. Nos résultats indiquent la présence d'un choix optimal de paramètre de filtre alpha en fonction de la résolution de la grille de simulation des tourbillons de grande échelle. Dans la troisième partie de cette thèse, un modèle simple de simulation d'écoulements de suspensions actives est étudié. L'approche est basée sur la dynamique des particules dissipatives (DPD). Bien que le modèle soit potentiellement applicable à une large gamme de systèmes de particules automotrices, la classe spécifique de suspensions bactériennes auto-motiles est considérée en tant que un scénario de modélisation. Motilité bactérienne est modélisée grâce à une force d'autopropulsion constante appliquée le long de l'axe de chaque agent. Le modèle tient compte des interactions hydrodynamiques entre les agents automoteurs à travers les interactions dissipatives par paires classiques de la DPD. Des études détaillées de l'influence de la concentration des agents, des interactions dissipatives par paires, et de la friction de Stokes sur les statistiques du système sont fournies. Les simulations sont utilisées pour explorer l'influence des interactions hydrodynamiques dans les suspensions actives. Pour des concentrations élevées de l'agent combinées à des forces dissipatives par paires dominantes, des types de mouvement fortement corrélés et des distributions spectrales d'énergie cinétique analogue à un fluide sont trouvés. En revanche, les systèmes dominés par la friction de Stokes présentent des corrélations spatiales plus faibles du champ de vitesse. Ces résultats indiquent que les interactions hydrodynamiques peuvent jouer un rôle important dans la formation de structures spatialement étendues dans les suspensions actives.