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PMM testing is a method used to identify the added mass and damping coefficients used in the equations of motion of a vehicle by attempting to decouple the forces on a body due to velocity and acceleration as a result of creating "hydrodynamically pure" velocities and accelerations. This makes it possible to use quasi-steady state models with terms independent of both velocity and acceleration. This paper explores the ability of simple damping models (solely a function of velocity) with added mass terms (solely a function of acceleration) to simulate the heave force of an 8:1 ellipsoid undergoing PMM testing. In order to help explain the complexity of the flow during PMM tests, a flow analysis of the 8:1 spheroid is provided, which discusses the flow topology of spheroids at steady angle of attack, validity of quasi-steady models, and some other basic flow features seen in PMM testing. In this paper, a simple proportionality relationship between a linear and quadratic damping model is revealed. It is also shown that variations in the heave force response during PMM tests are most heavily influenced by viscous effects, especially cross flow separation. Finally, it is shown where these models break down, owing to the increasing nonlinearity of the flow induced by the harsher motions of large amplitude and/or large frequency tests. / Master of Science

Une modélisation d'ordre réduit basée sur le partitionnement des données (cluster-based reduced-order modelling ou CROM) est développée pour identifier de manière non supervisée des mécanismes d'interaction non linéaires. La connaissance de ces mécanismes permet de pronostiquer la formation d’événements souhaitables ou non. L’approche proposée adopteun point de vue probabiliste en mettant à profit la linéarité de l’équation d’évolution de probabilité qui tient cependant compte d'éventuelles actions non linéaires des actionneurs. Le cadre est appliqué à l’attracteur de Lorenz, aux données numériques de la couche de mélange, à la turbulence tridimensionnelle du sillage d’un corps non profilé, d’un train, et aux données expérimentales d’un moteur à combustion.Pour ces exemples, le CROM permettait l'identification des quasi-attracteurs par exemple les deux régimes d’écoulement de la couche de mélange ou les états bimodaux du corps Ahmed . Les transitions principales entre ces quasi-attracteurs sont caractérisées par des regroupements de données appelé « flipper cluster ». L'identification de ces « flipper cluster » peut servir pour le contrôle des écoulements en utilisant le partitionnement des données obtenues par exemple de l'évolution temporelle de la traînée ou de la portance.Un contrôle en boucle fermé basé sur la CROM est appliqué à un écoulement le long d'une rampe courbée en vue de diminuer les extensions de la zone de recirculation par rapport à la meilleure excitation périodique en boucle ouverte. L'actionneur est mis en marche en fonction des regroupements préalablement observés. Le résultat est comparé à l’ensemble des lois de contrôle définies par toutes les combinaisons possibles des « on » et « of » par les regroupements de données. Bien quele contrôle basé sur la CROM ne permet pas de réduire la zone de recirculation par rapport à la réduction maximale en boucle ouverte, 28 % de l'apport d 'énergie nécessaire et 81 % pour une loi de contrôle particulière peuvent être économisé. / A cluster-based reduced-order modeling strategy is developed for the unsupervised identification of nonlinear flow mechanisms and precursors to desirable or undesirable events. The proposed approach assumes a probabilistic viewpoint taking advantage of the linearity of the evolution equation for the probability while including nonlinear actuation dynamics.The framework is applied to the Lorenz attractor, numerical data of the spatially evolving mixing layer, the three-dimensional turbulent wake of a bluf body, of a train, and experimental data of a combustion engine.For these examples, CROM has been shown to identify quasi-attractors such as the two shedding regimes of the mixing layer or the bimodal states of the Ahmed body; main transition processes between those quasiattractors are characterized by branching regions or flipper cluster; desirable phase space regions and possible actuation mechanisms areindicated by analysis of cluster features like drag and lift forces which can be further exploited for control purposes.In particular, a CROM-based feedback control is applied to a separating flow over a smooth ramp to examine whether the recirculation area can be diminished compared to the best open-loop periodic excitation by turning the actuation on or of depending on the applicable cluster. The CROMbased control is compared to the complete set of control laws defined byall possible combinations of 'on' and 'of' for the given set of clusters.While the recirculation area cannot be further decreased compared to the best open-loop forcing, a similar size can be achieved for 28% (CROMbased control) or 81% (one particular control law) savings in the control input energy.

Cette thèse est le fruit d’un partenariat entre la société Johnson Controls et l’université Bordeaux1. L’objectif s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement de pompe à chaleur innovante et est de développer un compresseur centrifuge à haute compression. Pour ce faire, un modèle numérique a été créé afin de simuler l’écoulement dans ce type de compresseur. Afin de respecter des impératifs industriels, une première géométrie a été établie par modifications itératives de divers paramètres et analyse des performances induites. L’écoulement a ensuite été étudié plus précisément, particulièrement pour mieux comprendre l’apparition des décollements. Enfin, une étude instationnaire de l’écoulement dans le diffuseur a été effectuée. Au delà des phénomènes physiques étudiés et appréhendés au cours de ce processus, c’est avant tout une méthodologie qui valorise ce travail. / This thesis is the result of a partnership between the company Johnson Controls and the university Bordeaux1. The objective is part of a project to develop innovative heat pump and involves the design of a high head centrifugal compressor. To do this, a numerical model is created to simulate the flow in this kind of compressor. To observe industriel deadlines, a first geometry was established by iterative changes of various parameters in analysing induced effiencies. The flow was then studied further, especially to better understand the onset of flow separation. Finally, a study of unsteady flow in the diffuser was performed. Beyond the physical phenomena investigated and comprehended during this process, it is firstly a methodology that values this work.

Among the different types of flows encountered in practical applications, the physics of turbulent separated flows and turbulence induced secondary motion are not fully understood despite the large amount of previous experimental and numerical work. The objectives of this work are to study theoretically and computationally the conditions at the separation and reattachment point, the numerical simulation of turbulence induced secondary motion in non-circular ducts, and to provide a comprehensive test of different RANS models of these types of flow. In a theoretical study of flow separation, a Lagrangian approach was first used to derive an Eulerian criterion, which associates separation and reattachment points to a critical point in the eigenvalues of the Cauchy-Green tensor. A turbulent separated boundary layer under the influence of an adverse pressure gradient was simulated using DNS and LES techniques. A bootstrapping method was used to obtain high fidelity results at a relatively high Reynolds number with which the performance of some of the most commonly used eddy-viscosity turbulence models was evaluated. The DNS and LES results were used to assess the consistency of the different terms in the k−e , ζ −f , k −ω and Spalart-Allmaras models. Different wall-modelling techniques were employed for the calculation of separated boundary layers. The exact values of the modelled terms were calculated using the reference DNS and LES dataset. These results were used for both a priori and a posteriori tests. It was determined that the eddy-viscosity assumption works well, and that anisotropic effects are not significant in separated boundary layer. For the secondary flow calculation in non-circular ducts, direct numerical simulations of turbulent flow in square and skewed ducts were carried out to determine the effect of the duct (rhombus) included angle on both the mean and turbulence energy budgets. Two skewed ducts, with included angles of 30 and 60 degrees, were simulated. The capability of different turbulence models to predict the secondary velocity field was investigated. Results obtained from a non-linear stress-strain constitutive relation was found to be fairly accurate for the flows at the range of Reynolds number considered in this study. / Thesis (Ph.D, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2010-11-26 13:52:18.361

La vectorisation de la poussée d'une tuyère propulsive supersonique axisymétrique est étudiée par le biais d'une injection fluidique transversale dans sa partie divergente. Cette étude menée dans le cadre du programme PERSEUS du CNES a été motivée par la recherche d'une solution alternative au pilotage conventionnel de la poussée par actionneurs mécaniques. Le travail de la thèse, tout en s'appuyant sur des approches expérimentale et numérique, comprend essentiellement une large étude paramétrique concernant principalement la position de l'injection, la forme de la tuyère, la nature et le débit du fluide injecté. L'analyse des résultats montre que pour certaines configurations optimales, des angles de déviation pertinents peuvent être obtenus pour des taux d'injections modérés. L'analyse numérique étendue aux écoulements chauds multi-espèces, plus proches des applications réelles, a montré que la vectorisation fluidique reste très performante lors de l'injection de produits de combustion dans le divergent. / Secondary injection into the divergent section of a supersonic rocket nozzle is investigated for the fluidic thrust vectoring effects. The study was conducted in the framework of CNES PERSEUS program and was motivated by the need for an alternative vectoring solution aimed for a small space launcher. The thesis work, based on the combined experimental and numerical approaches, essentially comprises of a wide parametric study mainly concerning the position of the injection, the shape of the primary and injection nozzles, flow regime, gas thermophysical properties and injected fluid mass-flow-rate. The analysis shows that for some optimal configurations, pertinent deflection angles can be obtained using the moderate injection rates. Furthermore, the study was extended to the hot flow multi-species investigation, simulating a case closer to the real applications. This numerical analysis indicated that the fluidic vectoring method remains effective with injection of combustion products into the divergent section of a propulsive rocket nozzle.

Le contrôle d’écoulement permet d’éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s’intéressent plus particulièrement au contrôle actif d’écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l’équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l’écoulement autour du modèle à l’aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l’écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d’une séparation sur le volet, un peu comme sur l’extrados d’une aile d’avion. L’utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d’étudier et d’optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi / Flow control allows to suppress boundary layers separation, which largely deteriorates the performances of machineries which interact with fluid (aircraft, cars, turbomachineries, etc.). This study concentrates more particularly on active flow control with continuous jets. A ramp model which allows to manipulate the boundary layer equilibrium was realized and set in Laboratoire de Mécanique de Lille wind tunnel. The first part of the work was to characterize the flow over the model with wool-tufts and oil-film visualisations, pressure distribution, hot-wire anemometry and PIV measurements. The aim was to define a ramp configuration for the flow control study and to know precisely the characteristics of the retained flow. The selected configuration corresponds to an adverse pressure gradient flow followed by a separation on the flap, which mimics the flow on the suction side of a wing. With friction probes coupled with wool-tufts visualisations, passive actuators and active continuous jets were studied and optimised. Finally, some of the optimum active configurations found were characterized in more details with PIV measurements over the entire separated region. It appears that continuous jets do not suppress the separation mechanisms, but only reduce their intensity and squeeze them more or less against the wall

Cette recherche s’articule en deux parties. L’objectif de la première partie est d’analyser par voie expérimentale et numérique la phénoménologie du décollement interne, dit décollement de jet (en regimes transitoire et établi) dans les tuyères supersoniques refroidies par film fluide. La deuxième partie porte sur la réinterprétation des concepts de tuyère existants pour aboutir à la proposition d’un nouveau dispositif de détente supersonique, qui offre une résistance accrue au décollement de jet. La première partie de cette thèse est basée sur l’analyse des résultats expérimentaux obtenus lors de la campagne d’essais réalisée à l’ONERA. Ces essais, ont mis en évidence des spécificités de comportement de la tuyère, inhérentes à la manière d’amorcer le jet supersonique principal par rapport à l’établissement du film pariétal. Ces mêmes expériences ont permis d’étudier le comportement instationnaire du décollement de jet lorsque les conditions d’alimentation sont maintenues en régime établi. L’apparition de fréquences caractéristiques a été mise en évidence et leur origine a été étudiée à l’aide de simulations numériques. En nous appuyant sur les considérations issues de la première partie de l’étude, une revue critique des concepts de tuyère existants a été menée. Ce travail a permis d’identifier une lacune majeure dans la définition des tuyères à écoulement interne, à savoir l’absence d’une « barrière » qui puisse prévenir l’occurrence du décollement de jet. Ainsi, nous avons proposé la conjonction d’un dispositif à écoulement externe (aerospike) et d’une tuyère classique afin de résoudre cette problématique in nuce, en créant une barrière fluidique continue tout autour du plan de sortie de la tuyère principale. L’efficacité de ce concept a donc été prouvée par calcul, puis une campagne expérimentale a été organisée afin de valider les résultats obtenus. / This research is in two parts. The objective of the first part is to analyse by experimental and numerical means the phenomenology of nozzle flow separation in transient and steady state conditions. The second part of this research work focuses on the reinterpretation of existing concepts of converging-diverging nozzles, leading to the proposal of a new supersonic expansion device, with improved flow separation characteristics.Experimental data, collected during the test campaign conducted at ONERA, have been analysed and are presented in the first part of this thesis. Obtained results highlight some peculiarities of the transient behavior of the nozzle, mostly dependent on the synchronisation between the start-up phase of the main jet and the grow-up of the wall film. These same experiments have been also used to investigate the unsteadiness of the flow separation, when nozzle feeding conditions are maintained constant. Appearance of characteristic frequencies has been highlighted and their origin has been investigated by CFD simulations.In the second part, a critical review of existing nozzle concepts was conducted. This allowed identifying a major gap in the definition of traditional supersonic nozzles, namely the absence of a "barrier" that can prevent the occurrence of the flow separation. Thus, in the second part of this thesis we propose a new nozzle concept. It is based on the combination of a small aerospike and a conventional nozzle (main flow). Such an arrangement allows solving the flow separation problem in nuce. The effectiveness of this concept has been proved by calculation and by an experimental test campaign.

Title: Numerical modeling of unstable fluid flow past heated bodies Author: Jan Pech Department: Mathematical Institute of Charles University Supervisor: prof. Ing. František Maršík, DrSc., Mathematical Institute of Charles University Abstract: Presented work brings new results to numerical computations of flow influenced by temperature changes. Constructed numerical algorithm takes into account variable coefficients of the differential operators in the system of in- compressible Navier-Stokes equations coupled with thermal heat equation. The spatial discretisation of the problem targets to application of high order method, the spectral element method. Phenomenons connected with high order approxi- mations are discussed on a number of examples and comparisons with methods of lower order, which are more common. Results were achieved for two fluids with opposite response to heating, air and water. The observed quantity is par- ticularly a frequency of vortex shedding, the Strouhal number, as dependent on temperature and Reynolds number. The calculated values were compared with experimental results and exhibit a good coincidence. Numerical analysis of sep- aration angle in flow around heated circular cylinder may give a new impulse to verification of accuracy and reliability of the developed method. Keywords:...