La demande pour les ressources énergétiques est en hausse alors que leur disponibilité est en baisse. Dans ce contexte, l’industrie du transport et de l’énergie est à la recherche de petits moteurs efficaces et puissants et le Rim Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) pourrait correspondre à ces critères. Or, en ce moment, le potentiel de ce moteur est limité, car son compresseur supersonique entraîne des pertes d’efficacité lorsque le rotor tourne à son nombre de Mach tangentiel optimal qui est de 2. Le présent mémoire compile toutes les notions requises pour comprendre le fonctionnement d’un compresseur supersonique lors de son démarrage et de concevoir le compresseur le plus approprié pour le R4E, tant en démarrage qu’en régime permanent. Pour se faire, des concepts de cascades inspirés des compresseurs et des méthodes de démarrage des moteurs ramjet actuels ont été générés et validés à l’aide de modèles analytiques. Les concepts sont par la suite essayés expérimentalement sous la forme de cascades à l’aide d’une soufflerie supersonique. Bien que le modèle analytique montre que les cascades munies de canaux de purge soient plus performantes et plus robustes en conditions off-design, ces dernières n’ont jamais démarré lors des expérimentations même si les canaux ont été agrandis et multipliés. Ainsi, parmi tous les concepts essayés, celui qui démarre par survitesse et qui comporte des canaux de succion de couche limite à son col a donné les meilleurs résultats. Il est très stable et permet d’obtenir un ratio de pression statique de 4.25 et un recouvrement de pression totale de 89 %, pour une efficacité isentropique de 92 % à un nombre de Mach tangentiel de 2. Par contre, il est à noter qu’il n’a pas été possible de mesurer la pression totale. Elle a plutôt été estimée à partir des images de strioscopie tirées lors des essais. Comme on ne dispose pas d’une structure permettant d’essayer le compresseur rotatif à Mach 2, il a fallu approximer l’influence de l’accélération centrifuge sur l’écoulement de la cascade et trouver un moyen d’intégrer le nouvel aubage à la roue. Un modèle permettant d’estimer les paramètres d’une couche limite se développant sur une plaque plane en rotation a permis de déduire que l’accélération transverse n’aurait qu’un effet légèrement favorable, puisqu’il permet d’amincir l’épaisseur de déplacement, réduisant ainsi les risques d’interaction en la couche limite et les chocs. Finalement, les canaux de succion de couche limite du compresseur pourraient permettre d’alimenter un système de refroidissement qui limiterait la température à la jante à 820 K. Le R4E pourrait devenir l’avenir des systèmes de régénération électrique pour les véhicules hybrides. Il serait aussi intéressant pour une utilisation dans les petites centrales thermiques des régions éloignées. Ce grand potentiel d’utilisation provient de la grande densité de puissance du moteur, de sa simplicité et de son très faible coût de fabrication et de maintenance.

Les garnitures mécaniques assurent l'étanchéité d'arbres tournants. L'augmentation des contraintes de fonctionnement a conduit au développement de garnitures à gaz fonctionnant sans contact des faces, séparées par un film fluide de très faible épaisseur. Le frottement entre les anneaux de la garniture, et donc l'usure, est évité.<br />L'étude bibliographique révèle que peu de travaux sur les garnitures pour gaz à hautes pressions ont été réalisés. Les caractéristiques d'un écoulement à haute pression sont examinées et les points-clefs du modèle sont définis : gaz réels, effets d'inertie, effets thermiques, écoulement bloqué. A hautes pressions, le comportement du gaz diffère de celui d'un gaz parfait, un modèle de gaz réel est donc développé. L'équation de Reynolds pour un fluide compressible est modifiée afin de prendre en compte les effets d'inertie. Les effets thermiques dans l'écoulement sont également introduits dans le modèle. L'écoulement bloqué à la sortie du film fluide est résolu grâce à une méthode originale. Les déformations des solides et le couplage thermique sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. La méthode des éléments finis est utilisée pour la discrétisation des équations et un algorithme itératif permet la détermination des champs de pression et de température. La comparaison avec une solution analytique et des données expérimentales permet de valider le modèle. L'influence du modèle du gaz est présentée. L'étude paramétrique menée avec le modèle numérique permet d'étudier l'influence des effets d'inertie sur l'écoulement par rapport au cas purement visqueux. Finalement, le couplage fluide-solides est étudié. Cette analyse montre que les déformations des faces influencent notablement le comportement des garnitures.

L’objectif de ma thèse est d'étudier la propagation des ondes acoustiques dans les milieux poreux. La théorie de l'homogénéisation (Boutin et Auriault, 1990; Malinouskaya, 2007; Li, 2010) est utilisée avec les modèles de réseaux tels que LBM, LSM, LSM2S, LBM-LSM, LBM-LSM2S. Ces modèles nous permettent de déterminer les propriétés macroscopiques, les vitesses acoustiques et les effets d'atténuation dans les échantillons Fontainebleau avec deux composants (pores et quartz) et les échantillons STATOIL avec trois composantes (pores, quartz et d'argile). La modélisation numérique vise à résoudre 3 problèmes. Le premier problème est la caractérisation des échantillons; par la détermination de la porosité et des fonctions de corrélation avec les composantes de Fourier correspondantes (Adler, 1992; Nguyen, 2013). Le second porte sur la propagation des ondes dans les échantillons secs; les vitesses sont dérivées du tenseur de rigidité efficace C(eff) qui peut être calculé par LSM (Pazdniakou, 2012) ou LSM2S. Le troisième problème correspond aux échantillons saturés par un fluide incompressible ou compressible; les vitesses sont obtenues par résolution de l'équation de Christoffel après les déterminations de C(eff), fr la perméabilité dynamique K et ses réactions à la pression de fluide α et β. Pour les échantillons de Fontainebleau, les calculs sont effectués avec des modèles pré-existents tels que LSM, LBM, LBM-LSM. Ces modèles de bases sont étendus pour milieux avec plusieurs composants solides; ils sont validés via des comparaisons avec d’autres méthodes (Nemat-Nasser et Iwakuma, 1982; Torquato, 1998, 2000; Cohen, 2004). Les vitesses, le module d’élasticité et cisaillement efficace de tous les échantillons secs ainsi que les vitesses et l'atténuation des ondes dans les échantillons saturés sont déterminés. Les séries de résultats obtenues concordent bien avec des corrélations empiriques et théoriques, tels que le modèle d’IOS d’ Arns (1996), les modèles empiriques de Nur et al. (1991), Krief (1990) et avec le modèle de Gassmann. Les résultats numériques sont un peu plus grands que les données expérimentales d’ Han (1986) et de Gomez et al. (2010); les raisons de cette petite différence ont été provisoirement analysées, mais sa cause n'a pas été identifiée sans ambiguïté. / The purpose of this Ph.D. thesis is to study acoustic waves in porous media. The homogenization theory (Boutin and Auriault, 1990; Malinouskaya, 2007; Li, 2010) is used together with the lattice models such as LBM, LSM, LSM2S, LBM-LSM, LBM-LSM2S in order to determine the macroscopic properties, the acoustic velocities, the attenuation effects in Fontainebleau samples with two components (pore and quartz) and in STATOIL samples with three components (pore, quartz and clay). Three problems are studied numerically in this work. The first problem is devoted to characterizations of samples; this is done with the determination of the porosity and of the correlation functions with the corresponding Fourier components (Adler, 1992; Nguyen, 2013). The second one addresses wave propagation in dry samples; the velocities are derived from the effective stiffness tensor C(eff) which can be calculated by LSM (Pazdniakou, 2012) or LSM2S. The third one corresponds to samples saturated by incompressible or compressible fluids; the velocities can be obtained from the Christoffel equation after determining C(eff) , the dynamic permeability K and the reactions to fluid pressure α and β. For Fontainebleau samples, the calculations are performed with basic existing models such as LSM, LBM, LBM-LSM. These basic models are extended to solids with multiple components; they are validated by comparisons with others (Nemat-Nasser and Iwakuma, 1982; Torquato, 1998, 2000; Cohen, 2004). The velocities, the effective bulk and shear modulus of all the dry samples as well as the velocities and the attenuation effected in saturated samples are determined. These results are in good agreement compared with existing models and results, such as the IOS model of Arns (1996), the empirical models of Nur et al. (1991), Krief (1990) and with Gassmann’ s model. The numerical results are slightly larger than the experimental data of Han (1986) and Gomez et al. (2010); the origin of this small discrepancy has been tentatively analyzed, but its cause has not been unambiguously identified.

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure entre un fluide compressible et une structure déformable. En particulier, nous nous sommes intéressés au couplage par une approche partitionnée entre une méthode de Volumes Finis pour résoudre les équations de la mécanique des fluides compressibles et une méthode d'Eléments discrets pour le solide, capable de prendre en compte la fissuration. La revue des méthodes existantes de domaines fictifs ainsi que des algorithmes partitionnés couramment utilisés pour le couplage conduit à choisir une méthode de frontières immergées conservative et un schéma de couplage explicite. Il est établi que la méthode d'Eléments Discrets utilisée permet de retrouver le comportement macroscopique du matériau et que le schéma symplectique employé assure la préservation de l'énergie du solide. Puis nous avons développé un algorithme de couplage explicite entre un fluide compressible non-visqueux et un solide indéformable. Nous avons montré des propriétés de conservation exacte de masse, de quantité de mouvement et d'énergie du système ainsi que de consistance du schéma de couplage. Cet algorithme a été étendu au couplage avec un solide déformable, sous la forme d'un schéma semi-implicite. Cette méthode a été appliquée à l'étude de problèmes d'écoulements non-visqueux autour de structures mobiles : les comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux existants démontrent la très bonne précision de notre méthode / This work aims at the numerical simulation of compressible fluid/deformable structure interactions. In particular, we have developed a partitioned coupling algorithm between a Finite Volume method for the compressible fluid and a Discrete Element method capable of taking into account fractures in the solid. A survey of existing fictitious domain methods and partitioned algorithms has led to choose an Embedded Boundary method and an explicit coupling scheme. We first showed that the Discrete Element method used for the solid yielded the correct macroscopic behaviour and that the symplectic time-integration scheme ensured the preservation of energy. We then developed an explicit coupling algorithm between a compressible inviscid fluid and an undeformable solid. Mass, momentum and energy conservation and consistency properties were proved for the coupling scheme. The algorithm was then extended to the coupling with a deformable solid, in the form of a semi-implicit scheme. Finally, we applied this method to unsteady inviscid flows around moving structures: comparisons with existing numerical and experimental results demonstrate the excellent accuracy of our method

La prédiction numérique de la réponse de systèmes aéroélastiques devient rapidement très coûteuse dès qu'il s'agit d'effectuer une analyse paramétrique. Le recours à un modèle d'ordre réduit fidèle au système dynamique initial est alors indispensable pour réduire les coûts de calcul. Ainsi, l'utilisation d'une base de vecteurs issus de la décomposition orthogonale propre (POD) combinée ensuite à une projection de Galerkin s'est imposée en mécanique des fluides. La difficulté de la construction d'un tel modèle d'ordre réduit pour les systèmes aéroélastiques est triple : tout d'abord en raison des non-linéarités inhérentes aux équations de Navier-Stokes, ensuite à cause de l'incohérence de la définition des modes POD pour un domaine en mouvement et enfin de par la nécessité d'une stabilisation. Tout d'abord, le modèle d'ordre réduit reposant sur l'utilisation des modes POD est appliqué à un système dynamique linéaire pour lequel plusieurs formulations sont développées pour tenir compte de conditions limites spécifiques. Ensuite, le modèle d'ordre réduit est développé pour les équations de Navier-Stokes d'un fluide compressible au moyen d'un jeu de variables particulier. Ce premier modèle réduit développé pour un domaine de frontières fixes est corrigé puis validé sur l'exemple d'un profil NACA0012 fortement incliné pour provoquer l'apparition d'une allée de vortex. Finalement, le modèle d'ordre réduit est étendu au cas d'un domaine mobile sous l'hypothèse d'un mouvement de corps rigide afin d'éluder le problème de définition des modes POD. Ce modèle est alors employé pour reproduire l'écoulement transsonique autour d'un profil NACA0064 animé d'un mouvement d'oscillation.

Ce travail de thèse concerne l'étude des écoulements de fluides gazeux compressibles laminaires subsonique-supersonique dans une tuyère de type convergent-divergent. Les écoulements étudiés sont à nombres de Reynolds modérés et s'affranchissent de l'hypothèse de condition adiabatique de paroi couramment utilisée afin de mieux prendre en compte les phénomènes de transfert de chaleur par convection et rayonnement avec le milieu extérieur. Cette étude des phénomènes de transferts conjugués a permis de déterminer le comportement dynamique simultané du fluide et de la paroi de la tuyère. Enfin, compte tenu des niveaux élevés de températures mis en jeu dans ces systèmes, une analyse concernant le comportement thermomécanique de l'ensemble de la structure de paroi avec des matériaux monocouches et multicouches a été réalisé. De nombreuses configurations géométriques, propriétés physiques et conditions aux limites sur le fluide et la paroi ont été analysées. Les résultats présentés montrent, la structure des écoulements à travers les iso-contours de vitesses, des nombres de Mach, des pressions dans le fluide, des températures dans le fluide et dans la paroi ainsi que les déformations et les contraintes de la paroi qui résultent des couplages thermomécaniques. Une analyse des performances de la tuyère, en termes de force de poussée et de coefficient de débit spécifique, est largement discutée dans ce travail.

Ce travail de thèse concerne l’étude des écoulements de fluides gazeux compressibles laminaires subsonique-supersonique dans une tuyère de type convergent-divergent. Les écoulements étudiés sont à nombres de Reynolds modérés et s’affranchissent de l’hypothèse de condition adiabatique de paroi couramment utilisée afin de mieux prendre en compte les phénomènes de transfert de chaleur par convection et rayonnement avec le milieu extérieur. Cette étude des phénomènes de transferts conjugués a permis de déterminer le comportement dynamique simultané du fluide et de la paroi de la tuyère. Enfin, compte tenu des niveaux élevés de températures mis en jeu dans ces systèmes, une analyse concernant le comportement thermomécanique de l’ensemble de la structure de paroi avec des matériaux monocouches et multicouches a été réalisé. De nombreuses configurations géométriques, propriétés physiques et conditions aux limites sur le fluide et la paroi ont été analysées. Les résultats présentés montrent, la structure des écoulements à travers les iso-contours de vitesses, des nombres de Mach, des pressions dans le fluide, des températures dans le fluide et dans la paroi ainsi que les déformations et les contraintes de la paroi qui résultent des couplages thermomécaniques. Une analyse des performances de la tuyère, en termes de force de poussée et de coefficient de débit spécifique, est largement discutée dans ce travail. / This work concerns the study of flows of compressible gaseous laminar subsonic-supersonic nozzle in a convergent-divergent type. The flows are studied to moderate Reynolds numbers and free themselves from the assumption of adiabatic wall conditions commonly used to better take into account the phenomena of heat transfer by convection and radiation with the external environment. This study combined transfer phenomena was determined simultaneously the dynamic behavior of the fluid and the wall of the nozzle. Finally, given high levels of temperatures at stake in these systems, an analysis of the thermomechanical behavior of the entire wall structure with monolayer and multilayer materials was performed. Many geometric configurations, physical properties and boundary conditions on the fluid and the wall were analyzed. The results presented show the structure of the flow through the iso-contours of speed, Mach numbers, pressures in the fluid, temperatures in the fluid and in the wall as well as the deformations and stresses resulting from the wall thermomechanical couplings. A performance analysis of the nozzle, in terms of thrust coefficient and specific yield, is widely discussed in this work.