Ce travail de maitrise s’inscrit dans le cadre des activités de recherche du Laboratoire de Machines Hydraulique de l’Université Laval et a pour objectif la caractérisation de l’écoulement dans le canal d’entrée d’un modèle de turbine hydraulique de type bulbe. La représentation des champs de vitesses moyennes et des fluctuations sous différentes conditions d’opérations ont été obtenues en utilisant un système de mesure LDV. Un débalancement du débit et des structures tourbillonnaires dans le canal d’entrée ont été mises en évidence. La conception d’une géométrie d’obstacle provoquant une non-uniformité dans le canal d’entrée a été développée en tenant compte des prédictions de simulations numériques. Des simulations numériques de la machine complète en régime stationnaire et instationnaire selon deux configurations géométriques ont été menées pour déterminer l’influence des conditions d’entrée de l’écoulement sur les performances de la machine. Des comparaisons entre les quantités expérimentales et numériques ont été réalisées. / This work is part of the research activities of the Hydraulic Machines Laboratory of the Laval University and its objective is to contribute to the characterisation of the intake flow in a model of a bulb turbine. The representation of the mean velocity fields and the turbulent fluctuations under predefined operating conditions were obtained by the use of a LDV measurement system. Mass-flow imbalance and vortices in the intake channel were identified. The conception of an obstacle geometry causing a non-uniformity in the intake channel has been developed taking in consideration the predictions of numerical simulation. Numerical simulations of the complete machine for both steady and unsteady case were performed with and without obstacle in the intake channel. The objective of this process was to evaluate the influence of the intake flow condition on the turbine performances. Moreover, comparisons between experimental and numerical quantities were made.

Cette étude s'intéresse à une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de simuler des écoulements incompressibles externes autour de multiples corps en mouvement arbitraire. L'implantation initiale de la méthode a été développée à 1' Université Catholique de Louvain puis des modifications ont été apportées en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique pour prendre en compte le mouvement et la présence simultanée de plusieurs corps. Cependant, ces modifications n'étaient pas validées et aucune méthode de calcul des forces et du moment sur les corps individuellement n'était disponible. Au sein de cette étude, plusieurs approches de calcul des forces et du moment sont présentées et détaillées, toutes ayant la particularité de ne pas nécessiter la connaissance du champ de pression de l'écoulement. La première approche utilise des surfaces de contrôle englobant chaque corps ainsi que la surface même des corps. La seconde est développée à partir d'une surface de contrôle à l'infini et ne peut fournir que les forces nettes totales sur l'ensemble des corps en présence. La troisième approche ne requiert que de l'information (vitesse et vorticité) à la surface des corps et elle est la seule pour l'instant qui permet de fournir également le moment de force. Toutes ces approches ainsi que les modifications effectuées pour prendre en compte le mouvement sont validées pour des écoulements à bas Reynolds autour de corps en translation et rotation combinés. Les cas d'un cylindre unique, de deux cylindres en tandem et d'une aile oscillante sont étudiés. Les comparaisons sont effectuées à l'aide de résultats produits par le code commercial eulérien de volumes finis Fluent 6.2. Les résultats mettent en évidence l'habilité de la méthode vortex à capturer précisément la dynamique des fluides, ainsi que l'efficacité de chacune des méthodes de calcul des forces et du moment. / This work is about a 2-D lagrangian vortex method allowing simulation of external incompressible flow around arbitrary moving bodies. The initial implementation of the method was developed at Université Catholique de Louvain and adapted for multiple moving bodies in collaboration with Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. However, these modifications were not validated and no method of force and moment calculation on individual body was available. In this study, several approaches of force and moment calculation are presented and detailed, ail of which do not require information on the pressure field. The first approach uses control surfaces surrounding each body as well as the body surfaces themselves. The second one is developed from a control surface taken at infinity and can only provide total net forces on ail bodies taken together. The third one requires information (velocity and vorticity) only at body surfaces. The latter is the only approach considered up to now that can provide moment of force on the bodies. Ail three methods as well as ail the modifications that were implemented to adapt the solver to moving bodies are validated for low Reynolds number flows around bodies undergoing combined translation and angular motion. Cases of a single cylinder, two cylinders in tandem, and oscillating airfoil are studied. Comparisons are then made with results obtained with the eulerian finite volume commercial code Fluent 6.2. Results show the ability of the vortex method to correctly capture fluid dynamics, as well as the efficiency of each method for the force and moment calculations.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / Le travail de recherche présenté dans ce mémoire vise à étudier l'impact de la flexibilité de la corde sur l'aérodynamique d'ailes oscillantes en régime de propulsion à bas Reynolds pour une application de nano-véhicules aériens et pour ce faire, de développer un outil de modélisation aéroélastique approprié. L'idée de base de ce projet est de considérer une flexibilité discrète avec une aile articulée composée de segments rigides reliés entre eux par des joints torsionnels élastiques. Une telle approche de flexibilité discrète implique la résolution de la dynamique des corps rigides couplée à la résolution d'un écoulement de fluide incompressible. La méthode des particules lagrangiennes vortex est utilisée pour résoudre l'écoulement autour de ces multiples corps rigides en mouvement arbitraire. Le couplage fluide-structure im-plémenté permet de prendre en considération iV segments rigides dont la dynamique est gouvernée à la fois par un mouvement imposé sur l'un d'eux, par les forces aérodynamiques générées par l'écoulement à chaque instant et par les forces élastiques des joints unissant les segments entre eux. L'ajout d'une boucle de sous-itérations supplémentaire dans la méthode vortex a été nécessaire pour doter cette interaction fluide-structure (FSI) d'un couplage "fort". La mise au point d'un tel outil a permis d'étudier l'impact de divers paramètres de flexibilité discrète sur la propulsion à aile oscillante à bas nombre de Reynolds. On constate qu'il est possible d'augmenter les performances d'une aile oscillante en propulsion (soit en poussée ou soit en rendement énergétique) en modifiant la position et la rigidité des articulations élastiques ou le ratio de densité des corps solides par rapport au fluide. Ce travail ouvre donc la voie à l'optimisation de la distribution de flexibilité le long de la corde pour les applications aérodynamiques à faibles nombres de Reynolds.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les objectifs de ce mémoire peuvent se scinder en deux parties distinctes. On retrouve tout d'abord un objectif de nature méthodologique qui consiste à réduire les coûts de calcul d'une méthode lagrangienne par particules vortex. Le second objectif est pour sa part davantage relié aux phénomènes physiques et à l'optimisation d'un concept de turbine à aile oscillante. L'objectif méthodologique concerne une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de résoudre des écoulements externes, visqueux et incompressibles, autour de multiples corps en mouvement arbitraire. Avec une telle méthode, le contrôle de la relaxation de la résolution spatiale dans le sillage des corps est plus complexe que dans le cas d'une méthode eulérienne (méthode de grille), puisque la discrétisation des champs est réalisée via un ensemble de particules vortex. Étant donné le nombre sans cesse croissant de ces particules dans le sillage, les coûts de calcul deviennent alors de plus en plus importants. Afin de mieux contrôler cette augmentation du nombre de particules, une approche de redistribution par boîtes est donc proposée et permet à l'utilisateur de définir des boîtes de dimensions et de résolution variables. Les résultats montrent que dans plusieurs simulations, le nombre de particules peut être réduit jusqu'à 50% sans toutefois affecter significativement les prédictions des forces agissant sur les corps. L'atteinte de l'objectif méthodologique s'est avérée nécessaire pour réaliser l'optimisation du rendement d'un concept de turbine à aile oscillante. Cette optimisation a été étudiée via la modification des fonctions de mouvement de l'aile et l'utilisation d'un volet au bord de fuite. Les résultats montrent que la modification des fonctions de mouvement ne permet qu'une faible amélioration du rendement. Toutefois, le déploiement d'un volet permet quant à lui d'aller jusqu'à doubler le rendement pour certaines conditions d'opération.

Le calcul des surfaces libres a fait l'objet de plusieurs ouvrages. L'objectif de ces travaux est de calculer avec précision les interfaces entre fluides immiscibles en minimisant la diffusion numérique et les pertes de masse. Plusieurs techniques existent pour effectuer de telles simulations et dans ce travail, on présente une variante améliorée de la méthode des surfaces de niveau (« level-set method »). Cette méthode requiert la résolution d'une équation de transport pour l'interface, couplée à la résolution des équations de NavierStokes. Dans la méthode proposée, l'interface est représentée par la surface de niveau 0 de la fonction distance signée. Cette interface présente une zone de transition de largeur 2e des paramètres rhéologiques des deux fluides comme la viscosité et la densité. Ces paramètres sont régularisés à l'interface pour éviter de gérer des discontinuités. La tension superficielle caractérise la résistance à la déformation de l'interface et joue un rôle très important. Il est donc primordial de bien l'imposer comme terme source dans l'équation de Navier-Stokes, ce qui est réalisé par l'introduction d'un tenseur qui agit uniquement à l'interface. Pour remédier au problème de conservation de la masse, nous avons développé une technique qui consiste à modifier la surface de niveau 0 de manière à conserver le volume. Cette correction est calculée avec la méthode de la sécante. Toutes ces stratégies sont facilitées par l'introduction d'une méthode d'adaptation de maillage instationnaire permettant de concentrer les éléments au voisinage de l'interface, là où le besoin s'en fait sentir. Cela assure une imposition très précise des forces surfaciques ainsi que de la transition des caractéristiques rhéologiques des différents fluides. Ce remaillage adaptatif est basé sur un estimateur d'erreur hiérarchique en dimension 2 et sur un estimateur basé sur une métrique en dimension 3. La résolution des équations de Navier-Stokes est faite par une méthode directe en dimension 2 et par une méthode itérative en dimension 3. L'élément de Taylor-Hood et un schéma implicite de différences arrières d'ordre 2 sont utilisés pour les discrétisations en espace et en temps. On utilise une méthode SUPG pour les équations de transport et de régularisation de l'interface. Enfin, plusieurs problèmes sont traités afin de valider la méthode et de comparer nos résultats avec ceux obtenus par d'autres chercheurs et différentes méthodes. On soulève enfin un certain nombre de questions sur les méthodes employées dans la littérature.

Ce mémoire de maîtrise présente le travail effectué pour concevoir et réaliser un canal hydrodynamique. Ce canal permettra un étalonnage rapide et précis de capteurs de frottement de type film chaud. Lors de ce projet, des simulations numériques ont été effectuées pour valider le rapport de forme et la longueur de développement du canal permettant d’atteindre un écoulement pleinement développé et bidimensionnel. Une étude structurelle et hydraulique du canal a ensuite permis de vérifier le respect du cahier des charges. Enfin, des mesures de vitesse dans la veine d’essai ont été effectuées à l’aide d’un système LDV. Les profils obtenus ont montré que l’écoulement peut être considéré pleinement développé et bidimensionnel dans cette zone. Cependant, quelques différences par rapport à la littérature et aux simulations numériques ont été détectées. L’étude de l’influence de certains paramètres a permis de déterminer des pistes d’amélioration pour une estimation plus précise du frottement. / This Master’s thesis presents the design of a hydraulic tunnel. The bench should allow calibrating wall shear stress hot-film probes easily and rapidly. During this project, 3D CFD simulations have been performed to find minimum aspect ratio and minimum length of development to reach 2D fully developed flow. Then, mechanical and hydraulic analyses have been carried out to determine if the design conforms to specifications. After manufacturing, velocity and pressure measurements have been performed respectively with a LDV system and differential pressure sensor. By comparing different velocity profiles, it has been confirmed that the flow in test section is 2D fully developed. However, some discrepancies with the literature and the CFD simulations have been detected. The study of some parameters allowed to determine possible causes for these differences and to propose future studies to improve wall shear stress estimation.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La première partie de ce mémoire de maîtrise concerne principalement la validation d'une méthode de calcul des forces et moment instationnaires sur des corps mobiles dans une méthode lagrangienne par particules vortex. La méthodologie développée ne requiert pas la pression, une variable qui n'est plus disponible directement dans notre algorithme lagrangien. La seconde partie vise l'optimisation de systèmes de deux ailes oscillantes à l'aide de simulations numériques en deux dimensions. Les ailes oscillantes considérées effectuent un mouvement de pilonnement (translation transverse) et de tangage (rotation) dans un écoulement pour en soutirer de l'énergie. Dans la configuration en tandem, pour laquelle les ailes sont une derrière l'autre, le positionnement de l'aile arrière influence grandement l'efficacité, qui peut atteindre 40% avec un placement adéquat. Dans la configuration en parallèle, pour laquelle les ailes sont une au-dessus de l'autre, les rendements maximaux atteints sont de l'ordre de 30% en raison de l'augmentation intrinsèque de la fenêtre d'écoulement.

Ce travail est consacré à l'étude de la viscosité de cisaillement par simulation numérique de dynamique moléculaire classique à l'équilibre avec une attention particulière à l'influence des hautes pressions sur cette propriété. La viscosité est obtenue à partir des trajectoires générées par ces simulations et en appliquant la formule de Green-Kubo. Un large panel de systèmes a été étudié, allant de fluides atomiques purs à un liquide moléculaire, en passant par des mélanges binaires. En premier lieu, nous nous sommes focalisés sur les métaux alcalins. La conclusion majeure de cette étude est que la viscosité des alcalins a un comportement universel sur une large plage du diagramme de phases. Par ailleurs, sur cet intervalle, la relation universelle que nous avons proposée permet de prédire la valeur de la viscosité de n'importe quel élément avec une incertitude inférieure à 10%. La validité de la relation de Stokes-Einstein, reliant le coefficient d'autodiffusion à la viscosité, a également été vérifiée. Une étude systématique a ensuite été menée sur des mélanges modèles de type Lennard-Jones an de tester l'influence des paramètres d'interaction sur le comportement de la viscosité. Une estimation théorique basée sur le modèle de fluide effectif pur a été proposée. D'autre part, la relation de Stokes-Einstein a été étendue aux mélanges avec succès. Ces observations ont été confrontées aux cas de deux alliages réels : K-Cs et Li-Bi. Pour finir, une étude préliminaire a été entreprise sur l'eau en modélisant les interactions par deux potentiels : SPC/E, non polarisable, et BK3, polarisable. L'effet de l'introduction de la polarisabilité sur le calcul de la viscosité a été étudié. La validité des relations de Stokes-Einstein et de Stokes-Einstein-Debye, faisant intervenir la rotation de la molécule, a été évaluée à très haute pression / This work is devoted to the study of the shear viscosity by numerical simulation of equilibrium classical molecular dynamics with a particular attention to the influence of high pressures on this property. From trajectories generated by these simulations and using the Grenn-Kubo formula, the viscosity is obtained. A broad range of systems has been studied, covering from pure atomic fluids to a molecular liquid, as well as binary mixtures. First, we focused on alkali metals. The main outcome of this study is that the viscosity of these metals has a universal behavior over a wide range of phase diagram. Furthermore, over this interval, the universal relation that we have proposed permits the prediction of the viscosity value of any elements with an uncertainty lower than 10%. The validity of the Stokes-Einstein relation, connecting the self-diffusion coefficient and the viscosity, has also been verified. Then, a systematic study has been carried out on model mixtures of Lennard-Jones fluids to test the influence of interaction parameters on the viscosity behavior. A theoretical estimation based on the effective one-component fluid model has been proposed. Moreover, the Stokes-Einstein relation has been successfully extended to mixtures. These observations have been compared with two real alloys: K-Cs and Li-Bi. Lastly, a preliminary study on water has been undertaken by modeling the interactions with two models: SPC/E, non-polarizable and BK3, polarizable. The effect of the introduction of the polarizability on the viscosity has been studied. The validity of Stokes-Einstein and Stokes-Einstein-Debye, involving the rotation of the molecule, has been evaluated under very high pressure

L'objectif du présent mémoire est de clarifier l'influence qu'ont sur la solution divers paramètres de calcul couramment utilisés en mécanique des fluides numérique, dans le but d'améliorer la prédiction de l'écoulement dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour y arriver, la résolution eulérienne des équations de Navier-Stokes est faite par une approche RAXS à l'aide du logiciel commercial ANSYS CFX. Pour les trois cas tests sélectionnés, la turbulence est modélisée à l'aide des modèles à deux équations k ? e ou SST. Les résultats principaux font ressortir très clairement l'impact de la composante radiale de la vitesse ainsi que des quantités turbulentes imposées sur la frontière amont du domaine de calcul. On remarque aussi que l'extension ajoutée en aval du domaine d'intérêt peut quant à elle faire varier de façon significative la pression statique dans la dernière portion de la géométrie et ainsi influencer le coefficient de récupération mesuré. Finalement les deux modèles de turbulence utilisés sont eux aussi susceptibles d'influencer le développement de l'écoulement.

Cette thèse porte sur l'écoulement à l'intérieur d'une turbine de type Hélice. Deux méthodes de mesures ont été utilisées afin de remplir les objectifs de l'étude. La précision des instruments et l'incertitude des mesures effectuées à l'aide d'outils de vélocimétrie laser tels que la vélocimétrie Doppler laser (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été analysées. Trois phénomènes principaux sont étudiés à l'aide du LDV et du PIV. Le premier porte sur le débalancement circonférentiel de l'écoulement dans toute la machine. Le second porte sur les interactions rotor-stator se produisant entre les directrices et les aubes de la roue. Le troisième englobe les écoulements à l'entrée de l'aspirateur, le vortex à charge partielle (torche) et à forte charge ainsi que le sillage des directrices. Une attention particulière est portée sur les fréquences caractéristiques trouvées à l'aide des mesures LDV à cet endroit. Parallèlement aux mesures expérimentales, des simulations numériques ont été effectuées et comparées avec les données expérimentales disponibles. Cette comparaison permet d'améliorer les simulations numériques en posant différentes conditions limites et modèles de turbulence. Une meilleure utilisation et une amélioration des modèles RANS, URANS et LES avec l'utilisation de la base de données expérimentales est discutée dans l'étude. En conclusion à la recherche, le débalancement circonférentiel de l'écoulement est identifié avec les méthodes expérimentales et numériques. Le débalancement est de l'ordre de 10% de la vitesse de référence crête à crête aux avants directrices et est amorti à 5% à l'interface. Le débalancement maximal est de 12% à l'intérieur du cône divergent de l'aspirateur. L'intensité turbulente dans les canaux d'admission a été estimée à 8%. Les résultats expérimentaux ont démontré que les interactions rotor-stator sont faibles à l'intérieur de ce type de machine car il y a une dissipation rapide du sillage des directrices avant la roue. La torche à charge partielle et les recirculations se produisant dans l'aspirateur sont présentées avec leurs effets sur l'efficacité hydraulique et la configuration de l'écoulement. Plusieurs structures et vortex sont identifiés tels que le vortex se produisant dans l'espace en porte-à-faux des directrices, le vortex de bout d'aubes, la torche et les vortex contrarotatifs des canaux d'admission. Une base de donnée a été crée pour des recherches futures portant sur l'écoulement d'une turbine Hélice.