Lors du développement d’un nouvel avion, l’estimation des échanges d’énergie entre l’air ambiant et les parois est une donnée cruciale pour la conception aérothermique. Cette conception repose de plus en plus sur des simulations numériques mais certains phénomènes d’aérothermique externe, comme le jet débouchant du système de dégivrage des nacelles moteur, montrent les limites des modèles RANS classiques. La simulation des grandes échelles (LES) se révèle bien adaptée à ce type de phénomène mais se heurte à un coût de calcul extrêmement élevé pour ces écoulements pariétaux à très grand nombre de Reynolds. Pour lever cette limitation, cette thèse propose l’étude de deux briques fondamentales : la LES avec loi de paroi (WMLES) conjuguée à l’injection d’une couche limite turbulente à l’entrée du domaine. Pour une meilleure compréhension et une utilisation fiable de l’approche loi de paroi, on se concentre tout d’abord sur les sources d’erreur qui lui sont associées. Après les avoir identifiées, on propose une correction de l’erreur de sous-maille ainsi qu’une loi de paroi adaptée aux écoulements compressibles. Grâce à ces deux éléments, on obtient une estimation correcte du flux de chaleur pariétal sur des simulations WMLES de canal plan supersonique sur parois froides. Puis, pour préparer la transition vers des applications plus industrielles, on introduit un schéma numérique plus dissipatif ce qui nous permet d’étudier l’influence de la méthode numérique sur l’approche loi de paroi. Dans une seconde partie dédiée à l’injection de couche limite pour la WMLES, on sélectionne une méthode basée sur l’injection de perturbations combinée à un terme de contrôle volumique. On montre que des simulations WMLES utilisant cette méthode d’injection permettent d’établir une couche limite turbulente réaliste à une courte distance en aval du plan d’entrée, à la fois sur une plaque plane mais également sur un écoulement de jet débouchant à la géométrie plus complexe, représentative d’un cas avion. / During the design of a new aircraft, the prediction of energy exchanged between the ambient air and the aircraft walls is crucial regarding aerothermal design. Numerical simulations plays a role of increasing importance in this design. However classical RANS models reach their limits on some external aerothermal flows, like the jet-in-cross-flow from the anti-icing system oh the engine nacelles. The large eddy simulation (LES) is well suited to this kind of flow but faces an extremely large computational cost for such high Reynolds number wall-bounded flows. To remove this limitation, we propose two building blocks: the Wall Modeled LES (WMLES) combined with a turbulent inflow generation. For a better understanding and a reliable use of the WMLES, we first focus on the sources of error related to this approach. We propose a correction to the subgrid-scale error as well as a wall model suitable for compressible and anisothermal flows. Thanks to these two elements, we correctly predict the wall heat flux in WMLES computations of a supersonic isothermal-wall channel flow. Then, to allow the computation of more industrial flows, we introduce some numerical dissipation and study its effect on the wall modeling approach. The last part is dedicated to turbulent inflow generation for WMLES. We select a method based on synthetic perturbation combined with a dynamic control term. We validate this method on WMLES computations of a flat plate turbulent boundary layer and a hot jet-in-cross-flow representative of an industrial configuration. In both cases, we show that a realistic turbulent boundary layer is generated at a small distance downstream from the inlet plane.

Pour améliorer l'efficacité des procédés thermiques de craquages et réduire les phénomènes de cokage liés à la température de paroi trop élevée, l'utilisation de tubes nervurés est une technique potentiellement car elle permet d'améliorer le mélange et d'augmenter les transferts de chaleur. Cependant, la perte de charge est significativement augmentée. En raison de la complexité de l'écoulement turbulent, du système chimique et du couplage turbulencechimie, il est difficile d'estimer a priori la perte réelle en termes de sélectivité des tubes nervurés. Les expériences représentatives de laboratoire combinant turbulence, transferts de chaleur et chimie sont très rares et trop coûteuses à l'échelle industrielle. Dans ce travail, l'approche simulation aux grandes échelles résolue à la paroi (WRLES) est utilisée pour étudier écoulement non-réactif puis réactif dans des tubes à la fois lisses et nervurés, pour quantifier leur impact sur la turbulence et sur la chimie. Le code AVBP, qui résout les équations de Navier-Stokes compressibles pour les écoulements turbulents, est utilisé avec des schémas chimique réduites du craquage de l'éthane puis du butane. L'écoulement à la paroi est analysé en détail et comparé pour les deux géométries, fournissant des informations utiles pour le développement ultérieur de modèles de parois pour ce type de rugosité. L'impact de la résolution du maillage et du schéma numérique est également discuté, pour trouver le meilleur compromis entre coût et précision de calcul pour une application industrielle. L'impact des structures d'écoulement turbulent ainsi que leurs effets sur le transfert thermique et le mélange sur les réactions chimique sont étudiés à la fois pour les tubes lisses et les tubes nervurés. Perte de pression, transfert de chaleur et conversion chimique sont finalement comparés. / To improve the efficiency of thermal-cracking processes, and to reduce the coking phenomena due to high wall temperature, the use of ribbed tubes is an interesting technique as it allows better mixing and heat transfer. However it also induces significant increase in pressure loss. The complexity of the turbulent flow, the chemical system, and the chemistry-turbulence interaction makes it difficult to estimate a priori the real loss of ribbed tubes in terms of selectivity. Experiments combining turbulence, heat transfer and chemistry are very rare in laboratories and too costly at the industrial scale. In this work, Wall-Resolved Large Eddy Simulation (WRLES) is used to study non-reacting and reacting flows in both smooth and ribbed tubes, to show the impact of the ribs on turbulence and chemistry. Simulations were performed with the code AVBP, which solves the compressible Navier-Stokes equations for turbulent flows, using reduced chemistry scheme of ethane and butane cracking for reacting cases. Special effort was devoted to the wall flow, which is analyzed in detail and compared for both geometries, providing useful information for further development of roughness-type wall models. The impact of grid resolution and numerical scheme is also discussed, to find the best trade-off between computational cost and accuracy for industrial application. Results investigate and analyze the turbulent flow structures, as well as the effect of heat transfer efficiency and mixing on the chemical process in both smooth and ribbed tubes. Pressure loss, heat transfer and chemical conversion are finally compared.

Cette thèse fait référence au bruit de choc généré par des jets sousdétendus simple ou en configuration co-axial. Le bruit de choc est généré par l'interaction entre les structures turbulentes de la couche de cisaillement et le réseaux de cellules de choc développé dans le cône potentiel du jet. Afin d'étudier le bruit choc, simulations à grandes échelles adaptés pour l'aéro-acoustique sont effectué avec des schémas d'ordre élevé qui permet une approche nondissipative et non-dispersive. Les résultats sont analysés et comparés avec des résultats expérimentaux. Notamment, une filtrage hydrodynamique et acoustique est réalisé dans le champ proche pour analyser les modes azimutaux acoustiques et hydrodynamiques. En outre, un analyse basé sur la transformé en ondelettes est mis en oeuvre pour identifier les caractéristiques acoustiques et hydrodynamiques importants des jets supersoniques. / This thesis deals with the shock-cell noise generated by under-expanded supersonic jets in single- and dualstream configurations. Shock-cell noise is generated by the interaction between the turbulent structures of the shear-layer and the shock-cell system developed in the potential core of the jet. In order to study shock-cell noise, large eddy simulations adapted to aeroacoustics are carried out using high-order compact schemes that allow for a non-dissipative nondispersive approach. The results are analyzed and compared to experimental results. In particular, an acoustic-hydrodynamic filtering is carried out in the near field in order to analyze the acoustic and hydrodynamic azimuthal modes. Moreover, a wavelet-based analysis is implemented in order to identify the relevant acoustic and hydrodynamic features of the supersonic jets.

La combustion cryogénique dans les moteurs de fusée dits à propulsion liquide utilise généralement un couple d'ergols, le plus couramment composé d'hydrogène/oxygène (H2/O2). Privilégiée pour le fort pouvoir calorifique du dihydrogène, cette combustion à haute pression, induit des températures de fonctionnement très élevées et nécessite l'intégration d'un système de refroidissement. La prédiction des flux thermiques aux parois est donc un élément essentiel de la conception d'une chambre de combustion de moteur fusée. Ces flux sont le résultat d'écoulements fortement turbulents, compressibles, avec une cinétique chimique violente induisant de forts gradients d'espèces et de température. La simulation de ces phénomènes nécessite des approches spécifiques telles que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) qui réalise un très bon compromis entre précision et coût de calcul. Cette thèse a ainsi pour objectif la simulation par SGE des transferts de chaleur aux parois dans les chambres de combustion de moteurs fusée opérant en régime sous-critique. Le régime sous-critique implique un état liquide pour un des ergols, dont il faut traiter l'injection et l'atomisation. Dans un premier temps ce travail s'intéresse à plusieurs éléments de modélisation nécessaire pour réaliser les simulations visées. Le comportement des flammes H2/O2 est décrit par un schéma cinétique réduit et validé sur des configurations académiques. La prédictivité de ce schéma est évaluée sur une large gamme de fonctionnement dans des conditions représentatives des moteurs fusée. La simulation de l'injection de l'oxygène liquide (LOx) est un autre point critique qui nécessite de décrire l'atomisation et la phase dispersée ainsi que son couplage avec la phase gazeuse. La déstabilisation et l'atomisation primaire du jet liquide, trop complexe à simuler en SGE 3D, sont omises ici pour injecter directement un spray paramétré grâce à des corrélations empiriques. Enfin, la prédiction des flux thermiques utilise un modèle de loi de paroi spécifiquement dédiée aux écoulements à fort gradient de température. Cette loi de paroi est validée sur des configurations de canaux turbulents par comparaison avec des simulations avec résolution directe de la couche limite. La méthodologie basée sur les modèles développés est ensuite employée pour la simulation d'une chambre de combustion représentative du fonctionnement des moteurs cryogéniques. Il s'agit de la configuration CONFORTH testée sur le banc MASCOTTE (ONERA) et pour laquelle des mesures de température de paroi et de flux thermiques sont disponibles. Les résultats des SGE montrent un bon accord avec l'expérience et démontrent la capacité de la SGE à prédire les flux thermiques dans une chambre de combustion de moteur fusée. Enfin, dans un dernier chapitre ce travail s'intéresse à une méthode d'augmentation des transferts thermiques via une expérience de JAXA utilisant des parois rainurées dans la direction axiale. Par comparaison avec une chambre à parois lisses, les résultats démontrent la bonne prédiction par la SGE de l'augmentation du flux de chaleur grâce aux rainures et confirment la validité de la méthode développée pour des géométries de paroi complexes. / Combustion in cryogenic engines is a complex phenomenon, involving either liquid or supercritical fluids at high pressure, strong and fast oxidation chemistry, and high turbulence intensity. Due to extreme operating conditions, a particularly critical issue in rocket engine is wall heat transfer which requires efficient cooling of the combustor walls. The concern goes beyond material resistance: heat fluxes extracted through the chamber walls may be reused to reduce ergol mass or increase the power of the engine. In expander-type engine cycle, this is even more important since the heat extracted by the cooling system is used to drive the turbo-pumps that feed the chamber in fuel and oxidizer. The design of rocket combustors requires therefore an accurate prediction of wall heat flux. To understand and control the physics at play in such combustor, the Large Eddy Simulation (LES) approach is an efficient and reliable numerical tool. In this thesis work, the objective is to predict wall fluxes in a subcritical rocket engine configuration by means of LES. In such condition, ergols may be in their liquid state and it is necessary to model liquid jet atomization, dispersion and evaporation.The physics that have to be treated in such engine are: highly turbulent reactive flow, liquid jet atomization, fast and strong kinetic chemistry and finally important wall heat fluxes. This work first focuses on several modeling aspects that are needed to perform the target simulations. H2/O2 flames are driven by a very fast chemistry, modeled with a reduced mechanism validated on academic configurations for a large range of operating conditions in laminar pre- mixed and non-premixed flames. To form the spray issued from the atomization of liquid oxygen (LOx) an injection model is proposed based on empirical correlations. Finally, a wall law is employed to recover the wall fluxes without resolving directly the boundary layer. It has been specifically developed for important temperature gradients at the wall and validated on turbulent channel configurations by comparison with wall resolved LES. The above models are then applied first to the simulation of the CONFORTH sub-scale thrust chamber. This configuration studied on the MASCOTTE test facility (ONERA) has been measured in terms of wall temperature and heat flux. The LES shows a good agreement compared to experiment, which demonstrates the capability of LES to predict heat fluxes in rocket combustion chambers. Finally, the JAXA experiment conducted at JAXA/Kakuda space center to observe heat transfer enhancement brought by longitudinal ribs along the chamber inner walls is also simulated with the same methodology. Temperature and wall fluxes measured with smooth walls and ribbed walls are well recovered by LES. This confirms that the LES methodology proposed in this work is able to handle wall fluxes in complex geometries for rocket operating conditions.

Les chantiers de maintenance et d’assainissement dans les centrales nucléaires nécessitent la mise en place d’enceintes ventilées autour des zones contaminées afin de limiter la propagation de la contamination à l’environnement extérieur. L’air rentre dans l’enceinte aux travers d’ouvertures sous la forme d’un écoulement directionnel, orienté de l’extérieur vers l’intérieur, assurant ainsi le confinement dynamique. En raison des opérations qui se déroulent à l’intérieur de l’enceinte et des perturbations externes, il est possible que l’écoulement de confinement dynamique aux ouvertures soit perturbé et subisse des inversions locales et instationnaires, conduisant ainsi à transporter la contamination à l’extérieur de l’enceinte. La présente étude s’intéresse aux petites ouvertures de type fentes minces rectangulaires où l’écoulement au droit de celles-ci est généralement turbulent. Les principaux objectifs de la thèse sont d’une part d’identifier les conditions aérodynamiques susceptibles de produire le phénomène de rétrodiffusion aux ouvertures, d’autre part d’évaluer la capacité des approches de modélisation de la turbulence URANS et LES à reproduire les instabilités liées à ce type d’écoulement. Il a été montré que l’apparition du phénomène de rétrodiffusion est principalement liée à la présence d’une perturbation aéraulique additionnelle, de type jet turbulent ou sillage, en compétition avec l’écoulement initial de confinement dynamique. Des expériences de traçage gazeux ont été mises en place sur une maquette expérimentale dans le but de quantifier la rétrodiffusion en fonction des différentes conditions aérauliques à l’ouverture et des caractéristiques de celle-ci. Des visualisations des écoulements à l’ouverture ont également été réalisées à l’aide d’un dispositif de tomographie laser. Enfin, l’analyse des résultats des simulations CFD a démontré que les approches de type RANS ou URANS ne permettaient pas de reproduire les instabilités de l’écoulement conduisant au phénomène de rétrodiffusion, contrairement aux simulations des grandes échelles de la turbulence (LES) qui reproduisent fidèlement les structures locales et instantanées à l’origine du phénomène. / Operations of decommissioning and decontamination in nuclear facilities require setting up depressurized enclosures around contaminated areas in order to prevent leakage of radioactive materials, to the surrounding environment. Air passes through openings which generates a directional airflow ensuring the aerodynamic containment of hazardous material inside the enclosure. Due to operating activities inside or outside the enclosure, the directional flow might be disturbed. Consequently, local and unsteady backflows may occur at the opening leading to the outward transport of contamination. The current study is focused on airflow dynamics through small openings, such as rectangular slits where the initial inflow stream is turbulent. The main purposes of this work are to identify the required aerodynamic conditions likely to generate unsteady flow inversions at the studied opening and also to verify the ability of CFD simulations to predict this type of flow by using URANS and LES approaches. Results have shown that an additional flow, such as a turbulent jet or a wake in competition with inward flow, is the main cause leading to the leakage at the opening. Experiments, using gas tracer detection techniques, are conducted in order to quantify outflow leakage in the near field of the opening under different aerodynamic configurations and openings characteristics. A laser tomography technique is also implemented to visualize the external leakage airflow in the middle plane of the opening. CFD simulations have shown that a qualitative description of instantaneous leakage flow patterns at the opening can be achieved. This is characterized by the occurrence of local coherent structures transporting passive tracer outwards. Moreover, velocities obtained from CFD results (Large Eddy Simulations) are compared to those obtained from experimental measurements.

Apesar dos habitats de restinga representarem aproximadamente 5.000 km da costa brasileira, o conhecimento disponível sobre a composição da fauna de anuros nestes habitats ainda é restrito a poucas áreas. Estes habitats encontram-se sob intensa pressão imobiliária, com uma densidade demográfica cinco vezes maior do que a média do país, levando a uma ocupação descomedida, degradação e eventual perda destes importantes habitats. Isso é especialmente preocupante para as populações de vertebrados terrestres endêmicos e ameaçados de extinção, devido à dificuldade de recuperação da vegetação das restingas. Atualmente, os remanescentes de restinga ao longo da costa brasileira são representados por fragmentos completamente isolados. Esta é a primeira aproximação da lista de anfíbios da restinga de Grumari, inserida no Parque Natural Municipal de Grumari (PNMG), município do Rio de Janeiro, sudeste do Brasil. É também a primeira pesquisa a analisar a comunidade de anuros de folhiço, e a obter dados de densidade, para as restingas brasileiras. A área está situada no Domínio da Mata Atlântica. O estudo foi conduzido de maio de 2009 a dezembro de 2010 utilizando dois métodos de amostragem: parcelas grandes ou plots de 16 m (4x4 m) e transecções visuais/acústicas. Registramos 22 espécies de anfíbios anuros distribuídas em seis famílias: Leptodactylidae (3), Craugastoridae (1), Bufonidae (1), Strabomantidae (1), Microhylidae (2) e Hylidae (14). Ocorreram dez espécies de anuros de folhiço em 2560 m de chão de floresta amostrados com a metodologia de parcelas grandes durante o estudo. Na zona fechada de pós-praia ocorreram apenas sete espécies de anuros de folhiço, enquanto na mata de restinga ocorreram as dez espécies registradas para a restinga. A densidade geral estimada de anuros de folhiço para a restinga de Grumari foi de 13,1 indivíduos por 100m, superior a cinco de seis estudos publicados com dados de densidade de anuros de folhiço na Mata Atlântica. A biomassa total estimada foi de 13131 g/ha, podendo ser considerada a maior biomassa de anurofauna de folhiço globalmente. Não houve diferença estatisticamente significativa entre as zonas quanto aos parâmetros da comunidade (riqueza, densidade e biomassa), mesmo havendo diferença entre os parâmetros ambientais mensurados nas duas zonas. Os fatores que melhor explicaram a riqueza, a densidade e a biomassa na restinga de Grumari durante a estação chuvosa foram, respectivamente, a temperatura, o diâmetro das árvores/arbustos e o número de árvores/arbustos. A presença de espécies ameaçadas de extinção e endêmicas para o estado do Rio de Janeiro e Mata Atlântica evidencia que a restinga de Grumari é uma área essencial para a conservação da anurofauna dos remanescentes deste habitat no Brasil. Além disso, Grumari é a restinga com maior riqueza de espécies do estado e a segunda maior entre todas as áreas de restinga estudadas até o momento, quanto à anurofauna. / Although restinga habitats represent approximately 5000 km of the Brazilian coast, the information available about the composition of the anuran fauna present on those habitats are restricted to relatively few areas. Nowadays restinga habitats are under intense set of pressures as result of a demographic density five times higher than the average for the country leading to the occupation, degradation and eventual loss of such habitats. This is especially alarming for the threatened endemic populations of terrestrial vertebrates due to the difficulty of vegetation recovery after clearings. Presently, the remnants of these habitats along much of the eastern Brazilian coast are represented by completely isolated fragments. Herein we present the first approximation to the list of the amphibians from the restinga of Grumari, inserted in the Parque Natural Municipal de Grumari (PNMG), municipality of Rio de Janeiro, Rio de Janeiro state, southeastern Brazil. The area is situated in the Atlantic Rainforest Biome. Its also the first study on the community of litter anuran fauna, obtaining density data, for the Brazilian restinga. The study was carried out from May 2009 to December 2010 using two sampling methods: quadrant plots (4x4 m) and acoustic/visual transects. We recorded 22 species of anuran amphibians distributed in six families: Leptodactylidae (3), Craugastoridae (1), Bufonidae (1), Strabomantidae (1), Microhylidae (2) and Hylidae (14). We found ten species of litter frogs in 2560 m of sampled forest floor with the methodology of large plots. In the closed post-beach zone, there were only seven species of anuran leaf litter, while the restinga forest zone present the ten species recorded for the restinga. The overall density of litter frogs at the restinga of Grumari was 13.1 individuals per 100m, more than five of six published studies on the density of litter frogs in the Atlantic Rainforest. The estimated total biomass was 13131 g/100m, being currently the area with highest litter frog biomass on the planet. There was no statistically significant difference between the zones regarding community parameters (richness, density and biomass), even though there is difference between the environmental parameters measured in both zones. The factors that best explained the richness, density and biomass in the restinga of Grumari during the rainy season were, respectively, temperature, diameter of the trees/shrubs and the number of trees/shrubs. The presence of endangered and endemic species indicates that the restinga of Grumari is an important area for conservation of the anuran fauna in remnants of these habitats in the Rio de Janeiro state, being currently the richest known area in terms of amphibian species of all restinga areas in the state, and the second richest of the Brazilian restingas studied up to now.

Dans les centrales solaires à tour, le flux solaire est concentré vers un récepteur solaire où son énergie est transférée à un fluide caloporteur. L'écoulement au sein du récepteur solaire est turbulent, fortement anisotherme et à bas nombre de Mach. L'optimisation du récepteur solaire exige une meilleure compréhension et modélisation de l'interaction entre la température et la turbulence. Cette thèse cherche à y contribuer selon deux approches. Tout d'abord, on étudie les échanges énergétiques entre les différentes parties de l'énergie totale. On propose pour cela une nouvelle représentation des échanges énergétiques, fondée sur la moyenne de Reynolds. Cette représentation permet la caractérisation, à partir de simulations numériques directes d'un canal plan bipériodique anisotherme, de l'effet du gradient de température sur les échanges énergétiques associées à l'énergie cinétique turbulente dans les domaines spatial et spectral. Ensuite, on étudie la simulation des grandes échelles des équations de bas nombre de Mach. En utilisant les résultats de simulations numériques directes, on identifie les termes sous-mailles spécifiques à modéliser lorsque l'on utilise le filtre classique, non pondéré, et lorsque l'on utilise le filtre de Favre, pondéré par la masse volumique. Dans les deux cas, on évalue a priori la performance de différents modèles sous-mailles. La pertinence des modèles est vérifiée a posteriori par la réalisation de simulation des grandes échelles. / In solar power towers, the solar flux is concentrated towards a solar receiver, wherethrough its energy is transferred to a heat transfer fluid. The flow in the solar receiver is turbulent, strongly anisothermal and at low Mach number. The optimisation of the solar receiver requires a better understanding and modelling of the interaction between temperature and turbulence. In this thesis, this is investigated following two approaches. First, we study the energy exchanges between the different parts of total energy. To this end, a new representation of the energy exchanges, based on the Reynolds averaging, is established. The representation allows the characterisation, from direct numerical simulations of a strongly anisothermal channel flow, of the effect of the temperature gradient on the energy exchanges associated with turbulence kinetic energy in the spatial and spectral domains. Second, we study the large-eddy simulation of the low Mach number equations. Using the results of direct numerical simulations, we identify the specific subgrid terms to model when the unweighted classical filter is used and when the density-weighted Favre filter is used. In both cases, the performance of different subgrid-scale models is assessed a priori. The relevance of the subgrid-scale models is then verified a posteriori by carrying out large-eddy simulations.

Orientador: João Antonio Pereira / Resumo: O objetivo específico deste trabalho é estender as capacidades da técnica de rastreamento de pontos em 3 dimensões (three-dimensional point tracking – 3DPT) para identificar as características dinâmicas de estruturas grandes e complexas, tais como pás de turbina eólica. Um sistema multi-camera (composto de múltiplos sistemas de estéreo visão calibrados independentemente) é desenvolvido para obter alta resolução espacial de pontos discretos a partir de medidas de deslocamento sobre grandes áreas. Uma proposta de técnica de costura é apresentada e empregada para executar o alinhamento de duas nuvens de pontos, obtidas com a técnica 3DPT, de uma estrutura sob excitação dinâmica. Três diferentes algoritmos de registro de nuvens de pontos são propostos para executar a junção das nuvens de pontos de cada sistema estéreo, análise de componentes principais (Principal Component Analysis - PCA), decomposição de valores singulares (Singular value Decomposition - SVD) e ponto mais próximo iterativo (Iterative Closest Point - ICP). Além disso, análise modal operacional em conjunto com o sistema de medição multi-camera e as técnicas de registro de nuvens de pontos são usadas para determinar a viabilidade de usar medidas ópticas (e.g. three-dimensional point tracking – 3DPT) para estimar os parâmetros modais de uma pá de gerador eólico comparando seus resultados com técnicas de medição mais convencionais. / Abstract: The specific objective of this research is to extend the capabilities of three-dimensional (3D) Point Tracking (PT) to identify the dynamic characteristics of large and complex structures, such as utility-scale wind turbine blades. A multi-camera system (composed of multiple independently calibrated stereovision systems) is developed to obtain high spatial resolution of discrete points from displacement measurement over very large areas. A proposal of stitching techniques is presented and employed to perform the alignment of two point clouds, obtained with 3DPT measurement, of a structure under dynamic excitation. The point cloud registration techniques are exploited as a technique for dynamic measuring (displacement) of large structures with high spatial resolution of the model. Three different image registration algorithms are proposed to perform the junction of the points clouds of each stereo system, Principal Component Analysis (PCA), Singular value Decomposition (SVD) and Iterative Closest Point (ICP). Furthermore, operational modal analysis in conjunction with the multi-camera measurement system and registration techniques are used to determine the feasibility of using optical measurements (e.g. three-dimensional point tracking (3DPT)) to estimate the modal parameters of a utility-scale wind turbine blade by comparing with traditional techniques. / Doutor

Cette étude porte sur la mise en œuvre par infusion d'une nouvelle génération de renfort spécialement dédiée aux procédés LCM (Liquid Composite Molding) pour la réalisation de pièces composites. Par l’expérimentation et la simulation numérique, l’objectif de ces travaux est de comprendre et maîtriser les paramètres de fabrication afin de définir des outils de modélisation et de simulation représentatifs voir prédictifs du procédé. La caractérisation des paramètres du procédé et de la santé matière finale des pièces ont ainsi permis de définir l'échelle de modélisation et les phénomènes physiques devant être simulés. La stratégie numérique adoptée repose sur un couplage fort entre les équations de Stokes et de Darcy dans un cadre de grandes transformations et où les interfaces sont représentées par des Level-Set. Ce couplage modélise l'écoulement dans la préforme fibreuse assimilée à un milieu poreux homogène équivalent (modèle de Darcy) et l'écoulement dans les drainants (modèle de Stokes). Un modèle de Terzaghi réalise le couplage fluide-solide en représentant l'action du fluide sur le renfort via sa pression hydrostatique. L’évolution du taux volumique de fibres et de la perméabilité du milieu sont ainsi actualisés dans les différents problèmes. La confrontation des simulations numériques aux caractérisations expérimentales mettent en évidence qu'un effort important doit être réalisé dans la compréhension, la définition et la caractérisation de la perméabilité. Sur les renforts de l'étude, la question même de la représentation et de l'homogénéisation d'écoulements locaux complexes à travers la seule notion de perméabilité est à poser. / This study deals with the manufacturing by infusion of a new high performance fibrous reinforcement solution developed for LCM (Liquid Composite Molding) composite materials manufacturing processes. Combining simulations with experimentations, the aim of this work is to understand and control the process parameters in order to develop accurate simulation tools. Involving specific experimental plan and protocols combined with in-situ monitoring technologies this study points out the physics and length scales challenging the process simulation. The numerical strategy considered in this works is based on a strong coupling between a Stokes and Darcy model undergoing large strains and where interfaces are represented and managed by a Level-Set method. At the process scale, the fluid mechanics problem describes the resin flow through the distribution medium and then through fibrous preforms assimilated to porous medium. A key feature of our approach is the fluid-solid interaction leading to couple a fluid/porous flow with a non-linear solid mechanic problem. The interaction phenomenon due to the resin flow in the orthotropic highly compressible preform is based on both Terzaghi’s law and explicit relations expressing permeability as function of porosity. Some numerical simulations are presented and compared to the experimental characterizations. The results point out the the first necessity to work on the permeability comprehension, definition and characterization. Applied to the specific reinforcements of the study, the representation of the complex local flows and their homogenization through this single permeability notion can also be questionable.

Un nombre croissant de pays de l’OCDE encourage l’utilisation des achats publics en soutien à l’innovation, mais les discours ont été peu suivis d’effets. L’ambition de cette thèse est d’aider l’élaboration des initiatives d’achat public d’innovation (API), en identifiant les obstacles à l’innovation qu’ils peuvent résoudre, ainsi que les instruments et les pratiques les plus à mêmes de les aider dans cet objectif. Nous identifions huit idéo-types d’API selon les défaillances de marché ou de système (niveau méso) auxquelles ils tentent de répondre pour stimuler l’innovation. Ces défaillances affectent soit les utilisateurs, soit les producteurs ou touchent leurs interactions. Nous les comparons à celles de niveau macro et déterminons ainsi la contribution potentielle de chacun de ces idéo-types d’API aux politiques tournées vers de grandes missions. Notre typologie constitue un cadre théorique unifié associant défaillances et modalités de mise en œuvre des API. Elle en aide ainsi l’élaboration, l’évaluation et l’analyse. Certains de nos idéo-types doivent soutenir la création de marché pour encourager l’innovation. Nous nous appuyons sur les théories économiques évolutionnistes et une série d’études de cas pour comprendre comment les API peuvent y parvenir. Nous identifions leurs rôles, à différentes étapes de la procédure d’achat public, dans la coordination de connaissances et d’informations pour la création et le développement de marché. Les API doivent notamment permettre aux utilisateurs d’interagir avec les fournisseurs de manière appropriée et suffisamment tôt dans la procédure d’achat. Les recherches sur les achats privés ont néanmoins montré qu’une telle implication précoce des fournisseurs est source de problèmes de niveau micro. Une série d’entretiens avec des acheteurs publics et des fournisseurs permet de mieux identifier les problèmes affectant leur collaboration au cours d’une procédure standard d’API ou d’un dialogue compétitif. La nature de ces défaillances diffère selon la procédure d’achat public, du même que leur moment d’apparition. Les entretiens révèlent également que les acheteurs et fournisseurs perçoivent différemment les pratiques à l’origine de ces défaillances. Nos résultats appellent enfin à reconsidérer l’influence du cadre juridique sur les API, et soulignent l’existence de procédures et stratégies alternatives qui sont plus ou moins privilégiées par les fournisseurs. En somme, notre travail de recherche identifie différents niveaux d’obstacles à l’innovation que les API peuvent résoudre, ainsi que les mesures les plus appropriées pour les aider dans cet objectif. Il plaide en faveur d’une approche dynamique de la décision politique, qui définit problèmes, instruments de politique et pratiques à chacune des étapes des procédures d’achat public, de formation des marchés, et de collaboration entre acheteurs public et fournisseurs. / An increasing number of OECD countries has adopted measures to encourage the use of public procurement to foster innovation. However, implementation of public procurement of innovation (PPI) is lagging behind policy discourse. The ambition of this dissertation is to address this discrepancy by assisting in the design of PPI initiatives, that is, by identifying the innovation-related failures that PPI can overcome, and the most appropriate policy instruments and practices for achieving this objective. We define eight PPI ideal-types according to the type of meso-level market of system failures they address. These failures can relate to users, producers or to their mutual interactions. We confront them with macro-level failures, and determine accordingly the contribution of each PPI ideal-type to distinct mission-oriented policies. Our typology provides a unified PPI framework associating their rationales with their design. Therefore, it contributes to policymaking, and to policy evaluation and analysis. Some PPI categories aim to spur innovation by stimulating the formation of markets. We employ an evolutionary approach to analyse the influence of PPI at the different stages of the dynamic process of market formation through a series of selected existing case studies. We demonstrate that PPI can underpin the different phases of knowledge coordination for market formation, by ensuring appropriate interactions between users and producers early in the public procurement procedure. The literature on private procurement nevertheless shows that early supplier involvement is subject to a number of micro-level failures having their root in procurement practices. Based on interviews with public procurers and suppliers, we identify relevant collaboration failures related to the standard PPI and competitive dialogue procedures. We highlight differences in these failures and their loci between the two procedures. Furthermore, public procurers and suppliers appear to have different perception of the causes of the failures they have encountered. Finally, our findings discuss the influence of the legal framework on PPI and suggest additional PPI procedures and strategies that are favoured by suppliers to varying extents. In sum, our research identifies innovation-related failures at different levels that PPI can resolve, and relevant instruments to help PPI initiative to achieve their objectives. Furthermore, it advocates a dynamic approach considering failures, instruments, and practices at different stages of public procurement procedures, and market formation and public procurer-supplier collaboration processes.