This thesis describes research on acoustically excited bluff body flow-fields, motivated by the problem of combustion instabilities in devices utilizing these types of flame-holders. Vortices/convective-structures play a dominant role in perturbing the flame during these combustion instabilities. This thesis addresses a number of issues related to the origin, evolution and the interaction of these structures with the flame. The first part of this thesis reviews the fluid mechanics of non-reacting and reacting bluff body flows. The second part describes the spatio/temporal characteristics of bluff-body flames responding to excitation. The key processes controlling the flame response have been identified as 1) the anchoring of the flame at the bluff body, 2) the excitation of flame-front wrinkles by the oscillating velocity field and 3) flame propagation normal to itself at the local flame speed. The first two processes control the growth of the flame response and the last process controls the decay. The third part of this thesis describes the effect of acoustic excitation on the velocity field of reacting bluff body flows. Acoustic disturbances excite the Kelvin-Helmholtz (KH) instability of the reacting shear layer. This leads to a spatially decaying vorticity field downstream of the bluff body in the shear layers. The length over which the decay occurs was shown to scale with the length of the recirculation zone of the bluff body, i.e. the length over which the velocity profile transitions from shear layer to wake. The flame influences this decay process in two ways. Gas expansion across the flame reduces the extent of shear by reducing the magnitude of negative velocities within the recirculation zone. This combined with the higher product diffusivity reduces the length of the recirculation zone, thereby further augmenting the decay of the vorticity fluctuations. Lastly, these results also revealed phase jitter - a cycle-to-cycle variation in the position of the rolled-up vortices. Close to the bluff-body, phase jitter is very low but increases monotonically in the downstream direction. This leads to significant differences between instantaneous and ensemble averaged flow fields and, in particular, the decay rate of the vorticity in the downstream direction.

Excessive fluid-borne noise in hydraulic systems is a problem the fluid power industry has long struggled to address. Traditional noise control devices such as Helmholtz resonators, tuning coils, and Herschel-Quincke tubes are generally too large for fluid power systems unless the speed of sound in the device can be reduced. A compliant lining can achieve this effect, but compliance (and lossy compliance) has had little attention in noise control in general, and in fluid power in particular. One means to achieve compliance in these devices, especially at elevated pressures, is through a liner made of syntactic foam, which in this case is a urethane host matrix with embedded hollow, polymer microspheres. The material properties at elevated pressure are unknown by the liner manufacturer, but are known to be pressure- and temperature-dependent. Therefore, the effect of hydrostatic pressures from 2.1-21 MPa and temperatures from 20-45 C on the liner properties, thus the device performance, are studied. For a Helmholtz resonator, a theoretical model is fit to experimentally-measured transmission loss of the device using a least-squares routine, which solves the inverse problem for the complex bulk modulus of the liner. These material properties are used to compare a predictive model of a tuning coil to experimental data, and in a parameter study of a Herschel-Quincke tube. The compliance of the liner is found to lower the effective sound speed by an order of magnitude and decrease the volume of the cavity of a Helmholtz resonator by up to two orders of magnitude. This work is expected to result is more compact noise control devices for fluid power systems.

This thesis considers applications of gradient-based optimization algorithms to the design and control of some mechanics systems. The material distribution approach to topology optimization is applied to design two different acoustic devices, a reactive muffler and an acoustic horn, and optimization is used to control a ball pitching robot. Reactive mufflers are widely used to attenuate the exhaust noise of internal combustion engines by reflecting the acoustic energy back to the source. A material distribution optimization method is developed to design the layout of sound-hard material inside the expansion chamber of a reactive muffler. The objective is to minimize the acoustic energy at the muffler outlet. The presence or absence of material is represented by design variables that are mapped to varying coefficients in the governing equation. An anisotropic design filter is used to control the minimum thickness of materials separately in different directions. Numerical results demonstrate that the approach can produce mufflers with high transmission loss for a broad range of frequencies. For acoustic devices, it is possible to improve their performance, without adding extended volumes of materials, by an appropriate placement of thin structures with suitable material properties. We apply layout optimization of thin sound-hard material in the interior of an acoustic horn to improve its far-field directivity properties. Absence or presence of thin sound-hard material is modeled by a surface transmission impedance, and the optimization determines the distribution of materials along a “ground structure” in the form of a grid inside the horn. Horns provided with the optimized scatterers show a much improved angular coverage, compared to the initial configuration. The surface impedance is handled by a new finite element method developed for Helmholtz equation in the situation where an interface is embedded in the computational domain. A Nitschetype method, different from the standard one, weakly enforces the impedance conditions for transmission through the interface. As opposed to a standard finite-element discretization of the problem, our method seamlessly handles both vanishing and non-vanishing interface conditions. We show the stability of the method for a quite general class of surface impedance functions, provided that possible surface waves are sufficiently resolved by the mesh. The thesis also presents a method for optimal control of a two-link ball pitching robot with the aim of throwing a ball as far as possible. The pitching robot is connected to a motor via a non-linear torsional spring at the shoulder joint. Constraints on the motor torque, power, and angular velocity of the motor shaft are included in the model. The control problem is solved by an interior point method to determine the optimal motor torque profile and release position. Numerical experiments show the effectiveness of the method and the effect of the constraints on the performance.

For the purpose of numerically simulating continuum mechanical structures, different types of material may be represented by the extreme values {<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />,1}, where 0&lt;<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /><img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cll" />1, of a varying coefficient <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> in the governing equations. The paramter <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /> is not allowed to vanish in order for the equations to be solvable, which means that the exact conditions are approximated. For example, for linear elasticity problems, presence of material is represented by the value <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> = 1, while <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> = <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /> provides an approximation of void, meaning that material-free regions are approximated with a weak material. For acoustics applications, the value <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> = 1 corresponds to air and <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> = <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /> to an approximation of sound-hard material using a dense fluid. Here we analyze the convergence properties of such material approximations as <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />!0, and we employ this type of approximations to perform design optimization. In Paper I, we carry out boundary shape optimization of an acoustic horn. We suggest a shape parameterization based on a local, discrete curvature combined with a fixed mesh that does not conform to the generated shapes. The values of the coefficient <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" />, which enters in the governing equation, are obtained by projecting the generated shapes onto the underlying computational mesh. The optimized horns are smooth and exhibit good transmission properties. Due to the choice of parameterization, the smoothness of the designs is achieved without imposing severe restrictions on the design variables. In Paper II, we analyze the convergence properties of a linear elasticity problem in which void is approximated by a weak material. We show that the error introduced by the weak material approximation, after a finite element discretization, is bounded by terms that scale as <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /> and <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />1/2hs, where h is the mesh size and s depends on the order of the finite element basis functions. In addition, we show that the condition number of the system matrix scales inversely proportional to <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />, and we also construct a left preconditioner that yields a system matrix with a condition number independent of <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />. In Paper III, we observe that the standard sound-hard material approximation with <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Calpha" /> = <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" /> gives rise to ill-conditioned system matrices at certain wavenumbers due to resonances within the approximated sound-hard material. To cure this defect, we propose a stabilization scheme that makes the condition number of the system matrix independent of the wavenumber. In addition, we demonstrate that the stabilized formulation performs well in the context of design optimization of an acoustic waveguide transmission device. In Paper IV, we analyze the convergence properties of a wave propagation problem in which sound-hard material is approximated by a dense fluid. To avoid the occurrence of internal resonances, we generalize the stabilization scheme presented in Paper III. We show that the error between the solution obtained using the stabilized soundhard material approximation and the solution to the problem with exactly modeled sound-hard material is bounded proportionally to <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cepsilon" />.

Le sujet de cette thèse est le développement de méthodes itératives permettant la résolution degrands systèmes linéaires creux d'équations présentant plusieurs seconds membres simultanément. Ces méthodes seront en particulier utilisées dans le cadre d'une application géophysique : la migration sismique visant à simuler la propagation d'ondes sous la surface de la terre. Le problème prend la forme d'une équation d'Helmholtz dans le domaine fréquentiel en trois dimensions, discrétisée par des différences finies et donnant lieu à un système linéaire creux, complexe, non-symétrique, non-hermitien. De plus, lorsque de grands nombres d'onde sont considérés, cette matrice possède une taille élevée et est indéfinie. Du fait de ces propriétés, nous nous proposons d'étudier des méthodes de Krylov préconditionnées par des techniques hiérarchiques deux niveaux. Un tel pre-conditionnement s'est montré particulièrement efficace en deux dimensions et le but de cette thèse est de relever le défi de l'adapter au cas tridimensionel. Pour ce faire, des méthodes de Krylov sont utilisées à la fois comme lisseur et comme méthode de résolution du problème grossier. Ces derniers choix induisent l'emploi de méthodes de Krylov dites flexibles. / The topic of this PhD thesis is the development of iterative methods for the solution of large sparse linear systems of equations with possibly multiple right-hand sides given at once. These methods will be used for a specific application in geophysics - seismic migration - related to the simulation of wave propagation in the subsurface of the Earth. Here the three-dimensional Helmholtz equation written in the frequency domain is considered. The finite difference discretization of the Helmholtz equation with the Perfect Matched Layer formulation produces, when high frequencies are considered, a complex linear system which is large, non-symmetric, non-Hermitian, indefinite and sparse. Thus we propose to study preconditioned flexible Krylov subspace methods, especially minimum residual norm methods, to solve this class of problems. As a preconditioner we consider multi-level techniques and especially focus on a two-level method. This twolevel preconditioner has shown efficient for two-dimensional applications and the purpose of this thesis is to extend this to the challenging three-dimensional case. This leads us to propose and analyze a perturbed two-level preconditioner for a flexible Krylov subspace method, where Krylov methods are used both as smoother and as approximate coarse grid solver.

L’isolation par rideaux d’air, avant d’être un confort, est actuellement un enjeu énergétique majeur. Malgré toutes les évolutions dans ce domaine, la nature du régime de l’écoulement du rideau d’air reste un facteur très influant sur les performances et la qualité de l’isolation. Il est impératif de trouver comment le stabiliser et éviter ou éloigner la région de la turbulence. Dans ce contexte, on a mis en oeuvre un ensemble d’outils de traitements d’images spécifiques aux textures présentes dans les images du jet rond basé sur des techniques de rehaussement d’images issues des méthodes d’interpolation. Plusieurs analyses de séquences d’images avec suivi spatio-temporel ont été effectuées en vue de prédire le passage à la turbulence. Une modélisation géométrique originale a été développée pour une meilleure compréhension du mouvement 3D du jet rond / Before being a comfort, the air curtain insulation is currently a major energy issue. Despite all the developments in this field, the nature of the air curtain flow regime remains a very influential factor on the performance and quality of insulation. It is imperative to find ways to stabilize it and to prevent the turbulence zone. In this context, we have implemented a set of specific processing tools for image textures present in the round jet images. Several analysis of image sequences with spatio-temporal monitoring were performed to predict the transition to turbulence. Original geometric modeling has been developed for better understanding of the 3D motion of the round jet

Mes travaux de thèse portent sur la construction de conditions aux limites absorbantes (CLAs) pour des problèmes de propagation d'ondes posés dans des milieux limités par des surfaces régulières. Ces conditions sont nouvelles car elles prennent en compte non seulement les ondes proagatives (comme la plupart des CLAs existantes) mais aussi les ondes évanescentes et rampantes. Elles sont donc plus performantes que les conditions existantes. De plus, elles sont facilement implémentables dans un schéma d'éléments finis de type Galerkine Discontinu (DG) et ne modifie pas la condition de stabilité de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Ces CLAs ont été implémentées dans un code simulant la propagation des ondes acoustiques ainsi que dans un code simulant la propagation des ondes en régime harmonique. Les comparaisons réalisées entre les nouvelles conditions et celles qui sont les plus utilisées dans la littérature montrent que prendre en compte les ondes évanescentes et les ondes rampantes permet de diminuer les réflexions issues de la frontière artificielle et donc de rapprocher la frontière artificielle du bord de l'obstacle. On limite ainsi les coûts de calcul, ce qui est un des avantages de mes travaux. De plus, compte tenu du fait que les nouvelles CLAs sont écrites pour des frontières quelconques, elles permettent de mieux adapter le domaine de calcul à la forme de l'obstacle et permettent ainsi de diminuer encore plus les coûts de calcul numérique. / In my PhD, I have worked on the construction of absorbing boundary conditions (ABCs) designed for wave propagation problems set in domains bounded by regular surfaces. These conditions are new since they take into account not only propagating waves (as most of the existing ABCs) but also evanescent and creeping waves. Therefore, they outperform the existing ABCs. Moreover, they can be easily implemented in a discontinuous Galerkin finite element scheme and they do not change the Courant-Friedrichs-Lewy stability condition. These ABCs have been implemented in two codes that respectively simulate the propagation of acoustic waves and harmonic waves. The comparisons performed between these ABCs and the ABCs mostly used in the litterature show that when we take into account evanescent and creeping waves, we reduce the reflections coming from the artificial boundary. Therefore, thanks to these new ABCs, the artificial boundary can get closer to the obstacle. Consequently, we reduce the computational costs which is one of the advantages of my work. Moreover, since these new ABCs are written for any kind of boundary, we can adapt the shape of the computational domain and thus we can reduce again the computational costs.

Dans cette thèse, nous étudions la convergence de méthode de type éléments finis pour les équations de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance et l'équation de Helmholtz avec une couche parfaitement absorbante(PML). On étudie en premier, la formulation régularisée de l'équation de Maxwell en régime harmonique avec condition au bord d'impédance (qui consiste à ajouter le term ∇ div à l'équation originale pour avoir un problème elliptique) et on garde la condition d'impédance comme une condition au bord essentielle. Pour des domaines à bord régulier, le caractère bien posé de cette formulation est bien connu mais cela n'est pas le cas pour des domaines polyédraux convexes. On commence alors le premier chapitre par la preuve du caractère bien posé dans le cas du polyèdre convexe, qui est basé sur le fait que l'espace variationnel est inclus dans H¹. Dans le but d'avoir des estimations explicites en le nombre d'onde k de ce problème, il est obligatoire d'avoir des résultats de stabilité explicites en ce nombre d'onde. C'est aussi proposé, pour quelques situations particulières, dans ce chapitre. Dans le second chapitre on décrit les singularités d'arêtes et de coins pour notre problème. On peut alors déduire la régularité de la solution du problème original, ainsi que de son adjoint. On a tous les ingrédients pour proposer une analyse de convergence explicite en k pour une méthode d'éléments finis avec éléments de Lagrange. Dans le troisième chapitre, on considère une méthode d'éléments finis hp non conforme pour un domaine à bord régulier. Pour obtenir des estimations explicites en k, on introduit un résultat de décomposition, qui sépare la solution du problème original (ou de son adjoint) en une partie régulière mais fortement oscillante et une partie moins régulière mais peu oscillante. Ce résultat permet de montrer des estimations explicites en k. Le dernier chapitre est dédié à l'équation de Helmholtz avec une PML. L'équation de Helmholtz dans l'espace entier est souvent utilisée pour modéliser la diffraction d'onde acoustique (en régime harmonique), avec la condition de radiation à l'infini de Sommerfeld. L'ajout d'une PML est une façon pour passer d'un domaine infini à un domaine fini, elle correspond à l'ajout d'une couche autour du domaine de calcul qui absorbe très vite toutes les ondes sortantes. On propose en premier un résultat de stabilité explicite en k. On propose alors deux schémas numériques, une méthode d'éléments finis hp et une méthode multi- échelle basée sur un sous-espace local de correction. Le résultat de stabilité est utilisé pour mettre en relation de choix des paramètres des méthodes numériques considérées avec k. Nous montrons aussi des estimations d'erreur a priori. A la fin de ces chapitres, des tests numériques sont proposés pour confirmer nos résultats théoriques. / In this thesis, we propose wavenumber explicit convergence analyses of some finite element methods for time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary condition and for the Helmholtz equation with Perfectly Matched Layer (PML). We first study the regularized formulation of time-harmonic Maxwell's equations with impedance boundary conditions (where we add a ∇ div-term to the original equation to have an elliptic problem) and keep the impedance boundary condition as an essential boundary condition. For a smooth domain, the wellposedness of this formulation is well-known. But the well-posedness for convex polyhedral domain has been not yet investigated. Hence, we start the first chapter with the proof of the well-posedness in this case, which is based on the fact that the variational space is embedded in H¹. In order to perform a wavenumber explicit error analysis of our problem, a wavenumber explicit stability estimate is mandatory. We then prove such an estimate for some particular configurations. In the second chapter, we describe the corner and edge singularities for such problem. Then we deduce the regularity of the solution of the original and the adjoint problem, thus we have all ingredients to propose a explicit wavenumber convergence analysis for h-FEM with Lagrange element. In the third chapter, we consider a non conforming hp-finite element approximation for domains with a smooth boundary. To perform a wavenumber explicit error analysis, we split the solution of the original problem (or its adjoint) into a regular but oscillating part and a rough component that behaves nicely for large frequencies. This result allows to prove convergence analysis for our FEM, again explicit in the wavenumber. The last chapter is dedicated to the Helmholtz equation with PML. The Helmholtz equation in full space is often used to model time harmonic acoustic scattering problems, with Sommerfeld radiation condition at infinity. Adding a PML is a way to reduce the infinite domain to a finite one. It corresponds to add an artificial absorbing layer surrounding a computational domain, in which scattered wave will decrease very quickly. We first propose a wavenumber explicit stability result for such problem. Then, we propose two numerical discretizations: an hp-FEM and a multiscale method based on local subspace correction. The stability result is used to relate the choice of the parameters in the numerical methods to the wavenumber. A priori error estimates are shown. At the end of each chapter, we perform numerical tests to confirm our theoritical results.

On s'est intéressé dans ce travail à la résolution numérique des équations d'Euler linéarisées autour d'un écoulement stationnaire, subsonique et assez régulier. Dans le but d'obtenir des matrices symétriques dans ces équations, et in fine, une équation d'équilibre énergétique, nous considérons la linéarisation d'une forme symétrique des équations d'Euler tridimensionnelles. Nous proposons un schéma non-diffusif de type Galerkin discontinu en domaine temporel (GDDT) s'appuyant sur une formulation centrée-élément avec des ux numériques totalement centrés et un schéma en temps explicite de type saute-mouton, ce qui permet d'obtenir une approximation sans dissipation et fournit une estimation précise des variations de l'énergie aéroacoustique. En effet, dans le cas général de la linéarisation autour d'un écoulement non-uniforme, il existe une équation d'équilibre énergétique au niveau continu que nous vérifions au niveau discret. Nous montrons qu'il existe un terme source discret permettant de conserver exactement l'énergie ce qui permet de prouver la stabilité de notre schéma. Ainsi, notre schéma non-diffusif de type GDDT fournit un outil précis pour contrôler des phénomènes tel que les instabilités de Kelvin-Helmholtz. Nous illustrons la capacité de notre méthode aussi bien sur plusieurs cas tests académiques que sur différentes configurations complexes grâce à une implémentation parallèle.

Ce travail de thèse présente l'étude expérimentale de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz entre un gaz et une huile visqueuse en écoulement parallèle en cellule de Hele-Shaw. Le fort cisaillement entraîne la déstabilisation de l'interface et l'apparition d'ondes propagatives. L'étude expérimentale du seuil de l'instabilité montre une origine inertielle alors que la vitesse de phase linéaire est purement visqueuse. Une analyse bi-dimensionnelle associant la dissipation visqueuse aux parois et les effets inertiels (théorie non visqueuse de Kelvin-Helmholtz) confirme ces résultats expérimentaux. Par ailleurs, la bifurcation de l'état stable à l'état instable est de nature sous-critique. Les différents paramètres de l'instabilité comme le seuil, la vitesse de phase ou la longueur d'onde augmentent fortement avec l'épaisseur de la cellule. Notre écoulement étant ouvert, l'étude est ensuite complétée par la détermination, à la fois expérimentale et théorique, d'une transition convectif/absolu non-linéaire. Ensuite une caractérisation de la dynamique d'évolution des ondes dans le régime non-linéaire est menée à travers une équation complexe d'ordre cinq de Ginzburg-Landau dont l'ensemble des coefficients est déterminé expérimentalement et confronté avantangeusement à la théorie. À partir de cette étude, une instabilité secondaire du type Eckhaus-Benjamin-Feir est mise en évidence. Enfin l'analyse précise de la forme des ondes non-linéaires saturées et surtout de leur mode d'interaction permet de relever des similarités avec des solitons issus d'une équation de Korteweg de Vries. L'étude de l'asymétrie atypique amont--aval des ondes est aussi initiée par la réalisation d'une expérience annexe de dynamique de mouillage du ménisque.