Current and future legislation demands ever decreasing levels of pollution from gas turbine engines, and with combustor performance playing a critical role in resultant emissions, a need exists to develop a greater appreciation of the fundamental causes of unsteadiness. Particle Image Velocimetry (PIV) provides a platform to enable such investigations. This thesis presents the development of PIV measurement methodologies for highly turbulent flows. An appraisal of these techniques applied to gas turbine combustors is then given, finally allowing a description of the increased understanding of the underlying fluid dynamic processes within combustors to be provided. Through the development of best practice optimisation procedures and correction techniques for the effects of sub-grid filtering, high quality PN data has been obtained. Time average statistical data at high spatial resolution has been collected and presented for generic and actual combustor geometry providing detailed validation of the turbulence correction methods developed, validation data for computational studies, and increased understanding of flow mechanisms. These data include information not previously available such as turbulent length scales. Methodologies developed for the analysis of instantaneous PIV data have also allowed the identification of transient flow structures not seen previously because they are invisible in the time average. Application of a new `PDF conditioning' technique has aided the explanation of calculated correlation functions: for example, bimodal primary zone recirculation behaviour and jet misalignments were explained using these techniques. Decomposition of the velocity fields has also identified structures present such as jet shear layer vortices, and through-port swirling motion. All of these phenomena are potentially degrading to combustor performance and may result in flame instability, incomplete combustion, increased noise and increased emissions.

The work elucidates the novel physical and thermal properties of thin and ultra-thin films of crosslinked polymer and organized microstructures with a special emphasis on surface and interfacial effects and the structure-property relationships. Two major crosslinked polymer coatings have been thoroughly investigated: polymer microstructures fabricated by multi-laser interference lithography (IL), and plasma polymer coatings. We unveiled intriguing thermal properties of plasma polymer films originating from their physical state and exploiting the same for the design of ultrasensitve chemical sensors. A novel paradigm of surface coatings, single and bi-component periodic, porous crosslinked polymeric structures, has been introduced and thoroughly studied. Surface, interfacial, and mechanical properties of these novel class crosslinked polymer coatings clearly demonstrate the enormous potential of the IL microstructures as organized multicomponent polymer systems. When subjected to external or internal stresses the periodic porous structures can exhibit a sudden and dramatic pattern transformation resulting in remarkable change in the photonic, phononic and mechanical properties of these structures. Furthermore, the confinement of these instabilities to localized regions results in complex hierarchical structures. The two polymer coatings (plasma polymers and IL microstructures) with complementary attributes (such as periodic structure, vertical stratification, residual internal stresses, and high surface and interface tunability) enabled us to understand and design novel multifunctional polymer coatings.

Previous experimental observations have shown that the pseudoelastic response of NiTi shape memory alloys (SMA) is localized in nature and proceeds through nucleation and propagation of localized deformation bands. It has also been observed that the mechanical response of SMAs is strongly affected by loading rate and cyclic degradation. These behaviors significantly limit the accurate modeling of SMA elements used in various devices and applications. The aim of this work is to provide engineers with a constitutive model that can accurately describe the dynamic, unstable pseudoelastic response of SMAs, including their cyclic response, and facilitate the reliable design of SMA elements. A 1-D phenomenological model is developed to simulate the localized phase transformations in NiTi wires during both loading and unloading. In this model, it is assumed that the untransformed particles located close to the transformed regions are less stable than those further away from the transformed regions. By consideration of the thermomechanical coupling among the stress, temperature, and latent heat of transformation, the analysis can account for strain-rate effects. Inspired by the deformation theory of plasticity, the 1-D model is extended to a 3-D macromechanical model of localized unstable pseudoelasticity. An important feature of this model is the reorientation of the transformation strain tensor with changes in stress tensor. Unlike previous modeling efforts, the present model can also capture the propagation of localized deformation during unloading. The constitutive model is implemented within a 2-D finite element framework to allow numerical investigation of the effect of strain rate and boundary conditions on the overall mechanical response and evolution of localized transformation bands in NiTi strips. The model successfully captures the features of the transformation front morphology, and pseudoelastic response of NiTi strip samples observed in previous experiments. The 1-D and 3-D constitutive models are further extended to include the plastic deformation and degradation of material properties as a result of cyclic loading.

Sur la table de sortie d’un laminoir à chaud, le refroidissement des bandes d’acier est principalement assuré par des rampes de jets d’eau gravitaires qui vont impacter directement la surface supérieure de la bande en défilement. La température de la bande est initialement entre 800 et 900 °C et on cherche à la refroidir à des températures nettement inférieures mais précises avant son bobinage, cette température allant de la température ambiante à 700 °C suivant les propriétés voulues pour l’acier. Ce refroidissement assuré par les rampes de jets est transitoire et la vitesse de refroidissement est variable suivant la nature du régime de refroidissement. Le point de remouillage est défini par la température à laquelle le régime d’ébullition en film stable se termine et s’accompagne généralement d’une hausse significative des flux de refroidissements. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché à caractériser ce point par des mesures d’épaisseur de vapeur effectuées à l’aide de sondes optiques. Les sondes optiques permettent de savoir si leur zone sensible est majoritairement dans le gaz ou le liquide et sont généralement exploitées pour faire des mesures de taux de vide. L’utilisation qui en est faite ici, à savoir une mesure précise de position d’interface, a demandé une calibration expérimentale précise afin de connaitre la position exacte de l’interface sur la zone sensible. Afin de disposer d’un outil fonctionnel, nous avons également cherché à modéliser la réponse des sondes à l’aide d’une méthode de lancer de rayons et en prenant en compte la formation du ménisque sur la pointe. Enfin, cette calibration et ce modèle ont été confrontés à des mesures expérimentales dans le cas du refroidissement d’une zone hémisphérique porté à haute température et donnant lieu à un régime d’ébullition en film stable / On a run out table of a hot rolling mill, the cooling of steel strips is mainly provided by ramps of water jets falling down that will directly impact the upper surface of the strip. The temperature of the strip starts between 800 and 900 °C and it is intended to cool at temperatures much lower than the start but still accurate before its winding, the temperature ranges from ambient temperature to 700 °C depending on the required properties for the steel product. This water-based process ensures a transient cooling at an uneven rate depending on the nature of the boiling regime. The rewetting point is defined by the temperature at which the stable film boiling regime ends. In general, the cooling fluxes show a significant increase at this particular transition. In this thesis, we sought to characterize rewetting by vapor thickness measurements and analysis using optical probes. The optical sensors inform us whether their sensitive area is mainly in the gas or in the liquid and are generally used to make void fraction measurements. The use that is made here, namely a precise measurement of the position of the interface, required a precise experimental calibration in order to know the exact position of the interface on the sensitive area. In order to have a working tool, we also modeled the response of the probes by using a ray tracing method and taking into account the formation of the meniscus on the tipoff the probe. Finally, the calibration and model were compared with experimental measurements in the case of the cooling of a hemispherical area initially at high temperature that provides a stable film boiling regime when it is partially immersed

No description available.

Les étoiles massives sont les principaux contributeurs à l'enrichissement du milieu interstellaire. Ce sont généralement des rotateurs rapides, dotés d'une enveloppe radiative dans laquelle l'interaction de la stratification et la rotation génère une rotation différentielle. Celle-ci peut alimenter divers phénomènes de transport et l'évolution rapide de l'étoile. Nombre de ces étoiles sont par ailleurs des pulsateurs classiques. Cette thèse s'intéresse en premier lieu à l'interaction entre la rotation différentielle et les pulsations à basse fréquence dans l'étoile : celles-ci sont des modes gravito-inertiels dont la force de rappel est une combinaison de la force de Coriolis et de la poussée d'Archimède. Ils sondent les couches profondes de l'étoile, et sont étudiés suivant deux méthodes : dans la limite non-dissipative par la méthode des caractéristiques, et dans le cas dissipatif par la résolution du problème complet par une méthode spectrale. Nous mettons en évidence différentes singularités (attracteurs, latitudes critiques, résonances de corotation, piégeage en coin) et des modes réguliers. Certains modes sont excités par des instabilités baroclines, qui, si des effets non-linéaires provoquent leur saturation, permettent l'existence d'un mécanisme d'excitation nouveau dû à la rotation différentielle. Dans un second temps, nous avons associé le code de structure ESTER au code de calcul d'oscillations TOP. Ces deux codes calculent les quantités dans une étoile en deux dimensions et les modes associés en tenant compte des effets de la rotation de façon complète. Nous utilisons visibilités et taux d'amortissement des modes pour sélectionner dans le spectre synthétique les meilleurs candidats à l'identification des modes observés. Nous présentons une application au rotateur rapide Rasalhague (aOph), pour lequel de nombreuses observations sont disponibles. Nous n'avons pas obtenu une identification des modes univoque, mais le problème est maintenant mieux cerné et diverses pistes de progrès ont été identifiées. / Massive stars are the main contributors of the interstellar medium enrichment. These stars are usually fast rotators, with a radiative envelope in which the interaction between stratification and rotation gives rise to a differential rotation. This can trigger transport phenomena in the star, and affect its fast evolution. Besides, many of these stars are classical pulsators. This work focuses first on the impact of a differential rotation on the low-frequency oscillation spectrum which contains gravito-inertial modes. These modes are restored by the combination of buoyancy and Coriolis force and probe deep layers of stars. Our study is twofold : we compute the paths of characteristics in the non-dissipative limit, and solve the fully-dissipative eigenvalue problem numerically using a spectral decomposition. We find various singularities (attractors, critical latitudes, corotation resonances, wedge-trapping) and regular modes. Some of these modes are excited by baroclinic instabilities that may saturate through non-linear effects. If so, we have discovered a new excitation mechanism for these modes, driven by differential rotation. Aside of this theoretical work ; we have considered the case of Rasalhague (aOph), which is a well-known fast rotator. We studied this star by associating the ESTER structure code with the TOP oscillation code. Both of these codes use a two-dimensional structure, taking rotation effects fully into account. We use the mode damping rates and visibilities to filter the best candidates for observed modes identification out of the synthetic spectra. Even though we could not reach a satisfactory identification of the observed frequencies, we improved our understanding of the problem and identified the next steps to be taken.

Une large gamme de problèmes physiques, des petites molécules aux étoiles géantes, contiennent des symétries de rotation et sont sujets à des oscillations azimutales ou transverses. Quand cette symétrie est rompue, le système peut devenir instable. Dans cette thèse, les brisures de symétries sont étudiées dans les chambres de combustion annulaires, sujettes à des instabilités thermo-acoustiques azimutales. En premier lieu, deux types de brisures sont obtenus analytiquement : la première en répartissant des bruleurs différents le long de la chambre et la seconde provoquée par le champ moyen lui-même. Ces ruptures de symétries entraînent une séparation des fréquences, fixe la structure du mode et peut déstabiliser le système. De plus, une approche Quantification d’Incertitudes (UQ) permet d’évaluer l’effet de la rupture de symétries provoquée par les incertitudes sur la description ou le comportement des flammes. Pour compléter cette théorie, des Simulations aux Grandes Echelles (SGE) sont réalisées sur un mono-secteur ainsi que sur une configuration complète 360° de l’expérience annulaire de Cambridge. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales et montrent un bon accord. En particulier, un mode instable à 1800 Hz croît dans les deux cas. Cependant, la SGE, limitée par son coût important, ne permet pas l’étude du cycle limite s’établissant après plusieurs centaines de millisecondes. Pour pallier à ce problème, une nouvelle approche, appelée AMT, est développée : les résultats d’une théorie ou d’un solveur acoustique sont injectés dans une simulation SGE. Cette approche permet d’étudier les brisures de symétries, la nature et la dynamique des modes acoustiques, ainsi que d’évaluer l’amortissement dans des configurations réalistes. / A large range of physical problems, from molecules to giant stars, contains rotating symmetry and can exhibit azimuthal waves or vibrations. When this symmetry is broken, the system can become unstable with chaotic behaviors. Symmetry breaking is investigated in annular combustors prone to azimuthal thermo-acoustic instabilities. First, theories reveal that two types of symmetry breaking exist : due to different burner types distributed along the chamber or due to the flow itself . It leads to frequency splitting, fixes the mode structure and can destabilize the configuration. A UQ analysis is also performed to quantify the symmetry breaking effect due to uncertainties of flame descriptions or behaviors. To complete theory, Large Eddy Simulations are performed on a single-sector as well as on a complete 360° configuration of the annular experiment of Cambridge. Numerical results are compared to experimental data showing a good agreement. In particular, an unstable azimuthal mode at 1800 Hz grows in both LES and experiment. However, LES cannot investigate the limit cycle because of its extreme cost. To tackle this problem, a new methodology is developed, called AMT, where theory or Helmholtz solver predictions are injected into LES or DNS. This method allows to study symmetry breaking, mode nature and dynamics as well as evaluating damping in realistic annular configurations.

Les systèmes de combustion sont sujets aux instabilités de combustion (IC). Elles résultent d'un couplage constructif entre le taux de dégagement de chaleur instationnaire et des modes acoustiques du système. Les IC peuvent mettre en danger la performance et l'intégrité des systèmes de combustion. Même si ces phénomènes sont connus depuis plus d'un siècle, éviter quelles aient lieux dans les chambres de combustions industrielles reste difficile. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : (1) étudier la dynamique des modes acoustiques, (2) analyser la réponse de flamme d'un moteur de fusée à propergol liquide H2/O2 (appelé "BKD"), sujet aux IC, à l'aide de la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) et (3) dériver, utiliser et étudier des conditions limites permettant d'imposer des impédances acoustiques complexes en SGE. / Combustion devices are prone to combustion instabilities. They arise from a constructive coupling between the unsteady heat release rate of the flame and the resonant acoustic modes of the entire system. The occurence of such instabilities can pose a threat to both performance and integrity of combustion systems. Although these phenomena have been known for more than a century, avoiding their appearance in industrial engines is still challenging. The objective of this thesis is threefold: (1) study the dynamics of the resonant acoustic modes, (2) investigate the flame response of a liquid rocket engine under unstable conditions using Large Eddy Simulation(LES) and (3) derive, use and study Time Domain Impedance Boundary Conditions (TDIBCs), i.e. boundary conditions modeling complex acoustic impedances.

L'objectif de cette thèse est de comprendre la structure des binaires gamma, binaires à collision de vents composées d'une étoile massive et d'un pulsar jeune. Ces binaires possèdent probablement une structure similaire aux binaires à collision de vents composées de deux étoiles massives, avec des particularités liées à la nature relativiste du vent de pulsar. L'interaction de deux vents supersoniques d'étoiles massives crée une structure choquée qui présente des signatures observationnelles du domaine radio aux rayons X. Plusieurs instabilités ainsi que le mouvement orbital des étoiles influent sur la structure choquée. Afin de comprendre leur impact, j'ai effectué des simulations à haute résolution de binaires à collision de vents à l'aide du code hydrodynamique RAMSES. Ces simulations sont numériquement coûteuses à réaliser, surtout lorsque un des vents domine fortement l'autre. A petite échelle, les simulations soulignent l'importance de l'instabilité de couche mince non-linéaire dans les collisions isothermes alors que l'instabilité de Kelvin-Helmholtz peut fortement modifier la structure choquée dans une collision adiabatique. A plus grande échelle, cette instabilité peut parfois détruire la structure spirale à laquelle on s'attend si la différence de vitesse entre les vents est trop importante. WR 104 est une binaire dont on observe la structure spirale grâce à l'émission de poussières. Les simulations de ce système montrent un bon accord avec la structure observée et indiquent que des processus de refroidissement du gaz sont nécessaires à la formation de poussières. Pour modéliser les vents de pulsar dans les binaires gamma, RAMSES a été étendu à l'hydrodynamique relativiste. J'utilise ce nouveau code pour réaliser des simulations préliminaires de binaires gamma. Elles montrent effectivement une structure similaire aux binaires stellaires, avec de légères corrections relativistes . Ce code est adapté à l'étude de divers systèmes astrophysiques tels que les jets relativistes, les sursauts gamma ou les nébuleuses de pulsar et fera partie de la prochaine version de RAMSES qui sera rendue publique. / The aim of this thesis is to understand the structure of colliding wind binaries composed of a massive star and a young pulsar, called gamma-ray binaries. They are expected to display a similar structure to colliding wind binaries composed of massive stars, with some particularities due to the relativistic nature of the pulsar wind. The interaction of the supersonic winds from massive stars creates a shocked structure with observational signatures from the radio domain to the X-rays. The structure is affected by various instabilities and by the orbital motion of the stars. To understand their impact, I carried out high resolution simulations of colliding wind binaries with the hydrodynamical code RAMSES. They are computationally demanding, especially when one of the winds strongly dominates the other one. Small scale simulations highlight the importance of the Non-linear Thin Shell Instability in isothermal collisions while the Kelvin-Helmholtz instability may strongly impact the dynamics of adiabatic collisions. I found that, at larger scales, this instability can destroy the expected large scale spiral structure when there is an important velocity gradient between the winds. WR 104 is a system that displays a spiral structure with important dust emission. The simulation of this system shows a good agreement with the observed structure and indicates cooling processes are necessary to enable dust formation. To model the pulsar wind in gamma-ray binaries, an extension of RAMSES has been developed, that incorporates relativistic hydrodynamics. I used this new relativistic code to perform preliminary simulations of gamma-ray binaries. They display a similar structure to colliding wind binaries with small relativistic corrections. We expect to use this code to perform large scale simulations of gamma-ray binaries. It will be part of the next public release of RAMSES and is suited for the study of many astrophysical problems such as relativistic jets, pulsar wind nebulae or gamma-ray bursts.

No description available.