Résumé: Dans un turboréacteur civil à haut taux de dilution, l'étage de soufflante contribue significativement au rayonnement acoustique d'un avion en phase d'approche. La problématique de ce projet de recherche s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des méthodes de prédiction du bruit tonal et large bande créé par l'interaction rotor-stator d'un étage de soufflante, afin de fournir des outils pour une conception silencieuse des avions. Une étude bibliographique conduit à choisir deux approches pour la prédiction du bruit de soufflante. D'une part, les modèles analytiques prenant en compte l'effet de grille sont adaptés à des études paramétriques dans un contexte industriel, mais font appel à plusieurs hypothèses simplificatrices. D'autre part, les méthodes numériques permettent de considérer des configurations réalistes au prix d'efforts de calculs importants. Les objectifs originaux consistent donc à évaluer des modèles avec effets de grille, à proposer des améliorations afin de les rendre plus fiables et à développer une nouvelle méthode numérique pour le bruit de turbomachine. Celle-ci repose sur des simulations aérodynamiques compressibles instationnaires dans lesquelles les sources acoustiques sont directement calculées puis rayonnées à l'aide d'une analogie acoustique. Dans le cadre du bruit tonal, des simulations instationnaires d'écoulement par la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées (UftANS) sont réalisées sur des configurations simplifiées d'étages rotor-stator et sur un compresseur axial réaliste. Les sources acous-tiques déterministes créées par l'interaction des sillages moyens du rotor avec les aubes du stator sont correctement résolues, permettant l'application de la méthode numérique. Un modèle de grille est amélioré afin de prendre en compte une décomposition plus fine de l'excitation ainsi que les effets de cambrure de l'aube dans la prédiction des sources. Ces améliorations sont validées par comparaisons avec les résultats de la méthode numérique. Cette dernière s'avère très efficace pour la prédiction du bruit tonal lorsque les sources sont réparties sur la cambrure réelle des aubes puisque les effets pleinement 3D de la réponse du stator et de la géométrie des aubes sont inclus. Concernant le bruit à large bande, trois modèles avec effets de grilles sont évalués sur deux cas tests réalistes. L'effet de grille est significatif pour des stators avec recouvrement, à la fois sur les sources et sur la puissance rayonnée sur toute la bande de fréquences. De plus, un modèle avec une réponse de grille tridimensionnelle et une analogie acoustique en conduit fournit les meilleurs résultats relativement aux mesures. Par ailleurs, une simulation aux grandes échelles (LES) est effectuée sur le compresseur axial. L'interaction des sillages turbulents du rotor avec les aubes est correctement résolue et crée les sources acoustiques à large bande. La LES permet une meilleure compréhension des phénomènes physiques en vue d'une amélioration des modèles analytiques. Enfin, l'application de la méthode numérique fournit les spectres de puissances acoustiques et s'avère prometteuse.||Abstract: In a modern high bypass ratio turbofan engine, the fan stage significantly contributes to the acoustic energy radiated by an aircraft at approach conditions. This research project takes place in the framework of improving prediction methods for tonal and broadband noise created by the rotor-stator interaction in a fan stage in order to provide tools for quieter designs of aircrafts. A literature review leads to the choice of two approaches for the fan noise prediction. On the one hand, analytical models taking into account cascade effects are designed for parametrical studies in an industrial context although they use several simplifying hypotheses. On the other hand, numerical methods allow considering realistic configurations but are computationally demanding. Thus the original objectives of this work consist in evaluating cascade based acoustic models, in proposing modifications to improve their reliability, and in developing a new numerical method for turbomachinery noise. The latter is based on unsteady compressible aerodynamic simulations to directly compute acoustic sources that are then radiated with an acoustic analogy. For tonal noise studies, unsteady flow simulations using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS) are performed on simplified rotor-stator configurations as well as on a realistic axial compressor stage. The deterministic acoustic sources created by the rotor wake interaction with the downstream stator vanes are correctly resolved, allowing the application of the numerical method. A cascade analytical model is improved in order to introduce a better decomposition of the excitation as well as vane camber effects in the acoustic sources prediction. These improvements are validated by comparisons with the results of the numerical method. The vane thickness is also seen to have a second order effect. Finally the developed numerical method is shown to be very efficient for tonal noise prediction with a distribution of sources following the mean vane camber line since the fully 3D effects of the stator response and of the vane geometry are included. In the broadband noise context, three cascade based analytical models are evaluated and compared to an isolated airfoil model on two realistic test cases. Cascade effects are found to play a major role both on the acoustic sources and on the acoustic power over the frquency band for overlapping vanes. A model including a tri-dimensional cascade response as well as an acoustic analogy within an annular duct provides the best results compared to measurements. Moreover a Large-Eddy Simulation (LES) is performed on the axial compressor. The turbulent rotor wakes interaction with the downstream stator vanes is correctly resolved and creates broadband acoustic sources. The LES allows a better understanding of physical phenomena in order to improve analytical models. Finally the application of the numerical method provides the acoustic power spectra radiated within the duct and appears to be promising.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La thèse traite de la simulation numérique de jets d’air lobés pour l’optimisation des Unités Terminales de Diffusion de l’Air pour le bâtiment. Il est présenté tout d’abord une analyse bibliographique exhaustive sur les jets d’air et sur les moyens passifs de leur contrôle. Vient ensuite un exposé des principes de la modélisation des écoulements turbulents. Sur la base des précédents éléments, nous abordons la phase de simulation et d’analyse de jets d’air lobés en trois parties. La première partie traite de la simulation d’un jet d’air libre à très faible nombre de Reynolds (Reynolds 800) en régime instationnaire. Dans cette étude, nous avons présenté plusieurs cas tests de simulation d’un jet d’orifice en forme de croix que nous avons confrontés à des résultats expérimentaux. Du point de vue quantitatif, la simulation du quart du jet a permis d’obtenir des caractéristiques globales assez satisfaisantes. Pour détecter d’une façon significative l’instationnarité du jet, il a été nécessaire de simuler la totalité du jet, mais ceci a été fait au détriment du nombre de mailles dans le domaine de calcul, ce qui conduit par conséquent à des résultats quantitativement inappropriés. La deuxième partie simule le même jet d’air mais en régime turbulent (Reynolds 3000). Sept modèles de turbulence ont été confrontés à des résultats expérimentaux. Nous montrons la pertinence du modèle RSM (Reynolds Stress Model) pour la prédiction de l’écoulement. La dernière partie est dédiée à la simulation de jets d’air turbulents en interaction. Cette partie se décline en trois études successives et complémentaires. La première a pour objet de rechercher le modèle de turbulence le plus pertinent capable de reproduire les phénomènes et les grandeurs utiles à l’application visée. La conclusion est qu’aucun des modèles de turbulence évalués n’est capable de prédire l’ensemble des caractéristiques dynamiques de l’écoulement de jets lobés en interaction. Cependant, parmi ces modèles, SST apparait nettement supérieur dans la prédiction de l’interaction des jets, de l’expansion dynamique globale et de l’entrainement de l’air ambiant lorsque l’écoulement est résolu à travers le diffuseur lobé. Sur la base des grandeurs dynamiques pertinentes identifiées et dont la prédiction par le modèle SST est jugée satisfaisante, nous entreprenons dans la suite une analyse de l’influence de la géométrie du lobe sur la capacité d’induction de l’écoulement. Un lobe de forme arrondie est alors trouvé plus avantageux qu’un lobe à angles droits. Enfin, la dernière étude s’intéresse à l’effet de la disposition et de l’espacement des orifices lobés sur les grandeurs globales de l’écoulement. Une solution géométrique permettant l’augmentation de la transparence de l’Unité Terminale de Diffusion de l’Air lobée est alors proposée. Elle devra être testée expérimentalement en conditions réelles, dans la cellule test échelle 1 thermiquement gardée nouvellement construite au LEPTIAB. / The thesis deals with the numerical simulation of lobed air jets for the optimization of Air Diffusion Terminal Units for buildings. First is presented a comprehensive literature review of the air jets and of the passive means of flow control. The manuscript continues with the principles of modeling of turbulent flows. Based on the previous considerations, we discuss the simulation and analysis of the air lobed jets following three parts. The first part deals with the simulation of an air jet at very low Reynolds number (Reynolds 800) in the unsteady regime. In this study, we presented several test cases of simulation for a cross-shaped orifice jet that we have confronted with experimental results. From the quantitative point of view, the simulation of a quarter of the jet’s section has yielded reasonably good results for the global characteristics of the flow. In order to detect in a significant way the unsteadiness of the jet, it was necessary to simulate the entire jet, but this was done at the expense of the number of cells in the computational domain, which consequently leaded to inappropriate quantitative results. In the second part we simulated the same air flow but in the turbulent regime (Reynolds 3000). Seven turbulence models have been confronted with experimental results. We show the relevance of the RSM turbulence model (Reynolds Stress Model) for predicting the flow.The last part is dedicated to the simulation of turbulent air jet in interaction. This part is divided into three successive and complementary studies. The first one was dedicated to find which turbulence model can reproduce most relevant phenomena and variables to the concerned application. The conclusion is that none of the turbulence models was able to predict all the dynamic features of the lobed jet flows in interaction. However, of these models, SST appears to be significantly better for the prediction of the interaction of the jets, the global dynamical expansion and the entrainment of the ambient air when the flow is numerically resolved through the lobed diffuser. On the basis of relevant dynamic quantities well predicted by the SST turbulence model, we undertake in the following part an analysis of the influence of the geometry of the lobe on the ability of the flow to entrain. A rounded lobe is then found to be more advantageous than a lobe with right angles. The final study examines the effect of the arrangement and spacing of the lobed orifices on the global quantities of the flow. A geometric solution allowing to increase the transparency of the lobed Air Diffusion Terminal Unit is then proposed. This solution should be tested experimentally in real conditions, in the new full scale model room constructed at LEPTIAB.

Cette thèse de doctorat s’intéresse aux écoulements diphasiques métastables typiques de certains transitoires accidentels qui pourraient intervenir dans les centrales nucléaires. Ces phénomènes sont difficiles à traiter en raison de la complexité topologique de l’écoulement, des transferts entre phases et du couplage fort entre les caractéristiques thermodynamiques et les aspects mathématiques.Les méthodes aujourd’hui en usage dans l’industrie ne décrivent pas complétement la complexité de ces écoulements car elles s’appuient sur des modèles trop simples. En fait ces méthodes ne prennent pas en compte le déséquilibre thermo-chimique entre l’eau liquide et sa vapeur. Par ailleurs, les méthodes hyperboliques proposées récemment dans la littérature pour la simulation des écoulements métastables ne peuvent pas être appliquées dans l’industrie car elles utilisent des lois d’état simples qui ne sont pas adaptées pour les calculs industriels.Le but de cette thèse est de développer une nouvelle approche qui couple les méthodes hyperboliques modernes à des équations d’état précises. Le produit final de ce travail est un nouveau modèle pour l’analyse industrielle des écoulements diphasiques métastables qui associe de nouvelles techniques pour le calcul des transferts interfaciaux et des propriétés de l’eau et de sa vapeur. De plus, cette approche est d’un coût abordable pour les configurations industrielles.Les méthodes développées dans cette thèse ont été systématiquement vérifiées avec des solutions exactes et validées en utilisant des données expérimentales de la littérature. / This Ph.D. thesis deals with the metastable two-phase flows typical of accidental transients that could occur in nuclear power plants. Those phenomena are of difficult treatment due to the topological difficulty of the flow, the interphase transfers and the strong coupling between thermodynamic features and mathematical aspects.The methods today in use in industry do not fully describe the complexity of these flows because based on too simple models. In fact, they do not take into account the thermo-chemical disequilibrium between liquid and vapor water. On the other hand, the hyperbolic methods recently proposed in the literature for the simulation of metastable flows can not be used in the industry because based on simple equations of state that are not adequate for industrial calculations.The purpose of this Ph.D. thesis is to develop a new approach that couples the modern hyperbolic methods to accurate equations of state. The final product of this work is a new model for the industrial analysis of metastable two-phase flows that incorporates novel techniques for the calculation of interfacial transfers and of steam-water properties. Moreover, it is computationally affordable for its use in industrial configurations.The methods developed in this thesis have been sistematically verified against exact solutions and validated using experimental data of the literature.

La récupération d'énergie est un procédé très fréquent qui peut être observé sous de nombreuses formes dans la nature. Des espèces de poissons ou d'oiseaux sont par exemple connues pour exploiter leurs environnements afin d'accomplir une propulsion à moindre effort. L'objectif de ces travaux est de concevoir un concept d'hydro-éolienne oscillante basé sur des dynamiques similaires. La notion d'interaction fluide-structure est présentée pour expliquer le moyen d'alimentation utilisé dans le transfert énergétique de ce concept. Un mécanisme d'aile oscillante est spécialement modélisé théoriquement et numériquement pour analyser la dynamique de l'hydro-éolienne. L'asymétrie des oscillations, propre aux couplages multi-physiques, est particulièrement considérée pour maximiser le rendement du récupérateur d'énergie oscillant. On remarque que l'intégration de cette caractéristique des oscillations est présente dans la théorie de Couchet qui complète le modèle instationnaire de Theodorsen pour estimer les efforts aérodynamiques d'un profil d'aile oscillant non-symétriquement par rapport au sens de l'écoulement. L'analyse énergétique de l'oscillateur révèle de tellement bons rendements que la proximité avec la limite de Betz provoque un doute sur la définition de l'efficacité pour quantifier le transfert énergétique. En effet, l'optimisation d'un récupérateur d'énergie hydro-aéro-élastique est réalisée soit en maximisant la puissance dissipée par l'oscillateur soit au diminuant artificiellement la puissance disponible dans le fluide en adaptant la section de balayage de l'aile. Une autre définition de l'efficacité énergétique est développée sur la base de la théorie de Couchet pour lever cette incertitude. L'analyse de cet indicateur met en valeur l'importance du rôle du sillage du déplacement asymétrique de l'aile dans la récupération d'énergie. / Energy harvesting is a common process presents in so many ways in nature. Fishes and birds use for example their surroundings in order to produce propulsion without any effort. The focus of this thesis is to design a hydro-aéro-elastic harvester based on these dynamics. The fluid-structure interaction is introduced to explain the energy supply of the concept. An oscillating-wing-mechanism is theoretically and numerically developed in the aim to investigate the behavior of the marine-wind turbine. The energetic efficiency is then maximized by the asymmetric oscillations relative to the fluid-structure coupling. Note that the non-symmetric characteristic of the oscillation is included in the theory of Couchet which completes the unsteady aerodynamic theory of Theodorsen. Unusual high performances of the oscillating harvester suggest some apprehensions reading the efficiency’s definition. Indeed, the hydro-aéro-elastic harvester optimization can be achieved ether by increasing the power output or by decreasing the power available in the fluid artificially modified by the sweep section of the foil. These uncertainties are resolved by considering another definition of the energetic efficiency which is developed according to the theory of Couchet. The performance analysis of the new factor presents the contribution of the wake induced by the asymmetric oscillation of the foil on the energy harvesting quantities.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

Cette thèse porte sur la simulation numérique d'un écoulement interne compressible, ins- tationnaire et turbulent à l'aide de la Simulation des Grandes Echelles (SGE). Dans cette approche, les grandes échelles énergétiques et instationnaires de l'écoulement sont calcu- lées, tandis que les petites échelles sont modélisées. L'objectif de ce travail, réalisé en collaboration avec le Consortium Industrie-Recherche dans les Turbomachines (CIRT) et le LEMFI, est d'analyser les potentialités de la SGE pour le calcul d'écoulements confinés en géométrie 3D en vue d'applications aux turboma- chines. Le cas d'étude retenu pour la validation de la méthodologie est l'écoulement dans une tuyère 3D transsonique pour lequel il existe de nombreux résultats statistiques (LEMFI) et expérimentaux (ONERA). La tuyère est caractérisée par une bosse en flèche sur la paroi basse génératrice d'effets 3D. L'écoulement, sans rotation, présente cependant les phénomènes physiques complexes d'interaction onde de choc/couche limite et de large dé- collement, comme ceux rencontrés au sein des turbomachines. La SGE est obtenue à partir d'un modèle de sous maille d'échelles mixtes développé au LIMSI-CNRS. La discrétisa- tion temporelle des équations est réalisée par un schéma de Runge-Kutta explicite d'ordre deux. Les flux Euler sont discrétisés par un schéma TVD d'Harten-Yee d'ordre deux tandis que les flux visqueux le sont par un schéma centré. La SGE a permis d'obtenir des informations instationnaires sur l'écoulement, et de mettre en évidence la formation et le lâcher de tourbillons dans la tuyère. La solution insta- tionnaire est différente de la solution stationnaire RANS obtenue avec une modélisation statistique classique et montre l'oscillation du choc et la déstabilisation du décollement au cours du temps. Les résultats de la SGE obtenus sur le nombre de Mach isentropique, les profils de la vitesse moyenne et les tensions de Reynolds sont discutés et comparés aux résultats expérimentaux (ONERA) et statistiques, obtenus avec le modèle de Launder- Shima (LEMFI). Le bilan de l'énergie cinétique turbulente (k) est analysé et comparé à celui donné par la modélisation statistique, dans le décollement. Les résultats de la SGE montrent des différences notables avec les résultats statistiques dans le c÷ur de la tuyère : les termes de fluctuations de pression importants mesurés dans le choc sont pris en compte par la SGE.

La connaissance simultanée de la richesse et vitesse locale est très importante dans de nombreuses applications de combustion et spécialement dans les moteurs à injection directe essence où la flamme se propage à travers une distribution de mélange air-carburant hétérogène. Cette étude reproduit ces hétérogénéités de richesse avec un mélange propane-air dans une chambre de combustion à volume constant. L'influence locale de la richesse et de la vitesse sur la propagation de la flamme est étudiée. La stratification est crée par un jet pulsé riche injecté dans une chambre en mélange pauvre, le mélange étant ensuite allumé. Deux diagnostics optiques ont été utilisés simultanément, la PIV pour la mesure de vitesse et la FARLIF pour la mesure de richesse à froid et en combustion. Les propriétés et gammes d'applications de la PIV et de la FARLIF ont été vérifiées. Ces méthodes ont ensuite été utilisées pour étudier les caractéristiques de la combustion stratifiée.

Une première approche de la simulation des incendies est menée à l'aide du code CFD d'EDF R&D Code_Saturne. Une extension de son schéma incompressible et une adapta- tion des conditions limites libres sont développées afin de traiter des flammes à bas nombre de Froude instationnaires et dominées par la convection naturelle grâce à une modélisation URANS. La turbulence est traitée à l'aide d'un modèle k − " tenant compte de la gravité. La combustion est traitée à l'aide d'une réaction globale infiniment rapide et l'interaction avec la turbulence par une approche statistique présumant une fonction densité de proba- bilité. L'équation des transferts radiatifs est résolue à l'aide de la méthode des ordonnées discrètes. Les propriétés radiatives du milieu sont estimées à l'aide d'un modèle à larges bandes. Le modèle semi-empirique utilisé pour les suies tient compte des processus de nu- cléation, croissance, agglomération et oxydation. Le modèle est appliqué à des panaches thermiques et d'hélium, configurations proches des feux. Le gain minime apporté par les fermetures testées sur le modèle de turbulence suggère que le calcul des flux turbulents scalaires est plus important. En revanche, le gain lié au schéma faiblement compressible est considérable. Le modèle est ensuite appliqué à deux types de feu. Sur le feu de nappe, un maillage fin est nécessaire pour pallier un défaut de turbulence et obtenir une bonne prédiction sur les grandeurs caractéristiques. Cette conclusion est modérée par les résultats obtenus sur le feu de compartiment pour lequel les prédictions sont raisonnables malgré les maillages grossiers utilisés, le rayonnement des fumées et des parois ayant une forte influence.