Dans le contexte de l’aérodynamique ferroviaire, l’une des problématiques majeures concerne le développement de solutions écologiques permettant le refroidissement d’équipements de toiture et nécessitant le moins de maintenance possible. L’une des voies de recherche potentielles s’appuie sur le refroidissement par convection forcée basée sur le mouvement de fluide extérieur au travers des équipements lors du déplacement du train. Cela nécessite d’avoir des informations sur le comportement dynamique de l’écoulement au voisinage de ces derniers. Ces éléments chauffants sont généralement positionnés de façon proche les uns des autres, pour des considérations d’encombrement, donnant naissance à une succession de cavités profondes à bords non affleurants. Malheureusement ce type d’écoulement de cavité n’est quasiment pas étudié dans la littérature bien qu’il présente de fortes variations par rapport à ses homologues dits “symétriques”. Les écoulements de cavités génèrent également des instationnarités associées à des phénomènes de décollement complexes qui peuvent engendrer divers types de nuisances, comme par exemple du bruit rayonné ou des vibrations de structures. Dans la perspective du contrôle d’écoulement avec pour objectif le refroidissement de certaines zones dites “thermiquement mortes”, nous nous sommes intéressés à la dynamique des écoulements au voisinage des cavités à bords asymétriques, pour ensuite aborder le phénomène d’oscillation hydrodynamique potentiellement induite, en portant une attention particulière aux cas asymétriques. Cette étude a permis de mettre en évidence la persistance de modes propres pour les cas d’asymétrie et également de proposer une adaptation du modèle de Rossiter aux écoulements de cavité profonde asymétrique. / In the framework of railway aerodynamics, one of the major problems concerns the development of ecological solutions for cooling roof equipment requiring the least maintenance as possible. One of the potential way of improvement relies on forced convection cooling based on the movement of external fluid through the equipment when the train moves. This requires the knowledge of the dynamic behavior of the flow. These heating elements are generally positioned close to each other for reasons of space, giving rise to a succession of deep cavities with non-flush edges. Unfortunately, this type of cavity flow is almost not studied in the literature although it has strong variations compared to the “symmetrical” cases. Cavity flows also generate instationnarities associated with complex separation phenomena that can generate various types of noises, such as acoustic noise or structural vibrations. In the perspective of flow control in the aim to cool some areas called “thermally dead”, we are interested into the flow dynamics at the vicinity of the cavities with asymmetric edges, and then address the phenomenon of hydrodynamic oscillation potentially induced, with a particular attention to asymmetric cases. This study made it possible to highlight the persistence of modes for asymmetric cases and also to propose an adaptation of the Rossiter model to asymmetric deep cavity flows.

Une étude expérimentale a été effectuée sur une configuration d'interaction à Mach 2.3 entre un choc incident et une couche limite turbulente (réflexion de choc oblique sur paroi plane) engendrant un décollement suivi d'un recollement, en vue de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce type d'interaction : apparition et entretien de basses fréquences. Pour cela, l'organisation spatiale et temporelle de cet écoulement a été examinée pour différents angles de déflexion du générateur de choc (de 7 à 9.5°). Les données en paroi ou en champ en un ou plusieurs points proviennent de mesures effectuées à l'aide de capteurs de pression ou par anémométrie à fil chaud. L'analyse de ces données a permis de caractériser les différentes zones : le choc réfléchi instationnaire est animé d'un mouvement basse fréquence, avec des longueurs d'excursion variant d'une à deux fois l'épaisseur de couche limite initiale, cette longueur s'atténuant à l'extérieur de la couche. La construction d'une fréquence adimensionnelle associée aux oscillations basses fréquences du choc réfléchi (nombre de Strouhal) a permis de regrouper l'ensemble des résultats ainsi que ceux obtenus dans la littérature pour d'autres configurations d'interaction. Le décollement présente de grandes similitudes avec les décollements subsoniques, avec toutefois certaines spécificités propres à la compressibilité de notre écoulement. L'étude des connexions entre le choc réfléchi instationnaire et le décollement ont permis de revisiter les mécanismes proposés dans des configurations d'interaction différentes qui expliquent la nature de ces liaisons. Par ailleurs, l'organisation transversale du décollement a été explorée à l'aide de mesures effectuées par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et a mis en évidence, pour les décollements les plus intenses, deux tourbillons contra-rotatifs de type trombe se développant au cœur de la zone de recirculation et dont les fréquences de rotation moyennes déterminées en paroi sont voisines de celles du choc réfléchi.

Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l'état de la vapeur et notamment au taux d'humidité qu'elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d'améliorer l'utilisation et l'évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l'humidité dans un corps de turbine et l'étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d'humidité est prise en compte à l'aide d'un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d'eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l'aide d'un code monodimensionnel avant d'être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l'écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d'observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l'humidité et le champ principal.

Les écoulements décollés sont fortement instationnaires, l'objectif de cette thèse a été de localiser et d'identifier les phénomènes à la source de ces instationnarités et de comprendre les processus physiques permettant le transfert de l'information de ces zones sources au reste de l'écoulement. Pour ce faire une analyse des résultats issus de simulations numériques a été réalisée. En étudiant la corrélation et la cohérence entre les positions de choc et les fluctuations de pression, l'interaction a pu être séparée en plusieurs parties distinctes. A l'aide de la théorie des caractéristiques définissant les directions et les cinématiques de propagation de l'information, les liens spatio-temporels entre ces différentes régions ont pu être déterminés. Les résultats de ces études couplés avec ceux issus des expériences ont montré clairement que les phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone de recirculation existant en aval du choc de décollement gouvernent la dynamique de la totalité de l'interaction, aussi bien à basse fréquence qu'à moyenne fréquence. Ainsi les mouvements de choc apparaissent comme le miroir des phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone décollée. Une représentation équivalente en fluide non visqueux permettant une description du comportement instationnaire de l'interaction a aussi été proposée. / Separated flow are often strongly unsteady; the aim of this thesis is to localize and identify the sources of the unsteadiness and to understand the physical phenomena governing the information transfer from these source zones to the rest of the flow. To do this, data used for this analysis have been obtained from numerical simulations (LES). Both cross-correlation and coherence between shock motion and pressure fluctuations have shown that the interaction can be split in several distinct zones. The theory of characteristics is used to define the information paths and the propagation velocities, so that the space-time links between these regions have been determined. Both numerical and experimental studies have clearly shown that phenomena present within the recirculation buble govern the whole of the interaction, at low and intermediate frequencies. Indeed the shock motions appears as the mirror of phenomena present in the separated zone. An inviscid equivalent scenario has been proposed to represent the interaction.

Une interaction entre une onde de choc oblique et une couche limite turbulente sur plaque plane, à un nombre de Mach de 2.3 a été étudiée expérimentalement.<br />Ces interactions, pour des ondes de choc assez fortes, engendrent le décollement et le recollement de la couche limite, et sont le siège d'instationnarités basses fréquences dont les origines sont mal connues. Ces instationnarités ont été caractérisées expérimentalement en partie dans des travaux précédents, et des similarités entre l'interaction étudiée ici et d'autres configurations d'interactions ainsi qu'avec les décollements de couche limite subsonique ont été mis en évidence, suggérant que les mécanismes responsables des instationnarités sont de même nature.<br />Pour ces travaux, la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) a été utilisée afin de décrire spatialement l'organisation longitudinale et transversale de cette interaction. L'exploitation des mesures a mis en évidence un lien statistique fort entre les mouvements basses fréquences du choc réfléchi et les contractions/dilatations successives du bulbe décollé. L'interprétation proposée est que les grands mouvements du choc sont liés aux pulsations basses fréquences du décollement, associées à sa réalimentation intermittente en air frais.<br />Un modèle aérodynamique en a été déduit et permet de préciser les principaux paramètres contrôlant l'échelle de temps du phénomène. En particulier, il permet de déterminer la fréquence des battements du choc. Ce modèle a été appliqué aux interactions sur plaques planes ainsi que pour d'autres configurations expérimentales, pour un éventail de nombres de Mach allant de M=0 à 5, et montre un bon accord avec les mesures.

Le bon fonctionnement et les performances des turbines à vapeur sont liés à l’état de la vapeur et notamment au taux d’humidité qu’elle contient. EDF souhaite pouvoir maîtriser les phénomènes spécifiques à ces problématiques afin d’améliorer l’utilisation et l’évolution de ses turbines. Le sujet de recherche concerne la modélisation de la formation de l’humidité dans un corps de turbine et l’étude des couplages entre la phase liquide et les instationnarités. Dans ce contexte, la démarche adoptée est la suivante : la présence d’humidité est prise en compte à l’aide d’un modèle homogène, couplé à des modèles de condensation permettant de prendre en compte les phénomènes hors-équilibre thermodynamique : le grossissement et la nucléation des gouttes d’eau dans la vapeur. Pour mener à bien les calculs, des méthodes numériques adaptées aux gaz réels ont été utilisées et testées à l’aide d’un code monodimensionnel avant d’être intégrées dans le code 3D elsA. Deux types de modèles de condensation ont été mis en œuvre, considérant ou non la polydispersion des gouttes dans la vapeur. Les couplages instationnaires entre la condensation et l’écoulement principal ont été étudiés à différents niveaux d’observations (1D, 1D − 3D, 3D). Il a été montré que la méthode des moments apporte une richesse supplémentaire par rapport à un modèle mono-dispersé, et permet de mieux capter les couplages instationnaires entre l’humidité et le champ principal. / In addition to conventional turbomachinery problems, both the behavior and performances of steam turbines are highly dependent on the vapour thermodynamic state and the presence of a liquid phase. EDF, the main French electricity producer, is interested in further developing its’ modelling capabilities and expertise in this area to allow for operational studies and long-term planning. This PhD thesis explores the modelling of wetness formation and growth in a steam turbine and an analysis of the coupling between the liquid phase and the main flow unsteadiness. To this end, the work in this thesis took the following approach. Wetness was accounted for using a homogeneous model coupled with transport equations to take into account the effects of non-equilibrium phenomena, such as the growth of the liquid phase and nucleation. The real gas attributes of the problem demanded adapted numerical methods. Before their implementation in the 3D elsA solver, the accuracy of the chosen models was tested using a developed one-dimensional nozzle code. In this manner, various condensation models were considered, including both polydispersed and monodispersed behaviours of the steam. Finally, unsteady coupling effects were observed from several perspectives (1D, 1D − 3D, 3D), demonstrating the ability of the method of moments to sustain unsteady phenomena which were not apparent in a simple monodispersed model.

Les recherches sur les instationnarités des Interactions Ondes de Choc Couches Limites (IOCCL) turbulentes ont permis une description détaillée de celles-ci tant expérimentalement que numériquement . Ceci a conduit à plusieurs schémas susceptibles d'expliquer les respirations à basses fréquences observées dans de tels écoulements. Les configurations avec des conditions amont laminaires ou transitionnelles ont été moins étudiées.Dans le cadre du programme Européen TFAST, un important effort a été mené afin de développer des dispositifs expérimentaux, conjointement à des simulations numériques, permettant une étude détaillée de ces configurations. Dans le cadre de cette thèse, on a mis en place une configuration de réflexion d'onde de choc sur une couche limite laminaire pour un nombre de Mach de 1.68. L'utilisation des métrologies classiques (Anémométrie Laser Doppler, Anémométrie Fil Chaud), adaptées à ces conditions expérimentales particulières, a permis de décrire les propriétés spatio-temporelles de ces écoulements. Le champ moyen a été caractérisé et comparé aux théories classique et aux résultats obtenus dans différentes souffleries.Un schéma décrivant le mécanisme de transition à la turbulence au sein de l'interaction a été développé. Sa sensibilité aux conditions amont a été étudiée en plaçant des perturbations en amont de l'interaction. Dans tous les cas, des instationnarités convectives (haute fréquence) et stationnaires (basse fréquence) ont été observées et comparées à celles existantes pour les configurations amont turbulentes. Une gamme intermédiaire d'instationnarités convectives (moyenne fréquence) a été mise en évidence et caractérisée. / Research dedicated to the study of the unsteadiness of turbulent Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI) has allowed a detailed description of this kind of interaction both experimentally and numerically. Several scenario were proposed to explain the low frequency unsteadiness observed in separated SWBLI. Nevertheless, the literature on this kind of flow involving either upstream laminar or transitional conditions is quite reduce. Within the framework of the European TFAST program, an important effort was made to develop experimental devices, in conjunction with numerical simulations, allowing a detailed study of these laminar or transitional configurations. In particular, within the framework of this thesis, a shock wave reflection configuration on a laminar boundary layer was set-up, with a nominal free stream Mach number of 1.68. Using classical metrology (Laser Doppler Anemometry, Hot WireAnemometry) that have been adapted to these particular experimental conditions, we have been able to describe the spatio-temporal properties of the interaction. The mean field has been characterized and compared with the classical theories and the results obtained in other configurations.A model describing the transition mechanisms to turbulence within the interaction has been developed. Its sensitivity to upstream conditions was studied by placing perturbations upstream of the interaction. In all cases, convective (high frequency) and stationary (low frequency) unsteadiness were observed and compared with those existing for upstream turbulent configurations. An intermediate range of convective unsteadiness (medium frequency) has been demonstrated and characterized.