L'étude de la stabilité aérodynamique des structures est un domaine très complexe et nécessite généralement des essais à échelle réduite en soufflerie. Ces essais doivent permettre de reproduire le comportement de la structure soumise à des instabilités aérodynamiques telles que le détachement tourbillonnaire et le flottement. Les essais sectionnels permettent de reproduire de manière fiable le comportement d'une section représentative d'une structure. Ces essais sont généralement économiques et peuvent être réalisés dans un court laps de temps, c'est pourquoi ils constituent généralement la première étape d'une série d'essais sur une structure. Historiquement, ils permettent de reproduire le comportement d'une section selon, au maximum, deux degrés de liberté (DDL). La rotation autour de l'axe longitudinal de la structure et la translation perpendiculaire à l'écoulement sont généralement modélisées alors que la translation parallèle à l'écoulement est négligée. Toutefois, il est bien connu que certains phénomènes aérodynamiques, tels que le galop, impliquent des déplacements selon les deux translations. Il est aussi fréquent que le mode de torsion d'une structure soit couplé avec un déplacement transversal ; c'est souvent le cas pour un pont élancé par exemple. Il serait donc intéressant d'étudier l'effet de l'ajout d'un troisième DDL sur la stabilité aérodynamique d'une structure. Le présent travail décrit la conception et la validation d'un montage pour essais sectionnels en soufflerie qui permet le mouvement du modèle selon trois DDL. Plusieurs améliorations, telles que l'ajout d'amortissement magnétique découplé pour chaque DDL et l'utilisation de vérins actifs permettant l'introduction d'un mouvement forcé, ont aussi été apportées au montage original à deux DDL. Les résultats de la validation montrent que l'ajout du DDL horizontal, sous certaines conditions, a une influence sur le comportement de la section, notamment lors de l'apparition du flottement.

Le travail de réduction de la traînée aérodynamique d’un véhicule peut être mené sur deux fronts à la fois; d’une part la simulation numérique CFD (Computational Fluid Dynamics) et d’autre part les tests expérimentaux. Les méthodes et approches appliquées à la réduction de la traînée aérodynamique sont bien connues pour des véhicules de types automobile et motocyclette. La présente recherche porte sur un véhicule Spyder qui combine les aspects d’une automobile par la dimension de sa surface frontale et d’une motocyclette par sa position de conduite et son exposition aux éléments extérieurs. L’étude permet d’identifier les zones génératrices de traînées et de leur appliquer des optimisations adaptées. Nous avons appliqué plusieurs méthodes issues de la littérature afin d’atteindre les objectifs de réduction de la traînée fixés par le projet, soit une réduction de plus de 22% de la traînée aérodynamique totale du véhicule. Les recherches se concentrent sur l’aérodynamique externe du véhicule jusqu’aux interfaces avec l’aérodynamique interne.

La réduction de la consommation énergétique est actuellement un point important lors de la conception d'un véhicule qu'il soit à moteur thermique (réduction de la consommation d'essence), électrique (augmenter la distance parcourue sans recharger les batteries) ou hybride. C'est dans cette optique que nous chercherons à réduire les forces de traînée aérodynamique qui s'opposent au mouvement de tout véhicule et qui sont donc à l'origine d'une consommation supplémentaire d'énergie. Grâce au développement des outils de calcul, il est aujourd’hui possible de tester sans fabriquer. En effet, grâce à l’essor de la CFD (Computational Fluid Dynamics) il est désormais possible de reproduire tous nos bancs de tests et nos optimisations de façon numérique. Cependant, ces outils ne sont pas encore parfaits et ils nécessitent des ajustements obtenus grâce à la mise en place de tests expérimentaux. C’est ainsi que les caractérisations et optimisations effectuées sur le tricycle hybride étudié et ses sous-systèmes seront réalisées. L'étude portera principalement sur l'aérodynamique externe du tricycle ainsi que sur ses échangeurs thermiques.

Cette étude vise à déterminer les limites d’application de l’hypothèse quasi stationnaire utilisée dans l’analyse du phénomène de galop des conducteurs. L’approche employée est purement expérimentale et consistait à réaliser des essais statiques et dynamiques sur une section en D, simulant un conducteur simple recouvert de glace. Les essais ont été effectués dans la soufflerie en circuit fermé de l’Université de Sherbrooke. Les forces aérodynamiques sont captées par une section dite flottante qui est fixée à une balance interne à 3 composantes. L’effet de l’angle d’inclinaison a été étudié pour les deux types d’essais. Les essais statiques ont été réalisés sur une section verticale et sur une section inclinée à 40 et 65 degrés par rapport à l’horizontale. Les coefficients de force et de moment moyens ainsi que les fréquences de détachement tourbillonnaire étaient mesurés à chaque angle d’attaque (α). Les essais statiques ont démontré que la pente du coefficient de portance par rapport à l'angle d'attaque (dC[indice inférieur L] / dα) est légèrement plus négative dans la plage d’angle de 0˚ < α < 40˚. Le coefficient de traînée est légèrement supérieur pour la section inclinée. Le coefficient de moment varie de façon moins progressive lorsque la section en D est inclinée. De plus, entre 80 et 100 degrés, la courbe du coefficient de moment est plus arrondie pour la section inclinée. Également, l’étude a permis de confirmer que l’écoulement autour de la section inclinée est différent, car les fréquences de détachement tourbillonnaire qui ont été observées ne sont pas les mêmes et ont des amplitudes différentes pour la section verticale et pour la section inclinée. Par exemple, pour un angle d'attaque de 0 à 40 degrés, la fréquence de détachement tourbillonnaire détectée dans les transformées de Fourier rapides des signaux provenant de la balance interne pour la section verticale est unique et de grande amplitude. Pour la section inclinée, plusieurs fréquences de faibles amplitudes sont détectées, résultant en plusieurs valeurs possibles du nombre de Strouhal. Certains articles suggèrent qu’un écoulement axial se propage le long du tube incliné, amplifiant la formation de vortex. Pour les essais dynamiques, l’amplitude et la fréquence des oscillations forcées en rotation ont été variées. Plusieurs vitesses du vent ont aussi été étudiées pour évaluer l’effet de la fréquence réduite d’oscillation. La comparaison des coefficients de force et de moment stationnaires et instationnaires a permis de conclure qu’appliquer des coefficients aérodynamiques mesurés sur un modèle stationnaire pour évaluer les efforts sur un conducteur en mouvement n’est pas une approche qui est toujours valide. L’augmentation de la fréquence de rotation et de l’amplitude de rotation ou la diminution de la vitesse du vent a pour effet d’augmenter les écarts entre les coefficients instationnaires et stationnaires. Ces écarts sont plus importants lorsque la section en D est inclinée. Les pentes des courbes de coefficients de portance et de moment instationnaires sont alors moins élevées. Également, la traînée est beaucoup moins importante. L’angle d’inclinaison a peu d’influence sur les coefficients de force et de moment instationnaires. Ils sont très similaires à ceux d’une section en D verticale.

L'utilisation, par les ingénieurs, de portées principales de plus en plus grandes pour les ponts suspendus ou haubanés fait de l'interaction vent-structure un phénomène d'importance lors de la conception de ces ponts. Effectivement, des portées plus grandes amènent une augmentation de la flexibilité de leur tablier, ce qui les rend plus vulnérables aux instabilités aérodynamiques telles que le flottement, un phénomène auto-excité causant de grands mouvements du tablier et pouvant mener à la ruine du pont. C'est la formulation de Scanlan qui est la plus utilisée pour représenter les forces auto-excitées dans l'étude du flottement des ponts. Cette formulation ne permet pas la réalisation d'une étude du flottement en tenant compte des non-linéarités structurales et aérodynamiques. Par contre, les ponts élancés sont des structures qui ont un comportement structural non linéaire. De plus, plusieurs études ont démontré la non-linéarité des forces auto-excitées. Pour des prédictions du flottement plus réalistes, ces non-linéarités devraient être incluses dans des simulations temporelles notamment en utilisant des formulations temporelles des forces auto-excitées. Les formulations temporelles existantes comme les fonctions indicielles et les fonctions rationnelles sont difficiles à mettre en œuvre. Ce projet a donc pour but de développer une nouvelle représentation des forces auto-excitées dans le domaine temporel. Pour mieux comprendre le comportement non linéaire des forces auto-excitées, des essais sectionnels en soufflerie en régime forcé harmonique ont été réalisés pour le pont est du Grand Belt, un pont suspendu, dans le but d'étudier l'effet de l'échelle, de la vitesse du tablier et de l'amplitude du mouvement sur les coefficients instationnaires de la formulation de Scanlan. Il est montré que l'adimensionnalisation utilisée dans la formulation de Scanlan est valide par rapport à la dimension du tablier. Par contre, il a été trouvé que les coefficients instationnaires montrent un comportement non linéaire par rapport à ces deux paramètres, mais plus particulièrement pour la vitesse du tablier. Puisque les coefficients instationnaires ont un comportement non linéaire par rapport à un paramètre temporel comme la vitesse du tablier, un nouveau modèle temporel des forces auto-excitées basé sur des coefficients instationnaires temporels qui sont fonction de la vitesse et de l'accélération du tablier a été développé. Ces coefficients instationnaires temporels ont été obtenus à partir d'essais en régime forcé cyclique à vitesse absolue constante et à accélération absolue constante. Ce modèle a été utilisé pour réaliser des simulations temporelles du flottement à échelle réelle. La vitesse de flottement prédite avec l'approche des coefficients instationnaires temporels concorde bien avec la vitesse de flottement expérimentale et celle prédite en utilisant la formulation de Scanlan.

La stabilité du tourbillon de jeu d'aubage dans les compresseurs est étudiée au travers d'un modèle équivalent de paires de tourbillons. L'objectif consiste à contrôler ce tourbillon en excitant ses instabilités hydrodynamiques, ce qui permettrait de le dissiper plus rapidement et d'augmenter les performances des turbomachines. La première partie est dédiée à l'étude théorique des instabilités dans les paires de tourbillons. Un mode instable 2D du dipôle de Lamb-Chaplygin est d'abord présenté. On s'intéresse ensuite aux instabilités 3D, et à leur contrôle. Les instabilités de Crow et de Widnall, notamment avec champ de vitesse axial, sont calculées. L'utilisation d'un code de perturbation optimale permet ensuite d'optimiser la croissance de ces instabilités, ce qui fait apparaître l'importance des points de stagnation hyperbolique dans les croissances transitoires, et des possibilités de contrôle prometteuses pour les sillages d'avion de transport. Le tourbillon de jeu est ensuite étudié en soufflerie, grâce à un montage permettant, dans une première configuration, de générer une paire de tourbillons tandis qu'une deuxième configuration, grâce à l'introduction d'une plaque séparatrice, génère un tourbillon en interaction avec la paroi. L'étude de l'écoulement moyen montre que la plaque plane modifie fortement le comportement du tourbillon. En ce qui concerne les instationnarités, l'instabilité de Crow est détectée dans le cas sans plaque mais pas dans le tourbillon avec plaque, ce qui semble indiquer que la paroi inhibe cette instabilité.

L'objet de ce travail de thèse est l'étude en soufflerie du sillage lointain des éoliennes à axe horizontal. La complexité phénoménologique du sillage des éoliennes fait que les mécanismes le régissant sont généralement traités d'un point de vue stationnaire : les principaux paramètres (déficit de vitesse, production de turbulence...) sont alors moyennés dans le temps. Néanmoins, considérer les instationnarités du sillage d'une éolienne placée en écoulement atmosphérique permet d'observer un phénomène appelé meandering, traduisant un battement aléatoire du sillage. Ce travail est construit en deux grandes parties : la vision stationnaire et la vision instationnaire du sillage d'un modèle simplifié d'éolienne, basé sur le principe du disque de Froude, placé dans une couche limite atmosphérique (CLA) modélisée en soufflerie à l'échelle 1/400. La première partie est composée de plusieurs études paramétriques sur l'influence du point de fonctionnement d'une éolienne, sur sa hauteur de mât ou encore sur le type de CLA. Une éolienne en situation de dérapage fait également l'objet d'études paramétriques. Celles-ci visent à étudier le comportement du sillage dans différentes situations et il est alors montré les limites des lois empiriques présentes dans la littérature, concernant notamment l'influence de la turbulence ambiante. La seconde partie se focalise sur la vision instationnaire, jusqu'ici rarement considérée. En utilisant l'anémométrie par fil chaud, les résultats montrent le rôle des grandes échelles de la turbulence atmosphérique sur l'apparition du meandering. L'amplitude du battement et les dimensions du sillage instantané sont ensuite appréhendées de façon quantitative par mesures PIV, montrant l'influence du point de fonctionnement de l'éolienne et de l'intensité de turbulence ambiante.

L'érosion éolienne des matières granulaires (minerais, charbons,. . . ) est un des facteurs influençant grandement la qualité de l'air dans l'environnement proche de nombreux sites industriels. L'objectif principal de ce travail est l'amélioration des méthodologies de quantification des émissions des sources diffuses, notamment à partir d'une meilleure prise en compte de l'exposition éolienne des sources que sont les tas de stockage et des répartitions granulométriques des matières présentes sur les sites de stockage. Les observations sur sites industriels montrent que les régions proches des tas de stockage de matières granulaires sont chargées de particules de granulométries plutôt fines. Celles-ci sont susceptibles d'être remises en suspension par les structures tourbillonnaires générées par le vent incident. Ainsi, ces zones d'envol potentiel ont fait l'objet d'analyses afin de quantifier leur contribution aux émissions globales. Une technique de visualisation d'écoulement pariétal, associée à des simulations numériques tridimensionnelles, ont été mises en oeuvre pour mieux comprendre ces structures de l'écoulement. Les matières granulaires sont un mélange de particules érodibles et non-érodibles. Le caractère érodible étant lié aux propriétés des particules (principalement granulométrie et masse volumique), ainsi qu'à la vitesse du vent incident. Dans ce cadre, deux types d'études ont été menées: des essais expérimentaux d'envol de particules dans une soufflerie et des simulations numériques tridimensionnelles avec un logiciel open-source de mécanique des fluides (Code_Saturne). Une technique originale a ainsi été développée pour quantifier, par une pesée en continue, l'influence des particules non-érodibles sur le flux massique envolé. En parallèle, le comportement des particules sur la surface est analysé à l'aide de clichés photographiques. L'analyse de l'effet des particules non-érodibles au niveau local est réalisée grâce à des simulations numériques pour des configurations polydispersées. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent de premiers éléments pouvant possiblement contribuer à l'amélioration des modèles actuels de quantification des émissions de particules par une meilleure intégration et pris en compte de la présence de particules non-érodibles pour les matières présentant de larges spectres granulométriques.

Depuis plusieurs décennies, le trafic aérien ne cesse de croître. Ainsi, près de 6 milliards de passagers transitent dans le monde par an. Les objectifs européens à l'horizon 2020 en terme d'émission sonore des aéronefs imposent une réduction de 10 dB par point de mesure par rapport aux aéronefs de l'an 2000. Dans ce contexte, le projet européen VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) a pour but principal de tester, valider et améliorer les codes numériques et les modèles de prédiction du bruit de cellule (trains d'atterrissage + voilure) sur des géométries simplifiées afin de disposer de cas tests pour les recherches futures. L'objectif de la thèse, associé à la contribution de l'ECL dans ce projet, est de créer des bases de données expérimentales fiables sur des systèmes à deux éléments - bec/aile et aile/volet - et de modéliser analytiquement le bruit issu de tels systèmes. La thèse s'est concentrée sur un système aile/volet non porteur et parallèle dans un écoulement de soufflerie à veine ouverte, en configuration d'alignement ou de recouvrement partiel, menant à de possibles interactions aérodynamiques et/ou acoustiques. Les mesures ont été faites pour différentes vitesses d'écoulement (30 − 100 m~s), avec une attention particulière à 50 m~s (M0 ∼ 0, 15). Le taux de turbulence de l'écoulement incident est modifiable par l'ajout d'une grille de turbulence à maille large placée dans la section de sortie du convergent. Les résultats aérodynamiques (fil chaud, pression en paroi) ont révélé la présence d'une forte interaction lorsque la distance entre les deux corps est de l'ordre de grandeur de la couche limite turbulente au bord de fuite de l'aile. De plus, le couplage acoustique a lieu lorsque la longueur de recouvrement est positive ou nulle. Des mesures de localisation de sources menées par l'ONERA/DSNA ont permis de valider les mesures de champ lointain en confirmant l'absence de sources de bruit d'installation en dessous de 10 kHz. Par ailleurs, des comparaisons avec les simulations numériques donnent de bons accords. Du point de vue analytique, le problème mathématique de deux plaques planes en recouvrement partiel dans un écoulement uniforme a été posé et une réduction bidimensionnelle a été justifiée. Le problème n'ayant pas de solution exacte, plusieurs modèles issus de la littérature - théories de Howe et d'Amiet - ont été étudiés. Les plus pertinents ont été confrontés aux résultats expérimentaux, révélant les limites asymptotiques de ces modèles. Un modèle original est alors proposé pour la géométrie du problème posé, sans hypothèse restrictive. La démarche est basée sur une procédure de diffraction itérative permettant de prendre en compte la proximité des deux corps et utilisant la fonction de Green exacte du demi-plan en écoulement uniforme. Le modèle prédit des comportements qualitatifs angle/fréquence proches des résultats expérimentaux. La prise en compte de la statistique des rafales incidentes reste néanmoins à effectuer afin de procéder à des comparaisons quantitatives. Une campagne expérimentale complémentaire avec une marche descendante permet de mettre en évidence les écoulements de cavité arrière d'une aile, plus proche de la réalité. De même, des mesures sur une configuration bec/aile a été testée et la prise en compte de la déflexion du jet de la soufflerie pour la réfraction des ondes sonores par la couche de cisaillement a été proposée.

Le flottement des tabliers de ponts flexibles constitue l'une des instabilités aérodynamiques les plus sévères pouvant survenir lors de tempêtes de vent. Le flottement est un phénomène dit auto-excité et se caractérise par de grandes amplitudes de déplacements dynamiques qui croissent avec la vitesse de vent et qui peuvent mener à la ruine de l'ouvrage. Avec l'évolution des matériaux, des techniques de constructions et des connaissances dans le domaine du génie civil, l'augmentation de la longueur des portées des ponts a pour effet de rendre ces structures plus flexibles. Historiquement, la participation du déplacement horizontal au flottement a été considérée comme négligeable. Toutefois, l'augmentation de la flexibilité latérale du tablier jumelée au couplage des modes dû aux caractéristiques des sections de tabliers et à l'interaction avec les câbles soulève quelques doutes concernant cette hypothèse. Le modèle mathématique actuellement utilisé pour représenter les forces auto-excitées de flottement a été développé par Scanlan et Tomko [1971]. Ce modèle définit des matrices de rigidité aérodynamique et d'amortissement aérodynamique qui varient en fonction de la vitesse réduite de l'écoulement. Ces deux matrices s'ajoutent aux matrices structurales et constituent la contribution aéroélastique de l'écoulement. Quelques recherches ont mis en évidence l'aspect non linéaire du flottement en démontrant la dépendance des coefficients instationnaires à la fréquence et à l'amplitude auxquelles ils ont été extraits. Les objectifs principaux de ce projet de recherche sont d'étudier l'effet du déplacement horizontal sur le flottement, d'étudier la dépendance des coefficients instationnaires à la fréquence et à l'amplitude d'extraction et d'élaborer une méthode expérimentale et un modèle mathématique permettant l'intégration temporelle non linéaire des forces auto-excitées. Des essais en régime libre sur 6 modèles sectionnels réguliers ont d'abord été réalisés pour évaluer l'effet du déplacement horizontal sur le flottement. Par la suite, une étude paramétrique de l'effet de la fréquence et de l'amplitude auxquelles les coefficients intationnaires sont extraits a été réalisée en régime forcé harmonique. Cette étude ayant mis en évidence la dépendance de certains coefficients à ces paramètres d'extraction, une dernière étude expérimentale a été réalisée. Cette dernière a permis l'extraction de coefficients de force dynamiques à partir de mouvements cycliques à vitesses ou accélérations absolues constantes. L'intégration de ces coefficients temporels, par opposition à fréquentiels, dans un outil de calcul dynamique transitoire non linéaire a permis la mise en évidence du flottement de sections de pont atteignant des amplitudes de vibration variant en fonction de la vitesse de l'écoulement. La vitesse de flottement obtenue concorde bien avec la moyenne des prédictions calculées à l'aide de la méthode classique. Un tel modèle permettrait à moyen terme de prendre en compte l'aspect non linéaire du flottement dans un modèle dynamique transitoire complet d'un pont, y incluant également les non-linéarités de nature structurale.