Cette étude s'inscrit dans le domaine des moteurs à doublets d'hélices contrarotatives, aussi appelés open rotors. Elle a porté sur le développement des méthodologies à coût modéré pour la simulation aérodynamique des open rotors. Elle avait pour objectif, d'un côté, la mise en place et la validation de ces méthodologies rapides ; et d'un autre côté, l'approfondissement de la compréhension de l'origine des efforts dans le plan hélice, aussi appelés les efforts 1P. Pour le premier des objectifs, le code HOST-MINT, basé sur la méthode de la ligne portante a été adapté et amélioré pour la simulation de l'aérodynamique instationnaire des hélices et des open rotors. Des validations ont été réalisées avec succès par comparaison avec des données expérimentales et des simulations CFD plus avancées. Cette étude a ainsi ouvert des nombreuses perspectives d'application de ce type de méthodologies rapides dans la conception aérodynamique des futurs open rotors. En outre, cette méthode s'est révélée aussi adaptée pour d'autres domaines autour de l'aérodynamique, comme par exemple, pour les problèmes d'aéroélasticité ou pour les prédictions aéroacoustiques préliminaires. / This study is devoted to the development of moderate-cost methodologies for the aerodynamic simulation of open rotors. The main goals are, on one side, to develop and validate these rapid methodologies, and, on the other side, to better understand the mechanisms behind propeller in-plane loads, also called the 1P loads. To reach the first goal, the HOST-MINT code, based on the lifting-line theory, has been adapted and improved for the unsteady simulation of propellers and open rotors. The code has been assessed by comparison with experimental data and more complex and precise CFD simulations. Finally, the first developments and tests of a Lagrangian/Eulerian coupling strategy between HOST-MINT and the elsA CFD code have been performed. These studies enable to endeavor a number of applications of this type of rapid methodologies in the aerodynamic design of future open rotors. Moreover, these methodologies may be adapted for other domains linked to aerodynamics, such as aeroelastic problems or preliminary aeroacoustic predictions.

Dans le contexte actuel, l'open-rotor contrarotatif connaît un regain d'intérêt. Cependant, en l'absence de carter extérieur, la prédiction des effets d'installation devient une problématique primordiale du cycle de conception. L'objectif de ces travaux de thèse est de construire une méthode de calcul qui permette à la fois de rendre compte de l'impact du bloc moteur sur la traînée de l'avion et de l'impact de l'installation sur les performances aérodynamiques des hélices. Suite à une étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers le couplage des codes ligne portante LPC2 et RANS elsA, développés à l'Onera. La méthode de couplage se base sur la condition de disque d'action et est itérative afin de rendre compte de l'interaction.Dans un second temps, des résultats de calculs instationnaires et d'essais en soufflerie ont été comparés aux résultats fournis par le couplage afin de confirmer que ce dernier rendait bien compte des performances aérodynamiques du moteur en configuration installée. Afin de valider sur un large domaine de calcul, plusieurs configurations ont été utilisées, prenant en compte différentes installations, différentes hélices et plusieurs points de vol.Enfin, nous avons proposé une amélioration de la condition de disque d'action par une modélisation de la turbulence représentant l'impact du passage des hélices sur l'écoulement. En effet, en l'état actuel, cette condition n'est pas en mesure de retranscrire l'impact des hélices sur la turbulence, en particulier sur l'augmentation du taux de turbulence. C'est pourquoi une formulation originale d'un modèle de turbulence, basée sur les travaux de Mr Benay, a été proposée. / The counter rotating open rotor entered a period of renewed interest because of the current circumstances. However, due to the absence of outer casing, predicting the installation's effects became an essential issue of the design process. The objective of this thesis is to elaborate a calculation method able to give the impact of the engine on the aircraft drag as well as the installation impact on the propellers aerodynamic performances. As a result of a literature review, we headed for the coupling of the LPC2 lifting-line code and elsA RANS code, developed by the Onera. The coupling method is based on the actuator disc condition and was made iterative in order to take the interaction into account.In a second phase, results from unsteady simulations and wind tunnel experiments were compared to the coupling results so as to confirm that the later was able to produce the engine's aerodynamic performances under the influence of the installation. In order to validate the coupling on a wide computational domain, multiple configurations were used, taking different installations into account, with different propellers and multiple flight conditions.Finally, an improvement of the actuator disc condition was proposed through a turbulence modeling showing the impact of the blades passages on the flow. Indeed, the actuator disc condition is currently unable to faithfully transpose the propellers impact on the turbulence, especially on the turbulence rate increase. Therefore, an original formulation of a turbulence model was given, based on the works of Mr. Benay.

Cette thèse fait partie du projet beyond the sea® qui a pour but de développer la traction par cerf-volant à boudins gonflés (kite) comme système de propulsion auxiliaire des navires. Comme le kite est une structure souple, il est nécessaire de mettre en place une boucle d’interaction fluide-structure pour calculer la géométrie du kite en vol et ses performances aérodynamiques. Un modèle de Ligne Portante 3D Non-Linéaire a été développé pour pouvoir gérer ces ailes non planes, avec des angles de dièdre et de flèche qui varient le long de l’envergure, et également pour pouvoir prendre en compte la non-linéarité du coefficient de portance de la section aérodynamique. Le modèle a été vérifié par des simulations RANSE sur différentes géométries et donne des résultats satisfaisants pour des angles d’incidence et de dérapage variant jusqu’à 15°, avec des différences relatives de quelques pour cent pour l’estimation de la portance globale de l’aile. Les résultats locaux sont aussi correctement estimés, le modèle est capable d’estimer la position du minimum et du maximum de chargement local, selon l’envergure de l’aile, et cela même pour une aile en dérapage. En parallèle, un modèle structure a été développé. L’idée principale du modèle Kite as a Beam est de réduire le kite à un ensemble d’éléments poutre, chacun équivalent à une partie du kite composé d’une section du boudin d’attaque, de deux lattes gonflées et de la canopée correspondante. Le modèle Kite as a Beam a été comparé à un modèle éléments finis complet du kite sur des cas de déplacements élémentaires. Les résultats montrent certaines différences de comportement entre les deux modèles, avec notamment une surestimation de la raideur en torsion pour le modèle Kite as a Beam. Finalement, le modèle Kite as a Beam a été couplé avec la Ligne Portante 3D Non-Linéaire, puis comparé au modèle éléments finis, couplé également avec la Ligne Portante. La réduction du temps de calcul est réellement importante mais les résultats de la comparaison montrent la nécessité de calibrer le modèle Kite as a Beam pour pouvoir retrouver correctement les résultats du modèle éléments finis. / The present thesis is part of the beyond the sea® project which aims to develop tethered kite systems as auxiliary devices for ship propulsion. As a kite is a flexible structure, fluid-structure interaction has to be taken into account to calculate the flying shape and aerodynamic performances of the wing. A 3D Non-Linear Lifting Line model has been developed to deal with non-straight kite wings, with dihedral and sweep angles variable along the span and take into account the non-linearity of the section lift coefficient. The model has been checked with 3D RANSE simulations over various geometries and produces satisfactory results for range of incidence and sideslip up to 15°, with typical relative differences of few percent for the overall lift. The local results are also correctly estimated, the model is able to predict the position of the minimum and maximum loading along the span, even for a wing in sideslip. Simultaneously, a structure model has been developed. The core idea of the Kite as a Beam model is to approximate a Leading Edge Inflatable kite by an assembly of beam elements, equivalent each to a part of the kite composed of a portion of the inflatable leading edge, two inflatable battens and the corresponding canopy. The Kite as a Beam model has been compared to a complete kite Finite Element model over elementary comparison cases. The results show the behaviour differences of the two models, for example the torsion stiffness is globally overestimated by the Kite as a Beam model. Eventually, the Kite as a Beam model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model is compared to the complete finite element model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model. The gain in computation time is really significant but the results show the necessity of model calibration if the Kite as a Beam model should be used to predict the results of the complete finite element model.