The present research is an experimental and numerical study of aeroacoustic phenomena occurring in large solid rocket motors (SRM) as the Ariane 5 boosters. The emphasis is given to aeroacoustic instabilities that may lead to pressure and thrust oscillations which reduce the rocket motor performance and could damage the payload. The study is carried out within the framework of a CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) research program. Large SRM are composed of a submerged nozzle and segmented propellant grains separated by inhibitors. During propellant combustion, a cavity appears around the nozzle. Vortical flow structures may be formed from the inhibitor (Obstacle Vortex Shedding OVS) or from natural instability of the radial flow resulting from the propellant combustion (Surface Vortex Shedding SVS). Such hydrodynamic manifestations drive pressure oscillations in the confined flow established in the motor. When the vortex shedding frequency synchronizes acoustic modes of the motor chamber, resonance may occur and sound pressure can be amplified by vortex nozzle interaction. Original analytical models, in particular based on vortex sound theory, point out the parameters controlling the flow-acoustic coupling and the effect of the nozzle design on sound production. They allow the appropriate definition of experimental tests. The experiments are conducted on axisymmetric cold flow models respecting the Mach number similarity with the Ariane 5 SRM. The test section includes only one inhibitor and a submerged nozzle. The flow is either created by an axial air injection at the forward end or by a radial injection uniformly distributed along chamber porous walls. The internal Mach number can be varied continuously by means of a movable needle placed in the nozzle throat. Acoustic pressure measurements are taken by means of PCB piezoelectric transducers. A particle image velocimetry technique (PIV) is used to analyse the effect of the acoustic resonance on the mean flow field and vortex properties. An active control loop is exploited to obtain resonant and non resonant conditions for the same operating point. Finally, numerical simulations are performed using a time dependent Navier Stokes solver. The analysis of the unsteady simulations provides pressure spectra, sequence of vorticity fields and average flow field. Comparison to experimental data is conducted. The OVS and SVS instabilities are identified. The inhibitor parameters, the chamber Mach number and length, and the nozzle geometry are varied to analyse their effect on the flow acoustic coupling. The conclusions state that flow acoustic coupling is mainly observed for nozzles including cavity. The nozzle geometry has an effect on the pressure oscillations through a coupling between the acoustic fluctuations induced by the cavity volume and the vortices travelling in front of the cavity entrance. When resonance occurs, the sound pressure level increases linearly with the chamber Mach number, the frequency and the cavity volume. In absence of cavity, the pressure fluctuations are damped.

Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylamide nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques.

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 cette thèse, nous adressons trois projets avec l’application de microfluidique Avec le Vélocimétrie de Réflexion Totale Interne, nous avons réalisés le nanoPTV des fluides à 800 nm près de parois du solide. Nous arrivons à une précision sans précédent, par la détermination précise de la position du parois, et par la simulation de Langevin, en tenant compte des nombreux sources de biais physique, comme le mouvement Brownien, effet du cisaillement, la répulsion électrostatique entres les particules et le parois, et la défocalisation de la lentille. Nous obtenons ±5 nm and ± 10 nm de précision sur la longueur de glissement pour la solution de sucrose et de l’eau. La condition de non-glissement sur la surface hydrophile est confirmée, et un glissement sur la surface hydrophobe est observé. Nous collaborons avec A. Leshansky pour étudier la formation des gouttes sur une intersection entre un canal confiné et un réservoir profond. Cette phénomène est appelé le «step emulsificaiton». La dynamique de la formation des gouttes est étudiée expérimentalement de façon approfondie. La théorie est basée sur la dynamique des fluides dans un canal Hele-Shaw, avec les effets de forces capillaires. Nous arrivons à expliquer le mécanique du fluides derrière la formation des gouttes, inclus les taille des gouttes. Nous collaborons avec un groupe des entreprises pétrolières (AEC), pour étudier le mouvement des nano particules dans un micro model de milieux poreux. Ces particules sont supposé de faire transition une fois en contact avec l’huile ou expériencer un changement de la température. L’injection des particules dans les réservoirs de l’huile et de gaz permet de collecter l’information sur la distribution et la quantité de l’huile et de gaz. Avant l’application en mass dans l’industrie, c’est favorable de les tester dans un micro model, qui possèdes une structures similaire aux pores des roches. Nous avons testé les nano particules synthétisés par les autres membres de l’AEC, et confirmé que l’idée du micro model est une méthode efficace de prédire la performance des particules sous sol. / In this work, we have addressed three projects with the application of Microfluidics: With the technology of Total Internal Reflection Velocimetry, we realised the nano-PTV of fluid flow within 800 nm close to solid surface. We achieved unprecedented accuracy of measurement compared with the state of art, by determining precisely the wall position, and by Langevin simulation, which takes into account of the sources of biases, such as Brownian motion, shear stress, electrostatic repulsion between particles and the wall, effect of out of focus, etc. We achieved ±5 nm and ± 10 nm accuracy on the slip length determination for sucrose solution and for water. The no-slip condition on hydrophilic surface is confirmed, and a positive slip length on hydrophobic surface is clearly illustrated. This result demonstrated that the nano-PTV by TIRF is a quantitative methodology for the study of fluid flow near solid surface. We collaborated with A. Leshansky to study quantitatively the mechanism of step emulsification. The dispersed fluid and continuous fluid are co-flowing in a confined Hele-Shaw channel, before going into an unconfined pool. Drops are formed at the intersection between shallow channel and the pool. Two phases - step emulsification and large drops - are distinguished based on a well defined capillary number. We found good agreement between experiments and theory, on the step emulsification droplet size, dispersed fluid pinching dynamics, and on the shape of free interface between dispersed fluid and continuous fluid prior to pinching. We collaborated with a group of petroleum companies (AEC), to develop a technology which has potential application to the Enhanced Oil Recovery. Nano particles synthesized by the AEC is supposed to perform phase transition or deliver signals once in touch with oil. The principal idea consists in sending these nano particles into the porous media underground along with the injection fluids, and recollect them on the production well side. According to the information they deliver, the distribution of oil may be mapped. We constructed a micro model based on microfluidic technology, which mimics the complex structure of porous media of rocks. The AEC synthesized nano particles are injected into the micro model, their motion and retention can be observed in real time. This work provides important information on the particle motion in porous media, which cannot be realised in conventional core experiments.

Cette thèse a pour cadre la modélisation du dépôt de particules dans le poumon humain afin d'optimiser l'administration de médicaments par voie inhalée. La région alvéolaire du poumon jouant un rôle physiologique et fonctionnel crucial, l'objectif de ce travail est de mettre en place un modèle de dépôt au sein de la région acinaire qui soit intégrable à un modèle intégrant le poumon complet. Les deux premiers chapitres rappellent les caractéristiques anatomiques et fonctionnelles du poumon et en particulier de la région alvéolaire ainsi que les principes physiques mis en jeu lors de l'écoulement de l'air et du transport de particules dans l'arbre pulmonaire. Puis un modèle numérique d'écoulement dans une géométrie alvéolaire simplifiée est présenté. Le transport d'un bolus d'aérosol y est étudié par une approche eulérienne, au cours de plusieurs cycles respiratoires ; l'impact des irréversibilités de l'écoulement sur la dispersion du bolus est ensuite quantifié. Le dernier chapitre présente l'intégration des résultats précédents au sein d'un modèle analytique de dépôt de particules dans le poumon. Les résultats générés par ce modèle sont ensuite comparés aux données expérimentales issues de la littérature ou obtenues lors d'une étude clinique en cours, spécifiquement orientée sur la mesure du dépôt de particules dans les voies aériennes. Les résultats du modèle montrent une augmentation du dépôt de particules dans la région acinaire, présentant un bon accord avec les données expérimentales. Ce modèle pourrait aider à la conception de thérapies ciblant spécifiquement la région alvéolaire du poumon / The context of this thesis is the modelling of particle deposition in the human lung in order to optimise the administration of inhaled drugs. As the alveolar region plays a crucial role both physiologically and functionally, especially for systemic delivery, the objective of this work is to set-up a particle deposition model specific to the acinar region which could be integrated in whole lung deposition model. The first two chapters concentrate on the anatomical and functional aspects of the lung and on the physical principles involved in the flow and particle transport mechanisms in the lung. Then a computational fluid dynamics model was setup in a simplified alveolar geometry. Aerosol bolus transport was studied through an Eulerian approach, for one or several breathing cycles. The impact of flow irreversibilities on bolus dispersion was quantified. The last chapter deals with the integration of the previous results in an analytical model of particle deposition in the whole lung. The results generated by this model are then compared to experimental data from the literature or obtained from an ongoing clinical trial. The results of the new theoretical model show an increase of particle deposition in the acinar region which improves correlation of theory with experimental data. This model could favourably help designing therapies targeting the alveolar region of the lung

This thesis describes the unstable dynamics of a gas jet impinging on a falling liquid film. This flow configuration is encountered in the jet wiping process, used in continuous coating applications such as the hot-dip galvanizing to control the thickness of a liquid coat on a moving substrate. The interaction between these flows generates a non-uniform coating layer, of great concern for the quality of industrial products, and results from a complex coupling between the interface instabilities of the liquid film and the confinement-driven instabilities of the impinging jet.Combining experimental and numerical methods, this thesis studied the dynamics of these flows on three simplified flow configurations, designed to isolate the key features of their respective instabilities and to provide complementary information on their mutual interaction. These configurations include the gas jet impingement on a falling liquid film perturbed with controlled flow rate pulsation, the gas jet impingement on a solid interface reproducing stable and unstable liquid film interfaces and a laboratory scaled model of the jet wiping process. Each of these configurations was reproduced on dedicated experimental set-up, instrumented for non-intrusive measurement techniques such as High-Speed Flow Visualization (HSFV) and Time-resolved Particle Image Velocimetry (TR-PIV) for the gas jet flow analysis, Laser Induced Fluorescence (LIF) tracking of the liquid interface, and 3D Light Absorption (LAbs) measurement of the liquid film thickness. To optimize the performances of these measurement techniques, several advanced data processing routines were developed, including a novel image pre-processing method for background removal in PIV and a dynamic feature tracking for the automatic detection of the jet flow and the liquid film interface from HSFV, LIF, and PIV videos.To identify the flow structures driving the unstable response of the jet flow, a novel data-driven modal decomposition was developed. This decomposition, referred to as Multiscale Proper Orthogonal Decomposition (mPOD), was validated on synthetic, numerical and experimental test cases and allowed for better feature extraction than classical alternatives such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) or Dynamic Mode Decomposition (DMD).The experimental work on these laboratory models was complemented with the analysis of several numerical simulations, including a classical 2D Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) modeling of the gas jet impingement on a fixed interface, a 2D Variational Multiscale Simulation (VMS) with anisotropic mesh refinement of the gas jet impingement on a pulsing interface, and a 3D simulation of the jet wiping process combining Large Eddy Simulation (LES) on the gas side with Volume of Fluid (VOF) treatment of the liquid film flow. The experimental modal analysis on the dynamic response of the gas jet and the characterization of the pressure-velocity coupling in the numerical investigation allowed for a complete picture of the mechanism driving the jet oscillation and its possible impact on the liquid film.In parallel, several flow control strategies to prevent the jet oscillation were developed, tested numerically and experimentally in simplified conditions, and later implemented on the design of a new nozzle for the jet wiping process. This new nozzle was finally tested on a laboratory scale of the wiping process and its performances compared to single jet and multiple jet wiping configurations. In these three cases, the experimental work presents the modal analysis of the gas field using TR-PIV and mPOD, the liquid interface tracking via LIF, and the final coating thickness characterization via LAbs.The large spatiotemporally resolved experimental database allowed to give a detailed description of the jet wiping instability and to provide new insights on this fascinating fundamental and applied problem of fluid dynamics. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif est d'élaborer un nouveau procédé de fabrication de mousses métalliques par voie de fonderie en modélisant l'infiltration et la solidification d'un métal liquide dans un milieu poreux. La modélisation est faite en deux étapes.Tout d'abord, à l'échelle locale un brin de la mousse métallique est considéré comme un tube capillaire et l'infiltration et solidification d'un métal liquide dans un moule cylindrique est étudiée. Deuxièmement,le modèle macroscopique de la solidification diffusive d'un métal liquide dans un milieu poreux est obtenu par prise de moyenne volumique. Le modèle local est codée dans un outil CFD opensource et trois études paramétriques ont été faites permettant la détermination des relations de la longueur et le temps d'infiltration en fonction de paramètres de fonctionnement. La modélisation de la solidification d’un métal liquide dans un milieu poreux est simplifié en considérant que le moule est complètement saturé par un métal liquide au repos,par suite la solidification se produit par diffusion pure (pas de convection). L'équilibre thermique local (LTE) est considéré entre les phases solide et liquide du métal tandis qu'un non équilibre thermique local (LTNE) est retenue entre la phase métallique et le moule. Les problèmes de fermeture associés ainsi que le problème macroscopique ont été résolus numériquement. / The objective of this work is to elaborate a new manufacturing process of metal foams via casting by modelling the infiltration and solidification of liquid metal inside a porous medium.However, due to the complexity of this problem the study is divided into two steps. First, at local scale one strut of the metal foam is considered as a capillary tube and the infiltration and solidification of liquid metal inside a cylindrical mould is studied. Second, a macroscopic model of diffusive solidification is derived using the volume average method. The local model is coded in an open source CFD tool and three parametric studies were done where the relations between the infiltration length and time as function of the operating parameters are determined. The modelling of the solidification of liquid metal inside a porous medium is simplified by considering that the mould is fully saturated by liquid metal at rest, solidification occurs by pure diffusion. Local thermal equilibrium (LTE) is considered between the solid and liquid phases of the metal while local thermal non equilibrium (LTNE) is retained between the metallic mixture and the mould. The associated closure problems as well as the macroscopic problem were numerically solved.

On s’intéresse aux équations stationnaires de Navier-Stokes linéarisées, il s'agit ici des équations d'Oseen et des équations de Stokes posées dans des domaines infinis, comme les domaines extérieurs, en dimension trois et l'espace tout entier. Le but est d'étudier l'existence de solutions généralisés et de solutions fortes dans un cadre général non nécessairement hilbertien. On s'intéresse aussi au cas des solutions très faibles. Dans ce travail, on considère aussi bien des conditions aux limites classiques de type Dirichlet que des conditions aux limites non standard portant sur certaines composantes du champ de vitesses, du tourbillon, voir du champ de pression. Les espaces de Sobolev classiques ne sont pas adaptés à l'étude de ces problèmes pour une telle géométrie. Pour une bonne analyse mathématique, nous avons choisi de travailler dans le cadre des espaces de Sobolev avec poids, ce qui permet en particulier de mieux contrôler le comportement à l'infini de la solution. / In this work, we study the linearized Navier-Stokes equations in an exterior domain or in the whole space at the steady state, that is, the Stokes equations and the Oseen equations. We give existence, uniqueness and regularity of solutions. The case of very weak solutions is also treated. We consider not only the Dirichlet boundary conditions but also the Non Standard boundary conditions, on some components of the velocity field, vorticity and also on the pressure. Since the domain is not bounded, the classical Sobolev spaces are not adequate. Therefore, a specific functional framework is necessary which also has to take into account the behaviour of the functions at infinity. Our approach rests on the use of weighted Sobolev spaces.

Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à l'étude numérique des systèmes tourbillonnaires hélicoïdaux qui sont émis dans le sillage des rotors (éoliennes, hélicoptères,...) et de leurs instabilités. Ici, ces écoulements sont localement modélisés par un ensemble de tourbillons à symétrie hélicoïdale. À l'aide d'un code de simulation numérique directe dédié, des solutions de base quasi-stationnaires sont obtenues pour différents systèmes tourbillonnaires. Une caractérisation précise et détaillée de ces solutions est ensuite effectuée : vitesse de rotation, taille et ellipticité du cœur, structure des champs de vitesse et de vorticité... À l'aide d'un algorithme d'Arnoldi couplé à une version linéarisée du code, on détermine les modes dominants d'instabilité ayant la même symétrie que l'écoulement de base, en fonction des paramètres du système: nombre de vortex, pas hélicoïdal, taille de cœur, nombre de Reynolds et présence d'un vortex de moyeu. En dessous d'un certain pas hélicoïdal critique, l'instabilité est dominée par un mode de déplacement global analogue au mode d’appariement d'une allé infinie de points vortex ou d'anneaux tourbillonnaires. En régime non linéaire, ce mode est à l'origine d'une dynamique complexe du système: dépassements, saute-mouton et fusion. On utilise un autre code linéarisé pour déterminer les modes instables qui brisent la symétrie hélicoïdale de l'état de base, caractérisés par une longueur suivant l'axe. À faible nombre d'onde, ces modes induisent localement des rapprochements entre portions de spires voisines. À grand nombre d'onde, on observe un autre type de mode qui déforme les cœurs tourbillonnaires via l'instabilité elliptique. / The work presented in this manuscript is a contribution to the numerical study of helical vortex systems and their instabilities, as encountered in the near wake of rotors (wind turbines, helicopters,~...). In this work, such flows are locally modelled within the framework of helical symmetry. Using a dedicated DNS code, helical quasi-stationary basic state solutions are obtained for several configurations, and accurate tools for their characterisation are developed: angular velocity, core size and ellipticity, structure of the velocity and vorticity fields... An Arnoldi algorithm is then coupled to a linearised version of the code. The dominant instability modes with the same symmetry as the base flow are extracted as a function of the system parameters: number of vortices, helical pitch, core size, Reynolds number, presence of a central hub vortex. Under a critical helical pitch, the instability is dominated by a global displacement mode analogous to the pairing mode of an infinite array of point vortices or vortex rings. In the nonlinear regime, this mode gives rise to complex dynamics: overtaking events, leapfrogging and merging. Another linearised code is then used to extract modes characterised by a wavelength along the helix, which break the helical symmetry of the base flow. At low wavenumbers, these modes induce local displacements of the vortices and bring together portions of neighbouring coils. At large wavenumbers, another type of mode is found, which deforms the vortex cores through the elliptical instability mechanism.

L’écoulement et la stabilité des rideaux liquides viscoélastiques sont étudiés pour des solutions de polymères flexibles et semi rigides. Ces liquides viscoélastiques sont extrudés à partir d’une fente à débit constant et s’écoulent à l’air libre sous l’effet de la gravité. L’écoulement de ces liquides se caractérise par un équilibre initial entre la gravité et les forces élastiques causées par les déformations des chaînes de polymère, jusqu’à ce que l’inertie du liquide finisse par dominer et que l’on retrouve le comportement classique de chute libre. Nous montrons que l’écoulement est principalement influencé par la valeur du temps de relaxation extensionnel mesuré par une méthode de filamentation. Un nouvel éclairage sur l’écoulement des rideaux liquides Newtoniens nous permet de trouver une courbe maîtresse de l’écoulement dans le cas viscoélastique par analogie. En ce qui concerne la stabilité du rideau, nous observons que le débit critique de formation du rideau n’est pas affecté par la présence de polymères, tandis que le débit minimum en deçà duquel le rideau se rompt diminue après ajout de polymères, ce qui révèle une plus grande résistance de la nappe à l’initiation de trous. Par ailleurs, nous observons une instabilité de l’écoulement pour les solutions les plus rhéofluidifiantes, où des bandes épaisses (où la vitesse du liquide est supérieure à la moyenne) sont formées au sein du rideau. Une visualisation de l’écoulement à l’intérieur de la filière d’extrusion révèle que ce phénomène est lié à une instabilité de l’écoulement de contraction en amont de la fente, où l’écoulement est de nature instationnaire et tridimensionnelle. / The flow and the stability of viscoelastic liquid curtains are investigated using solutions of flexible and semi-rigid polymer chains. These viscoelastic liquids are extruded from a slot at constant flow rate and fall in ambient air under gravity. We show that the curtain flow of polymer solutions is characterized by an initial balance between gravity and the elastic stresses arising from the stretching of polymer molecules, until inertia finally dominates and the classical free-fall behavior is recovered. We show that the flow is mostly influenced by the value of the extensional relaxation time of the solution measured by a filament thinning technique. New insights on the theoretical description of Newtonian curtains allow us to find the master curve of the viscoelastic curtain flow by analogy. Concerning the curtain stability, we show that the critical flow rate for curtain formation is not affected by the presence of polymers whereas the minimum flow rate below which the curtain rapidly breaks is reduced by polymer addition, thus revealing a greater resistance of the sheet to hole initiations. Furthermore, we observe the onset of a flow instability for the most shear-thinning solutions, where thick bands (where the liquid velocity is larger than average) are formed within the curtain. Visualizations of the flow inside the die reveal that this phenomenon is linked to a flow instability at the contraction plane upstream of the slot where the flow is unsteady and three-dimensional in nature