Le groupe de recherche CAMUS de l'Université de Sherbrooke a conceptualisé et breveté en 2011 une nouvelle architecture de turbine à gaz nommé SRGT (Supersonic Rim-Rotor Gas Turbine). Aucune démonstration expérimentale n’a encore permis d’évaluer ses performances. Ce projet de maitrise consiste donc à l’analyse de la dynamique des gaz d’une turbomachine de type SRGT afin d’évaluer la possibilité de générer de la puissance nette positive en régime permanent. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir les composantes aérodynamiques d’une turbine à gaz SRGT en mode supersonique et de caractériser l’écoulement sur toute la plage d’opération du moteur. Ainsi, on pourra évaluer le potentiel de cette technologie et la pertinence de continuer le développement vers un produit futur. L’évaluation des performances aérodynamiques des composantes du moteur a été effectuée selon un modèle analytique 1D généralisé des écoulements compressibles et selon l’analyse des triangles des vitesses. Des simulations numériques par la méthode de la mécanique des fluides numérique (CFD) ont permis de valider le modèle analytique du moteur. Le point d’opération du moteur (vitesse du moteur de 125 000 rpm, débit massique d’air de 130 g/s, rapport de pression du compresseur de 2.75 et température maximum à l’entrée de la turbine de 1000 K) a été sélectionné afin de produire une puissance nette de plus de 1 kW. Un prototype a été fabriqué et mis en fonction sur un banc de test développé spécialement pour le moteur. L’expérimentation a démontré que le compresseur peut fournir un rapport de pression de plus de 1.35 à 100 krpm pour un débit massique d’air supérieur à 50 g/s. La carte de performance du compresseur a été obtenue expérimentalement ainsi que ses limites d’opérations (limite de blocage et de pompage) pour des vitesses jusqu’à 90 krpm. Des tests d’allumage ont démontré que le moteur avait un gain de puissance de plus de 1 kW durant sa phase d’accélération, bien que la puissance nette du moteur reste négative. La caractérisation de la turbine n’a pas pu révéler si sa conception était adéquate en mode supersonique. L’expérimentation du prototype n’a pas permis de valider si le moteur peut produire une puissance nette positive en régime permanent.

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN / The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model

Les avions rencontrent de nombreuses conditions d’opérations au cours de leurs vols, comme le nombre de Mach, l’altitude et l’angle d’attaque. Leur prise en compte durant la conception améliore la robustesse du système et finalement la consommation des flottes d’avions. L’optimisation de formes aérodynamiques contribue à la conception des avions, et repose sur l’automatisation de la génération de géométries ainsi que la simulation numérique de la physique du vol. La minimisation de la trainée des formes aérodynamiques doit prendre en compte de multiples conditions d’opération, étant donne que l’optimisation a une unique condition de vol mène a des formes dont la performance se dégrade fortement quand cette condition de vol est perturbée. De plus, la flexibilité structurelle déforme les ailes différemment selon la condition de vol, et doit donc être simulée lors de telles optimisations. Dans cette thèse, la minimisation de la consommation de carburant au cours d’une mission est formulée en problème d’optimisation. Une attention particulière est apportée au choix des conditions d’opérations à inclure dans le problème d’optimisation, étant donne que celles-ci ont un impact majeur sur la qualité des résultats obtenus, et que le cout de calcul est proportionnel à leur nombre. Un nouveau cadre théorique est proposé pour adresser cette question, offrant un point de vue original et surmontant des difficultés révélées par les méthodes a l’état-de-l’ art en matière de mise en place de problèmes d’optimisation multipoints. Un algorithme appelé Gradient Span Analysis (GSA), est proposé pour automatiser le choix des conditions d’opération. Il est base sur la réduction de dimension de l’espace vectoriel engendre par les gradients adjoints aux différentes conditions de vol. Des contributions de programmation a la chaine d’optimisation ont permis d’évaluer les méthodes aux optimisations du profil académique RAE2822 et de la configuration voilure-fuselage XRF-1, représentative des avions de transport modernes. Alors que les formes résultant d’optimisation mono-point présentent de fortes dégradations de performance hors du point de conception, les optimisations multipoints adéquatement formulées fournissent de bien meilleurs compromis. Il est finalement montre que les interactions fluide-structure ajoutent de nouveaux degrés de liberté, et ont un impact sur les optimisations en de multiples conditions de vol, ouvrant des perspectives en matière d’adaptation passive de forme. / An aircraft encounters a wide range of operating conditions during its missions, i.e. flight altitude, Mach number and angle of attack, which consideration at the design phase enhances the system robustness and consequently the overall fleet consumption. Numerical optimization of aerodynamic shapes contributes to aircraft design, and relies on the automation of geometry generation and numerical simulations of the flight physics. Minimization of aerodynamic shapes drag must take into account multiple operating conditions, since optimization at a single operating condition leads to a strong degradation of performance when this operating condition varies. Besides, structural flexibility deforms the wings differently depending on the operating conditions, so has to be simulated during such optimizations. In the present thesis, the mission fuel consumption minimization is formulated as an optimization problem. The focus is made on the choice of operating conditions to be included in the optimization problem, since they have a major impact on the quality of the results, and the computational cost is proportional to their number. A new theoretical framework is proposed, overcoming and giving new insights on problematic situations revealed by state-of-the-art methods for multipoint optimization problem setup. An algorithm called Gradient Span Analysis is proposed to automate the choice of operating conditions. It is based on a reduction of dimension of the vector space spanned by adjoint gradients obtained at the different operating conditions. Programming contributions to the optimization chain enabled the evaluation of the new method on the optimizations of the academic RAE2822 airfoil, and the XRF-1 wing-body configuration, representative of a modern transport aircraft. While the shapes resulting of single-point optimizations present strong degradations of the performance in off-design conditions, adequately formulated multi-Machmulti- lift optimizations present much more interesting performance compromises. It is finally shown that fluid-structure interaction adds new degrees of freedom, and has consequences on multiple flight conditions optimizations, opening the perspective of passive shape adaptation.

L’industrie automobile se trouve aucentre des préoccupations environnementalesactuelles. Les moteurs essence à injection directeopérés en condition pauvres offrent un fortpotentiel en terme de réduction des émissions depolluants. En contrepartie, ils sont sujets à uneforte variabilité cyclique de combustion (CCV)qui ne peut être que partiellement étudiéeexpérimentalement. La simulation aux grandeséchelles (SGE) apparait comme une approchenumérique adaptée pour étudier de telsphénomènes, du fait de sa capacité naturelle àcapter les phénomènes instationnaires. Laprésente thèse se propose d’une part d’estimer lacapacité de la SGE à reproduire les CCVobservées expérimentalement, et d’autre part decontribuer à une meilleure compréhension deleur apparition. Dans ce contexte, un effortparticulier est mis sur la modélisation desphénomènes proche paroi. En particulier, unmodèle de paroi adapté à l’étude del’aérodynamique interne de configurationindustrielles est proposé. Il est validé sur desconfigurations de complexités variées. Enfin,l’étude porte sur le cas du moteur M256 qui estétudié en s’appuyant sur une solide base dedonnées expérimentales. Les causes de CCV sontexplorées, et notamment, l’impact de lavariabilité de l’écoulement généré pendant laphase d’admission sur la propagation du front deflamme est clarifié. / The automotive industry finds itselfat the center of current environmental concerns.Modern direct injection engines, operated underlean condition have the potential to reducepollutant emissions. As a drawback, they aresubject to large cyclic combustion variability(CCV), that can be explained only partially byexperimental measurements. Large-EddySimulation (LES) appears as an adapted tool tocomplement experiments, due to its naturalability to capture unsteady phenomena. Thepresent PhD thesis first aims at reproducing theCCV, and at contributing achieving a betterunderstanding of their occurrence.In this context, a special effort is put on thereproduction of near-wall phenomena, throughthe proposal of a new wall boundary conditionthat is validated on cases of differentcomplexity. Then the focus is put on the M256case, for which an extensive experimentaldatabase is available. The causes of CCV areexplored, and in particular, the impact of thevariability of the intake flow on the flame frontpropagation is clarified.

Par l'exploitation de nos capacités visuelles, la visualisation scienti que entend proposer aux ingénieurs et aux chercheurs un outil visant à les assister dans l'acquisition de connaissance à partir de phénomènes complexes. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette lignée, à ceci près qu'il s'intéresse plutôt à l'utilisation des technologies de la Réalité Virtuelle dans le but d'amener un utilisateur expert au coeur du processus d'exploration et d'analyse des données, ce que nous appelons Exploration de données scienti fiques. Dans le but d'arriver à des processus d'exploration efficaces, notre recherche s'est portée sur la mise en place de techniques d'interactions intuitives, susceptibles d'exploiter au mieux les capacités sensorimotrices de l'être humain. Pour atteindre cet objectif, deux conditions nous paraissent être essentielles. D'une part, il faut que les informations transmises via différents canaux sensorimoteurs aient une certaine cohérence à être délivrées ensemble : il est primordial que l'exploitation d'un canal pour véhiculer une information ne soit pas en concurrence avec ce qui est fait sur un autre canal. D'autre part, il est souhaitable que le potentiel de chaque canal soit utilisé au meilleur de sa capacité. Dans ce contexte, ce travail a débuté par une analyse de l'utilisation de l'haptique dans l'Exploration de données scientifi ques. Pour ce type d'usage, il a été identifié quatre tâches fondamentales (Sélectionner, Localiser, Relier et Arranger) pour lesquelles l'haptique semble présenter un réel avantage par rapport aux autres canaux sensoriels. Pour chacune de ces tâches, nous avons montré, au travers d'une large étude bibliographique, comment l'interaction haptique pouvait être exploitée afi n d'off rir des méthodes d'exploration efficaces. Sur la base de cette analyse organisée autour de ces quatre catégories, nous avons ensuite mis en évidence les problématiques liées aux tâches identifiées. Ainsi, nous avons souligné, d'une part que l'haptique pouvait faciliter la sélection de données scienti fiques dans des contextes où celles-ci sont massives, et d'autre part nous avons montré le besoin de mettre en place de nouvelles méthodes de suivi de structures d'intérêts (iso-surfaces, lignes de courant etc.). Notre problématique ayant ainsi été posée, nous avons d'une part étudié l'utilisation de retour multimodaux non visuels pour la recherche et la sélection de cibles dans un environnent virtuel 3d. Les situations impliquant une ou plusieurs cibles furent analysées, et plusieurs paradigmes d'interaction ont été proposés. Dans cet ordre d'idées, nous sommes arrivés à défi nir et valider un principe directeur pour l'usage de retours haptico-sonores pour la recherche et la sélection d'une cible donn ée située dans une scène 3d pouvant en contenir plusieurs autres. Nous avons en eff et montré que, pour une telle tâche, il était préférable d'exploiter la spatialisation sonore a n de localiser la cible désirée dans l'espace, tandis que le retour haptique permettait une sélection précise de la cible. D'autre part, nous nous sommes attaqués aux problèmes liés au rendu haptique d'ensembles de données pouvant présenter de fortes variations. A cet eff et, suite à un rappel de l'apport de l'haptique pour le rendu de surfaces dans le domaine médical, nous avons analysé certains besoins pouvant être comblés par l'ajout de ce canal sensorimoteur dans l'analyse d'iso-surfaces issues de simulation de Mécanique des Fluides Numérique (MFN). Par la suite nous avons proposé et évalué, par l'intermédiaire d'expériences de perception et de mesures de performance, de nouvelles méthodes de rendu haptique d'iso-surfaces dont l'une des originalités est de pouvoir se passer d'une représentation polygonale intermédiaire. En fin, nous avons appliquécette nouvelle approche d'exploration de données scientifi ques à l'analyse des résultats d'une simulation d'un écoulement dans une cavité ouverte. Ainsi, nous avons proposé deux méthodes d'analyse multi-sensorielle, dédiées à l'exploration d'un ensemble de données issu d'une simulation de MFN, en exploitant les approches génériques développées précédemment. La première méthode concerne une analyse interactive de la géométrie de l'écoulement, alors que la seconde se rapporte à une analyse multi-sensorielle de la topologie de l'écoulement. Les premières évaluations menées ont indiqué que les méthodes proposées tendaient à favoriser une meilleure compréhension du phénomène analysé et qu'elles pouvaient diminuer la charge cognitive habituellement requise par une telle tâche. A titre de conclusion, soulignons que cette thèse de doctorat ouvre la voie à un certain nombre de perspectives de recherches. A court terme, il s'agit de compléter les travaux relatifs à l'analyse de l'aspect dynamique de la simulation d'un écoulement dans une cavité ouverte. Ces travaux consisteront à proposer et valider différentes interactions multimodales visant à examiner les échanges/recirculations pouvant exister entre/dans les parties de la dite cavité. Mais au-delà des travaux relatifs à la MFN, l'expérience acquise à travers ces travaux pluridisciplinaires (informatique, mécanique des fluides, ergonomie cognitive) me permettra à moyen terme d'élargir mes travaux de recherche à l'exploration de données médicales, météorologiques, ou géologiques.

Nous présentons dans cette étude le développement de la convection à partir de différentes perturbations de l'état conductif d'une couche fluide confinée dans une cavité cylindrique, chauffée par le bas et avec une surface supérieure libre. La discrétisation spatiale du domaine repose sur la méthode des éléments spectraux et les itérations temporelles sont assurées par une méthode splitting.Au déclenchement de la convection, les structures convectives correspondent à des modes de Fourier, et les seuils critiques dépendent du rapport de forme de la cavité, et des nombres de Biotet de Marangoni qui caractérisent la surface libre. Les transitions d'écoulements au-delà du seuil primaire sont caractérisées quantitativement en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes valeurs du nombre de Biot et Ma = 0. Les résultats présentés sont obtenus en résolvant l'ensemble des équations non-linéaires de conservation à travers une méthode de continuation. Lorsque la convection se déclenche sous la forme d'un mode axisymétrique m = 0, l'évolution non-linéaire montre la coexistence de différentes structures convectives, des structures axisymétriques avec écoulement montant ou descendant au centre de la cavité et des structures correspondant à des combinaisons de modes qui apparaissent sur des branches secondaires sous-critiques.L'action d'un champ magnétique constant est ensuite étudiée pour des fluides conducteurs dans une même configuration comprenant une surface supérieure libre. Nous montrons l'effet stabilisateur du champ magnétique sur les seuils primaires ainsi que son action sélective sur les différents modes de convection. Nous analysons l'évolution des structures convectives au delà de ces seuils et montrons comment le champ magnétique modifie les transitions entre ces structures.En soumettant le bain fondu à un champ magnétique tournant, le mouvement de rotation du fluide se superpose aux mouvements de convection thermique et on observe une diminution des fluctuations de température et un retard du déclenchement de l'instabilité de Rayleigh-Bénard(lorsque les deux parois haut/bas du bain sont rigides). La rotation influe sur ce déclenchement qui de stationnaire devient oscillatoire, à l'exception du mode m = 0 de Fourier, pour qui la transition reste stationnaire jusqu'à une certaine valeur critique du nombre de Taylor magnétique.La dynamique de l'écoulement axisymétrique de part et d'autre de cette valeur critique sera étudiée en détail.

Le secteur du bâtiment est le plus gros consommateur d'énergie au niveau mondial. Pour en réduire l'impact environnemental, l'utilisation de solutions passives pour améliorer le confort est nécessaire. Malgré ce constat, la climatisation est de plus en plus utilisée dans les DROM-COM. Le développement de la ventilation naturelle est incontournable pour inverser cette tendance. Les méthodes multizones, modèles historiques de la simulation thermique du bâtiment, peinent à décrire ce type d'écoulement. Les modèles de mécanique des fluides numériques (MFN) sont prometteurs pour lever ce frein à l'utilisation de la ventilation naturelle.Ce manuscrit traite de l'adaptation d'un code de résolution directe des équations de Navier-Stokes à la description d'écoulements d'air dans le bâtiment. À cette fin, le développement, l'implémentation et la comparaison de différents types de conditions aux limites en pression sur les ouvertures ont été nécessaires. Ce travail nous a permis d'étudier le comportement d'une chambre soumise à de la convection naturelle et mixte. Pour intégrer ces développements à une simulation de bâtiment, nous avons développé un objet qui appelle le code de MFN sur un serveur de calcul distant depuis un environnement multizone de façon transparente. Le refroidissement partiel des murs d'une cavité soumise à de la convection naturelle a pu être simulé à l'aide de cette méthode. / The building sector is the global largest energy consumer. To reduce environmental impact of buildings, passive tools must be developed. Still, air conditioning is increasingly used in the DROM-COM. The development of natural ventilation is essential to reverse this trend. Multizone models are not really suited for describing natural ventilation flows. Computational fluid dynamics (CFD) seem to be a promising way too model those flows.This thesis deals with the adaptation of a direct resolution of the Navier-Stokes equations code to describe airflows in buildings. The development, implementation and comparison of different types of pressure boundary conditions on the openings were required. The behavior of a room subjected to natural and mixed convection has been studied thanks to this work. To integrate this model into a building simulation, a “black box” object that transparently calls the CFD code on a remote server from a multizone environment has been developed. Partial cooling of the walls of a cavity subjected to natural convection has been simulated using this method.

Ces travaux de doctorat portent sur la réduction du bruit d'origine aérodynamique émis par les ventilateurs et les doublets d'hélices contra-rotatifs. La méthodologie proposée consiste à intégrer des méthodes rapides et précises de prédiction des niveaux sonores dans le processus de conception. Cette thématique a vu son intérêt augmenter depuis que l'Union Européenne a restreint les limites d'exposition au bruit en milieu de travail et dans les zones habitées à proximité des aéroports. Parmi les méthodes numériques employées en aéroacoustique, les méthodes hybrides de prédiction du bruit sont considérées comme particulièrement appropriées pour la conception automatisée du fait de leur coût modéré en temps de calcul. Ces méthodes séparent la résolution de l'écoulement aérodynamique de celle de la génération du bruit et de sa propagation en champ lointain. L'écoulement aérodynamique est obtenu par simulation numérique, tandis que l'acoustique est traitée par méthodes analytiques. Ces méthodes analytiques développées et validées pour déterminer le bruit d'un profil aérodynamique placé dans un écoulement turbulent seront étendues pour traiter le réponse acoustique de pales en rotation. Ces travaux se concentrent sur deux configurations de ventilateurs basses vitesses. La première configuration traitée est le doublet d'hélices contra-rotatif de 4.2m de diamètre de la soufflerie L-1 de l'Institut von Karman (VKI). Ce système permet d'étudier le phénomène de bruit tonal et à large bande dû à l'impact des sillages turbulents, générés par l'hélice amont, sur l'hélice aval. La deuxième configuration traitée est un ventilateur à quatre pales du CETIAT (France) installé seul dans un large plenum. Ce système permet d'étudier le bruit propre ou bruit de bord de fuite causé par l'interaction des tourbillons générés par l'écoulement autour de la pale avec le bord de fuite de la pale. Pour cette configuration, des données expérimentales sont rendues disponibles dans le cadre d'un projet commun entre le VKI et le CETIAT. Les méthodes hybrides sont développées et mises en oeuvre pour ces deux mécanismes de bruit présents dans les deux configurations de ventilateur. L'objectif de ces travaux de thèse est d'employer les méthodes hybrides ainsi calibrées et validées pour réaliser l'optimisation du doublet d'hélices contra-rotatif de la soufflerie L-1. Le coeur de ces travaux portera sur l'extension des méthodes hybrides pour la prédiction du bruit d'un profil dans un écoulement turbulent uniforme au cas du bruit tonal et à large bande d'interaction de sillages et du bruit à large bande de bord de fuite dans des ventilateurs basses vitesses. Il sera montré qu'il est possible de déterminer le spectre de bruit de manière rapide et précise en s'appuyant sur la connaissance du champ aérodynamique dont les quantités seront extraites de simulations numériques stationnaires (RANS) pour alimenter la formulation analytique retenue. Cette dernière doit être adaptée au mécanisme de bruit étudié, à savoir l'interaction d'une pale de ventilateur avec un sillage ou celle du bord de fuite avec la turbulence qui s'est développé le long de la pale. Les deux mécanismes de bruit sont d'abord modélisés avec des fonctions analytiques qui sont calibrés avec les données des simulations numériques. Les modèles de sources de bruit ainsi que les estimations finales de spectre de bruit sont comparées aux données expérimentales disponibles et à des simulations directes. Enfin la méthodologie retenue est mise en oeuvre dans le cadre de l'optimisation du doublet d'hélices L-1 au moyen d'un algorithme génétique. L'étude détaillée de la sensibilité des paramètres et des contraintes de l'optimisation apporte un nouveau regard sur l'optimisation multi-objectif efficacité-bruit qui sera de plus en plus utilisée pour la conception de turbomachine dans le futur. / Abstract : The context of this thesis is the reduction of noise emitted by ventilation fans and aeronautical counter-rotating open rotors, which will be achieved by implementing fast and accurate noise prediction methods in the design process. The interest towards this subject has increased since the European Union enforced lower limits of exposure to noise in work environments and also to environmental noise in the proximity of airports. In the field of computational aeroacoustics, hybrid methods for noise prediction are considered particularly suitable for use in an automated design procedure due to their low computational cost. In fact they split the description of the flow field, which is made by computational fluid dynamics, from the quantification of the source of noise and of its propagation, obtained by using analytic formulations. Such analytic methods have already been used successfully for the prediction of the noise emitted by an airfoil placed in a turbulent flow; it is therefore natural to try to extend their applicability to the case of rotating blades. Two application cases have been chosen for this thesis. The first one is the 4.2 m diameter counter-rotating fan of the von Karman Institute (VKI) L1 low-speed wind tunnel, which is used to study the phenomenon of wake-interaction tonal and broadband noise. The second application case is a four-bladed low-speed ventilation fan in which the dominant source of noise is the trailing-edge or self-noise caused by the turbulent eddies passing over the trailing-edge of the blade. In this case, an experimental database has been made available by CETIAT, France, in the framework of a collaborative project with VKI. The final step of the project will be to use the prediction codes developed for both the noise phenomena in the geometric optimization of the L1 counter-rotating fan. The fundamental question that will be addressed in the thesis is how to extend the hybrid CFD-analytic methods to predict noise from an airfoil in a uniform turbulent flow to the case of tonal and broadband wake-interaction noise and trailing-edge broadband noise in low-speed fans. It will be shown that it is possible to provide a fast and reasonably accurate prediction of the spectrum of noise emitted by low-speed fans by extracting flow data from Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and using them as input to Amiet's analytic formulation, provided that this has been carefully adapted to the studied noise generation phenomenon, i.e. the interaction of the leading-edge of a fan blade with an incoming wake or of the trailing-edge with the turbulent boundary layer over the blade surface. Concerning the methodology, both noise generation mechanisms will first be modeled with analytic functions, then the necessary flow field input will be extracted from RANS simulations and the models will be validated with respect to experimental data, whenever possible, or to higher fidelity simulations. The last step of the project is the application of these noise prediction methods to the shape optimization of the L-1 fan blades by means of a genetic algorithm. The sensitivity analysis of the design parameters and of the constraints used in the optimization process provides a new perspective on the multi-objective efficiency-noise optimization approach which will be increasingly used in turbomachinery design in the future.

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

Cette thèse est consacrée à l'étude numérique des interactions non-linéaires entre des vagues et un corps rigide perçant la surface libre. La méthode développée repose sur un modèle d'éléments de frontière qui réduit la dimensionnalité du problème d'une dimension. Dans un premier temps, un modèle2D est appliqué à des géométries simples et permet de démontrer la pertinence de l'approche envisagée pour la prédiction des mouvements d'une structure flottante soumise à des vagues monochromatiques régulières. Dans un second temps, en nous inspirant d'un modèle potentiel non-linéaire 3D développé par Grilli textit{et al.}~cite{grilli2001fully}, nous proposons une généralisation de la méthode pour des maillages triangulaires non-structurés de surfaces 3D. Le modèle développé permet de traiter des configurations arbitraires de plusieurs cylindres verticaux en interaction avec les vagues. Nous présentons des cas de validation de nature académique qui permettent d'apprécier le comportement du modèle numérique. Puis nous nous tournons vers l'application visée par EDF R&D, qui concerne le dimensionnement d'éoliennes off-shore flottantes. Un flotteur de type semi-submersible est évalué à l'aide du modèle non-linéaire / This PhD work is devoted to the study of nonlinear interactions between waves and floating rigid structures. The developed model relies on a boundary element method which reduces the dimensionality of the problem by one. First, a 2D model is applied to basic geometries and allows us to demonstrate the validity of the method for predicting the motion of a floating structrure subject to incoming monochromatic regular waves. Secondly, getting inspired by the 3D fully nonlinear potential flow model of Grilli textit{et al.}~cite{grilli2001fully}, we propose a novel model which generalizes the method for unstructured triangular meshes of 3D surfaces. The proposed model is able to deal with arbitrary configurations of multiple vertical cylinders interacting with the waves. We present academic validation test cases which show how the model works and behaves. Finally, we study situations of interest for EDF R&D related to floating off-shore wind turbines. A semi-submersible platform is evaluated with the nonlinear model