La présente thèse porte sur l'étude de la trajectoire d'une sphère en chute libre dans un tube rempli d'un fluide newtonien au repos. Ce sujet est motivé par la compréhension des phénomènes liés au transport des particules, avec un intérêt particulier aux interactions entre le sillage de la sphère et une paroi. Le transport des particules intervient dans de nombreux domaines, tels que la trajectoire des particules thérapeutiques dans les poumons, la trajectoire des particules de carburant et la trajectoire de réactifs chimiques dans les lits fluidisés. Les simulations sont rendues possibles par le développement de la méthode chimère (gestion des grilles superposées) implémentée dans un solveur des équations de Navier-Stokes (logiciel NSMB). La méthode chimère développée est rapide, automatique et parallèle et elle est validée sur plusieurs cas tests fixes et mobiles. Cette méthode est d'abord appliquée sur la sphère en translation uniforme dans un tube. Les états trouvés sont similaires à ceux décrits pour une sphère non-confinée. Ensuite, la méthode est utilisée pour l'étude d'une sphère en chute libre dans un tube. Trois types de trajectoires apparaissent dans la gamme étudiée: une chute verticale le long de l'axe du tube, une trajectoire hélicoïdale (pas de lâcher tourbillonnaire en aval de la sphère) et une trajectoire hélicoïdale avec un rayon variable (écoulement avec lâchers tourbillonnaires).

La simulation numérique des écoulements (CFD) est largement utilisée aujourd'hui dans l'industrie aéronautique, de l'avant-projet à la conception des appareils. En parallèle, la puissance des calculateurs s'est accrue, permettant d'effectuer des simulations résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) dans un délai de restitution acceptable du point de vue industriel. Cependant, les configurations simulées sont de plus en plus complexes géométriquement, rendant la réalisation du maillage très coûteuse en temps humain. Notre objectif est de proposer une méthode permettant de simplifier la génération de maillages autour de géométries complexes, en exploitant les avantages de la méthode Chimère, tout en levant les difficultés principales rencontrées par cette méthode dans le calcul des connectivités. Dans notre approche, le domaine de calcul est découpé en régions proches et en régions éloignées des corps. Des grilles curvilignes de faible extension décrivent les régions autour des corps. Le maillage de fond est défini par un ensemble de grilles cartésiennes superposées aux grilles de corps, qui sont engendrées et adaptées automatiquement selon les caractéristiques de l'écoulement. Afin de traiter des maillages recouvrants autour de géométries complexes sans surcoût humain, les différentes grilles sont regroupées par composant Chimère. Des relations d'assemblage sont alors définies entre composants, en s'inspirant de la Géométrie de Construction des Solides (CSG), où un solide peut être construit par opérations booléennes successives entre solides primitifs. Le calcul des connectivités Chimère est alors réalisé de manière simplifiée. Des simulations RANS sont effectuées autour d'un fuselage d'hélicoptère avec mât de soufflerie et autour d'une aile NACA0015 en incidence, afin de mettre en oeuvre la méthode. / Computational fluid dynamics (CFD) is widely used today in aeronautics, while the computing power has increased, enabling to perform simulations solving Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) within an acceptable time frame from the industrial point of view. However, the configurations are more and more geometrically complex, making the mesh generation step prohibitive. Our aim is here to propose a method enabling a simplification of the mesh generation over complex geometries, taking advantage of the Chimera method and overcoming the major difficulties arising when performing overset grid connectivity. In our approach, the computational domain is partitioned into near-body regions and off-body regions. Near-body regions are meshed by curvilinear grids of short extension describing the obstacles involved in the simulation. Off-body mesh is defined by a set of adaptive Cartesian grids, overlapping near-body grids. In order to consider overset grids over complex geometries with no additional cost, grids are gathered by Chimera component, and assembly relations are defined between them, inspired by Constructive Solid Geometry, where a solid can result from boolean operations between primitive solids. The overset grid connectivity is thus simplified. RANS simulations are performed over a helicopter fuselage with a strut, and over a NACA0015 wing.

Afin d'alléger les moteurs d'avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d'étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d'autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L'aspiration de la couche limite sur les aubages s'est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l'aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L'objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d'aubages fortement chargés, intégrant l'aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d'aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d'aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d'aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d'aubages par prescription de la distribution de courbure de l'extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu'une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d'aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l'emploi d'une fente d'aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l'aide du code de calcul elsA de l'ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d'aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d'Acoustique de l'Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l'expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d'aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l'impact de la distribution du taux d'aspiration suivant l'envergure sur l'efficacité de l'aspiration. Etant donné l'importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d'aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d'aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l'aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d'aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L'épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel.

Le travail réalisé dans cette thèse introduit le concept de l'utilisation de la méthode Level-Set pour simuler l'interface Glace/Air au cours du temps lors du processus de givrage en vol des aéronefs. Pour cela, un code de givrage tri-dimensionnel multi-blocs et parallélisé a été implémenté au sein du solveur NSMB (Navier-Stokes-Multi-Blocks). Il comprend notamment un module de calcul des trajectoires des gouttelettes par une approche Eulérienne compatible avec l'utilisation de grilles chimères et un module thermodynamique pour le calcul des masses de glace incluant deux modèles différents : un modèle algébrique itératif et un modèle à dérivées partielles. Une attention particulière a été portée sur la vérification du code de givrage implémenté en comparant systématiquement, si possible, les résultats obtenus avec les données expérimentales et numériques existantes dans la littérature. Pour cette raison, le module de déformation de maillage existant dans NSMB a été intégré au code implémenté afin de pouvoir simuler le givrage par une méthode traditionnelle. Enfin, un nouveau principe pour le suivi de l'interface glace/air est introduit via l'utilisation d'une méthode Level-Set. Puisque dans ce travail de thèse nous nous intéressons particulièrement au concept, la méthode Level-Set développée est d'ordre un et est résolue implicitement. On montrera cependant que des résultats valides sont obtenus avec une telle approximation. / This thesis introduces the concept of the Level-Set method for simulating the evolution through time of the ice/air interface during the process of in-flight aircraft icing. For that purpose, a three-dimensionnal multi-block and parallelized icing code have been implemented in the NSMB flow solver (Navier-Stokes-Multi-Blocks). It includes a module for calculating the droplet trajectories by an Eulerian approach compatible with the use of chimera grids and a thermodynamic module to calculate the ice masses including two different models : an iterative algebraic model and a PDE model. Particular attention was paid to the validation of the icing code irnplemented by comparing results with existing experimental and numerical data in the literature. For this reason, the existing mesh deformation algorithm in NSMB was integrated into the code to simulate icing by a traditional method. Finally a new principle to track the ice/air interface is introduced using the Level-Set method. Since we are particularly interested in the concept, the Level-Set method developped is first order and solved implicitly. However it will be shown that valid results are obtained with such an approximation.

Cette thèse est une contribution à la réduction du bruit des CROR (Counter-Rotating Open Rotor). On s'intéresse plus particulièrement aux structures tourbillonnaires émises par l'hélice amont venant impacter les pales de l'hélice aval. L'objectif prévu de la thèse est d'explorer la possibilité de modification de ces structures en vue de réduire le bruit résultant de cette interaction au décollage. La première partie de la thèse est dédiée à leur caractérisation dans un cas particulier d'hélices (HTC5). La physique de formation de la nappe est d'abord décrite avec des outils numériques. Puis, l'essentiel de l'étude est mené sur une pale fixe reproduisant la loi de circulation d'une pale de l'hélice HTC5. Une étude expérimentale de cette pale fixe permet de déterminer les propriétés du tourbillon émis et d'éprouver la méthodologie numérique. Cette étape aboutit à la définition d'un modèle analytique permettant de décrire ce tourbillon. La seconde partie de cette thèse porte sur la modification de ces structures tourbillonnaires. Dans un premier temps, une application de concepts existant dans la littérature est réalisée sur la pale fixe de façon à observer leur impact sur les tourbillons. La réflexion menée sur ces résultats nous a amené à définir un nouveau concept de modification des structures tourbillonnaires : l'excroissance de bord d'attaque. Ce concept permet la génération de deux tourbillons co-rotatifs séparés par une zone de vorticité de signe opposé. La physique d'interaction entre ces deux tourbillons est étudiée. L'application de ce concept au CROR HTC5 permet de valider les gains acoustiques.

Afin d’alléger les moteurs d’avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d’autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L’aspiration de la couche limite sur les aubages s’est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l’aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L’objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d’aubages fortement chargés, intégrant l’aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d’aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d’aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d’aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d’aubages par prescription de la distribution de courbure de l’extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu’une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d’aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l’emploi d’une fente d’aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l’aide du code de calcul elsA de l’ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d’aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique de l’Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l’expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d’aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l’impact de la distribution du taux d’aspiration suivant l’envergure sur l’efficacité de l’aspiration. Etant donné l’importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d’aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d’aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l’aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d’aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L’épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel. / In order to reduce the mass of aircraft jet engines as well as their fuel consumption, manufacturers tend to make the compression system of their engines more compact, since this component represents approximately 40% of the total mass. However, for a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages implies increasing the aerodynamic load per stage. This all the more increases the risk of flow separation on the blades ultimately resulting in a decrease in performance. Boundary layer suction on the blade has proven to be very promising to suppress this deleterious flow separation and meet the needs of high aerodynamic loads. Nevertheless, boundary layer suction significantly modifies the static pressure distribution on the blades, making traditional design approaches unsuitable. Therefore, the objective of this Ph.D. work is to develop a new method and new criteria for the design of highly loaded compressor blades, integrating boundary layer suction into the design process. This design method relies on a two-step aspiration strategy. First, passive control of the separation point location is applied via curvature and diffusion in order to make it insensitive to operating conditions. Second, active control through boundary layer suction aims at placing the suction slot with respect to the separation point location, in order to minimize the necessary suction mass flow rate required to reattach the flow. To put this strategy into practice, a blading technique that consists of prescribing the curvature distribution on the suction side of the blade and the cross-section distribution of the blade passage is developed. In association with a fast pre-design tool, as well as an overall total pressure loss coefficient including aspiration, this method allows the design of a subsonic aspirated stator cascade with flow turning of 60 degrees, for an inlet Mach number of 0.5,giving a Diffusion Factor of 0.73. This performance at the design point is obtained for an overall total pressure loss coefficient of 2.5%, aspirating 1.1% of the inlet mass flow rate. Nevertheless, these two values can be respectively reduced to 2.1% and 0.8% by rounding the edges of the suction slot. This bi-dimensional numerical study has been carried out with the elsA solver from ONERA. To experimentally validate this design method and the associated numerical tools, a planar cascade is built and tested at low speed at the Laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon. At mid-span, results from the experiment and from tri-dimensional numerical simulations confirm the relevance of the design approach. This comparison then discloses the impact of the suction mass flow rate distribution along the span, on the efficiency of aspiration. Given the importance of tri-dimensional flows encountered in the experiment and simulations, a generalization in three dimensions of the aspiration strategy is proposed and numerically applied on the same cascade. By simultaneously controlling the boundary layers developing on the blades and on the endwalls,it is possible to almost entirely suppress the corner separations present in the blade passage. However, one disadvantage is that the suction mass flow rate undergoes a strong increase, moderating this benefit. The thickness of the inlet boundary layers appears to be also a key factor in the success of boundary layer control by aspiration, in a tri-dimensional context.