Le contrôle d'écoulement en utilisant des capteurs optiques est étudié dans un contexte expérimental. Le calcul de champs de vitesses en temps réel en utilisant une caméra pour l'acquisition et une carte graphique pour le calcul est détaillé. La validité de l'approche en terme de rapidité et de précision est étudiée. Un guide complet pour l'optimisation logicielle et matérielle est donné. Nous démontrons que le calcul dynamique de champs de vitesse est non seulement possible mais plus facile à gérer que l'utilisation d'un appareillage (PIV) classique. Un canal hydrodynamique est utilisé pour toutes les expériences. Celui-ci comporte une marche descendante pour le contrôle d' écoulements décollés. Les actionneurs sont des jets. Dans le cas de la marche descendante une étude paramétrique approfondie est faite pour qualifier les effets d'une injection en amont des jets, celle-ci étant traditionnellement effectuée à l'arrête de la marche.Plusieurs méthodes de contrôle sont étudiées. Un algorithme de contrôle basique de type PID est mis en place pour démontrer la viabilité du contrôle d'écoulement en boucle fermée par capteurs optiques. La zone de recirculation située derrière la marche est calculée en temps réel dans un plan vertical et horizontal. La taille de cette région est manipulée avec succès. Une approche basée sur des observations de la dynamique de l'écoulement est présentée.Des résultats précédents dans la littérature montrent que la recirculation peut être réduite avec succès en agissant sur l'écoulement à la fréquence naturelle de lâchés tourbillonnaires liés à l'instabilité de Kelvin-Helmholtz de la couche cisaillée crée par la marche. Une éthode basée de détection de vortex est introduite pour calculer cette fréquence, qui est ensuite utilisée dans une boucle de contrôle qui assure que l'écoulement est toujours pulsé à la bonne fréquence. Ainsi en utilisant des capteurs optiques la recirculation est réduite de façon simple.Ensuite nous implémentons un contrôle de type feed-forward dont l'efficacité a préalablement été démontrée en simulation. Cette approche vise à prévenir l'amplification de perturbations amont par la couche cisaillée. Nous montrons comment une telle méthode peut être implémentée avec succès dans un contexte expérimental. Enfin, nous implémentons également une approche radicalement différente basée sur un algorithme génétique. Des lois de contrôle aléatoires sont testées et évaluées. Les meilleurs sont répliquées, mutées et croisées. Ce processus se poursuit itérativement jusqu'à ce que le coût soit minimisé. Bien que lente à converger cette approche donne des résultats encourageants à travers une loi de commande originale. / Flow control using optical sensors is experimentally investigated. Real-time computation of flow velocity fields is implemented. This novel approach featuring a camera for acquisition and a graphic processor unit (GPU) for processing is presented and detailed. Its validity with regards to speed and precision is investigated. A comprehensive guide to software and hardware optimization is given. We demonstrate that online computation of velocity fields is not only achievable but offers advantages over traditional particle image velocimetry (PIV) setups. It shows great promise not only for flow control but for parametric studies and prototyping also.A hydrodynamic channel is used in all experiments, featuring a backward facing step for separated flow control. Jets are used to provide actuation. A comprehensive parametric study is effected to determine the effects of upstream jet injection. It is shown upstream injection can be very effective at reducing recirculation, corroborating results from the literature.Both open and closed loop control methods are investigated using this setup. Basic control is introduced to ascertain the effectiveness of this optical setup. The recirculation region created in the backward-facing step flow is computed in the vertical symmetry plane and the horizontal plane. We show that the size of this region can be successfully manipulated through set-point adaptive control and gradient based methods.A physically driven control approach is introduced. Previous works have shown successful reduction recirculation reduction can be achieved by periodic actuation at the natural Kelvin-Helmholtz frequency of the shear layer.A method based on vortex detection is introduced to determine this frequency, which is used in a closed loop to ensure the flow is always adequately actuated. Thus showing how recirculation reduction can be achieved through simple and elegant means using optical sensors. Next a feed-forward approach based on ARMAX models is implemented. It was successfully used in simulations to prevent amplification of upstream disturbances by the backward-facing step shear layer. We show how such an approach can be successful in an experimental setting.Higher Reynolds number flows exhibit non-linear behavior which can be difficult to model in a satisfactory manner thus a new approach was attempted dubbed machine learning control and based on genetic programming. A number of random control laws are implemented and rated according to a given cost function. The laws that perform best are bred, mutated or copied to yield a second generation. The process carries on iteratively until cost is minimized. This approach can give surprising insights into effective control laws.

Dans cette étude on présente les résultats de simulations numériques réalisées sur un écoulement de marche descendante. L'influence de la condition aux limites amont est examinée alors que les calculs sont menés au moyen de la méthode de Simulation des Grandes Echelles.<br />La première condition d'entrée considérée est constituée d'un profil de vitesse moyen turbulent perturbé par un bruit blanc. Les données de la seconde condition d'entrée sont quant à elles issues d'un calcul précurseur de couche limite turbulente.<br />Les visualisations de l'écoulement et l'examen des statistiques portant sur les vitesses et la pression montrent comment la couche cisaillée après la séparation est modifiée par la nature de la condition d'entrée.<br />Dans le cas de la simulation utilisant un calcul précurseur en entrée, l'étude révèle l'influence déterminante des structures de la couche limite incidente. Notamment, on montre de quelle manière les courants de basses et hautes vitesses ainsi que les tourbillons quasi-longitudinaux associés sont responsables de la déstabilisation précoce de la couche cisaillée, conduisant alors à la réduction de la taille de la bulle de recirculation.<br />Pourtant, malgré les différences de conditions initiales, les écoulements des deux simulations développent une structure relativement similaire à l'approche du rattachement, si bien que l'influence de la condition d'entrée est négligeable, dans cette zone et plus loin dans l'écoulement. Le contenu spectral des deux écoulements est aussi examiné, permettant ainsi de mettre en évidence les deux régimes d'oscillations basses fréquences caractéristiques de ce type de configuration : l'oscillation du rattachement moyen et le battement de la couche cisaillée. La modification de la nature du couplage entre la couche cisaillée et la recirculation principale est rendue responsable du décalage observé pour la fréquence de battement.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

Le travail présenté ici s'insère dans le cadre des études amont financées par le CNES et SNECMA qui visent à mieux appréhender, et simuler les écoulements cavitants dans les inducteurs à l'amont des turbopompes spatiales. Compte tenu de la complexité des mécanismes mis en jeu dans ce type de géométrie, il a été décidé de réaliser une étude dans une géométrie académique de type marche descendante cavitante comportant les différents mécanismes physiques inhérents aux écoulements de backflow (écoulements instationnaires décollés) présents dans les inducteurs. Cette géométrie simplifiée a permis la mise en place d'une instrumentation de pointe telle que la densitométrie par absorption de rayons X résolue en temps ou encore la PIV-LIF 2D, 3C haute cadence pour la mesure du champ de vitesse liquide. Ces techniques étant couplées à la mesure du champ de pression pariétale, il a donc été possible d'estimer les interactions mutuelles entre la turbulence et la cavitation dans ce type d'écoulement.Les mesures couplées aux champ de pression ont également permis d'utiliser des techniques de traitement POD-LSE pour estimer des termes de corrélations densité-vitesse nécessaires à la validation des modèles de type transport de taux de vide. De manière générale, la cavitation engendre des modifications notables d'origine dilatatoire sur l'agitation turbulente et modifie la dynamique tourbillonnaire. Ces résultats permettent de tirer des conclusions sur les stratégies de modélisation. En effet en régime cavitant l'augmentation de l'énergie cinétique turbulente étant décorrélée du cisaillement moyen, les modèles basés sur une viscosité turbulente semblent inadaptés . D'autre part à fort taux de vide les résultats semblent être en contradiction totale avec les modèles barotropes. / The present study is inserted in the framework of previous research which aim to get a better understanding of turbulent and cavitating phenomena which occur in the spatial turbopump. Actually, the specific topology of the detached flow which takes place upstream the inducer is today miss-predicted by the standard numerical models.Taking into account the huge complexity of such a flow it has been decided to experimentally investigate the backward-facing step flow which is recognized as a benchmark for numerical simulations and cover a large area of similitude with the backflow upstream the inducers.For this purpose, the mean and turbulent quantities of the liquid phase in the presence of the vapor phase as well as spatio-temporal correlations have been investigated using stereoscopic time resolved PIV, the void ratio has been determined using X-Ray attenuation techniques and measurements have been made for different cavitation levels. The main originality of the present work is based on instantaneous measurements of the wall pressure signals correlated with high speed visualizations, PIV and X-Ray measurements. Specific signal processing as Proper Orthogonal Decomposition and Linear Stochastic Estimation has been performed in order to estimate the velocity-density correlations useful to evaluate the void ratio transport. In this experimental work the physical mechanisms of the vapour phase effects on the large vortex structures, shear layer instability, reattachment wall and reverse flow have been investigated to determine what physical assumptions can be applied in the usual cavitation and turbulence models.It has been found for the cavitating cases that the growth of turbulent kinetic energy is not correlated to mean and turbulent shear stresses. This experimental observation is in contradiction with the Boussinesq hypothesis used for the linear eddy viscosity models.Moreover concerning the phase-change modelization for high void fraction, the barotropic models seem to disagree with our experiments.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet international (MARS) dont le but est d'améliorer l'efficacité du transport aérien par contrôle d'écoulement. Dans ce contexte, les travaux expérimentaux présentés ici sont focalisés sur l'utilisation d'un actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) pour contrôler l'écoulement turbulent en aval d'une marche descendante (BFS) à Reh = 30000. Deux types de décharges sont étudiés : une ac-DBD qui produit une force électrohydrodynamqiue et une ns-DBD qui produit une onde de pression. Plusieurs positions de l'actionneur sont étudiés, de façon à optimiser les effets de la décharge sur l'écoulement. A l'aide d'un système PIV stéréoscopique, une étude étendue est destinée à l'évaluation des paramètres électriques du signal. Parmi tous les résultats obtenus, la zone de recirculation est réduite de 20%. De plus, d'autres quantités moyennes telles que les composantes de Reynolds, l'énergie cinétique et l'épaisseur de la couche cisaillée ont été aussi analysées. La dernière partie de la thèse comprend une analyse dynamique des modifications produites par l'actionneur. Pour cela, les structures dominantes sont examinées par leur signature fréquentielle et par une décomposition orthogonal aux valeurs propres (POD). Tous les résultats conduisent à la définition d'un cas d'action optimal pour lequel il est obtenu une réduction maximal de la longueur de rattachement. Le lâcher tourbillonnaire est renforcé par un mécanisme de type "lock-on". / This thesis is part of an international project (MARS) to improve air transport efficiency by active flow control strategy. In this context, the presented experimental works are focused on a surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) as a solution to control the turbulent flow separation downstream a backward-facing step (BFS) at Reh = 30000. Two different plasma discharges are investigated: an ac-DBD resulting in a electrohydrodynamic force and a ns- DBD producing a pressure wave. Thanks to the versatility of plasma discharges and in order to optimize its effects on the flow, different locations of the DBD actuator have been investigated. Furthermore, an extended parametric study regarding the input variables of the discharge has been carried out by stereoscopic PIV. Among the obtained results, the mean reattachment length has been reduced up to 20%. In addition, other averaged quantities such as Reynolds stress components, the kinetic energy and the vorticity thickness of the separated shear layer have been analyzed to provide more extended information about the effects of the DBD actuator. The last part includes a dynamical analysis of the modifications produced by an optimal actuation. For that aim, the dominant structures are investigated by their signature in the frequency domain and by proper orthogonal decomposition (POD). All the results lead to the definition of an optimal actuation for which the mean reattachment position is reduced and the vortex shedding street can be reinforced by a lock-on control mechanism.

L'objectif de ce travail est de prendre en compte les instationnarités naturelles à grande échelle dans les écoulements décollés et à un coût plus faible que la LES, tout en s'intéressant à la modélisation des effets de paroi par des modèles statistiques au second ordre. S'inspirant des approches de Durbin, le modèle à pondération elliptique EB-RSM reproduit l'effet non-local de blocage, en résolvant une équation différentielle sur le terme de pression. La limite à deux composantes de la turbulence est bien prédite en canal. Ce modèle est appliqué à la marche descendante, dans une approche URANS. Nous avons montré que les erreurs numériques peuvent être suffisantes pour exciter le mode le plus instable de la couche cisaillée, et aboutir à une solution instationnaire. La solution est stationnaire quand on raffine le maillage, rendant l'URANS peu fiable. Récemment, Schiestel \& Dejoan ont proposé le modèle hybride non-zonal PITM. Le coefficient $C_{\e_2}$ de l'équation de la dissipation devient fonction de la coupure dans le spectre, et la valeur $C_{\e_1}=3/2$ est déduite par ces auteurs. Nous avons donné une formulation plus générale où la valeur de $C_{\e_1}$ est quelconque. Pour offrir un formalisme plus cohérent aux modèles hybrides non-zonaux dans les écoulements de paroi, une approche basée sur un filtrage temporel est proposée. Enfin, l'adaptation du modèle EB-RSM dans un cadre hybride a été réalisée. Les résultats en canal sont encourageants : la transition continue d'un modèle RANS en proche paroi à une LES au centre du canal est mise en évidence. Le transfert d'énergie des échelles modélisées vers celles résolues est bien reproduit quand on raffine le maillage.

Ces travaux de recherche ont pour but d’évaluer la méthode dite de la "Simulation auxEchelles Adaptées" (SAS pour Scale-Adaptive Simulation). Cette approche coïncide avec uneapproche RANS classique dans les zones pariétales attachées et adapte le niveau de viscositéturbulente dans les zones décollées pour y permettre une résolution partielle des structures turbulentes.Dans une première partie, une analyse théorique du modèle SAS original a été menéeet a permis de développer une correction visant à favoriser l’adaptation du niveau de viscositéturbulente dans les zones sièges d’instabilités de type Kelvin-Helmholtz. Le modèle ainsi corrigéest nommé SAS-αL. Les modèles SAS et SAS-αL ont été implantés dans le code de calculNavier-Stokes elsA de l’ONERA. À l’issue de cette étape, trois cas académiques d’écoulementsturbulents instationnaires, cylindre à grand nombre de Reynolds, marche descendante et cavitétranssonique, ont été simulés grâce aux trois modèles de turbulence SST, SAS et SAS-αL. Outreune comparaison aux bases de données expérimentales disponibles, une attention particulièrea été portée à l’influence de paramètres numériques tels que des schémas numériques d’ordreélevé. Enfin, afin d’étudier la viabilité de l’approche SAS dans un contexte industriel, les troismodèles de turbulence ont été testés sur une configuration issue de l’industrie aéronautique etcorrespondant à la sortie d’air chaud d’un système de dégivrage des nacelles d’avion. La comparaisondes prévisions obtenues avec les modèles SST, SAS et SAS-αL aux données expérimentalesobtenues à l’ONERA a permis de montrer un gain de précision grâce à l’emploi de l’approcheSAS et ce pour un coût de calcul compatible avec un cycle de conception industrielle. / This research work is meant to assess an upgraded URANS approach, namely the Scale-Adaptive Simulation (SAS). This method is similar to a conventional RANS approach (namelythe SSTmodel) in attached areas and is able to adapt the eddy-viscosity level in detached areas toensure the resolution, at least partially, of the turbulent structures. In a first part of this researchwork, an improvement of the SAS approach is suggestedto allowa better sensitivity of themodelto instabilities such as Kelvin-Helmholtz ones. This "improved" model is referred to as SAS-αLmodel. Both SAS and SAS-αL models were implemented in the ONERA Navier-Stokes solverelsA and both of themaswell as the SSTmodelwere tested on academic test cases : a cylinder in acrossflowat a high Reynolds number, a backward-facing step flowcorresponding to theDriver&Seegmiller experiment and the transonic flow over the M219 cavity experimentally investigatedby de Henshaw. The influence of the numerical parameters was deeply investigated and particularattention was paid to the high-order space-discretization schemes effects. The reliabilityof the SAS approach in an industrial framework was assessed on an aeronautic configurationnamely a nacelle de-icing device. Comparisons between the threemodels (SST, SAS and SAS-αL)and an experimental database available at ONERA - The French Aerospace Lab have shown thebetter accuracy of the SAS approach as well as the high potential of the SAS-αL model.

Les stratégies de contrôle d’écoulement, telles que le soufflage / aspiration, ont prouvé leur efficacité à modifier les caractéristiques d’écoulement à des fins diverses en cas de configurations usuellement simples. Pour étendre cette approche sur des cas industriels, la simulation de dispositifs à échelle réelle et l’optimisation des paramètres de contrôle s’avèrent nécessaires. L’objectif de cette thèse est de mettre en place une procédure d’optimisation pour résoudre cette catégorie de problèmes. Dans cette perspective, l’organisation de la thèse est divisé en trois parties. Tout d’abord, le développement et la validation d’un solveur d’écoulement turbulent compressible instationnaire, résolvant les équations de Navier-Stokes moyennées (RANS) dans le cadre d’une discrétisation mixte de type éléments finis / volumes finis (MEV) sont présentés. Une attention particulière est portée sur la mise en œuvre de modèles numériques de jet synthétique à l’aide de simulations sur une plaque plane. Le deuxième axe de la thèse décrit et valide la mise en œuvre d’une méthode d’optimisation globale basée sur un modèle réduit du type processus gaussien (GP), incluant une approche de filtrage d’erreurs numériques liées aux observations. Cette méthode EGO (Efficient Global Optimization), est validée sur des cas analytiques bruités 1D et 2D. Pour finir, l’optimisation de paramètres de contrôle de jet synthétique sur deux cas test pertinents pour les industriels : un profil d’aile NACA0015, avec objectif de maximiser la portance moyenne et une marche descendante avec objectif de minimiser la longueur de recirculation moyenne. / Active flow control strategies, such as oscillatory blowing / suction, have proved their efficiency to modify flow characteristics for various purposes (e.g. skin friction reduction, separation delay, etc.) in case of rather simple configurations. To extend this approach to industrial cases, the simulation of a large number of devices at real scale and the optimization of parameters are required. The objective of this thesis is to set up an optimization procedure to solve this category of problems. In this perspective, the organization of the thesis is split into three main parts. First, the development and validation of an unsteady compressible turbulent flow solver using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) using a Mixed finite-Element/finite-Volume (MEV) framework is described. A particular attention is drawn on synthetic jet numerical model implementation by comparing different models in the context of a simulation over a flat plate. The second axis of the thesis describes and validates the implementation of a Gaussian Process surrogate model based global optimization method including an approach to account for some numerical errors during the optimization. This EGO (Efficient Global Optimization) method, is validated on noisy 1D and 2D analytical test cases. Finally, the optimization of two industrial relevant test cases using a synthetic jet actuator are considered: a turbulent flow over a NACA0015 for which the time-averaged lift is regarded as the control criterion to be maximized, and an incompressible turbulent flow over a Backward Facing Step for which the time-averaged recirculation length is minimized.