Les systèmes de climatisation et de ventilation sont souvent composés de configurations type jets impactant, sur leur partie terminale. Ainsi, les flux d’air soufflés viennent impacter des obstacles munis de fentes, de différentes formes, afin d’améliorer le mélange. Les conditions de confinement et de soufflage provoquent parfois un inconfort au niveau acoustique. Les nuisances acoustiques générées sont dues à un phénomène de boucles de rétroaction se traduisant par l’apparition des sons auto-entretenus. La production du son par un écoulement fluide en champ libre ou en interaction avec une structure a fait l’objet de nombreuses études. Dans le cas d’un champ acoustique et pour un écoulement à faible nombre de Mach la résolution du corollaire énergétique de Howe permet d’évaluer la puissance acoustique générée ou absorbée par les interactions entre le champ acoustique et l’écoulement. Le calcul de cette puissance nécessite la connaissance de trois paramètres : la vorticité, la vitesse et la vitesse acoustique par des méthodes analytiques ou en utilisant des données expérimentales. Expérimentalement, la mesure du champ cinématique, pour en déduire la vorticité, nécessite une technique de mesure tridimensionnelle. Pour cela une plate-forme expérimentale, utilisant de la vélocimétrie Laser, a été développée, et équipée pour générer les écoulements d’un jet plan. Les champs cinématiques de ces écoulements ont été mesurés en utilisant la technique PIV, avec un dispositif de PIV stéréoscopique. Les champs cinématiques de trente plans parallèles ont été mesurés afin d’étudier les champs de vitesses correspondants. Deux méthodes de reconstruction ont été appliquées à ces plans : la POD et la moyenne de phase. Le volume est obtenu par une interpolation des plans reconstruits donnant accès aux trois composantes de la vitesse. Pour valider ces méthodes de reconstruction en 3D à faible coût, elles étaient comparées à des mesures expérimentales réalisées par le même dispositif expérimental, dans les mêmes conditions, par la PIV tomographique donnant accès aux champs cinématiques tridimensionnels. / Air conditioning and ventilation systems are often composed of jets having a configuration of an impinging jet, on their end part. Thus, the blown airflows impact slotted obstacles of different shapes to improve mixing. The conditions of confinement and blowing sometimes cause acoustic incompatibility. The acoustic noises generated are due to a phenomenon of feedback loops resulting of the appearance of self-sustained sounds. The production of sound by a free flow or in interaction with a structure has been the subject of many studies. In the case of an acoustic field and for a flow of low Mach number, Howe's energetic correlation is used to evaluate the acoustic power generated or absorbed by the interactions between the acoustic field and the flow. The calculation of this power requires the knowledge of three parameters : vorticity, velocity and acoustic velocity by analytical methods or by using experimental data. Experimentally, the measurement of the kinematic field, to deduce the vorticity, requires a three-dimensional measurement technique. For this purpose, an experimental platform, using laser velocimetry, has been developed and equipped to generate flows of a plane jet. The kinematic fields of these flows were measured using the PIV technique, with a stereoscopic PIV device. The kinematic fields of thirty parallel planes were measured to study the corresponding velocity fields. Two reconstruction methods have been applied to these plans : the POD and the phase average. The volume is obtained by an interpolation of the reconstructed planes giving access to the three components of the velocity. To validate these low-cost 3D reconstruction methods, they were compared to experimental measurements made by the same experimental setup, under the same conditions, by using the tomographic PIV giving access to the three-dimensional kinematic fields.

Les phénomènes non-linéaires présents dans les systèmes thermoacoustiques sont responsables de l'apparition des écoulements continus secondaires qui se superposent aux oscillations acoustiques dominantes, pénalisant l'efficacité des systèmes. L'objectif de cette étude est de caractériser le champ acoustique dans un résonateur contenant un générateur d'onde thermoacoustique et de mettre en évidence les écoulements secondaires. Nous mesurons le champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules (PIV). Les premières mesures enregistrées sans relation de phases avec la période acoustique, permettent de reconstruire la composante acoustique sur une période, en réordonnant les vitesses suivant leur phase avec une technique de projection par décomposition aux valeurs singulières (SVD). Celle-ci fait partie d'une batterie de post-traitements qui permettent d'obtenir des résultats concordant avec l'acoustique linéaire. Ils mettent en évidence un contenu harmonique important et le caractère non-linéaire de l'écoulement acoustique. Le calcul du champ de vitesse moyenné en temps montre l'existence d'un écoulement continu différent de celui de Rayleigh-Schlichting. Dans la fenêtre de mesure, il est composé de cellules de convection dont l'extension radiale tend à croître avec le rapport moteur. Il fait aussi apparaître un caractère tridimensionnel. Un deuxième type de mesures PIV synchronisées aux mesures de pression, apporte un complément d'information sur les écoulements secondaires et confirme globalement les résultats obtenus à partir des premières mesures. Cependant ces mesures synchronisées se révèlent moins précises que les premières.

Depuis les travaux de Townsend (1956), il est désormais largement admis qu'un mouvement organisé persiste dans la majorité écoulements cisaillés. Suivant la proposition de Townsend, Reynolds & Hussain (1972) apportent la première démarche analytique en développant, entre autres, les bilans énergétiques en "un point" du mouvement organisé et aléatoire. Cependant, un minimum de deux points est nécessaire afin de définir une échelle et décrire les processus énergétiques à chaque échelle. Pour cette raison, les équations de transport des statistiques en deux points furent initialement considérées par Taylor, Kármán & Howarth, Kolmogorov ou Yaglom. Ces derniers postulent que pour des Reynolds infinis, il existe une échelle où l'influence des structures cohérentes disparaît. Or, les nombres de Reynolds rencontrés en laboratoire ne sont pas suffisamment grands pour qu'une telle supposition soit avérée. La contribution énergétique du mouvement cohérent doit alors être dissociée du reste du champ fluctuant. Le premier objectif de cette thèse est d'affiner les théories existantes en proposant les bilans énergétiques en "deux points" prenant en considération le mouvement cohérent. Puis, à partir de diverses méthodes expérimentales mises en place au CORIA et de données issues d'une collaboration avec l'Université de Newcastle (Australie), l'écoulement de sillage est exploré. Les théories statistiques sont alors utilisées comme outil, afin de décrire l'écoulement avec un degré de complexité croissant. Les attentions se portent sur les interactions cohérence - turbulence, en termes de transport, de contribution énergétique ou de transfert d'énergie au sein de la cascade.

Cette synthèse porte sur plusieurs thématiques de mécanique des fluides et s'articule autour d'une approche par des méthodes expérimentales instationnaires. Les domaines successivement abordés sont la turbulence, l'aérodynamique compressible, les machines tournantes, l'hydrodynamique et les instabilités, tandis que les techniques expérimentales mises en œuvre comprennent les sondes directionnelles de pression, l'anémométrie fil/film chaud, la vélocimétrie laser Doppler, la visualisation par injection de traceur et la vélocimétrie par images de particules. Dans la plupart des cas, on développe des techniques multi-composantes, afin d'obtenir les trois composantes du champ de vitesse. Lorsqu'un phénomène périodique est présent dans l'écoulement, des traitements par moyennes de phase permettent de reconstruire, à partir d'un maillage de mesures ponctuelles, une information globale dans un plan ou dans un volume, et son évolution temporelle moyenne. Il est aussi possible de reconstituer une dynamique en fonction du temps à partir d'une mesure dans un plan, non résolue en temps, synchronisée avec une mesure ponctuelle, résolue en temps. L'ensemble des configurations étudiées par ces méthodes expérimentales constitue des bases de données, utiles notamment pour une comparaison avec des résultats de simulations numériques.

Le travail présenté concerne l'étude des instabilités thermo-acoustiques apparaissant dans une chambre de combustion aéronautique. Le montage expérimental permet de faire varier continument les fréquences de résonances et de passer pour une même condition d'écoulement, d'un régime de combustion stable à un régime instable. La caractérisation complète d'un cas instable comprend une mesure des conditions acoustiques aux limites du banc, une analyse du comportement des phases liquide et évaporée, de celui du dégagement de chaleur instationnaire et une mesure de la fonction de transfert de la flamme. Ces travaux ont mis en évidence trois phénomènes jouant sur l’injection cyclique de carburant liquide. Les temps caractéristiques des différents phénomènes intervenant dans le couplage thermo-acoustique et une distribution spatiale de l'indice de Rayleigh sont présentés. / The purpose of this experimental study was to further our understanding of the fuel spray behavior during combustion instability phenomena in combustion chambers. An aeronautical injection system with dual kerosene lines was mounted on the LOTAR setup, which was equipped with an adjustable exhaust length. Stability maps were generated by varying the global equivalent ratio and the fuel split parameter, for two Inner Exhaust Lengths (IEL). A non-unique multiphase flow condition was found to produce stable and unstable combustion for different IELs. Each configuration was fully characterized. Acoustic boundary conditions were measured using the 2-microphone technique. Different optical techniques were used toanalyze the unsteady behavior of the liquid phase, fuel vapor, and heat release. Moreover, two techniques were exploited to study the Flame Transfer Function using velocity measurement supstream and downstream of the injection device. Altogether, these results highlighted three atomization phenomena occurring during the cycles of thermo-acoustic instabilities. The phase-averaged analysis applied on the different measurements permitted to determine thetime scales associated with each process appearing in the thermo acoustic coupling. This cyclic injection of liquid fuel into the chamber was followed by a vapor phase increase corresponding to a wave of equivalent ratio. The delay between the two phenomena was of10°. In addition, OH* emissions showed a cyclic behavior following these waves. The delay between the wave of equivalent ratio and the unsteady heat release was approximately of 25°.Finally, spatial distribution of the Rayleigh index revealed that the inner recirculation zone contributed to sustain the combustion instability.

Cette thèse s’inscrit dans le programme de recherche beyond the sea® visant à développer la traction de navire de commerce par des kites géants. Le but est d’utiliser l’énergie du vent, et ainsi de réduire la consommation de carburant des navires et réduire les émissions polluantes. Un tel projet demande de nombreux développements et actions scientifiques, en particulier pour prédire le comportement des cerfs-volants géants et des navires associés. Pour cela des modèles sont développés, mais ces modèles doivent être confrontés à des mesures pour en estimer la validité. Cette thèse a donc pour objectif de mesurer les interactions entre le kite et le navire, à une échelle limitée par rapports aux navires visés par le programme global. Des mesures ont donc été réalisées sur un navire de pêche de 13 m, puis sur un bateau expérimental de 6 m spécialement conçu à cet effet. De plus, des mesures ont aussi été menées à terre pour évaluer uniquement les performances du kite. Chacune de ces campagnes expérimentales mettait en oeuvre un dispositif de mesure complexe, ainsi qu’un système automatique de contrôle du vol du kite. En plus de fournir des données de qualité à destination de la science, les outils développés au cours de cette étude peuvent être utilisés directement par les partenaires industriels du projet beyond the sea®. / This study is part of the research program beyond the sea® aiming to develop kites as auxiliary propulsion devices for ships. The goal is to use the energy of the wind to save fuel and reduce harmful emissions. Such a project needs numerous developments and scientific actions, particularly to model the behavior of giant kites and associated ships. However these models must be compared to measurements to assess their validity. This study is then focus on the measurements of the interaction between kites and ships, at a limited scale in comparison to the real scope of the project. Thus measurement campaigns were carried out on a 13-meter long trawler, and on a 6-meter long experimental platform specifically designed. Another experimental campaign was also carried out onshore to assess the aerodynamic specs of the kite. Each of these three campaigns was based on a complex experimental set-up, including an automatic kite control system. In addition to provide a valuable data set for further scientific analyses, this study provided also tools which can be used by the industrial partners of the beyond the sea project®.

L'objet de cette étude est d'utiliser la décomposition en modes propres (POD) pour établir un modèle de la composante déterministe et aléatoire d'un écoulement turbulent présentant une instationnarité à grande échelle pseudo périodique.<br />Une étude expérimentale de l'écoulement bidimensionnel en moyenne en aval d'un cylindre semi-circulaire, par vélocimétrie par image de particules en deux temps (PIV2T) caractérise l'écoulement<br />Une analyse POD du champ de vitesse permet d'extraire les modes spatiaux et de définir un paramètre de phase décrivant l'instationnarité à grande échelle qui régit la partie déterministe. La modélisation de l'évolution temporelle des coefficients associés aux modes s'effectue par des fonctions soit harmoniques pour la partie déterministe, soit stochastiques pour la partie aléatoire.<br />La modélisation est en accord avec les mesures expérimentales des premiers moments statistiques en un point et des fonctions de corrélation spatio-temporelle du champ de vitesse.

Ce travail tente d'analyser la réponse d'une jet axisymétrique turbulent à une excitation fluidique stationnaire et instationnaire lorsque le contenu fréquentiel et aziumutal (!,m) de la perturbation est maîtrisé. Le dispositif de contrôle utilisé est composé de 16 microjets ronds répartis sur le bord de fuite de la tuyère. L'utilisation des microjets provoque une réduction du champ acoustique rayonné (particulièrement pour le cas de contrôle stationnaire). Le champ aérodynamique est ensuite sondé grâce à des mesures fil chaud et PIV stéréoscopique résolue en temps. L'excitation instationnaire permet d'utiliser les moyennes de phase afin d'effectuer une décomposition triple du champ de vitesse. L'étude de la composante cyclique de la “réponse du jet” montre une synchronisation spatio-temporelle importante sur une grande étendue spatiale. En d'autres mots, le forçage a une grande autorité déterministe sur l'écoulement. De plus, la comparaison de la composante cyclique de la réponse du jet avec la théorie de la stabilité linéaire indique qu'il existe des ondes d'instabilité hydrodynamique au sein du jet. L'analyse du jet contrôlé par injection fluidique stationnaire montre ensuite comment l'effet du contrôle peut être expliqué par la déformation du champ moyen conduisant à la réduction du taux de croissance des ondes d'instabilité dans le jet. Cette déformation est dûe à l'introduction d'un couple de paramètre (nombre d'onde/fréquences) pour lequel le champ moyen de l'écoulement est stable. La réponse du jet étant turbulente, cela implique que les tensions de Reynolds déforment le champ moyen de manière à ce que les modes les plus instables aient des taux de croissance plus faibles. / This work investigates the response of an axisymetric turbulent jet to steady and unsteady fluidic florcing where the azimuthal wavenumber-frequency (!,m) content of the perturbation is well known. The control setup is composed of 16 round microjets azimutally distributed around the nozzle lip. Such actuation can lead to a decrease in the acoustic energy radiated by the jet (especially for the steady case). The aerodynamic fied is investigated using hotwire measurements and time-resolved stereoscopic PIV. Using the unsteady forcing, phase-averaging is possible, and this allows the implementation of a triple decomposition of the measurements. Examination of the cyclic component of the flow response shows that a non-negligible phase-locked fluctuation is obtained over a large spatial extent, in other words, the actuation has good deterministic control authority over the flow. Furthermore, comparison of the cyclic component of the flow response with Linear Stability Theory supports the idea that the jet response comprises linear hydrodynamic instability waves. Subsequent analysis of jets controlled by steady fluidic actuation shows how the control effect can be explained by a mean-flow modification that leads to the reduction of instability-wave growth rates ; the mean flow modification is argued to be due to the introduction of azimuthal wavenumber-frequency pairs to which the mean flow is stable. The response is therefore turbulent, and involves Reynolds stresses which deform the mean-field such that the most unstable modes have lower growth rates.