La demande croissante d’électricité, notamment renouvelable, entraîne une croissance de l’éolien avec l’utilisation de pales en composite de plus en plus grandes. Pour réduire le cout de maintenance de ces structures composites, le suivi de santé structurel (SHM) au cours du temps permet d’évaluer le comportement de la structure, d’anticiper les dégradations et la maintenance. Dans ce cadre, le développement de capteurs, à base de résine époxy et de nanotubes de carbone, appelés Quantum Resistive Sensor (QRS), est présenté. Les QRS peuvent être attachés à la surface de la structure ou intégrés à cœur durant la séquence de drapage. Durant la polymérisation de la résine, le comportement électrique du QRS traduit l’évolution de la réticulation et de la température dans la structure. Suite au processus de fabrication, l’influence des paramètres extérieurs (température, humidité, vitesse de déformation, coefficient de Poisson…) sur les caractéristiques des QRS a été étudiée. Durant l’utilisation de la structure composite, les QRS ont également permis la détection et la propagation d’endommagements jusqu’à la fracture ultime. Les QRS représentent donc une solution potentielle comme capteurs SHM non intrusifs, permettant un suivi de la structure, de sa fabrication jusqu’à sa dégradation finale. / The growing demands for electrical energy, especially renewable, is boosting the development of wind turbines equipped with longer composite blades. To reduce the maintenance cost of such huge composite parts, the structural health monitoring (SHM) is an approach to anticipate and/or follow the structural behaviour along time. To do so, a proper instrumentation is necessary and has to be as less intrusive as possible. To this end, the development of carbon nanotube- epoxy Quantum Resistive Sensor (QRS) is presented. QRS can be as well glued on the surface or embedded in the core of the composite structure during the stacking sequence. During manufacturing, both the temperature and resin crosslinking can be detected with the change in the QRS electrical characteristics. Once the structural part is made, the effect of the external parameters (strain rate, temperature, humidity, Poisson ratio…) on the electrical characteristics of QRS has been studied. During the composite life, the QRS electrical behaviour has also demonstrate its capability to detect the initiation and propagation of damage until final failure. A non-intrusive monitoring with QRS of the structure life cycle, from manufacturing until final breakage is therefore possible.

Lorsqu’un hélicoptère opère dans des conditions givrantes extrêmes, l’accumulation de glace sur les pales peut considérablement impacter les performances de l’appareil. De nombreuses recherches portant sur le développement d’un système de dégivrage à faible consommation et moindre coût ont été initiées ces dernières années. Dans cette thèse, une technique ondulatoire de protection contre la formation de glace sur les surfaces des pales d’hélicoptères est étudiée. La stratégie proposée repose sur l’utilisation d’ondes guidées d’ordre élevé spécifiques pour créer des cisaillements dépassant la force d’adhésion surfacique d’un profil de glace. Des essais ont d’abord été menés pour réaliser le modèle E.F. d’un tronçon de pale, puis une stratégie de réduction de modèle est développée pour la Méthode des Éléments Finis Ondulatoires. Cette formulation s’appuie sur la projection des vecteurs d’état sur une base réduite, constituée des formes d’ondes progressives. Elle permet de réaliser des analyses ondulatoires large-bande dans les structures complexes, 1D ou 2D périodiques. Les ondes guidées sont d’abord examinées dans la pale d’hélicoptère, puis les effets de localisation et de conversion des ondes sont interprétés dans divers guides d’ondes 1D et 2D. Les interactions de ces ondes d’ordre élevé avec les profils d’accrétion de glace, ainsi qu’avec plusieurs types de singularités structurelles, sont analysées au moyen d’une Méthode des Matrices de Diffusion. Une formulation ondulatoire temporelle est ensuite proposée pour l’analyse rapide de la propagation d’un train d’ondes dans les guides d’ondes couplés. Enfin, un réseau d’actionneurs est conçu pour la génération de trains d’ondes d’ordre élevé, et des validations temporelles sont réalisées dans une plaque composite ainsi que dans une pale de Super Puma. / When helicopters fly through extreme conditions, ice can aggregate on their blades and seriously affect the aircraft performances. Recently, an increasing research effort was devoted to the development of affordable low power de-icing solutions. In this thesis, a wave-based approach is adopted to prevent and/or remove ice aggregates from the surfaces of helicopter rotor blades. The de-icing strategy uses specific high-order guided waves to exceed the shear adhesion strength of ice accretion profiles. Experiments are conducted in order to update the FE model of a realistic rotor blade, then a Model Order Reduction strategy is developed for the Wave Finite Element Method. It involves a projection of the state vectors on a reduced basis of propagating waves shapes, and enables broadband wave analysis in structurally advanced 1D and 2D periodic structures. Guided wave propagation is studied within a helicopter rotor blade, and wave localization and conversion effects are discussed in various 1D and 2D composite waveguides. The interactions of high-order waves with ice aggregates and other types of structural singularities are also examined by means of a Diffusion Matrix Method. Then, time-domain propagation in coupled waveguides subjected to a wave pulse is analysed through a computationally efficient wave-based formulation. Finally, a smart actuator network is designed for the generation of high-order wave pulses and validations are conducted in a composite plate and a Super Puma rotor blade using time simulation.

Titre de l'écran-titre (visionné le 1er mai 2023) / Ce mémoire de maîtrise porte sur l'amélioration des performances des turbines à axe vertical. La solution proposée est d'équiper ces turbines de profils aérodynamiques déformables, qui sont capables de se déformer à différents angles d'azimut afin d'atteindre le maximum d'efficacité possible. Les deux tiers de la corde du profil aérodynamique des pales sont considérés comme déformables, tandis que l'autre tiers situé au bord d'attaque est considéré comme rigide. Le profil aérodynamique subit une déformation active, donc la déformation peut être appliquée tout au long du cycle de façon dynamique. Ainsi, dans un cycle complet, la pale peut avoir des formes différentes avec le bord de fuite qui pointe vers l'intérieur ou vers l'extérieur du cercle qui circonscrit la turbine avec des amplitudes différentes. Pour l'étude, le logiciel commercial StarCCM+ et les équations de Navier-Stokes moyennées (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes, URANS) sont utilisés en 2D afin de caractériser le comportement de la turbine pendant la rotation. Pour simuler le mouvement de déformation du profil aérodynamique, une technique de maillage superposé (overset mesh) est utilisée en conjonction avec une technique de krigeage (Radial Basis Function, RBF) pour déformer et déplacer le maillage en fonction de la déformation de la pale. Divers profils aérodynamiques, y compris des profils aérodynamiques non déformés, des profils aérodynamiques déformés statiquement et des profils aérodynamiques dynamiquement déformables, sont examinés et comparés en termes de leurs performances. Divers facteurs sont discutés tels que : le rapport de vitesse en bout de pale (tip-speed ratio), l'amplitude de déformation du profil aérodynamique et les périodes où les déformations sont appliquées. Les profils aérodynamiques déformables permettent d'augmenter l'efficacité de la turbine quel que soit le rapport de vitesse en bout de pale. Lorsque la turbine fonctionne à des rapports de vitesse non optimaux, les performances de la turbine sont améliorées de manière significative. Néanmoins, une augmentation de 3,55% est tout de même obtenue au rapport de vitesse optimal par rapport aux profils aérodynamiques non déformés. / This master's thesis focuses on improving the performance of vertical axis turbines. The proposed solution is to equip these turbines with deformable airfoils, which are capable of deforming at different azimuthal angles in order to achieve better efficiency. Two-thirds of the airfoil's chord is considered deformable, while one-third is considered undeformed at the leading edge. The airfoil undergoes active deformations such that the deformation can be applied and modified dynamically throughout the cycle. Thus, in one complete cycle, the airfoil may have different shapes with the trailing edge pointing inward or outward with different amplitudes. For the study, the commercial finite-volume software StarCCM+ is used and the 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) model is employed in order to characterize the turbine's behavior during rotation. An overset mesh technique is used in conjunction with radial basis function in order to deform and move the mesh with respect to the blade deformation. Various airfoils, including undeformed airfoils, morphed deformed airfoils, and dynamically deformable airfoils, are examined and compared with respect to their performance. Various factors such as the tip-speed ratio, airfoil amplitudes, and the periods where deformations are applied are discussed. Deformable airfoils can increase the efficiency of the turbine regardless of the tip speed ratio. When the turbine is operated at non-optimal tip speed ratios, the performance of the turbine is enhanced significantly. Nevertheless, an increase of 3.55% is still reported at the optimal tip speed ratio compared to undeformed airfoils.

Les hélices sont connues pour leur avantage significatif en termes de rendement propulsif. Ces avantages se traduisent directement par une réduction de la consommation de carburant de sorte qu’elles connaissent aujourd’hui un regain d’intérêt. Actuellement, les avancées récentes en simulations numériques rendent possible d’appliquer l’optimisation multidisciplinaire au cas exigeant du design de pales d’hélice transsonique. Pour ces raisons, une méthode d’optimisation est développée, dans laquelle les objectifs de performance aérodynamique, aéroacoustique et aéroélastique sont en concurrence. Cette méthode est appliquée au design de pales d’hélice à haute vitesse et à simple rotation. L’optimisation s’appuie sur l’Evolution Différentielle Multi-Objectifs (Multi-Objective Differential Evolution - MODE). Cette technique est une des formes d’algorithme évolutionnaire qui mimique l’évolution naturelle des populations par le concours de la sélection, de la recombinaison et de l’éventuelle mutation de formes de pales, chacune d’elles étant représentée par un vecteur de variables (corde, angle de flèche, etc. . .). MODE offre l’avantage de considérer tous les objectifs en concurrence lors de la sélection des designs prometteurs au sein d’une population. Afin de garder le coût computationnel dans des limites acceptables, l’évaluation des performances des designs proposés est faite par une approche à deux niveaux. Un meta-modèle fournit les estimations de performance pour chaque design à un coût computationnel extrêmement faible alors que des codes d’analyse à haute fidélité calculent les performances précises à un coût nettement plus élevé. Pour préserver la précision des estimations, le meta-modèle est initialement entraîné sur une population composée à cet effet. L’entraînement est ensuite répété de temps à autres avec les performances haute fidélité de designs prometteurs. Différents outils à haute fidélité ont été développés et utilisés dans ce cadre. L’outil CFD exécute la simulation RANS stationnaire d’un seul passage d’entrepales pour une hélice isolée sans angle d’attaque dans un écoulement libre. Ces simulations délivrent les valeurs de performance aérodynamique. L’hélice complète est modélisée grâce à des conditions aux limites cycliques. Le modèle de turbulence k - ε est utilisé en combinaison avec un traitement adapté près des murs. Des conditions adiabatiques et sans glissement sont imposées sur le carénage et la surface de la pale tandis que la limite radiale de la section d’essais reproduit les effets d’un champ de pression lointain. Cette approche a prouvé sa robustesse et, par-dessus tout, sa précision puisque une correspondance acceptable avec des résultats expérimentaux est obtenue pour différentes conditions d’utilisation et un large éventail de formes de pales. De plus, l’indépendance par rapport au maillage est satisfaisante. Lors de l’analyse a posteriori des résultats aérodynamiques, le Sound Pressure Level (SPL) est calculé par l’outil aéroacoustique (CHA) pour le bruit tonal en différentes positions. La formulation 1A de Farassat est utilisée à cette fin. Cette formulation découle de l’équation non-homogène d’onde dérivée de l’analogie acoustique de Lighthill par Ffowcs Williams et Hawkings (FW-H). Elle bénéficie du découplage partiel des aspects aérodynamiques et aéroacoustiques en plus d’être particulièrement adaptée pour le calcul du bruit d’hélice. Le bruit d’épaisseur et le bruit de charge sont exprimés par des termes séparés dans le domaine temporel tandis que les quadripôles de l’équation de FW-H sont négligés. La surface de la pale est utilisée comme surface d’intégration et une nouvelle technique de troncation a été développée et appliquée pour circonvenir la singularité mathématique qui apparaît lorsque des parties de la pale ont des conditions soniques en termes de cinématique par rapport à l’observateur. Cette approche délivre des résultats fiables à un coût acceptable. [...] / Open rotors are known to have significant advantages in terms of propulsive efficiency. These advantages translate directly in reduced fuel burn so that they nowadays benefit from a surge of interest. At the same time, recent advances in numerical simulations make the application of multidisciplinary optimization for the demanding design of transonic propeller blades, an affordable option. Therefore, an optimization method in which the performance objectives of aerodynamics, aeroacoustics and aeroelasticity compete against each other, is developed and applied for the design of high-speed single-rotation propellers. The optimization is based on Multi-Objective Differential Evolution (MODE).This technique is a particular kind of evolutionary algorithm that mimics the natural evolution of populations by relying on the selection, recombination and eventually mutation of blade designs, each of them being represented by a vector of design variables (e.g. chord width, tip sweep, etc). MODE has the advantage of dealing concurrently with all the objectives in the selection of potentially promising designs among a population. In order to keep the computational cost within reasonable margins, the assessment of the performance of proposed designs is done in a two-level approach. A metamodel provides performance estimates for each proposed design at extremely low computational effort while high-fidelity analysis codes provide accurate performance values on some promising designs at much higher cost. To safeguard the accuracy of the estimates, the metamodel is initially trained on a population that is specifically assembled for that purpose. The training is repeated from time to time with the high-fidelity performance values of promising designs. Different high-fidelity tools have been developed and used for the assessment of performance.The CFD-tool performs steady RANS simulations of a single blade passage of the isolated propeller in free air under zero angle of attack. These simulations provide the aerodynamic performance values. The full propeller is modelled thanks to cyclic boundary conditions. The k - ε turbulence model is used in combination with wall treatment. Adiabatic no-slip wall conditions are imposed on the spinner and blade surfaces whereas the test-section radial boundary is reproducing the effects of a pressure far-field. This approach has proven its robustness and, above all, its accuracy as satisfactory agreement with experimental results has been found for different operating conditions over a wide range of blade shapes, as well as sufficient grid independency. In the post-processing of the aerodynamic results, the Sound Pressure Level (SPL)is computed for tonal noise at various observer locations by the aeroacoustic solver(CHA). Formulation 1A from Farassat is used for this purpose. This formulation is related to the inhomogeneous wave equation derived from Lighthill’s acoustic analogy by Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H). It benefits from the partial decoupling of the acoustic and aerodynamic aspects and is particularly suited to compute the noise from propellers. The thickness noise and loading noise are expressed by separate equations in the time-domain whereas the quadrupole source term is dropped from the original FW-H equation. The blade surface is chosen as integration surface and a newly developed truncation technique is applied to circumvent the mathematical singularity arising when parts of the blade reach sonic conditions in terms of kinematics with respect to the observer. This approach delivers accurate values at acceptable computational cost. Besides, CSM-computations make use of a finite elements solver to compute the total mass of the blade as well as the stresses resulting from the centrifugal and aerodynamic forces. Considering the numerous possibilities to tailor the blade structure so that it properly takes on the stresses, only a simplified blade model is implemented. [...]

Dans le cadre de la certification de ses moteurs d'hélicoptères, Safran Helicopter Engines réalise des essais en fonctionnement lors desquels les réponses vibratoires de turbomachines (compresseurs et turbines) sont mesurées. Les réponses vibratoires contiennent des modes (ou raies spectrales) dont les fréquences et amplitudes doivent être caractérisées. Les mesures sont réalisées par la technologie tip-timing qui permet d'observer les vibrations de toutes les pales d'un aubage en rotation.Cependant, la technologie tip-timing présente deux spécificités importantes. Premièrement, l'échantillonnage des signaux de vibrations est irrégulier quasi-périodique. Deuxièmement, l'ordre de grandeur des fréquences de vibration est généralement supérieur à la fréquence d'échantillonnage équivalente. Ces deux caractéristiques donnent lieu à des artefacts des composantes fréquentielles sur les spectres des signaux de vibrations. Ceux-ci gênent alors fortement l'identification du contenu spectral et perturbent donc l'interprétation du comportement vibratoire des pales.La nouvelle méthode d'analyse spectrale proposée s'appuie sur une modélisation parcimonieuse des signaux tip-timing et prend en compte les variations de la fréquence de rotation. L'analyse spectrale des signaux est alors réalisée par la minimisation d'un critère des moindres carrés linéaires régularisé par une pénalisation de "norme-l0" par l'algorithme Block-OMP.À l'aide de résultats numériques sur signaux synthétiques, il est démontré que cette méthode fournit de bonnes performances d'estimations des composantes spectrales et réalise une réduction importante de leurs artefacts. La prise en compte des variations de la fréquence de rotation permet en effet de tirer profit de l'utilisation de longues durées d'observation afin de réduire significativement les artefacts des composantes fréquentielles contenus dans les spectres. Par ailleurs, avec des performances légèrement meilleures à celles de l'ESMV (méthode reconnue pour l'analyse spectrale des signaux tip-timing), la méthode proposée est environ cent fois plus rapide.Deux cas de données réelles sont étudiés. À travers une détection de crique de pale, le premier cas d'étude montre que la méthode proposée est pertinente et réalise des estimations comparables aux méthodes industrielles. Le second cas d'étude présente plusieurs vibrations synchrones et asynchrones simultanées. Cela met en avant la capacité de réduction des artefacts des composantes fréquentielles de la méthode développée afin de faciliter l'interprétation du contenu vibratoire complexe de ce signal.L'optimisation du placement des sondes tip-timing est également étudiée pour faciliter l'identification des composantes synchrones. À partir de résultats numériques, il est démontré qu'éloigner les capteurs améliore l'estimation des amplitudes ce type de composantes. / As part of the certification of its helicopter engines, Safran Helicopter Engines performs operational tests in which the vibrations responses of turbomachines (compressors and turbines) are measured. The vibratory responses contain modes (or spectral lines) whose frequencies and amplitudes must be characterized. The measurements are provided by the tip-timing technology which can observe the vibrations of all the blades while rotating.However, tip-timing technology has two important features. Firstly, the sampling of the vibrating signals is irregular quasi-periodic. Secondly, the vibrating frequencies are generally higher than the equivalent sampling frequency. These two characteristics generate frequency components artefacts onto the vibrating signals spectrum. As a consequence, they strongly hinder the identification of the spectral content and thus disturb the interpretation of the blades vibratory behaviour.The proposed new spectral analysis method relies on sparse modelling of the tip-timing signals and considers the variations of the rotational frequency. The spectral analysis of the signals is then performed by the minimization of a linear least squares criterion regularized by a penalty of "norm-l0" by the Block-OMP algorithm.Using numerical results from synthetic signals, it is shown that this method provides good spectral component estimation performances and achieves a significant reduction of their artefacts. Considering the variations of the rotational frequency allows to take advantage of the use of long observation periods in order to significantly reduce the frequency components artefacts contained in the spectrum. In addition, with slightly better performances than the ESMV (acknowledged method for the tip-timing signals spectral analysis), the proposed method is about a hundred times faster.Two cases of real data are studied. Through a detection of a blade crack, the first studied case shows that the proposed method is relevant and makes equivalent estimates with respect to industrial methods. The second studied case presents several simultaneous synchronous and asynchronous vibrations. That highlights the ability to reduce the frequency components artefacts of the developed method in order to simplify the interpretation of the complex vibratory content of this signal.The optimization of the positioning of the tip-timing probes is also studied in order to simplify the identification of synchronous components. From numerical results, it is demonstrated that moving away the probes improves the amplitudes estimation of this type of components.

L'étude développée dans cette thèse concerne le contrôle des performances et des lâchers tourbillonnaires au cours du cycle de rotation d'une hydrolienne à axe vertical de type Darrieus. L'élaboration d'une famille de lois de commande d'incidence de pales exploitant le principe de conservation de la circulation autour de profils en mouvement permet ici le contrôle du fonctionnement de l'hydrolienne ainsi que la maîtrise de son sillage tourbillonnaire afin de préserver l'environnement.L'écoulement 2D est simulé à l'aide du solveur incompressible de Star CCM+ afin de mettre en évidence l'effet de ce type de contrôle sur le rendement de la turbine pour différents points de fonctionnement. Ce modèle CFD a été utilisé pour améliorer l'analyse analytique en ce qui concerne l'extraction de l'énergie, la compréhension de l'écoulement autour de l'hydrolienne et le contrôle des tourbillons générés. La nouveauté de cette étude est l'élaboration de lois de commande de pales d'hydrolienne, basées sur des valeurs constantes et transitoires de la circulation, afin d'augmenter la puissance de la turbine tout en garantissant un contrôle efficace de la vorticité et ainsi prévenir de l'interaction entre les tourbillons et les pales. Une bonne comparaison est réalisée entre les résultats analytiques et numériques concernant les forces hydrodynamiques.En outre, une campagne d'essais a été menée afin d'acquérir des mesures quantitatives sur une hydrolienne de type Darrieus à pales fixes en terme de puissance, mais aussi des résultats qualitatifs pertinents comme la visualisation de l'écoulement autour des pales à différentes positions et pour différents points de fonctionnement. La mise en place complète d'un système PTV pour les mesures qualitatives et les étapes de traitement sont discutées et les divers paramètres obtenus à partir des études CFD sont validées en utilisant ces résultats PIV.L'étude expérimentale dans la présente recherche appo11e des informations détaillées sur les gradients de pression et de vitesse, les contours de vorticité et le critère Q qui ont servi à valider les visualisations obtenues numériquement. / With key applications in marine renewable energy. the vertical axis water turbine can use current or tidal energy in an eco-friendly manner. However, it is difficult to reconcile optimal performance of hydrokinetic turbines and compliance wilh the aquatic environment as the main drawback of the turbines is the formation of non-linear flow structures caused by the unsteady movement of the blades. Eddies in the flow are advected and can interact with other blades, which leads to a reduction in power output. To limit this phenomenon, the turbines operate at high speeds, which are likely to reduce the shaft power. High speeds of rotational so forbid the passage of aquatic animais, and are the cause of a suction effect on the sediments.The objective of this thesis work is twofold. First, it aims to develop a blade pitch control to get the flow adjusted around the blade profile at any given flow configuration by incorporatin.g the profile's motion with respect to incident flow. Such a system intends to achieve the objective of operating at reduced speeds without vortical releases, which should allow achieving a high torque without causing damage to the environment.This thesis work is mainly carried out in three phases. ln the first phase, the irrotational flow over an arbitrary profile is formulated using conforma] mapping. Prospective potential flow application on the basis of Couchet theory (1976) is involved in the development of a control law that decides the blade pitching in a constant circulation framework. In the second phase, a numerical validation of the developed analytical work is presented using CFD to examine how the theoretical fomulation can be effectively applied to Darricus turbines. In the final phase, two prototypes are developed, one is classical Darrieus turbine with fixed blades, and other is the turbine with pitching blades for experimental measurements of performance as well as flow fields(by PIV) in order to validate the computational results.

Cette thèse concerne l’aérodynamique de pales d'extrémité transsonique. Ces pales sont conçues pour maximiser le rendement en croisière, tout en générant la traction requise au décollage. Elles ont des profils fins et peu cambrés, travaillant à forte incidence au décollage, ce qui peut entraîner l’apparition d’un tourbillon de bord d’attaque (TBA). Or ce TBA présente des similitudes avec les tourbillons d’apex d’aile Delta, connus pour leur capacité à générer de la portance tourbillonnaire.Cette étude consiste à examiner l’intérêt du TBA pour les performances aérodynamiques.La démarche a consisté dans un premier temps à caractériser la topologie du TBA sur une maquette représentative d’une pale d’ Open Rotor, à l'aide d'essais PIV résolus en temps et de calculs RANS k-omega SST, et à évaluer la capacité de la simulation RANS à reproduire les caractéristiques d’intérêt pour cette étude. Un algorithme a été développé afin d'estimer la contribution de ce TBA à la portance à partir du champ de pression pariétal RANS.Afin d'expliciter l'influence des paramètres géométriques et de fonctionnement de la pale sur la portance tourbillonnaire, un modèle 1D de la portance tourbillonnaire a été développé puis couplé à la méthode de l'élément de pale.Les premières comparaison de géométries à iso-traction ont montré que la portance tourbillonnaire permet de générer la traction requise au décollage avec une surface alaire plus faible. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de géométries avec un meilleur rendement en croisière. / This thesis deals with the aerodynamic properties of propeller blades. Those blades are designed to maximise cruise efficiency, while achieving the target thrust at take-off. Their thin, low-cambered profiles must work at high incidence at take-off, which may give rise to a leading-edge vortex (LEV).The topology of this LEV looks similar to Delta wing LEVs, which are known to generate vortex lift.the aim of this study is to explore the probable impact of the LEV on lift at take-off in order to reconsider propeller blade designs. The approach first consisted in caracterising the LEV topology on a model blade representative of an Open Rotor front blade, using both Time-Resolved PIV and RANS k-omega SST calculations. The comparison between both methods demonstrated the ability of RANS calculations to reproduce the LEV characteristics of interest to this study.Then, the LEV contribution to lift was evaluated thanks to an algorithm developed to estimate vortex lift contribution from RANS wall pressure fields.In order to explicit the influence of the blade's geometrical and functioning parameters on vortex lift, a 1D vortex lift model was developed and coupled to the Blade Element Momentum Theory.The first blade geometry comparative studies at iso-thrust showed that vortex lift enables to generate target thrust at take-off with a lower blade surface. This opens new perspectives for the design of blade geometries with enhanced cruise efficiency.

Cette thèse vise à étudier les effets de la transition laminaire - turbulent et du contrôle actif de l’angle de calage des pales sur les performances de l’hydrolienne à axe transverse SHIVA (Système Hydrolien Intelligent à Variation d’Angle) développée à l’institut de Recherche de l’Ecole-Navale (IRENav). L’écoulement transitionnel autour d’un hydrofoil est, d’abord étudié en comparant des résultats expérimentaux et numériques. Les résultats expérimentaux ont été obtenus dans le tunnel hydrodynamique de l’IRENav. La transition s’effectue par un mécanisme de bulbe de séparation laminaire. Les comparaisons sont fondées sur l’analyse locale des pressions, des profils de vitesse dans la zone du bulbe de séparation laminaire et sur l’analyse des portances, traînées et moments mesurés sur un profil fixe et en mouvement de tangage forcé. Des calculs RANS 2D, avec et sans modèle de transition (ɣ— Reo), RANS 3D et LES 2.5D ont été menés afin de comparer les approches et évaluer la précision des simulations. L’étude montre que le modèle de transition ɣ — Reo améliore nettement les résultats obtenus par rapport à un modèle tout turbulent (k — w SST) dans le cas d’un écoulement transitionnel. L’influence de la transition laminaire - turbulent sur les performances de la turbine SHIVA est ensuite étudiée en comparant les résultats de calculs effectués avec et sans modèle de transition. L’approche est bidimensionnelle. L’utilisation du modèle de transition est intéressante au paramètre d’avance ʎ = 2 pour lequel les pales subissent un décrochage dynamique important. Le développement du tourbillon de bord d’attaque, favorisé par le modèle de transition, permet en effet une meilleure prédiction du décrochage. Les valeurs de ʎ supérieures sont moins concluantes du fait de la prédiction d’une tramée trop faible par le modèle de transition. Enfin, l’influence du contrôle actif du calage des pales sur les performances de la turbine est étudiée au point de fonctionnement optimal de la turbine ʎ = 3. Des lois de calage avancées sont développées, permettant d’agir indépendamment sur la moitié amont ou aval de la turbine. La meilleure loi testée permet une augmentation du coefficient de puissance de 34% tout en lissant la répartition du couple. / This work studies the laminar-turbulent transition and the pitch control effects on the performances of a vertical axis tidal turbine (SHIVA) developed at the French naval academy research institute. Firstly, experimental and numerical results are compared to study the transitional flow around a hydrofoil. The experiments were carried out in the hydrodynamic tunnel of the French naval academy research institute and the laminar-turbulent transition was triggered by a laminar separation bubble mechanism. Comparisons are based on the local analysis of pressure data and velocity profiles in the vicinity of the laminar separation bubble. Lift, drag and moment coefficients measured on a fixed hydrofoil and on a hydrofoil undergoing a pitching movement are also used for comparison. 2D RANS calculations carried out with or without a transition modal (ɣ — Reo), 3D RANS calculations and 2.5D LES calculations were run so as to assess the accuracy of each type of simulation. This study shows that the ‘y Reo transition modal clearly improves the accuracy of the results compared to a fully turbulent turbulence model (k— w SST) when considering a transitional flow. The influence of the laminar-turbulent transition on the performance of the SHIVA turbine is then studied. Results of 2D calculations run with and without transition model are compared. The use of the transition modal is relevant at the tip speed ratio value ʎ = 2 for which the blades undergo dynamic stall. The transition modal leads to a better prediction of the leading edge vortex development and then allows a better prediction of the dynamic stall. The use of the transition model at higher ʎ values is less relevant since the transition modal appears to predict a drag too low. Finally, the effect of the pitch control on the SHIVA turbine performance is .studied at ʎ = 3, for which the power coefficient is the highest. Advanced pitching laws are developed to modify the blades’ angle of attack independently on the upstream and downstream halves of the turbine. The best pitching law tested in this study leads to an improvement of the power coefficient by 34% and smooths the torque distribution.

L'optimisation des rotors d'hélicoptère, tant en termes de forme, de structure interne, ou de performance aérodynamique conduit à explorer de nouveaux types de design pour les pales. L'emploi massif de matériaux composites, le recours à des formes courbes et non plus simplement droites ou encore l'ajustement du vrillage aérodynamique font partie des pistes explorées. Ces nouveaux concepts de pales font apparaitre des comportements élastiques complexes où la torsion, la flexion et l'allongement axial viennent se coupler entre eux. L'étude de ces couplages est réalisée dans le repère tournant afin de pouvoir y intégrer tous les effets inhérents à la rotation des pales. Un élément fini de poutre droite non-linéaire et haute précision est formulé dans ce mémoire afin de répondre aux besoins de modélisation tant pour la prédiction des déformations quasi-statiques sous charge aérodynamique et centrifuge que pour la réalisation d'études dynamiques et de stabilité sur les pales. Le modèle a pour but d'être implémenté dans un code de calcul global de simulation d'hélicoptère et se doit donc de proposer un compromis acceptable entre la précision, la robustesse et le temps de calcul. La validation du modèle proposé s'appuie sur des études analytiques, numériques et expérimentales. La grande précision de l'élément fini proposé est démontrée sur des pales de dernière génération. Il est maintenant attendu que le couplage de ce modèle élastique avec les modèles aérodynamiques les plus avancés permette d'améliorer sensiblement la précision des outils de simulation, en particulier lors de l'étude de phénomènes instables dont la maitrise est indispensable au vol de l'hélicoptère. / Structural, shape and performances optimization in helicopter rotor leads to design composite blades initially curved and twisted. This design yields a highly coupled behavior between torsion, longitudinal and bending motions of blades. Besides, dynamic studies of blades have to be performed in the rotational frame, so that all rotatory effects could be siezed by the modeling. A highly accurate non-linear straight beam finite element is proposed to predict the static deformation under aerodynamic and centrifugal loads and achieve dynamic and stability analysis. This elastic model is to be implemented in a comprehensive rotorcraft analysis code, which means accuracy, reliability and calculation time compromise. Model validation is based on analytical, numerical and experimental investigations. The developed model reveals to be very accurate for new blade design including important twist angle and initially curved shape. It is expected to improve prediction quality for full helicopter simulation tools, undergoing strong coupling with advanced aerodynamic model

Lors de la phase de certification d’un turbomoteur, le motoriste doit démontrer que la perte d’une pale de rotor ne conduit pas au "Knocking-Off", c’est à dire à la rupture en cascade des pales suiveuses. Cette démonstration est faite en général par un essai au banc coûteux car partiellement destructif. Grâce à l’amélioration des moyens de calcul, il devient possible de simuler la réponse transitoire de la structure soumise à ce type de chargement très complexe. En tant que point d’entrée sur la simulation, la connaissance du comportement des matériaux est primordiale. Or, peu d’études sont publiées sur le comportement dynamique des superalliages à base nickel monocristallins et, de surcroît, à des températures élevées de l’ordre de 1000°C. Pour prédire efficacement les conséquences d’impacts sur des pales de turbines, des travaux expérimentaux et numériques ont été réalisés sur un monocristal couramment utilisé par Turbomeca. Des essais de compression dynamique à haute température sur barres de Hopkinson permettent d’estimer le seuil de plasticité et l’écrouissage du matériau en fonction de l’orientation du cristal, de la vitesse de déformation et de la température. Les paramètres d’une loi visco-plastique anisotrope sont identifiés pour modéliser efficacement le comportement macroscopique du MC2 sous des chargements intenses et fortement multi-axiaux. Une campagne d’essais balistiques au banc de Safran Snecma a été réalisée sur des plaques et des pales monocristallines à hautes températures. Afin de prendre en compte la fragmentation des profils dans les calculs de perte de pale, un critère en déformation plastique dépendante du taux de triaxialité des contraintes est calibré puis validé par confrontation aux essais de tirs sur plaques. Des mesures de stéréo-corrélation postmortem et des enregistrements à la caméra rapide permettent de valider les simulations. Une pratique de modélisation de la perte d’une pale avec l’outil LS-Dyna a été établie et appliquée à un cas industriel de perte de pale en service. Enfin, en vue de justifier le découplage temporel entre les dommages primaires, liés aux impacts directs sur les premières pales suiveuses, et secondaires, liés aux effets de l’excentration, une approche de dynamique d’ensemble de ligne d’arbre a été développée puis validée. / During the certification process of a turbo engine, the engine manufacturer has to demonstrate that the loss of a rotor blade does not lead to the "knocking-off" phenomenon, in other words to the cascading failure of the successive blades. Generally, this demonstration is carried out through a costly rig test driving to the partial destruction of the engine. Thanks to the improvement of computational resources, it is now possible to simulate the transient response of the structure subjected to this complex loading. The knowledge of material behavior turns out to be the essential starting point for the simulation. However, only a few studies have been published on the dynamic behavior of nickel-based single crystal superalloys at high temperature reaching 1000°C. With a view to efficiently predicting the consequences of impacts on turbine blades, experimental and numerical works have been conducted on a single crystal frequently used by Turbomeca. High-temperature dynamic compressive tests on Split Hopkinson Pressure Bars (SHPB) have enabled to estimate the material plasticity level and hardening, depending on the crystal orientation, strain rate and temperature. The parameters of a viscoplastic anisotropic law have been identified to effectively model the MC2 macroscopic behavior under highly intense and multiaxial loading. At Safran Snecma Villaroche, ballistic tests have been undertaken on both single crystal plates and blades under high temperatures. In order to consider the fragmentation of profiles in blade-off simulations, a plastic strain criterion depending on stress triaxiality has been calibrated and validated by comparison with the impacts on blades. Post-mortem digital images correlation measurements and high-speed camera recordings have confirmed these simulations. Using LS-Dyna solver, a blade-off modeling strategy has been created and applied to an actual blade-off industrial case. Finally, a rotordynamics approach has been developed and validated with the aim of separately analyzing the primary damage, caused by direct impacts on the first following blades, and the secondary damage due to the effects of unbalance on a flexible rotor.