La réduction de la trainée aérodynamique des véhicules terrestres est un défi actuel dans l’industrie automobile. La région de basse pression du sillage à l’arrière des voitures est responsable d’une part importante de la résistance à l’avancement. Cette étude porte sur le développement de nouvelles stratégies de manipulation de l’écoulement autour de ces géométries dans le but de réduire la traînée. Afin d’atteindre ces objectifs, nous explorons expérimentalement les effets d’un forçage fluidique sur le sillage et la traînée d’un corps au culot droit. Des jets périodiques émis aux bords de fuite du modèle, tangentiellement à l’écoulement principal et avec des fréquences et amplitudes variables sont utilisés pour forcer le sillage. Selon les conditions du contrôle, trois phénomènes sont principalement observés. Premièrement, sur la plage des fréquences comprenant celle du lâcher tourbillonnaire, les jets pulsés sont convectés et modifient l’entrainement de fluide vers la région de recirculation ainsi que l’évolution des instabilités de la couche cisaillée. Cette dynamique complexe a comme conséquence l’augmentation de la trainée du corps. De plus, une résonance subharmonique apparait quand les jets pulsés sont émis avec des fréquences voisines de deux fois la fréquence du mode global. Une importante augmentation de la trainée est alors mesurée et corrélée à une forte amplification des mouvements du sillage. Une augmentation de la fréquence de pulsation se traduit par un effet de vectorisation des couches cisaillées. En outre, une diminution de l’intensité turbulente du sillage proche ainsi qu’une réduction de l’entrainement de fluide le long des couches cisaillées sont mesurés, correspondant à une réduction globale de l’énergie cinétique turbulente de l’écoulement. Le couplage de ces effets est responsable d’une augmentation de la pression au culot et de la réduction de la traînée. Il est important de noter que ces trois régimes d’actuation sont indépendants des modes de brisure de symétrie existant dans ces écoulements, qui sont analysés ici par des études paramétriques de sensibilité aux perturbations. Les aspects physiques de ces phénomènes sont discutés par des mesures de la traînée, de la pression pariétale et de la vitesse avec différentes conditions de l’écoulement et du contrôle. L’addition d’une surface courbée au voisinage du jet pulsé permet de profiter d’un effet Coanda et augmente les réductions de traînée jusqu'à 20%dans le régime instationnaires. De façon générale, l’effet Coanda amplifie non seulement la récupération de la traînée mais préserve aussi les effets de la pulsation haute fréquence sur l’écoulement turbulent. Ces résultats encouragent le développent des actionneurs fluidique pour l’utilisation en aérodynamique des véhicules et fournissent un complément pour notre compréhension sur la traînée des corps non profilés et sa manipulation. / Aerodynamic drag reduction of bluff bodies has become a major challenge for transport vehicles. The massive flowseparation occurring behind cars, buses or trucks is responsible for a large resistance force due to the low-pressure, rearwake flow. The present study aims to develop novel strategies to manipulate the flow past such geometries as well as toassociate its modifications to the corresponding drag changes. In order to achieve this goal, we experimentally investigatethe impact of fluidic actuation on the wake and drag of a square-back bluff body. Wake forcing is performed by theemission of pulsed jets along the blunt trailing-edges of the model, tangentially to the main flow with variable frequencyand velocity. Depending on the forcing conditions, mainly three flow regimes can be identified. First, for a broadbandrange of frequencies comprising the natural wake instabilities, the convection of the jet structures enhances wakeentrainment, shortens the recirculating flow length with an increase of the bluff body drag. Besides, a subharmonicresonance takes place on the flow at forcing frequencies in the vicinity of twice the wake vortex shedding, leading to ahighly unsteady near wake with significant decrease of the bluff body base pressure. It corresponds to an importantincrease of the model’s drag. Further increase of the actuation frequency induces a wake fluidic boat-tailing by shearlayerdeviation. It additionally lowers turbulent intensity and entrainment of high momentum fluid in the shear layer,revealing an overall reduction of the wake fluctuating kinetic energy. The association of both mechanisms is responsiblefor a raise of base pressure and a decrease of the model's drag. These actuation regimes are independent of the symmetrybreaking modes, wake reversals existing in such flows, which are further clarified here by parametric sensitivity analysisusing flow perturbations. The physical features of such regimes are discussed on the basis of drag, pressure and velocitymeasurements at several upstream conditions and control parameters. By adding curved surfaces at the jet outlets totake advantage of the so-called Coanda effect, the effect of periodic actuation can be further reinforced leading to dragreductions of about 20 % in unsteady regime. In general, the unsteady Coanda blowing not only intensifies the basepressure recovery but also preserves the effect of unsteady high frequency forcing on the turbulent field. The presentresults encourage the development of fluidic control in road vehicles' aerodynamics as well as provide a complement toour current understanding of bluff body drag and its manipulation.

Ce mémoire de thèse porte sur le contrôle électromagnétique d'écoulement turbulent pariétal. <br /><br />Ce dernier a des applications navales prometteuses, comme la prévention de séparation d'écoulement et la réduction de traînée.<br /><br />Il porte principalement sur des simulations numériques directes de configuration de forçage dans une géométrie très académiques de canal plan.<br /><br />Des électrodes affleurant la paroi et des aimants placés sous la paroi composent les actionneurs électromagnétiques qui peuvent générer des forces de Lorentz.<br /><br />Il en résulte qu'un champ de forces volumiques locales agit directement au sein de la couche limite d'eau de mer.<br /><br />Une des originalités de cette étude vient du calcul des forces électromagnétiques à partir de la géométrie des électrodes et des aimants par une méthode analytique basée sur la conservation des flux magnétique et électrique.<br /><br />La présente étude se focalise principalement sur l'actionneur électromagnétique parallèle où les aimants et les électrodes sont parallèles entre eux.<br /><br />Cet actionneur, qui génère une force quasi-unidirectionnelle, peut aussi bien être aligné dans la direction transverse que longitudinale d'un écoulement turbulent en canal.<br /><br />L'objectif de ces travaux de recherche est la diminution de la puissance nécessaire à un contrôle actif pour réduire la traînée. <br /><br />Une grande diversité de simulations numériques directes a été réalisée dans le but d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes mis en oeuvre dans la réduction de traînée générée aussi bien par des forçages électromagnétiques transverses oscillants que longitudinaux propulsifs.

L'influence des propriétés de surfaces sur un écoulement liquide microscopique au voisinage d'une paroi a été mise en évidence au cours des dernières années. On entend ici par propriétés de surface l'affinité des solides avec les liquides mis en œuvre, caractérisée par l'angle de mouillage formé par une goutte liquide déposée sur la paroi solide. L'usage de surfaces superhydrophobes a permis notamment d'observer un glissement important du liquide sur la paroi solide pour des écoulements de microfluidique. On peut se demander si les propriétés de mouillage ont également une influence dans des situations hydrodynamiques de plus grande échelle, et c'est à cette problématique que l'on tente d'apporter des réponses dans cette thèse.<br>Dans un premier temps, des mesures de forces réalisées sur des solides immergés dans un écoulement montrent que l'application d'un revêtement superhydrophobe ne permet pas d'obtenir la réduction radicale espérée de la traînée hydrodynamique. Par la suite, nous nous intéressons à des situations d'impact solide-liquide, mettant en œuvre des lignes de contact triples : impacts de sphères solides sur une interface liquide-gaz, puis impacts d'un jet liquide sur des impacteurs solides, conduisant à la formation de cloches liquides. Nous mettons en évidence et rationalisons dans ces deux cas le couplage fort qui relie les propriétés des surfaces à l'hydrodynamique macroscopique.

Depuis la découverte des modes asymétriques dans le sillage d'un corps simplifié d'automobile, réminiscents d'une bifurcation à bas nombre de Reynolds, se posent des questions propres au développement aérodynamique des véhicules terrestres telles que l'influence du vent latéral, de l'assiette et du rétreint d'arrière-corps couramment utilisé en phase d'optimisation. Notre travail s'attache à répondre expérimentalement à ces questions pour des géométries simplifiées mais aussi réelles. Les essais sont réalisés en soufflerie industrielle à l'échelle 2/5 pour le corps académique et en pleine échelle pour les monospaces. Nous montrons que le désalignement du véhicule par rapport à l'écoulement incident n'a pour effet que de modifier l'orientation du mode asymétrique sans en changer l'intensité. Nous construisons un modèle simple prédisant non seulement cette orientation mais aussi les conséquences sur les efforts aérodynamiques transverses. La contribution de l'instabilité sur les coefficients aérodynamiques de portance ou d'effort latéral est de l'ordre de 0,02 indépendamment du vent de travers et de l'assiette du véhicule. Les rétreints d'arrière-corps affectent également la dynamique du sillage et son orientation, mais l'instabilité n'est jamais supprimée. Ces résultats sont retrouvés pour des véhicules réels de type monospace dont le sillage est donc également soumis au même mode asymétrique, révélé sans ambigüité par des expériences de sensibilité en assiette. Nos résultats indiquent que, pour tous les véhicules considérés, le mode asymétrique de sillage est systématiquement présent dans l'enveloppe de conduite. Le contrôle ou la suppression de ce mode devrait offrir de nouvelles perspectives d'optimisation des véhicules à culot droit de type monospaces ou SUV. / Since the recent discovery of asymmetric modes in the wake of a simplified vehicle geometry, reminiscent from a bifurcation at low Reynolds numbers, some questions related to the aerodynamic development of ground vehicles such as the influence of lateral wind, pitch and afterbody boat-tail classically used during shape optimization remain unanswered. Our work is devoted to assess those questions experimentally for simplified but also real geometries. The tests are conducted in an industrial wind-tunnel, at the 2/5-scale for the academic body and at the full scale for the minivans. We show that the vehicle's misalignment only modifies the asymmetric mode's orientation without affecting its intensity. We build a model predicting not only this orientation but also the consequences on the cross-flow aerodynamic loading. The contribution of the instability to the lift or side force coefficients is of the order of 0,02 independently of lateral wind or of the vehicle's pitch. Afterbody boat-tails also impact the wake dynamics and its orientation but the instability is never suppressed. These results are retrieved for real vehicles such as minivans, whose wake is then subjected to the same asymmetric mode as well, revealed unambiguously with pitch sensitivity experiments. Our results indicate that, for all considered vehicles, the asymmetric wake mode is systematically present in the driving envelope. The control or the suppression of this mode should offer new optimization's perspectives for blunt based vehicles such as minivans or SUVs.

Le lien entre la force fluide s'appliquant sur un obstacle et les structures cohérentes est évident ; il n'existe pourtant pas de relation quantitative entre chaque structure de l'écoulement et la force qu'elle produit. Nous étudions cette problématique selon deux grands axes : d'abord la définition d'une densité volumique d'effort, puis une définition des structures cohérentes adaptée à cette densité de force. Nous montrons que pour caractériser les structures cohérentes dans un domaine englobant un obstacle, la formulation utilisée ne doit pas faire apparaître de terme de pression et ne doit pas comporter d'information sur les contours du domaine. Nous étudions plus précisément deux formulations de la force et montrons que seule la formulation diffusive faisant intervenir une impulsion du laplacien de vorticité est adaptée à un calcul volumique des efforts. En appliquant cette formulation à un écoulement 2D autour d'un cylindre dans le régime de von Kármán, nous pouvons ensuite étudier les contributions à la force de deux parties de l'écoulement définies à partir du laplacien de vorticité : les couches de vorticité et la zone de recirculation, dans un domaine restreint autour du cylindre. Les couches de vorticité captent ainsi les effets visqueux, tandis que la zone de recirculation capte les effets de l'enroulement des couches limites en tourbillons. Il est intéressant de noter que la zone de recirculation n'englobe pas les tourbillons développés du sillage, l'influence de ces tourbillons étant en fait captée par la densité de force dans une petite zone en aval du cylindre. L'application 3D de la formulation diffusive nécessite une très bonne définition de la vorticité dans la zone proche paroi, et nous montrons que cette approche ne peut pas encore être facilement mise en oeuvre sur des géométries complexes avec les moyens numériques actuels.

Le contrôle électromagnétique d'écoulements en eau de mer permet de modifier l'écoulement à l'aide d'un champ de force de Lorentz-Laplace, produit par des actionneurs électromagnétiques affleurants à la paroi. Ces actionneurs sont constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, qui peuvent être associés en réseau et excités périodiquement, dans le temps et dans l'espace. Dans le cadre de ce travail, nous avons mené une étude expérimentale et numérique sur l'effet du forçage électromagnétique sur un écoulement initialement au repos et sur un écoulement en tunnel hydrodynamique. Les deux types d'actionneurs étudiés, normal et parallèle, ont montré que l'écoulement est largement modifié par le forçage, voire même qu'il résulte entièrement de celui-ci. Les résultats obtenus ont permis de caractériser ces modifications et démontrent, en particulier pour des écoulements initialement au repos, la grande sensibilité de la réponse de l'écoulement à la géométrie des actionneurs. Un ensemble de critères objectifs basés sur des bilans intégraux a été proposé. Celui-ci permet de fixer objectivement les échelles du forçage électromagnétique en terme de longueur, de temps, d'accélération et de vitesse, mais aussi celles de l'écoulement, comme la zone d'action et les bilans propulsifs locaux. Les résultats expérimentaux, obtenus à l'aide de techniques de visualisation et de vélocimétrie par image de particules, ont permis de valider les modèles analytiques utilisés pour le calcul du champ de forces. Cette validation repose sur l'excellent accord obtenu entre les simulations numériques et les expériences, pour les cas d'écoulements initialement au repos.

Le contrôle électromagnétique (CEM) d'écoulement en eau de mer permet d'appliquer directement au sein d'un écoulement des forces volumiques locales dans des régions choisies de celui-ci. Des actionneurs électromagnétiques (EM), constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, constituent un moyen original de forçage sur une couche limite d'eau de mer. Les forces électromagnétiques volumiques appliquées sont locales et leur rotationnel est une source directe de vorticité. Ces actionneurs peuvent être associés en réseau et activés périodiquement en espace et en temps. Des travaux précédents, Rossi L. et al. (2002), ont montré expérimentalement la possibilité d'altération, par forçage électromagnétique (EM), de structures cohérentes produites synthétiquement dans une couche limite laminaire. Dans la présente étude, une simulation numérique directe (SND) basée sur le code de Paulo Orlandi est entreprise, Orlandi P. (2000). La SND constitue un outil essentiel à l'identification des mécanismes actifs pour chaque schéma de contrôle envisagé. Le travail accompli porte en première étape sur le calcul d'une couche limite turbulente ordinaire non-actionnée. Le champ turbulent obtenu est d'une part comparé avec succès à ceux des travaux faisant référence, d'autre part il constitue le champ initial à un ensemble de simulations de forçage. Les résultats sont analysés sur les champs de vitesse calculés et sur l'identification des structures cohérentes présentes dans cette couche. La seconde étape consiste à imposer divers forçages électromagnétiques locaux à l'écoulement et à analyser la réponse de ce dernier à ces forçages.

Motivée par les contraintes économiques et les exigences environnementales, l'industrie du transport tente de réduire ses dépenses énergétiques. Elle concentre notamment ses efforts sur la traînée de frottement. Bien que d'origine visqueuse, celle-ci est fortement amplifiée par les mouvements turbulents. La capacité à manipuler les fluctuations turbulentes, complexes et chaotiques, offre alors des perspectives de gain énergétique substantiel, mais nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques. Parmi les stratégies de contrôle les plus prometteuses, l'utilisation de revêtements rainurés, nommés riblets, est étudiée dans ce mémoire. Bien que leur capacité de réduction de frottement soit connue depuis plusieurs décennies, les mécanismes par lesquels ils interagissent avec la turbulence restent à préciser. À ces fins, une méthode pour leur simulation numérique est mise au point. En redéfinissant la position de l'origine virtuelle, c'est-à-dire de la paroi plane équivalente, une forte similitude est établie entre les écoulements contrôlé et canonique. D'un point de vue applicatif, cela permet notamment de quantifier les performances de réduction de traînée atteignables à haut nombre de Reynolds. Enfin, le potentiel a priori prometteur des riblets tridimensionnels est exploré. En s'appuyant sur les rares résultats précurseurs de la littérature, il s'agit de proposer une géométrie industriellement réalisable optimale en termes de réduction de traînée. Pour chacune des géométries novatrices testées, les simulations révèlent avec finesse que les éventuels bénéfices sur le frottement sont systématiquement surpassés par l'influence délétère des efforts de pression. / Economical constrains and environmental requirements lead the transportation industry to progress towards energy expenditure reduction. Efforts are especially focused on the skin-friction drag. Friction drag, while due to viscosity, is greatly amplified by turbulent motions. The ability to manipulate the complex and chaotic near-wall turbulent fluctuations thus offers prospects for substantial energy saving, but also requires a solid understanding of the physical phenomena.Among the most promising control strategies, the present manuscript focuses on riblet-covered surfaces. Even though their drag-reducing capability has been observed from decades, the mechanisms by which they interact with the near-wall turbulent motions still need to be clarified. Towards these ends, a numerical method for ensuring their proper simulation is developed. The virtual origin—interpreted as the equivalent flat wall location—is redefined, which highlights a strong similarity between the controlled and the canonical flows. As a practical interest, this similarity enables an improved evaluation of the drag reduction capabilities achievable at high Reynolds numbers.Additionally, the promising potential for three-dimensional riblets is examined. Based on the scattered precursory results of the literature, we intend to come up with a design which demonstrates optimal drag reduction capabilities under the constraint of industrial feasibility. For each of the prospected innovative designs, the numerical simulations accurately reveal that the potential profit on skin-friction is consistently exceeded by the harmful influence of pressure stresses.

La déflection statique d'une structure flexible exposée à un écoulement transverse permet classiquement de réduire la traînée à laquelle elle est soumise. Dans le domaine de la biomécanique, la déformation induite par l'écoulement d'éléments végétaux flexibles conduisant à une réduction du chargement est désignée par le terme `reconfiguration' pour souligner le caractère avantageux de ce processus adaptatif. Dans cette thèse, nous examinons les mécanismes qui sous-tendent le processus de reconfiguration, dans des systèmes fluide-structure présentant une variabilité spatiale, ou de la dynamique provenant au choix de l'instationnarité de l'écoulement de base, d'un couplage fluide-structure conduisant à une instabilité, ou de vibrations induites par vortex. Nous montrons que l'aptitude des structures flexibles à réduire l'intensité du chargement imposé par l'écoulement est preservée en présence de non-uniformités ou de dynamique, à condition que le design de la structure soit tel que la traînée résistive domine les forces inertiels. Nous montrons de plus que la capacité à se déformer présente l'avantage supplémentaire de permettre la réduction des vibrations induites par vortex. Notre travail indique également que des structures légères et élancées sont les mieux adaptées pour supporter les chargements induits par l'écoulement en se reconfigurant, et que l'efficacité de la réduction du chargement par reconfiguration élastique dépend faiblement de la distribution spatiale des propriétés du système. Finalement, la réduction des chargements résulte toujours, indépendamment du régime de reconfiguration, de la concentration de la déformation sur une longueur caractéristique inférieure à la longueur réelle de la structure. / The static deflection of a flexible structure exposed to a transverse flow is classically known to reduce the drag it has to withstand. In the field of biomechanics, the flow-induced deformation of flexible plant elements leading to a reduction of the loads is referred to as `reconfiguration', in order to highlight the alleged benefits of such adaptive process. In this thesis, we investigate the mechanisms underpinning the reconfiguration in flow-structure systems featuring some spatial variability, or some dynamics arising either from the unsteadiness of the free-stream, from a flow-structure coupling leading to an instability, or from vortex-induced vibrations. We show that the ability of flexible structures to reduce the magnitude of the flow-induced loads is preserved in the presence of non-uniformities or dynamics, provided that the design of the structure is such that resistive drag dominates over inertial forces. We also show that the ability to deform has the added benefit of reducing the magnitude of the vortex-induced vibrations. Our work further indicates that light, slender structures are better suited to accommodate the flow-induced loads by reconfiguring, and that the efficiency of the process of load reduction by elastic reconfiguration is weakly sensitive to the spatial distribution of the system properties. Finally, regardless of the regime of reconfiguration, the reduction of the load always results from the concentration of the deformation on a characteristic bending length smaller than the actual length of the structure.

L’objectif de ce travail de thèse consiste à analyser les solutions de contrôle permettant de réduire la traînée aérodynamique et donc de diminuer la consommation d’un véhicule. Les véhicules ciblés dans cette étude sont ceux se rapprochant d’une géométrie à culot droit telles que les versions break, monospace, SUV, utilitaires, ou même les remorques de camions. Pour s’affranchir des variantes de style, ces travaux sont concentrés sur la géométrie académique du corps de Ahmed à culot droit. La vitesse de l’écoulement est de 30m/s afin de retrouver des caractéristiques d’un écoulement de sillage fortement turbulent, proche des vitesses d’un véhicule sur autoroute. Ce travail à dominante numérique se décompose en deux parties : la première a pour objectif de valider les résultats de calculs avec et sans solution de contrôle avec des mesures expérimentales identiques, la seconde d’explorer numériquement des configurations de contrôle mixant des solutions de jets périodiques et de déflecteurs agissant sur le sillage du corps de Ahmed à culot droit. Les solutions les plus efficaces apportent des réductions de la traînée de l’ordre de 10%. / This present work is focused on the analysis of control solutions that reduce the aerodynamic drag and therefore the fuel consumption of vehicles. The selected vehicle geometries are closed to a bluff body such as Estate, van, SUV, commercial vehicles or even truck trailers. This work is then focused on the academic geometry of Ahmed body with square back in order to avoid style diversity. The reference velocity flow is equal to 30m/s, which is closed to a vehicle speed on a highway, and induces a highly turbulent wake flow. This work mainly numerical is divided in two parts. The first one is dedicated to the validation of the numerical model with experimental wind tunnel measurements. The second part looks for numerical configurations of flow control solution, mixing periodic jet and deflector both acting on the wake. Most effective solutions lead to drag reduction of about 10%.