Le bruit à large bande constitue aujourd'hui une part importante, parfois dominante, du bruit généré par certains ventilateurs à basse vitesse ou soufflantes de turbomachines. Ce travail de thèse propose une approche hybride combinant les méthodes analytiques avec le post-traitement de simulations des équations moyennées de la mécanique des fluides.Une synthèse bibliographique du bruit à large bande généré par les profils d'aile est effectuée. Les modèles analytiques développés par Amiet pour le bruit d'impact de turbulence et le bruit de bord de fuite sont présentés, et des extensions en sont également proposées. Dans une seconde partie, les pales d'un ventilateur axial à basse vitesse sont instrumentées, afin de mesurer la statistique de pression en paroi. Le modèle analytique du bruit de bord de fuite est ici étendu au cas d'une pale de ventilateur puis validé par comparaison de la pression acoustique mesurée en chambre anéchoïque avec le modèle. Une extension est ensuite proposée pour appliquer, à titre prospectif, cette formulation en champ libre au calcul de la puissance acoustique d'une soufflante de turbomachines. Dans un contexte industriel, les informations disponibles sur l'écoulement autour d'un ventilateur ne sont que les données moyennes, issues d'une simulation des équations moyennées de Navier-Stokes (RANS). Dans des cas simples, des modèles semi-empiriques permettent d'en déduire le spectre des fluctuations de pression en paroi. En revanche, ils ne peuvent pas être appliqués à un écoulement soumis à un gradient de pression positif. Une augmentation du niveau spectral dans ce cas est observée et un nouveau modèle empirique est proposé.

La décomposition fonctionnelle dans les équations de Navier-Stokes est un artifice mathématique tirant profit du fait que les échelles des phénomènes associés respectivement à la propagation de la houle et à l'évolution du champ diffracté (et radié) par un corps sont nettement distinctes. Les inconnues principales du problème sont divisées en une partie incidente représentant la propagation de la houle et une partie diffractée représentant la perturbation due à la présence du corps flottant ou immergé. Cette décomposition est alors introduite dans les équations de Navier-Stokes moyennées au sens de Reynolds. Les termes incidents sont obtenus explicitement par un modèle de houle incidente en théorie potentielle non-linéaire (plus précisément par une méthode spectrale) et les termes diffractés sont déterminés par la résolution des équations RANS ainsi modifiées. La génération de la houle incidente étant réalisée par un modèle en théorie potentielle, le temps de calcul associé est très faible, la qualité de la propagation est optimale et la gamme de houles envisageables est très importante. Cet avantage est combiné à une résolution globale de l'écoulement qui reste néanmoins sous l'hypothèse du fluide visqueux. Ce travail de thèse constitue une contribution au développement de la méthode SWENSE (Spectral Wave Explicit Navier-Stokes Equations) et propose plusieurs cas de validation en houle régulière aussi bien qu'en houle irrégulière. Les limitations de la méthode sous sa forme actuelle, en particulier la problématique liée à la gestion du déferlement, sont discutées et des réponses pour y faire face sont suggérées.

L'objectif de cette thèse sur la modélisation des décanteurs automobiles est de mettre au point un outil de simulation numérique permettant de se substituer à un banc organe pour déterminer l'efficacité des décanteurs à l'étape de conception. Après avoir étudié la composition du blow-by sur banc moteur et cela pour différents points de fonctionnement du moteur, nous avons pu comparer la pertinence des différents outils de mesure granulométrique choisis (PCS, ELPI, TEOM) en fonction du spectre granulométrique émis par le moteur. Le PCS a été retenu comme l'outil le plus adéquat en fonction des tailles de gouttes sur lesquelles nous souhaitions avoir des informations. En parallèle, nous avons mené des investigations pour mettre au point une méthodologie de calcul permettant de simuler l'efficacité du décanteur. Le suivi des particules d'huile s'effectue grâce à une simulation lagrangienne. Les forces à prendre en compte ont été déterminées grâce à des expériences numériques simples permettant de verifier si les différentes expressions de ces forces trouvées dans la littérature étaient compatibles des conditions de calculs rencontrées dans les décanteurs. Une autre question soulevée par l'utilisation d'une modélisation lagrangienne dans la littérature, est celle de la prise en compte ou non de la dispersion turbulente. L'étude proposée dans cette thèse nous a permis de montrer que l'implémentation d'un modèle de dispersion turbulente rudimentaire ne permet pas d'obtenir des résultats satisfaisants. La faisabilité de la mise au point d'une méthodologie de calcul fiable de l'efficacité du décanteur repose finalement sur la modification du type de maillage utilisé ainsi que le traitement du calcul de l'écoulement à la paroi. Nous avons montré dans cette thèse que la mise en place d'un maillage raffiné aux parois reposant sur des prismes avec un Y+ =1, associé à une loi de parois à deux couches permettait d'obtenir des résultats satisfaisants en terme de prédiction de l'efficacité du décanteur.

The present study considers the numerical simulation of the different flow characteristics involved in the conjugate heat transfer analysis of an internally cooled gas turbine blade. Conjugate simulations require full coupling of convective heat transfer in fluid regions to the heat diffusion in solid regions. Therefore, accurate prediction of heat transfer quantities on both external and internal surfaces has the uppermost importance and highly connected with the performance of the employed turbulence models. The complex flow on both surfaces of the internally cooled turbine blades is caused from the boundary layer laminar-to-turbulence transition, shock wave interaction with boundary layer, high streamline curvature and sequential flow separation. In order to discover the performances of different turbulence models on these flow types, analyses have been conducted on five different experimental studies each concerned with different flow and heat transfer characteristics. Each experimental study has been examined with four different turbulence models available in the commercial software (ANSYS FLUENT13.0) to decide most suitable RANS-based turbulence model. The Realizable k-&epsilon / model, Shear Stress Transport k-&omega / model, Reynolds Stress Model and V2-f model, which became increasingly popular during the last few years, have been used at the numerical simulations. According to conducted analyses, despite a few unreasonable predictions, in the majority of the numerical simulations, V2-f model outperforms other first-order turbulence models (Realizable k-&epsilon / and Shear Stress Transport k-&omega / ) in terms of accuracy and Reynolds Stress Model in terms of convergence.

Axial compressors are used in a wide variety of aerodynamic applications and are one of the most important components in aero-engines. The operability of compressors is however limited at low-mass flow rates by fluid dynamic instabilities such as stall and surge. These instabilities can lead to engine failure and loss of engine power which can compromise the aircraft safety and reliability. Therefore, a better understanding of how stall occurs and the causes behind its inception is extremely important. In the vicinity of the stall line, the flow field is inherently unsteady due to the interactions between adjacent rows of blades, formation of separation cells, and the viscous effects including shock-boundary layer interaction. Accurate modeling of these phenomena requires a proper set of stable and accurate boundary conditions at the rotorstator interface that conserve mass, momentum and energy, while eliminating false reflections. As a part of this effort, an existing 3D Navier-Stokes analysis for modeling single stage compressors has been modified to model multi-stage axial compressors and turbines. Several rotor-stator interface boundary conditions have been implemented. These have been evaluated for the first stage (a stator and a rotor) of the two stage fuel turbine on the space shuttle main engine (SSME). Their effectiveness in conserving global properties such as mass, momentum, and energy across the interface, while yielding good performance predictions has been evaluated. While all the methods gave satisfactory results, a characteristic based approach and an unsteady sliding mesh approach are found to work best. Accurate modeling of the formation of stall cells requires the use of advanced turbulence models. As a part of this effort, a new advanced turbulence model called Hybrid RANS/KES (HRKES) has been developed and implemented. This model solves Menter's k--SST model near walls and switches to a Kinetic Eddy Simulation (KES) model away from walls. The KES model solves directly for local turbulent kinetic energy and local turbulent length scales, alleviating the grid spacing dependency of the length scales found in other Detached Eddy Simulation (DES) and Hybrid RANS/LES (HRLES) models. Within the HRKES model, combinations of two different blending functions have been evaluated for blending the near wall model to the KES model. The use of realizability constraints to bound the KES model parameters has also been studied for several internal and external flows. The current methodology is used in the prediction of the performance map for the NASA Stage 35 compressor configuration as a representative of a modern compressor stage. The present approach is found to satisfactory predict the onset of stall. It is found that the rotor blade tip leakage vortex and its interaction with the shock wave is mainly the reason behind the stall inception in this compressor stage.

In this thesis we describe the development of Reynolds- averaged Navier Stokes code for the flow past two- dimensional configuration. Particularly, emphasis has been laid on the study of low Reynolds number airfoil aerodynamics. The thesis consists of five chapters covering the back ground history, problem formulation, method of solution and discussion of the results and conclusion. Chapter I deals with a detailed background history of low Reynolds number aerodynamics, problem associated with it, state of the art, its importance in practical applications in aircraft industries. Chapter II describes the mathematical model of the flow physics and various levels of approximations. Also it gives an account of complexity of the equations at low Reynolds number regarding flow separation, transition and reattachment. Chapter III describes method of solution, numerical algorithm developed, description of various upwind schemes, grid system, finite volume discrieti-zation of the governing equations described in Chapter II. Chapter IV describes the application of the newly developed Navier Stokes code for the test cases from GAMM Workshop proceedings. Also it describes validation of the code for Euler solutions, Blasius solution for the flow past flat plate and compressible Navier Stokes solution for the flow past NACA 0012 Airfoil at low Reynolds number. Chapter V describes the application of the Navier Stokes code for the more test cases of current practical interest . In this chapter laminar separation bubble characteristics are investigated in detail regarding formation, growth and shedding in an unsteady environment. Finally the conclusion is drawn regarding the robustness of the newly developed code in predicting the airfoil aerodynamic characteristics at low Reynolds number both in steady and unsteady environment. Lastly, suggestion for future work has been highlighted.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

Cette thèse, collaboration entre Michelin et l'ONERA, propose de mettre en œuvre des simulations instationnaires URANS grâce au code Navier-Stokes elsA de l'ONERA en vue d'analyser l'écoulement complexe 3D instationnaire se développant au voisinage des roues d'un véhicule et d'identifier les mécanismes à l'origine de la production de traînée. En effet, les roues (jantes et pneumatiques) constituent un nouvel axe de recherche prometteur en aérodynamique automobile car on estime de 20% à 40% la contribution des roues et passages de roues à la traînée totale. Cependant, leur optimisation nécessite en premier lieu une compréhension complète des phénomènes aérodynamiques mis en jeu. Les analyses spatio-temporelles menées sur roue isolée et sur véhicule pour trois types de pneumatiques (lisse, rugueux, avec sillons) apportent de nouveaux éléments de compréhension sur la physique de l'écoulement. Ce travail répond notamment aux limites principales des études précédentes grâce à la description de l'écoulement sur des géométries de référence incluant des pneumatiques déformés lisses et grâce à l'étude de l'instationnarité. Les analyses spatiales permettent de décrire l'organisation des structures tourbillonnaires sur roue isolée puis autour des roues avant et arrière d'un véhicule simplifié. Les analyses temporelles facilitent quant à elles la compréhension de la dynamique de l'écoulement par la mise en évidence de la génération des tourbillons et des mécanismes d'interaction avec la carrosserie. Des validations expérimentales sont effectuées à la fois sur roue isolée et sur véhicule en soufflerie. Enfin, l'utilisation de plusieurs types de pneumatiques démontre leur capacité à modifier les caractéristiques spatio-temporelles de l'ensemble de l'écoulement et à jouer ainsi sur la puissance dissipée par le véhicule via la traînée et le moment de rotation des roues.

The construction of compact high-order Residual Distribution schemes for the discretizationof steady multidimensional advection-diffusion problems on unstructuredgrids is presented. Linear and non-linear scheme are considered. A piecewise continuouspolynomial approximation of the solution is adopted and a gradient reconstructionprocedure is used in order to have a continuous representation of both thenumerical solution and its gradient. It is shown that the gradient must be reconstructedwith the same accuracy of the solution, otherwise the formal accuracy ofthe numerical scheme is lost in applications in which diffusive effects prevail overthe advective ones, and when advection and diffusion are equally important. Thenthe method is extended to systems of equations, with particular emphasis on theNavier-Stokes and RANS equations. The accuracy, efficiency, and robustness of theimplicit RD solver is demonstrated using a variety of challenging aerodynamic testproblems.

Cette thèse vise à une meilleure compréhension de la dynamique du voilier et à la validation des outils numériques de prédiction de performances et d'optimisation par l'étude expérimentale in situ du problème aéro-élastique d'un gréement. Une instrumentation est développée sur un voilier de 8m de type J80 pour la mesure dynamique des efforts dans le gréement, de la forme des voiles en navigation, du vent et des attitudes du bateau. Un effort particulier est apporté à la mesure des caractéristiques géométriques et mécaniques des éléments du gréement, la calibration des capteurs et au système d'acquisition des données. Les principaux résultats montrent que le voilier instrumenté est un outil adapté pour les mesures instationnaires et soulignent l'amplitude de variation d'effort rencontrée en mer (20 à 50% de l'effort moyen dans une houle modérée). En outre, les variations du signal d'effort sont déphasées avec l'angle d'assiette, créant un phénomène d'hystérésis. Le comportement dynamique d'un voilier en mouvement diffère ainsi de l'approche quasi-statique. Les simulations numériques proviennent du code ARAVANTI, couplage implicite d'un code structure éléments finis ARA et d'un code fluide parfait, limitant son domaine de validité aux allures de près Les résultats de simulation sont très proches des cas stationnaires et concordent bien avec les mesures en instationnaire dans une houle de face. L'expérimentation numérique d'un gréement soumis à des oscillations harmoniques en tangage souligne l'importance de l'approche Interaction Fluide Structure (IFS) et montre que l'énergie échangée par le système avec la houle est reliée à la fréquence réduite et l'amplitude du mouvement. Certaines informations n'étant pas disponibles sur le voilier instrumenté, une expérience contrôlée en laboratoire est développée. Elle consiste en un carré de tissu tenu par deux lattes en oscillation forcée. Les mesures sur cette " voile oscillante " permettent d'étudier les phénomènes IFS avec décollement et sont utilisées pour la validation du couplage ARA-ISIS entre un code fluide Navier-Stokes (RANS) et le même code structure.