Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 93 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 44 réf.

Th.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 65.

Un algorithme permettant d’estimer précisément les paramètres des tourbillons de sillage (positions et circulations) en utilisant les données spectrales fournies par un LIDAR a été développé. Il s’articule en 3 grandes étapes : La première permet de détecter la présence de tourbillon et d’en faire une localisation grossière grâce à la méthode des enveloppes de vitesses. La seconde étape a pour but d’affiner l’estimation des positions des tourbillons en utilisant une optimisation du critère des moindres carrés. Cette étape permet également de faire une première estimation de la circulation des tourbillons. La troisième et dernière étape se concentre sur l’estimation des circulations des tourbillons en maximisant le critère de vraisemblance. Les estimations sont de plus en plus fines et se concentrent au fur et à mesure sur les paramètres les plus critiques. La mise au point de cet algorithme a nécessité d’utiliser plusieurs modèles (LIDAR, tourbillons de sillage, atmosphère) et de formuler un certain nombre d’hypothèses et approximations simplificatrices afin d’atteindre un coût calculatoire raisonnable. L’algorithme proposé a ensuite fait l’objet d’une évaluation de performances, l’intérêt étant porté sur la robustesse par rapport aux différents bruits altérant la mesure, en particulier celui lié à la turbulence atmosphérique et par rapport aux erreurs de modèle. Cette évaluation a été menée à la fois sur des données simulées à l’aide de modèles paramétriques simplifiés, et sur des données de simulations aux grandes échelles.Les paramètres instrumentaux du LIDAR constituent de potentiels degrés de liberté pour améliorer les performances de l’estimateur, en particulier pour les grandeurs les plus critiques, c’est-à-dire les valeurs de circulation. Le calcul des performances de l’estimateur nécessitant un coût de calcul non négligeable, il se prête mal à des fins d’optimisation. C’est pourquoi une étude de l’influence des paramètres du LIDAR sur la Borne de Cramér-Rao (BCR) a été menée. Cette étude a permis de mieux comprendre l’influence des paramètres instrumentaux et d’aboutir à une configuration optimale pour la BCR. / An algorithm was developed to estimate precisely wake vortices parameters (positions and circulations) using spectral data provided by a LIDAR. It is articulated in 3 main stages: The first one allows to detect the presence of vortices and to make a rough localization thanks to the method of the velocity envelopes. The second step is to refine the estimation of vortex positions using an optimization of the least squares criterion. This step also permits to make an first estimation of the vortices circulation. The third and final step focuses on estimating vortex circulations by maximizing the likelihood criterion. Estimates are becoming finer and more focused on the most critical parameters. The development of this algorithm required the use of several models (LIDAR, wake vortices, atmosphere) and to formulate a number of simplifying assumptions in order to reach a reasonable computational cost. The proposed algorithm was then subjected to a performance evaluation, the interest being focused on the robustness with respect to the different noises altering the measurement, particularly the one related to the atmospheric turbulence, and with respect to the model errors. This evaluation was carried out both on simulated data using simplified parametric models, and on Large Eddy Simulations.The instrumental parameters of LIDAR are potential degrees of freedom to improve the performance of the estimator, in particular for the most critical quantities, that is to say the circulation values. The calculation of the performance of the estimator requiring a significant computational cost, it lends itself poorly for optimization purposes. This is why a study of the influence of the LIDAR parameters on the Cramér-Rao Bound (CRB) was carried out. This study allowed to understand the influence of the instrumental parameters and to reach an optimal configuration for the CRB.

Les études sur le Vortex Ring State ont récemment reçu un regain d'intérêt suite à la mise en place de trajectoires d'approche à forte pente pour les atterrissages en ville qui conduisent à des conditions de vol proches des frontières du VRS. Dans les années antérieures, les aspects numériques ont été étudiés grâce à des méthodes empiriques ou des modèles analytiques, et des expériences ont été effectuées dans le but de mieux comprendre la physique du phénomène. Dans cette étude, le code CFD elsA a été utilisé dans le but de résoudre les équations d'Euler. Un balayage en vitesse de descente verticale avec différents maillages a été réalisé afin d'étudier la capacité du solveur à capturer le Vortex Ring State. Dans un premier temps, la précision de la représentation de l'écoulement a été évalué en fonction d'hypothèses numériques (stratégies et précision des maillages, consistance en temps des simulations, ...) et physiques (périodicité de l'écoulement, cinématique du rotor, ...). Ceci permet d'extraire les options pour effectuer, dans un second temps, des simulations les plus représentatives possible de l'état de VRS afin d'étudier et de pouvoir décrire les mécanismes d'apparition et d'évolution de ce phénomène.

La thèse se décompose en deux parties. La première concerne l'utilisation du code de CFD atmosphérique Mercure Saturne pour estimer le potentiel éolien en terrain complexe. Une campagne de mesure a été menée par EDF pour disposer de données d'entrée et de validation. Une méthodologie a été développée utilisant des profils méso-échelle comme conditions limites du code CFD. Elle utilise la classification automatique pour réduire le nombre de simulations nécessaires au calcul du potentiel. La validation du code sur le cas connu de la colline d'Askervein, la méthodologie et les comparaisons avec les mesures sur le site complexe choisi sont présentées et discutées. La seconde partie concerne l'étude des sillages avec le code Mercure Saturne. Une méthode de représentation des efforts, exercés par les pales sur le vent, utilisant des termes sources a été implémentée. Ces derniers sont calculés par la méthode BEM. Deux comparaisons en soufflerie sont proposées pour la validation / This thesis is organized in two parts. The first part presents the use of the atmospheric CFD code Mercure Saturne to estimate the wind resource in complex terrain. A measurement campaign was led by EDF to obtain data for validation. A methodology was developed using meso-scale profiles as boundary conditions. Clustering of meteorological situations was used to reduce the number of simulations needed to calculate the wind resource. The validation of the code on the Askervein hill, the methodology and comparisons with measurements from the complex site are presented. The second part presents the modeling of wakes with the Mercure Saturne code. Forces, generated by the blades on the wind, are modeled by source terms, calculated by the BEM method. Two comparisons are proposed to validate the method : the first compares the numerical model with wind tunnel measurements from a small wind turbine, the second with measurements made on porous disks in an atmospheric boundary layer wind tunnel

Cette thèse est consacrée à l'étude des instabilités du sillage tourbillonnaire des rotors, largement utilisés dans l'industrie pour la conversion d'énergie mécanique. Leur sillage peut être modélisé par un ensemble de vortex hélicoïdaux entrelacés, au sein duquel de nombreuses instabilités peuvent émerger. Ces mécanismes ont un impact significatif sur l'évolution intermédiaire du sillage et peuvent influencer les performances du rotor. Ce travail, plus particulièrement dédié aux hélicoptères, s'est tout d'abord attaché à caractériser expérimentalement l'écoulement derrière trois rotors conçus pour des régimes de vols différents. Ces conditions de bases ont ensuite servi à étudier les différents modes instables de grande longueur d'onde pouvant apparaître dans le sillage. Une bonne correspondance est trouvée entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales des taux de croissance associés. Une rapide analyse de l'évolution spatio-temporelle de ces perturbations a permis d'étudier la propagation d'une perturbation localisée dans le plan rotor. Il est en effet envisagé que dans certaines configurations de vol de descente, les instabilités provoquent la transition du sillage vers un état spécifique connu sous le nom d'état d'anneau tourbillonnaire, potentiellement dangereux pour l'appareil. Il se caractérise par une stagnation du sillage au voisinage du plan rotor qui en dégrade les performances. / This work studies the instabilities associated with the wake of a rotor. These devices are used in many applications such as energy harvesting or propulsion,and their optimisation is crucial for both industry and the environment. The wakebehind a rotor is broadly defined as a system of interlaced helical vortices, whose dynamics governs the transition from the near-wake to the far-wake regime. In our first study, we investigate the wake behind different small-scale rotors in their design operating condition. We use the resulting flows in a subsequent linear stability analysis, aiming at predicting long-wavelength instability modes in the helical vortex. We find that the theoretical prediction of the modes growth-rates matches our experimental measurements. We also show that the dynamics of helical vortex filaments can be predicted from simple two-dimensional theory. In more critical flow configurations, instabilities are suspected to promote the transition to hazardous regimes such as the so called Vortex-Ring State, characterised by large-scale recirculating structures.The second part of this work is thus dedicated to the spatio-temporal evolution of localised perturbations in the rotor plane, and their potential tendency to propagate upstream in the flow.

Dans tout accélérateur de particules, l'injecteur est d'une importance cruciale car il détermine la plupart des caractéristiques du faisceau accéléré. Les accélérateurs laser plasma, basés sur l'interaction d'une impulsion laser ultra brève et ultra intense avec un plasma sous dense, ne dérogent pas à cette règle. Cependant, pour ces accélérateurs ultra compacts, l'injection est un véritable défi : pour obtenir une source de bonne qualité, il faut injecter un faisceau d'électrons ultra court synchronisé très précisément avec le laser. Dans cette thèse, la pertinence d'un injecteur optique, utilisant une deuxième impulsion laser, est démontrée expérimentalement. Cet injecteur permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mono-énergétiques de façon stable. De plus, cet injecteur permet de régler les paramètres du faisceau produit. Ainsi l'énergie, la charge et la dispersion en énergie du faisceau sont ajustables simplement, en changeant les paramètres de la deuxième impulsion laser. Ces contrôles supplémentaires permettent d'étudier précisément les phénomènes physiques ayant lieu lors de l'accélération du faisceau d'électrons. Ainsi, les effets de beam loading, liés à l'interaction du faisceau d'électrons avec le plasma, ont pu être mis en évidence et étudiés. L'optimisation de l'injecteur a permis d'obtenir les faisceaux d'électrons les plus fins spectralement mesurés à ce jour dans l'interaction laser plasma, avec des dispersions en énergie de l'ordre du pourcent.

Cette thèse de doctorat s'intègre dans le cadre des études tant expérimentales que théoriques sur la production et l'accélération de faisceaux de particules par interaction laser plasma en régime relativiste. Dans la première partie de ce mémoire, les différents mécanismes physiques à l'origine de la production de neutrons, d'électrons et de protons sont passés en revue et discutés. La deuxième partie s'intéresse à la production de neutrons par la réaction D(d,n)3He utilisée comme diagnostic de la température ionique d'un plasma sous dense. Lors de la production de faisceaux d'électrons à partir d'un faisceau laser ultra-court focalisé sur un jet de gaz, un nouveau régime d'accélération, le "sillage forcé", a été mis en évidence. Cette étude fait l'objet de la troisième partie. Il a été montré expérimentalement et théoriquement que l'utilisation d'un laser compact peut produire un faisceau d'électrons très énergétiques et de bonne qualité. La dernière partie est consacrée à la génération de faisceaux de protons avec une cible solide et mince à partir de la même chaîne laser. Pour chaque type de sources de particules, plusieurs applications sont discutées dans les domaines de la physique des accélérateurs, pour la physique médicale et pour la génération de rayonnement X par des processus secondaires.

L'objet de ce travail de thèse est l'étude en soufflerie du sillage lointain des éoliennes à axe horizontal. La complexité phénoménologique du sillage des éoliennes fait que les mécanismes le régissant sont généralement traités d'un point de vue stationnaire : les principaux paramètres (déficit de vitesse, production de turbulence...) sont alors moyennés dans le temps. Néanmoins, considérer les instationnarités du sillage d'une éolienne placée en écoulement atmosphérique permet d'observer un phénomène appelé meandering, traduisant un battement aléatoire du sillage. Ce travail est construit en deux grandes parties : la vision stationnaire et la vision instationnaire du sillage d'un modèle simplifié d'éolienne, basé sur le principe du disque de Froude, placé dans une couche limite atmosphérique (CLA) modélisée en soufflerie à l'échelle 1/400. La première partie est composée de plusieurs études paramétriques sur l'influence du point de fonctionnement d'une éolienne, sur sa hauteur de mât ou encore sur le type de CLA. Une éolienne en situation de dérapage fait également l'objet d'études paramétriques. Celles-ci visent à étudier le comportement du sillage dans différentes situations et il est alors montré les limites des lois empiriques présentes dans la littérature, concernant notamment l'influence de la turbulence ambiante. La seconde partie se focalise sur la vision instationnaire, jusqu'ici rarement considérée. En utilisant l'anémométrie par fil chaud, les résultats montrent le rôle des grandes échelles de la turbulence atmosphérique sur l'apparition du meandering. L'amplitude du battement et les dimensions du sillage instantané sont ensuite appréhendées de façon quantitative par mesures PIV, montrant l'influence du point de fonctionnement de l'éolienne et de l'intensité de turbulence ambiante.