La compréhension de l'aérothermique d'un véhicule durant sa phase de développement est une question essentielle afin d'assurer, d'une part, un bon refroidissement et une bonne efficacité de ses composants et d'autre part de réduire la force de traînée et évidement le rejet des gaz à effet de serre ou la consommation d'essence. Cette thèse porte sur la simulation numérique et la validation expérimentale de l'aérothermique d'un véhicule à trois roues dont deux, en avant et une roue motrice en arrière. La simulation numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie en utilisant l'approche RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes). Le rayonnement thermique est modélisé grâce à la méthode S2S (Surface to Surface) qui suppose que le milieu séparant les deux surfaces rayonnantes, ici de l'air, ne participe pas au processus du rayonnement. Les radiateurs sont considérés comme des milieux poreux orthotropes où la perte de pression est calculée en fonction de leurs propriétés inertielle et visqueuse; leur dissipation thermique est modélisée par la méthode Dual flow. Une première validation de l'aérodynamique est faite grâce à des essais en soufflerie. Ensuite, une deuxième validation de la thermique est faite grâce à des essais routiers. Un deuxième objectif de la thèse est consacré à la simulation numérique de l'aérodynamique en régime transitoire du véhicule. La simulation est faite à l'aide de l'approche Detached eddy simulation (DES). Une validation expérimentale est faite à partir d'étude en soufflerie grâce à des mesures locales de vitesse à l'aide de sondes cobra.

L’énergie éolienne est une source d’énergie propre et renouvelable qui fait partie des moyens pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et contrer le réchauffement climatique dans le domaine de la production électrique.L’objectif de la thèse est d’optimiser la production d’énergie éolienne par la réduction des fluctuations de charge induites par la turbulence de la couche limite atmosphérique. Ces fluctuations augmentent la fatigue des pales et réduisent la durée de vie des rotors.Cette réduction des fluctuations de charge est réalisée par le biais d’une approche expérimentale et à l’échelle du laboratoire. Deux actionneurs non conventionnels sont étudiés et testés au sein d’un écoulement contrôlé ensoufflerie: il s’agit d’actionneurs plasma et de jets fluidiques. L’objectif est d’effectuer un contrôle de circulation par une action proche du bord de fuite arrondi de la pale afin de modifier la portance du profil.Dans le cadre du projet SMARTEOLE, les deux stratégies sont d’abord testées en parallèle sur un profil bidimensionnel. Pour cette thèse, les actionneurs plasma sont implémentés autour du bord de fuite arrondi afin d’augmenter ou de réduire la portance. Les performances aérodynamiques ont été modifiées dans la partie linéaire de la courbe de portance. Pour des raisons d’efficacité et de fiabilité, le projet est poursuivi avec des jets fluidiques pour aller vers l’étude des pales et du contrôle d’écoulement en rotation. Ces pales sont préalablement testées dans une configuration translationnelle pour évaluer l’effet du contrôle sans les effets de la rotation. Finalement,les pales sont montées sur le banc éolien du laboratoire. Les effets du contrôle sont mis en évidence par les mesures de pression pariétale et de moment de flexion en pied de pale. Le contrôle induit des réductions importantes de fatigue qui motivent la poursuite des travaux dans le domaine du contrôle d’écoulement appliqué aux pales d’éolienne. / Wind energy is a clean and renewable source of energy that remains one of the solutions to cut carbon emissions and curb global warming in the field of power generation. The present thesis objective is the optimisation of wind energy production by the all eviation of blade load fluctuations induced by shear and turbulence in the atmospheric boundary layer. These fluctuations increase the blade fatigue and reduce the life duration of the rotors.This load fluctuation all eviation is assessed with an experimental approach and at a laboratory scale. Two not conventional flow control strategies, plasma actuators and fluidic jets, are implemented and tested in the controlled environment of a wind-tunnel to perform a circulation control by acting in the vicinity of the rounded trailing-edge of the blade in order to modify its lift force.In the scope of the SMARTEOLE project, both plasma and fluidic strategies are, as a first step, tested in parallel on a 2D-airfoil. For this thesis, plasma actuators are implemented over the airfoil trailing-edge to increase ordecrease the lift force. Airfoil performances are indeed modified in the linear part of the lift curve. For efficiency and reliability reasons, it is chosen to pursue the work towards the rotational configuration with the fluidic strategy. Blades are then manufactured and tested first in a translational configuration to evaluate the potentialof the fluidic actuation without rotational effects. Then, blades are mounted in the wind turbine bench of the laboratory. The effects of the actuation are demonstrated through surface pressure and flapwise bending moment measurements. Actuation shows important fatigue reduction motivating the pursue of the investigations on active flow control applied to wind turbine blades.

Une couche limite turbulente se développant le long d’une paroi présente des fluctuationsde vitesses et de pression importantes. Si la paroi du profil est suffisammentsouple, les fluctuations de pression pariétale peuvent la faire rentrer en vibration cequi induit un rayonnement acoustique de chaque côté de la paroi. Ce scenario estl’un des mécanismes de génération de bruit interne dans les aéronefs. Le but de cettethèse est de proposer un modèle de reconstruction des fluctuations de pression pariétaleafin de prévoir in fine le bruit rayonné. Plutôt que de reposer sur une approchesemi-empirique, les modèles développés dans cette thèse se basent sur la résolutionanalytique de l’équation de Poisson liant les fluctuations de pression aux fluctuationsde vitesses. Ces dernières sont modélisées par exemple à l’aide des profils moyensde la couche limite obtenus grâce à un calcul RANS. La résolution de l’équation dePoisson dans ce contexte a déjà été entreprise en particulier par Lysak et Aupoixet leurs travaux sont le point de départ de cette thèse. Cependant, leur modèle nedonne qu’une description temporelle des fluctuations de pression pariétale alors queles aspects spatiaux sont nécessaires pour une application vibro-acoustique. L’apportde cette thèse consiste donc en une modification de leur modèle afin de palliercette difficulté. En parallèle de ces travaux de modélisation, une expérience de validationen soufflerie a été élaborée et mise en place. Les fluctuations de vitesses ontété mesurées par vélocimétrie laser tandis que les fluctuations de pression pariétaleont été mesurées à l’aide de micro-tiges mobiles. Le modèle initialement développéà été affiné à l’aide de ces mesures. En particulier, une description anisotrope desfluctuations de vitesses a été développée, ce qui est plus cohérent pour un écoulementcisaillé que la description homogène isotrope utilisée jusqu’alors. Les modèlesdéveloppés ont un large recoupement avec le modèle semi-empirique de Corcos quiest la référence utilisée pour les applications en vibro-acoustique. Cependant, desdifférences comportementales importantes aux hautes et basses fréquences ont étémises en évidence. Le modèle de Corcos peut donc être remis en question pour cesplages fréquentielles. Ces résultats théoriques doivent néanmoins être confortés pardes mesures. / Large pressure and velocity fluctuations are present inside a turbulent boundarylayer developing along a wall. A non-rigid wall can be excited by the wall pressurefluctuations and thus acoustic radiations will be emitted above and bellow the wall.This scenario is one the mechanism of intern noise generation inside aircraft. Theaim of this thesis is to elaborate a turbulent wall pressure fluctuations model inorder to compute the noise radiated by the vibrating wall at the end. Modelsdeveloped during this thesis do not rely on an semi-empirical approach as they arebased on the analytical resolution of Poisson’s equation relating pressure and velocityfluctuations. This kind of approach has already been used by Lysak and Aupoix andtheir work was the starting point of this thesis. However, their model only gives atemporal description of the wall pressure fluctuations while a temporal and spatialdescription is needed for vibro-acoustics application. The major contribution of thisthesis is to modify their model in order to overcome this incapacity. In parallelto this theoretical modelling, a wind-tunnel experimental campaign dedicated tovalidation was designed and implemented. Velocity fluctuations were measured usingLaser Doppler Velocimetry while wall pressure fluctuations were measured usingmobile wall-mounted microphones. The initial model was improved using thesemeasurements. In particular, an anisotropic description of the velocity fluctuationswas developed which is more consistent for a sheared flow than the homogeneous andisotropic description used by Lysak and Aupoix. For a large frequency range, thefinal model behaves similarly to Corcos’ model which is the most used reference forvibro-acoustics applications. However, large differences were highlighted for low andhigh frequencies. Therefore the validity of Corcos’ model is questionable for thesefrequency range. These theoretical results must still be confirmed by experimentaldata.

Les phénomènes d’interaction fluide-structure jouent un rôle important dans le calcul de tenue au séisme des assemblages combustibles. Afin de quantifier les marges de dimensionnement, le modèle de forces fluides utilisé doit être validé et affiné. Pour cela, des campagnes d’essais à l’échelle industrielle ont été réalisées en amont de la thèse. L’objectif ici est de contribuer à l’interprétation des essais industriels pour le cas stationnaire, et de valider les méthodes numériques permettant de simuler ce type d’écoulement. La problématique industrielle s'inscrit dans la tradition de l'étude des structures élancées sous écoulement axial. Le modèle de force fluide locale généralement utilisé, que nous appelons modèle de Taylor-Lighthill-Païdoussis (TLP), consiste en stationnaire à combiner un terme de force fluide potentielle, proportionnel à la courbure, et un terme de force fluide visqueuse, proportionnel à la pente. Des versions dynamiques de ce modèle ont été employées avec succès pour prédire le comportement vibratoire de cylindres flexibles en écoulement axial. Néanmoins, la littérature propose très peu de données de validation directe de cette représentation des forces fluides. Afin d’acquérir de telles données, pour le cas particulier d’un cylindre confiné dans un réseau de cylindres, un nouveau banc d’essai a été conçu et mis en place au laboratoire. Il s’agit d’un faisceau de 3x3 cylindres disposé dans une veine de soufflerie. Le cylindre central possède trois degrés de liberté : rotation, translation, flexion. Les efforts fluides résultants sont mesurés à l’aide d’une balance. Un modèle numérique similaire à la maquette est aussi réalisé et donne accès aux forces fluides locales. Les forces globales obtenues numériquement et expérimentalement sont comparables. Les forces locales obtenues dans les simulations numériques s’expliquent bien à l’aide du modèle TLP, en ignorant les effets de bord à l’entrée et à la sortie du faisceau. La transposition au cas industriel, de géométrie plus complexe, est réalisable par recalage des coefficients du modèle. / Fluid-structure interaction phenomena play a major role in the seismic design of fuel assemblies. In order to evaluate the design margins, the implemented model of fluid forces needs to be carefully assessed. Industrial-scale tests have been carried out with that purpose. Our goal is to contribute to their interpretation in the steady case, and to validate CFD methods usually applied to the type of flow at stake here. This fits in the tradition of the study of slender structures in axial flow. The local steady fluid forces decompose in a potential term, which is proportional to the curvature of the structure, and a viscous term, proportional to the angle of incidence. Adapted versions of this representation, which we call Taylor-Lighthill-Païdoussis (TLP) model, have proved successful in predicting the dynamic behaviour of flexible cylinders in axial flow. However, there is a lack in the literature of sound validation data for the fluid forces themselves. In order to gather such data, a new test rig has been designed and built. It consists in a 3x3 cylinder bundle confined in a wind tunnel. The central cylinder can be rotated, translated or bent. Resultant fluid forces are measured using a load cell. CFD calculations give access to the local fluid forces. CFD and experiments give similar results on the global fluid forces. The TLP model performs well at predicting the local fluid forces, except in the inlet and outlet regions. It can be fitted to the industrial case by adapting its coefficients.

L’ Holographie acoustique de champ proche (NAH) est une méthode d’imagerie acoustique robuste, mais son application en écoulement peut être limitée par l’utilisation de mesures intrusives de pression ou de vitesse acoustique. Dans cette étude, une procédure holographique applicable en écoulement utilisant des mesures de vitesse non-intrusives est proposée. Cette méthode est basée sur le théorème intégral de Kirchhoff-Helmholtz convecté. La fonction de Green convectée est alors utilisée pour déterminer des propagateurs spatiaux convectés définis dans l’espace réel et incluant l’effet d’un écoulement subsonique uniforme. Les transformées de Fourier discrètes de ces propagateurs permettent alors d’évaluer les champs acoustiques à partir de la mesure du champ de pression ou de vitesse acoustique normale. Le but étant de développer une méthode de caractérisation de sources aéroacoustiques à partir de mesures de vitesse non-intrusives, cette étude se concentre essentiellement sur les propagateurs réels convectés basés sur la mesure de vitesse acoustique. Afin de valider cette procédure,des simulations ont été menées dans le cas de combinaisons de sources monopolaires et dipolaires convectées corrélées ou non. La procédure holographique développée donne de bons résultats par comparaison aux champs acoustiques théoriques. Une comparaison des résultats obtenus par les propagateurs convectés réels, développés dans cette thèse, avec ceux obtenus par leurs formes spectrales, développés par Kwon et al. fin 2010 pour des mesures de pression acoustique, montre l’intérêt d’utiliser la forme réelle pour la reconstruction de la pression acoustique à partir de la mesure de vitesse acoustique normale. L’efficacité de la procédure développée est confirmée par une campagne de mesure en soufflerie avec un haut-parleur affleurant rayonnant au sein d’un écoulement à Mach 0.22, et des mesures non-intrusives effectuées par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Les champs de vitesse acoustique utilisés pour la procédure holographique sont dans ce cas extraits des mesures LDV par corrélation avec un microphone de référence. La faisabilité de prendre en compte des variations de l’écoulement dans la direction de reconstruction holographique est également vérifiée. / Nearfield Acoustic Holography (NAH) is a powerful acoustic imaging method but its application in flow can be limited by intrusive measurements of acoustic pressure or velocity. In this work, a moving fluid medium NAH procedure using non-intrusive velocity measurements is proposed. This method is based on the convective Kirchhoff-Helmholtz integral formula. The convective Green’s function is then used to derive convective realspace propagators including uniform subsonic airflow effects. Discrete Fourier transforms of these propagators allow then the assessment of acoustic fields from acoustic pressure or normal acoustic velocity measurements. As the aim is to derive an aeroacoustic sources characterisation method from non-inrusive velocity measurements, this study is especially focused on real convective velocity-based propagators. In order to validate this procedure, simulations in the case of combinations of monopolar and dipolar sources correlated or not, radiating invarious uniform subsonic flows, have been performed. NAH provides very favorable results when compared to the theoretical fields. A comparison of results obtained by real convective propagators, developed in this work, and those obtained by the spectral ones, developed by Kwon et al. at the end of 2010 for acoustic pressure measurements, shows the interest of using the real-form for NAH acoustic pressure reconstruction from normal acoustic velocity measurements. The efficiency of the developed procedure is confirmed by a wind tunnel campaign with a flush-mounted loudspeaker radiating in a flow at Mach 0.22 and non-intrusive Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements. Acoustic velocity fields used for the NAH procedure are in this case extracted from LDV measurements by correlation with a reference microphone. The feasibility of taking into account mean flow variations in the direction of NAH reconstruction is also checked.

Le Morphisme Electroactif est un axe multidisciplinaire, associant l’aérodynamique, les matériaux innovants et la mécatronique. Ce concept consiste en l’amélioration des performances aérodynamiques par l’utilisation d’actionneurs déformant la surface portante d’un aéronef en temps réel. Soutenue par Airbus, la modélisation, conception et réalisation d’un démonstrateur petite échelle est une première étape. Basée sur un profil d’aile A320, il est équipé d’actionnements pour le morphisme électroactif hybride : de grandes déformations à faibles vitesses par des Alliages à Mémoire de Forme sont associés à l’intégration au bord de fuite d’actionneurs piézoélectriques permettant de hautes fréquences d’actionnement à amplitude moindre. Une seconde étape de la thèse est dédiés aux essais en soufflerie. La mesure de forces et la vélocimétrie d’images de particules permettent de comprendre la physique de l’écoulement et de la turbulence. L’étude de ce couplage fluide-structure-actionneurs présente les effets du morphisme par actionnement indépendant ; puis le couplage non linéaire de l’actionnement hybride. La troisième étape consiste au passage vers une échelle réaliste des actionneurs, par la conception d’un volet « électro-morphé ». Une approche de dimensionnement par optimisation est proposée. Basé sur des technologies nouvelles d’actionnement, un prototype d’un tel macroactionneur est alors conçu pour être testé. / Electroactive Morphing is a multidisciplinary axis, combining aerodynamics, innovative materials and mechatronics. This concept consists in improving the aerodynamic performance by the use of actuators deforming the airfoil of an aircraft in real time. Supported by Airbus, the modeling, design and implementation of a small scale demonstrator is a first step. Based on an A320 wing profile, it is equipped with actuators for hybrid electroactive morphing: large deformations at low speeds by Shape Memory Alloys are associated with the integration at the trailing edge of piezoelectric actuators allowing high operating frequencies at lower amplitude. A second step of the thesis is dedicated to wind tunnel tests. The measurement of forces and the Particle Image Velocimetries allow for the understanding of the flow and turbulence physics. The study of this fluid-structure-actuator coupling presents the effects of the morphism by independent actuation; then the nonlinear coupling of the hybrid actuation. The third step is the transition to a realistic scale of actuators, by designing an "electro-morphed" macro-actuator. An optimization sizing approach is proposed. Based on new actuation technologies, a prototype of such a macro-actuator is then designed to be tested.

La dérive de pulvérisation peut être mesurée au champ ou en soufflerie. Paradoxalement, les tests au champ sont sujets à de grandes variations dues aux conditions atmosphériques mais peuvent être plus facilement réalisés contrairement aux tests en soufflerie. Ainsi les principaux modèles de dérive sont basés sur des mesures au champ alors que peu de modèles s’inspirent de mesures en soufflerie. L’objectif de ce travail a été de définir un ou des descripteurs de la dérive sur la base de l’analyse de courbes de dépôts obtenues dans la soufflerie d’IRSTEA Montpellier. Par rapport aux souffleries existantes, un protocole d’exposition de longue durée a été utilisé avec une forte densité d’échantillonnage. Un plan expérimental comprenant 99 modalités a été réalisé en tenant compte de différents types de buses (FF, AI, AI Twin jet), différente hauteurs de rampe de 40 à 80cm, différentes positions de la rampe (frontale, latérale et angles intermédiaires) et différentes vitesses de vent entre 2 et 7.5m s-1. Les résultats ont montré que le taux de dérive à 5m sous le vent (DR5) correspond au descripteur le plus robuste si l’on tient compte du large spectre de paramètres et de réglages. Des modèles de premier ordre ont été définis pour l’expression de l’effet de la vitesse du vent ainsi que de la hauteur de rampe selon le temps de vol des gouttes (ToF). Ainsi il est possible de comparer des résultats issus de conditions expérimentales différentes et de simuler l’effet de la vitesse du vent et la hauteur de la rampe pour un type donné de buse. Des mesures in situ de taille de gouttes ont confirmé la pertinence du temps de vol comme base de l’expression des résultats. / Spray drift might be measured either infield or in a wind tunnel through specific sampling strategies. Paradoxically field tests are subjected to a high variability due to the atmospheric conditions but can be more easily conducted in the absence of a wind tunnel. The result is that most of spray drift models are based on infield measurements. Conversely very few models were developed on the basis of wind tunnel measurements. The objective of this work was to define spray drift descriptors from the analysis of drift curves in IRSTEA wind tunnel. Compared to the majority of existing wind tunnels, a long duration exposure protocol was applied with a high sampling density. A large experimental plan of 99 modalities were conducted including nozzle types (FF, AI, AI Twin jet), boom heights from 40 to 80cm, boom positions (frontal, lateral, and intermediate angles) and wind velocities from 2 to 7.5ms-1. Results showed that the drift ratio at 5m (DR5) was the most robust drift indicator considering the wide range of parameters and operations conditions (wind velocity, boom height). First order models were drawn for the expression of the effect of the wind velocity and the boom height according to the droplet time of flight (ToF). As a result it was possible to compare data from different experimental conditions and to simulate the effect of the wind velocity and the boom height for a given type of nozzle. In situ droplet size measurements confirmed the relevance of the time of flight expression.

Depuis plusieurs décennies, le trafic aérien ne cesse de croître. Ainsi, près de 6 milliards de passagers transitent dans le monde par an. Les objectifs européens à l’horizon 2020 en terme d’émission sonore des aéronefs imposent une réduction de 10 dB par point de mesure par rapport aux aéronefs de l’an 2000. Dans ce contexte, le projet européen VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) a pour but principal de tester, valider et améliorer les codes numériques et les modèles de prédiction du bruit de cellule (trains d’atterrissage + voilure) sur des géométries simplifiées afin de disposer de cas tests pour les recherches futures. L’objectif de la thèse, associé à la contribution de l’ECL dans ce projet, est de créer des bases de données expérimentales fiables sur des systèmes à deux éléments – bec/aile et aile/volet – et de modéliser analytiquement le bruit issu de tels systèmes. La thèse s’est concentrée sur un système aile/volet non porteur et parallèle dans un écoulement de soufflerie à veine ouverte, en configuration d’alignement ou de recouvrement partiel, menant à de possibles interactions aérodynamiques et/ou acoustiques. Les mesures ont été faites pour différentes vitesses d’écoulement (30 − 100 m~s), avec une attention particulière à 50 m~s (M0 ∼ 0, 15). Le taux de turbulence de l’écoulement incident est modifiable par l’ajout d’une grille de turbulence à maille large placée dans la section de sortie du convergent. Les résultats aérodynamiques (fil chaud, pression en paroi) ont révélé la présence d’une forte interaction lorsque la distance entre les deux corps est de l’ordre de grandeur de la couche limite turbulente au bord de fuite de l’aile. De plus, le couplage acoustique a lieu lorsque la longueur de recouvrement est positive ou nulle. Des mesures de localisation de sources menées par l’ONERA/DSNA ont permis de valider les mesures de champ lointain en confirmant l’absence de sources de bruit d’installation en dessous de 10 kHz. Par ailleurs, des comparaisons avec les simulations numériques donnent de bons accords. Du point de vue analytique, le problème mathématique de deux plaques planes en recouvrement partiel dans un écoulement uniforme a été posé et une réduction bidimensionnelle a été justifiée. Le problème n’ayant pas de solution exacte, plusieurs modèles issus de la littérature – théories de Howe et d’Amiet – ont été étudiés. Les plus pertinents ont été confrontés aux résultats expérimentaux, révélant les limites asymptotiques de ces modèles. Un modèle original est alors proposé pour la géométrie du problème posé, sans hypothèse restrictive. La démarche est basée sur une procédure de diffraction itérative permettant de prendre en compte la proximité des deux corps et utilisant la fonction de Green exacte du demi-plan en écoulement uniforme. Le modèle prédit des comportements qualitatifs angle/fréquence proches des résultats expérimentaux. La prise en compte de la statistique des rafales incidentes reste néanmoins à effectuer afin de procéder à des comparaisons quantitatives. Une campagne expérimentale complémentaire avec une marche descendante permet de mettre en évidence les écoulements de cavité arrière d’une aile, plus proche de la réalité. De même, des mesures sur une configuration bec/aile a été testée et la prise en compte de la déflexion du jet de la soufflerie pour la réfraction des ondes sonores par la couche de cisaillement a été proposée. / Air traffic still grows from decades, with yearly 6 billion passengers nowadays in the world. By 2020, the EC imposes aircraft noise reductions by 10 dB per measuring point with respect to the status in 2000. In this context, VALIANT (VALidation and Improvement of Airframe Noise prediction Tools) is an EC-supported project that aims at testing, validating and improving numerical codes and analytical/theoretical models for the prediction of airframe noise (landing gears + high-lift devices) in simplified configurations in order to generate test cases for research needs. The main objective of the thesis in connection with ECL contribution in the scope of VALIANT project is to generate reliable experimental databases for 2-element systems – slatwing and wing-flap – as well as to analytically model overlapping configurations. It is particulary focussed on the experimental and analytical studies of a non lifting wing-flap system in a parallel flow, in aligned and overlapping arrangements. This is aimed at discussing likely aerodynamic and/or acoustic interactions. The tests have been carried out in an open-jet anechoic wind-tunnel for each arrangement and for several flow speeds (30-100 m/s), with main interest on 50 m/s (M0 ∼ 0, 15). The turbulence rate could be changed by fixing a removable turbulence grid with a large mesh at the outlet cross-section of the duct. Aerodynamic results (hot-wire anemometry, wall-pressure) show a strong interaction when the wing-flap distance is about the wing trailingedge boundary layer thickness. Acoustic coupling can be pointed out in cases of overlap. Source localization tests performed by ONERA/DSNA have permitted to validate far-field acoustic tests since no installation effect source seems to strongly radiate below 10 kHz. A good agreement with numerical simulations has been shown for every test. In order to predict noise analytically for a 2-element system in case of overlap in a uniform flow, the mathematical statement has been defined and a 2D-reduction of the equation system can be justified. Since no exact solution exists, several models from the literature – Howe’s and Amiet’s theories – have been studied. Comparisons between overlapping half-planes and slotted trailing-edge models proposed by Howe and experimental results show obvious limitations in the predictions. Then, an original model is proposed involving two bodies in close overlap arrangement, with no assumption. It is based on an iterative scattering procedure to take into account the close vicinity of the two bodies, using the exact half-plane Green’s function in a uniform flow. Convergence is relatively quick and qualitative predictions in angle/frequency behaviour show a good agreement with experiments. However, the statistics of the vortical flows responsible for the sound must be implemented for better comparisons. Other experiments have been done with a backward-facing step – it represents wing trailing-edge cove – to make cavity flow mechanisms appear, such as what is observed in real HLD. Finally, a series of tests has been performed involving a slat-wing system and an angular correction due to refraction of sound waves in shear-layer for a deflected jet has been proposed.

Le développement de systèmes de propulsion alternatifs aux turboréacteurs actuels constitue un axe de recherche important dans le contexte aéronautique. L’open-rotor, moteur à hélices contrarotatives, constitue une piste sérieuse car il permet à la fois de réduire fortement la consommation de carburant et les émissions de gaz. Toutefois, les émissions sonores restent un défi pour ce type d’architecture, notamment du fait de l’absence de carénage. La compréhension des sources acoustiques et leur prévision est nécessaire afin de pouvoir, par la suite, réduire le bruit de ces moteurs. Les écoulements d’un doublet d’hélices contrarotatives sont complexes, en particulier pour l’hélice aval qui constitue l’axe d’étude de la thèse. Le travail présenté est dédié à une étude numérique, expérimentale et analytique et intervient dans le cadre de la chaire industrielle ADOPSYS entre Safran Aircraft Engines et l’Ecole Centrale de Lyon. L’objectif de ce travail est double. Il s’agit d’une part de réaliser une campagne expérimentale afin d’observer et de mieux comprendre le comportement de l’écoulement et de l’acoustique d’une pale en flèche, notamment en réponse à la présence d’un tourbillon de bord d’attaque. Un second objectif de la thèse était de constituer une base de données afin de comparer les prévisions obtenues avec un modèle analytique. Une méthode de calcul semi-analytique de la réponse aéroacoustique d’une pale aval en réponse à une excitation provenant de l’amont et prenant en compte les effets de charge et de géométrie a été développée. Une étude numérique d’un doublet d’hélices contrarotatives a servi de base à la définition de la géométrie de pale utilisée pendant l’étude. Celle-ci a été définie de façon à observer un tourbillon de bord d’attaque pour certains angles d’incidence. La maquette a ensuite été placée dans une soufflerie anéchoïque de l’Ecole Centrale de Lyon afin de réaliser une étude paramétrique. Des visualisations par enduit visqueux et des mesures de pression pariétale permettent de rendre compte de la présence du tourbillon de bord d’attaque à certains angles d’incidence. L’étude des spectres en champ lointain permet de distinguer un comportement en trois régimes, associés aux trois comportements du tourbillon de bord d’attaque. Des mesures de localisation de sources permettent de corroborer ces observations. Des prévisions analytiques du bruit émis par la pale et se basant sur le modèle d’Amiet ont également été réalisées. Dans un premier temps, les effets de la flèche sont pris en compte dans le modèle et celui-ci est alors appliqué à la pale de l’étude. Une meilleure adéquation des résultats est alors trouvée quand les effets de flèche sont pris en compte, en particulier dans les directions perpendiculaires à la pale. Le modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte les effets de la jonction en pied de pale. Cette partie est exploratoire et le développement reste à approfondir. Un complément à l’expérience a consisté en l’étude de l’impact de sillages défilants sur la pale. Un système de barreaux rotatifs permet de générer des sillages périodiques représentatifs d’une interaction de sillages rotor-rotor. Les mesures réalisées montrent le comportement quasi-stationnaire du tourbillon. / The development of alternative propeller systems to turbojets is a main issue for research in the current context of aeronautical transport. Counter rotating open rotors are a candidate solution because they allow reduction of fuel consumption and gas emission. However, noise emissions are still a challenge for these types of configuration, in particular because they cannot benefit from the nacelle and the liners currently used in turbojet. The understanding of acoustic sources and their prediction is necessary in order to be able to reduce noise emission in the near future. Flows in an open-rotor are complex, in particular for the downstream propeller which is the subject of this approach.This work based on a numerical, experimental and analytical study and takes part in the ADOPSYS chair between Safran Aircraft Engines and l’Ecole Centrale de Lyon. This PhD has two main goals. The first one is to complete an experimental study in order to elucidate the behavior of the flow on a swept airfoil and the resulting acoustics, with a possibly developing leading-edge vortex. The measurements will be a data base for further comparison with analytical prediction. The second objective of the PhD consists in developing a semi-analytical modeling of the noise emitted by an airfoil in response to an incoming perturbation, taking into account the loading and geometry effects. A numerical study of a full counter-rotating system was used as a basis for designing the investigated airfoil. The latter was designed so that a leading-edge vortex could be formed on the surface for some angles of attack. The mock-up was then tested in an anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon for various sets of parameters. Flow visualization and wall-pressure measurements indicated the presence of the leading-edge vortex for some angles of attack. The far-field measurements indicated three acoustic regimes, which can be associated with three behaviors of the leading-edge vortex. Source localization measurements corroborate these observations. Analytical predictions of the noise emitted by the airfoil and based on Amiet’s model were also performed. Firstly, the sweep angle is taken into account in the model. Secondly it is applied to the studied airfoil. A better match of the results is found when the sweep is considered, in particular in the perpendicular directions. The model in then extended in order to include the wall-junction. This part is exploratory and should be further developed. Finally, a complementary experimental investigation of the impingement of periodic wakes on the airfoil has been performed, using a system made of rotating bars, mimics true wake interactions. The measurements suggest that the leading-edge vortex has a quasi-steady behavior.

La ventilation naturelle est une stratégie passive qui permet l'échange naturel d'air entre le bâtiment et l'environnement extérieur. Elle assure une bonne qualité de l'air intérieur, améliore le confort thermique et elle réduit les besoins énergétiques, les émissions de gaz à effet de serre et les symptômes liés au syndrome du bâtiment malsain. Bien que les avantages et les bénéfices de la ventilation naturelle soient multiples, son usage est rare dans l'architecture contemporaine. Bien sûr, il existe des limites à sa mise en œuvre dans certains bâtiments, comme la mauvaise qualité de l'air extérieur, mais ces problèmes ne justifient pas une utilisation si peu répandue. La cause de sa faible diffusion est principalement liée à la difficulté de la conception plutôt que aux facteurs physiques liés à l'environnement. La thèse vise à fournir différents outils pour comprendre la dynamique des fluides dans les bâtiments et développer des techniques et des méthodes pour aider la conception des bâtiments ventilés naturellement. L'approche adoptée dans la thèse est modélisée selon les besoins du concepteur qui peut choisir d'utiliser différents types de supports tels que: utiliser des outils graphiques ou des modélisations numériques, s'inspirer de l'architecture contemporaine et répéter les solutions technologiques existantes, utiliser des outils de modélisation physique, s'inspirer du passé ou du monde naturel. Ici plusieurs aspects de la ventilation naturelle sont traités en apportant à chacun une contribution innovante afin de créer des outils d'aide pour différents phases de la conception : Les objectifs de la thèse sont de créer des outils innovants qui simplifient la conception à des niveaux différents. Nous avons créé donc, des outils et des modèles graphiques simplifiés pour choisir la forme du bâtiment et son orientation, des lignes directrices pour le dimensionnement des dispositifs de ventilation (cheminées de toit), des méthodes expérimentales simplifiées associées à des codes de lecture des écoulements d'air. Nous avons également élargit le panorama culturel et historiques et nous avons créé des indications morphologiques dérivant de l'analyse de l'architecture biomimétique. Grâce à une analyse CFD paramétrique, des outils graphiques sont générés pour évaluer, de manière comparative, les performances de ventilation d'une famille morphologique de bâtiments et choisir la forme du bâtiment, son orientation et la position des ouvertures. Nous créons des lignes directrices pour la conception et le pré-dimensionnement des dispositifs de ventilation. Les règles sont déterminées par une analyse comparative de neuf projets de bâtiments contemporains ventilés naturellement dans lesquels le dispositif de ventilation est présent. Une soufflerie est conçue et réalisée pour simplifier les visualisations des écoulements d'air autour des modèles de bâtiments et nous proposons une méthode pour réaliser des expérimentations de support à la conception. Le système de refroidissement géothermique d'une ancienne villa à Costozza (Vicence, Italie) est étudié. Cette section élargit la connaissance du patrimoine architectural italien et souligne l'importance de redécouvrir des solutions technologiques bioclimatiques existantes, toujours en fonction. On analyse une structure animale: le nid d'un insecte. Il s'agit d'un archétype bioclimatique qu'il peut être utilisé dans l'architecture en tant que technologie biomimétique / Natural ventilation is a passive ventilation strategy of confined spaces that consists of natural air exchange between the building and the outdoor environment. Natural ventilation ensures a good indoor air quality, it improves the thermal comfort and it reduces the greenhouses gases emission, the energy demand and the symptoms associated with the Sick Building Syndrome. Although the advantages and benefits of natural ventilation are multiple, its application is rare to contemporary architecture. By the way, there are some limits to its implementation, such as the bad quality of outdoor air, but that does not justify a so limited design of naturally ventilated buildings. The cause of its rare diffusion is primarily the difficulty of design rather than the factors related to the environment. The thesis intends to provide multiple tools for understanding the fluid dynamics in buildings and to develop techniques and methods to support the design of naturally ventilated buildings. The approach adopted in the thesis is modeled according to the needs of the designer. In fact, a designer can choose to use different types of support tools such as: use of graphic tools or numerical models, inspiration to contemporary architecture to provide the existing technology solutions, use of physical modeling tools, inspiration to the past or to the nature. Often, the design is a global process and does not need a single tool but the designer uses more than one. Here, several aspects of natural ventilation are dealt with, trying to make an innovative contribution to each of these themes, in particular : Through a parametric CFD analysis, graphical tools are generated to evaluate, adopting a comparative approach, the ventilative performance of a morphological family of buildings and to choose the shape of the building, its orientation and the position of the openings. Guidelines are set for the design and pre-dimensioning of ventilation devices. The rules are determined by a comparative analysis of nine contemporary ventilation projects in which the ventilation device is present. An optimized wind tunnel is created to simplify airflow visualizations around building models. We provide also a method to make simplified experimentations, an aiding-design tool, and a code that allows to understand the views with the smoke. We study the geothermal cooling system of an ancient villa in Costozza (Vicenza, Italy). This section extends the knowledge of the Italian architectural heritage and highlights the importance of rediscovering existing bioclimatic technology solutions, still in operation. An animal structure is analysed: the bug of an insect. This is a bioclimatic archetype and therefore it can be applied to architecture as a biomimetic technology