Cette thèse, qui s'inscrit dans le contexte du projet ANR DIB, vise à la simulation par méthode hybride (DDES) de l'écoulement turbulent autour d'une plaque épaisse (Re = 80000), à une confrontation détaillée du mouvement instationnaire prédit avec une base de données expérimentale, et à l'étude des mécanismes à l'origine des fluctuations de pression à la paroi. L'écoulement présente successivement un fort décollement associé à l^acher tourbillonnaire en forte interaction avec la paroi, un recollement moyen puis un lent rétablissement vers une couche limite développée. L'attention est portée sur la région en aval du recollement. Les caractéristiques moyennes et instationnaires de l'écoulement sont étudiées au moyen d'outils statistiques classiques, ainsi que d'analyses de type moyenne conditionnelle, POD, LSE et Extended POD, dans leur version multi-temps. Un bon accord calcul/expérience est obtenu, et l'évolution des structures de grande échelle en aval du recollement est bien reproduite par la simulation. L'analyse est ensuite prolongée, notamment en ce qui concerne la tridimensionnalité de l'écoulement, ainsi que l'étude des différentes contributions à la pression pariétale fluctuante (termes source linéaire et non linéaire). Les analyses de type LSE basées sur la pression mettent en évidence des structures de type rouleaux portant une faible énergie, alors qu'on obtient des structures de type \hairpin" quand celles-ci sont basées sur la vitesse. Un résultat important de l'étude des termes contribuant à la pression est la dominance du terme non-linéaire, qui explique la faible énergie portée par les structures estimées à partir de la pression par des outils linéaires.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Ce mémoire investigue le phénomène de reconnexion visqueuse de deux tourbillons initialement placés de façon orthogonale ou antiparallèle. Les équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible sont résolues directement (DNS) à l’aide d’un algorithme pseudospectral utilisant des expansions périodiques dans les trois directions cartésiennes. La condition de circulation nulle inhérente à cette méthode numérique est contournée en résolvant les équations dans un repère tournant approprié. Une méthode simple utilisant des lignes de vorticité est proposée afin de calculer le pourcentage de reconnexion instantané η de deux tourbillons. Cette méthode est également employée pour séparer le champ de vorticité en ses composantes reconnectées et non-reconnectées, ce qui facilite l’identification visuelle des différentes étapes du processus de reconnexion. Finalement, l’échelle de temps de la reconnexion tourbillonnaire Trec est calculée pour différents nombres de Reynolds (500 ≤ Re ≤ 10000). Il est trouvé que l’ordre de grandeur de Trec varie de façon continue de [symbol] à mesure que Re augmente. / This work focuses on the viscous reconnection phenomenon of two vortex tubes that are initially antiparallel or orthogonal to each other. The incompressible Navier-stokes equations are solved directly (DNS) using a Fourier pseudospectral algorithm with triply periodic boundary conditions. The associated zero-circulation constraint is circumvented by solving the governing equations in a proper rotating frame of reference. A simple method using vortex lines is proposed to compute the instantaneous reconnection level η of two vortices. The proposed method is also used to split the vorticity field into its reconnected and non-reconnected parts, which allows for a clear and intuitive visual identification of the different reconnection phases. Finally, the Reynolds number dependence of the reconnection timescale Trec is investigated for 500 ≤ Re ≤ 10000. The scaling is found to vary continuously as Re is increased from [symbol].

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide. Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée. Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices. Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices. / This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speed-no-load. Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected. To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle. The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.

La recherche expérimentale, présentée dans cette thèse, a pour objectif l'étude de l'influence d'un écoulement amont turbulent ou non sur les tourbillons coniques (primaire et secondaire) engendrés à partir d'une configuration de montant de baie. Cette configuration d'écoulement est rencontrée sur les véhicules terrestres et l'interaction des tourbillons avec les vitres latérales du véhicule est le principal responsable du bruit aérodynamique transmis dans le véhicule. Une maquette du type dièdre a été conçue et testée en soufflerie afin de générer et d'étudier ces tourbillons coniques. Les propriétés spatiales et temporelles des champs de vitesse et de pression pariétale ont été étudiées en associant simultanément la mesure de la vitesse par PIV ou Stéréo-PIV à la mesure de pression pariétale fluctuante par capteurs déportés. Nous avons montré qu'un niveau modéré de turbulence amont (intensité : 4%) se traduit par une modification très importante de la dynamique du tourbillon et de la pression pariétale fluctuante associée (Cp'). Notre conjecture - basée sur l'étude des moments statistiques et des corrélations spatio-temporelles - est qu'en l'absence de turbulence externe, la contribution principale au Cp' est liée à l'empreinte du coeur tourbillonnaire et du décollement secondaire induit. Au contraire, en présence de turbulence amont, la forte augmentation du Cp' semble associée à une réponse globale de la structure tourbillonnaire et à la modification associée de l'aérodynamique autour du corps. L'inclusion de dispositifs géométriques simples de contrôle passif sur la maquette a fait objet d'essais supplémentaires. Nous avons montré que ces dispositifs permettent de modifier très significativement le développement de la structure tourbillonnaire et son empreinte en terme de pression pariétale fluctuante.

A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante est récemment apparu comme une alternative aux concepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d'une application pratique (micro-drones ou MAVs), l'évaluation de l'adaptabilité d'un tel mode de sustentation requiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leur impact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et des comportements complexes. Le travail réalisé s'articule autour de trois points. Dans un premier temps, l'établissement d'une corrélation précise entre comportement spatio-temporel des structures cohérentes et effort résultant passe par la définition de méthodes d'investigation adaptées à l'étude d'écoulements bi et tridimensionnels résolus en temps. En ce sens, l'analyse repose d'une part sur une approche numérique DNS par maillage mobile, et d'autre part sur les approches expérimentales TRPIV- 2D2C/3D3C conduisant à la mesure non-intrusive des efforts aérodynamiques par application du bilan de quantité de mouvement. Les difficultés associées à ces techniques novatrices sont ici mises en exergue. En second lieu, nous abordons deux types de configurations bidimensionnelles caractérisées par des cinématiques de battement respectivement symétriques et asymétriques. Nous nous limitons à l'étude du vol stationnaire ou sur place pour lequel les effets instationnaires sont prépondérants vis- à-vis des effets quasi-stationnaires. D'abord, l'analyse détaillée d'un cas de référence permet d'affiner les résultats reportés dans la littérature. Ensuite, la confrontation systématique de cas asymétriques rév`ele l'occurrence de phénom`enes aérodynamiques particuliers contribuant favorablement à l'efficacité de l'aile. L'approximation bidimensionnelle occulte toutefois l'influence du tourbillon marginal ou du gradient transverse de vitesse incidente établi le long de l'envergure d'une aile en révolution autour de son emplanture. L'une des spécificités des configurations tridimensionnelles provient effectivement du caract`ere stabilisateur de certains mécanismes aérodynamiques. Ainsi, nous présentons les effets tridimensionnels et leur dépendance vis-à-vis de l'allongement dans le cas de mouvements de battement en translation rectiligne et en rotation autour d'un axe vertical.

La compréhension des écoulements turbulents en aval d'un cylindre circulaire horizontal, soumis à un écoulement d'air transverse et en présence d'importants effets de flottabilité, constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. Les approches expérimentale et numérique (DNS) sont utilisées afin de compléter les connaissances des mécanismes d'instabilité tourbillonnaire en régime de convection mixte. En dehors de la perte de symétrie du sillage induit par les effets de pesanteur, l'écoulement étudié ici est caractérisé par le développement de deux instabilités principales. Au niveau de la couche de cisaillement inférieure on assiste au développement d'instabilités intermittentes de Kelvin-Helmholtz. Nous montrons qu'en présence d'effets de gravité importants la transition vers la turbulence est accélérée dans cette région de l'écoulement. A l'arrière du cylindre un écoulement secondaire apparaît sous l'effet des forces de pesanteur. Cet écoulement est le lieu d'importants mouvements tridimensionnels tant sur le plan moyen que fluctuant et donne naissance à des dipôles de vorticité caractéristiques. Ces structures se forment dans la partie supérieure du sillage et évoluent librement au niveau de l'écoulement principal ou s'apparient avec les structures tourbillonnaires du sillage turbulent. Finalement, en présence d'effets de gravité non négligeables, on assiste à un enrichissement du spectre des structures turbulentes et à une augmentation des composantes tridimensionnelles du champ dynamique. Dans ces conditions la température agit comme un scalaire actif capable d'accélérer la transition vers la turbulence.

Cette étude s'intéresse à une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de simuler des écoulements incompressibles externes autour de multiples corps en mouvement arbitraire. L'implantation initiale de la méthode a été développée à 1' Université Catholique de Louvain puis des modifications ont été apportées en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique pour prendre en compte le mouvement et la présence simultanée de plusieurs corps. Cependant, ces modifications n'étaient pas validées et aucune méthode de calcul des forces et du moment sur les corps individuellement n'était disponible. Au sein de cette étude, plusieurs approches de calcul des forces et du moment sont présentées et détaillées, toutes ayant la particularité de ne pas nécessiter la connaissance du champ de pression de l'écoulement. La première approche utilise des surfaces de contrôle englobant chaque corps ainsi que la surface même des corps. La seconde est développée à partir d'une surface de contrôle à l'infini et ne peut fournir que les forces nettes totales sur l'ensemble des corps en présence. La troisième approche ne requiert que de l'information (vitesse et vorticité) à la surface des corps et elle est la seule pour l'instant qui permet de fournir également le moment de force. Toutes ces approches ainsi que les modifications effectuées pour prendre en compte le mouvement sont validées pour des écoulements à bas Reynolds autour de corps en translation et rotation combinés. Les cas d'un cylindre unique, de deux cylindres en tandem et d'une aile oscillante sont étudiés. Les comparaisons sont effectuées à l'aide de résultats produits par le code commercial eulérien de volumes finis Fluent 6.2. Les résultats mettent en évidence l'habilité de la méthode vortex à capturer précisément la dynamique des fluides, ainsi que l'efficacité de chacune des méthodes de calcul des forces et du moment. / This work is about a 2-D lagrangian vortex method allowing simulation of external incompressible flow around arbitrary moving bodies. The initial implementation of the method was developed at Université Catholique de Louvain and adapted for multiple moving bodies in collaboration with Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. However, these modifications were not validated and no method of force and moment calculation on individual body was available. In this study, several approaches of force and moment calculation are presented and detailed, ail of which do not require information on the pressure field. The first approach uses control surfaces surrounding each body as well as the body surfaces themselves. The second one is developed from a control surface taken at infinity and can only provide total net forces on ail bodies taken together. The third one requires information (velocity and vorticity) only at body surfaces. The latter is the only approach considered up to now that can provide moment of force on the bodies. Ail three methods as well as ail the modifications that were implemented to adapt the solver to moving bodies are validated for low Reynolds number flows around bodies undergoing combined translation and angular motion. Cases of a single cylinder, two cylinders in tandem, and oscillating airfoil are studied. Comparisons are then made with results obtained with the eulerian finite volume commercial code Fluent 6.2. Results show the ability of the vortex method to correctly capture fluid dynamics, as well as the efficiency of each method for the force and moment calculations.

The effects of vortices on the propagation of acoustic waves are numerous, from simple convection effects to instabilities in the acoustic phenomena, including absorption,<p>reflection and refraction effects. This work focusses on the effects of mean flow<p>vorticity on the acoustic propagation. First, a theoretical background is presented<p>in chapters 2-5. This part contains: (i) the fluid dynamics and thermodynamics<p>relations; (ii) theories of sound generation by turbulent flows; and (iii) operators taken<p>from scientific literature to take into account the vorticity effects on acoustics. Later,<p>a family of scalar operators based on total enthalpy terms are derived to handle mean<p>vorticity effects of arbitrary flows in acoustics (chapter 6). Furthermore, analytical<p>solutions of Pridmore-Brown’s equation are featured considering exponential boundary<p>layers whose profile depend on the acoustic parameters of the problem (chapter 7).<p>Finally, an extension of Pridmore-Brown’s equation is formulated for predicting the<p>acoustic propagation over a locally-reacting liner in presence of a boundary layer of<p>linear velocity profile superimposed to a constant cross flow (chapter 8).<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La première partie de ce mémoire de maîtrise concerne principalement la validation d'une méthode de calcul des forces et moment instationnaires sur des corps mobiles dans une méthode lagrangienne par particules vortex. La méthodologie développée ne requiert pas la pression, une variable qui n'est plus disponible directement dans notre algorithme lagrangien. La seconde partie vise l'optimisation de systèmes de deux ailes oscillantes à l'aide de simulations numériques en deux dimensions. Les ailes oscillantes considérées effectuent un mouvement de pilonnement (translation transverse) et de tangage (rotation) dans un écoulement pour en soutirer de l'énergie. Dans la configuration en tandem, pour laquelle les ailes sont une derrière l'autre, le positionnement de l'aile arrière influence grandement l'efficacité, qui peut atteindre 40% avec un placement adéquat. Dans la configuration en parallèle, pour laquelle les ailes sont une au-dessus de l'autre, les rendements maximaux atteints sont de l'ordre de 30% en raison de l'augmentation intrinsèque de la fenêtre d'écoulement.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les objectifs de ce mémoire peuvent se scinder en deux parties distinctes. On retrouve tout d'abord un objectif de nature méthodologique qui consiste à réduire les coûts de calcul d'une méthode lagrangienne par particules vortex. Le second objectif est pour sa part davantage relié aux phénomènes physiques et à l'optimisation d'un concept de turbine à aile oscillante. L'objectif méthodologique concerne une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de résoudre des écoulements externes, visqueux et incompressibles, autour de multiples corps en mouvement arbitraire. Avec une telle méthode, le contrôle de la relaxation de la résolution spatiale dans le sillage des corps est plus complexe que dans le cas d'une méthode eulérienne (méthode de grille), puisque la discrétisation des champs est réalisée via un ensemble de particules vortex. Étant donné le nombre sans cesse croissant de ces particules dans le sillage, les coûts de calcul deviennent alors de plus en plus importants. Afin de mieux contrôler cette augmentation du nombre de particules, une approche de redistribution par boîtes est donc proposée et permet à l'utilisateur de définir des boîtes de dimensions et de résolution variables. Les résultats montrent que dans plusieurs simulations, le nombre de particules peut être réduit jusqu'à 50% sans toutefois affecter significativement les prédictions des forces agissant sur les corps. L'atteinte de l'objectif méthodologique s'est avérée nécessaire pour réaliser l'optimisation du rendement d'un concept de turbine à aile oscillante. Cette optimisation a été étudiée via la modification des fonctions de mouvement de l'aile et l'utilisation d'un volet au bord de fuite. Les résultats montrent que la modification des fonctions de mouvement ne permet qu'une faible amélioration du rendement. Toutefois, le déploiement d'un volet permet quant à lui d'aller jusqu'à doubler le rendement pour certaines conditions d'opération.