L'objectif de la thèse est de développer des systèmes de Barrières Thermiques (BT) « capteurs » base zircone yttriée (ZrO2 + 9.8mol% Y2O3, YSZ) déposés par voie sol-gel selon un procédé de trempage-retrait. Ceux-ci sont dédiés à la mesure de la température par des méthodes de thermométrie par fluorescence et au suivi de l'endommagement dans l'épaisseur des revêtements. Les méthodes proposées sont basées sur le suivi de l'évolution, notamment avec la température, des propriétés de photoluminescence de marqueurs fluorescents lanthanides Ln3+, tels que l'europium Eu3+, le dysprosium Dy3+, l'erbium Er3+, le samarium Sm3+ ou encore le thulium Tm3+. Ceux-ci sont directement incorporés dans la structure de la zircone, semi-transparente dans le domaine d'émission visible de ces marqueurs. Un banc de mesure des propriétés de fluorescence (spectres, intensités et temps de vie) a spécifiquement été développé dans ce but. La caractérisation des différents couples YSZ:Ln3+ sous forme de poudres synthétisées par voie sol-gel a permis d'optimiser les compositions de manière à maximiser l'intensité du signal de fluorescence tout en préservant les propriétés microstructurales requises pour une BT. Les dépôts sol-gel réalisés par trempage-retrait permettent la fabrication de prototypes de BT multicouches fonctionnalisées intégrant jusqu'à trois couches fluorescentes de longueurs d'onde d'émission distinctes. De tels systèmes architecturés permettent de sonder optiquement la totalité de l'épaisseur de zircone déposée pour de futures applications visant à évaluer les gradients thermiques siégeant dans le volume des revêtements. Des BT fonctionnalisées contenant des défauts de délamination pré-calibrés à l'interface métal/céramique ont été également utilisées pour comparer l'intérêt d'une méthode de fluorescence accrue par réflectance et d'une méthode de thermographie infrarouge pour le suivi et l'évaluation des processus d'endommagement précurseurs de l'écaillage. Enfin, le potentiel qu'offrent les poudres de zircone YSZ:Ln3+ dopées en tant que marqueurs fluorescents de l'histoire thermique, alternatifs aux peintures thermiques utilisées industriellement, a aussi été analysé. / The aim of this work is to develop and study yttria stabilised zirconia (ZrO2 + 9.8at% Y2O3, YSZ) based thermal barrier coating (TBC) « sensor » systems deposited by a dip coating sol-gel process, and dedicated to temperature measurement and to the monitoring of damaging occuring within the thickness of the coatings, using fluorescence thermometry methods. These methods are based on the monitoring of the fluorescence properties of photoluminescent activators from the trivalent lanthanide ions group (Ln3+), such as samarium Sm3+, europium Eu3+, dysprosium Dy3+, erbium Er3+ and thulium Tm3+. These activators are directly incorporated into the zirconia YSZ host matrix lattice, which is semi-transparent at their emission wavelengths mainly falling in the visible range. An experimental set up was especially developped for the application of these methods. The characterisation of the different YSZ:Ln3+ powders synthesized by a sol-gel process allowed to optimise the compositions, and thus maximize the fluorescence signal intensity while avoidind any alteration of the zirconia crystal structure required from for a TBC material. The sol-gel dip coating process allowed to deposit functionalised multilayer TBC prototypes integrating up to three fluorescent layers with distinct emission wavelengths distributed throughout the thickness. Such coating architectures allow, with the fluorescence thermometry methods identified, to optically probe the coating across the whole thickness for future applications aiming to determine the thermal gradient in TBCs. Functionalised TBCs containing pre-calibrated delamination defects at the metal/ceramic interface were also used to compare the interest of the reflectance enhanced fluorescence method and an IR thermography method for early monitoring of TBC spallation. At last, the potential offered by YSZ:Ln3+ powders as thermal history sensors alternative to temperature sensitive paints was also investigated.

L'objectif de ce travail est de proposer une nouvelle démarche pour améliorer et accélérer les études de dimensionnement des pièces de turboréacteurs en avant-projets. Il s'agit de fournir une méthodologie complète pour la conception robuste sous contraintes. Cette méthodologie consiste en trois étapes : la réduction de la dimension et la méta-modélisation, la conception robuste sous contraintes puis la résolution de problèmes inverses sous contraintes. Ce sont les trois principaux sujets abordés dans cette thèse. La réduction de la dimension est un pré-traitement indispensable à toute étude. Son but est de ne conserver, pour une sortie choisie du système, que les entrées influentes. Ceci permet de réduire la taille du domaine d'étude afin de faciliter la compréhension du système et diminuer les temps de calculs des études. Les méthodes de méta-modélisations contribuent également à ces deux objectifs. L'idée est de remplacer le code de calculs coûteux par un modèle rapide à évaluer et qui représente bien la relation entre la sortie étudiée et les entrées du système. La conception robuste sous contraintes est une optimisation bi-objectifs où les différentes sources d'incertitudes du système sont prises en compte. Il s'agit, dans un premier temps, de recenser et modéliser les incertitudes puis de choisir une méthode de propagation de ces incertitudes dans le code de calculs. Ceci permet d'estimer les moments (moyenne et écart-type) de la loi de la sortie d'intérêt. L'optimisation de ces moments constitue les deux objectifs de la conception robuste. En dernier lieu, il s'agit de choisir la méthode d'optimisation multi-objectifs qui sera utilisée pour obtenir l'optimum robuste sous contraintes. La partie innovante de cette thèse porte sur le développement de méthodes pour la résolution de problèmes inverses mal posés. Ce sont des problèmes pour lesquels il peut y avoir une infinité de solutions constituant des ensembles non convexes et même disjoints. L'inversion a été considérée ici comme un complément à l'optimisation robuste dans laquelle l'optimum obtenu ne satisfaisait pas une des contraintes. Les méthodes d'inversion permettent alors de résoudre ce problème en trouvant plusieurs combinaisons des entrées qui satisfont la contrainte sous la condition de rester proche de l'optimum robuste. Le but est d'atteindre une valeur cible de la contrainte non satisfaite tout en respectant les autres contraintes du système auxquelles on ajoute la condition de proximité à l'optimum. Appliquée au dimensionnement d'un compresseur HP en avants-projets, cette méthodologie s'inscrit dans l'amélioration et l'accélération des études marquées par de nombreux rebouclages chronophages en termes de ressources informatiques et humaines. / The aim of this PhD dissertation is to propose a new approach to improve and accelerate preliminary design studies for turbofan engine components. This approach consists in a comprehensive methodology for robust design under constraints, following three stages : dimension reduction and metamodeling, robust design under constraints and finally inverse problem solving under constraints. These are the three main subjects of this PhD dissertation. Dimension reduction is an essential pre-processing for any study. Its aim is to keep only inputs with large effects on a selected output. This selection reduces the size of the domain on which is performed the study which reduces its computational cost and eases the (qualitative) understanding of the system of interest. Metamodeling also contributes to these two objectives by replacing the time-consuming computer code by a faster metamodel which approximates adequately the relationship between system inputs and the studied output. Robust design under constraints is a bi-objectives optimization where different uncertainty sources are included. First, uncertainties must be collected and modeled. Then a propagation method of uncertainties in the computation code must be chosen in order to estimate moments (mean and standard deviation) of output distribution. Optimization of these moments are the two robust design objectives. Finally, a multi-objectives optimization method has to be chosen to find a robust optimum under constraints. The development of methods to solve ill-posed inverse problems is the innovative part of this PhD dissertation. These problems can have infinitely many solutions constituting non convex or even disjoint sets. Inversion is considered here as a complement to robust design in the case where the obtained optimum doesn't satisfy one of the constraints. Inverse methods then enable to solve this problem by finding several input datasets which satisfy all the constraints and a condition of proximity to the optimum. The aim is to reach a target value of the unsatisfied constraint while respecting other system constraints and the optimum proximity condition. Applied to preliminary design of high pressure compressor, this methodology contributes to the improvement and acceleration of studies currently characterized by a numerous of loopbacks which are expensive in terms of cpu-time and human resources.

L’évolution des turboréacteurs vers des taux de dilution toujours plus importants est associée à de nouvelles problématiques. Parmi elles, le raccourcissement de l’entrée d’air et de la tuyère est associé à une diminution du gain apporté par les traitements acoustiques de nacelle. La contribution des traitements situés dans l’espace entre la soufflante et le stator redresseur (OGV) va donc prendre de l’importance par rapport à l’ensemble des traitements. Cette zone, également appelée “interstage”, est caractérisée par une forte giration de l’écoulement moyen due à l’entraînement du fluide par le rotor. L’objectif de ce travail est de développer un modèle analytique afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques dans l’interstage, ainsi que sur le bruit à large-bande rayonnant en amont dû à l’interaction de la turbulence en aval de la soufflante avec les aubes des stators (OGV). Dans un premier temps, l’évolution de petites perturbations dans écoulement moyen tournant et cisaillé dans un conduit rigide est étudiée. Après avoir introduit les équations ainsi que les hypothèses du problème, l’analogie acoustique de Posson & Peake [122] est présentée. L’effet de la giration sur le contenu modal dans un conduit rigide est mis en évidence pour plusieurs types d’écoulements tournants. En particulier, le décalage des fréquences de coupures est étudié. L’étude est ensuite étendue au cas d’un conduit annulaire traité acoustiquement. Une attention particulière est portée sur la condition aux limites à appliquer aux parois du conduit. Dans ce cadre, une correction due aux effets centrifuges est apportée à la condition aux limites de Myers [101]. Une extension du modèle de Brambley [24] est aussi proposée afin de prendre en compte l’effet de l’épaisseur de la couche limite aux parois du conduit dans le cas tournant. Les effets combinés de la rotation et de la condition aux limites sur le contenu modal sont ensuite étudiés. En outre, une relation de dispersion pour les modes de surfaces en présence d’écoulement tournant est développée. À partir des développements précédents, un modèle de transmission acoustique est proposé afin d’évaluer l’effet de la giration sur le comportement des traitements acoustiques. La méthode repose sur le principe de raccordement modal appliqué à la conservation du débit massique et de l’enthalpie totale aux interfaces séparant les sections rigides et traitées. Une nouvelle méthode de projection basée sur les propriétés des polynômes de Chebyshev est proposée. À partir de ce modèle, l’efficacité des traitements acoustiques est étudiée pour différents écoulements tournants. Enfin, un modèle de prédiction du bruit à large-bande d’interaction rotor-stator est établi à partir de l’analogie de Posson & Peake [122], dans le but de prendre en compte l’effet de la giration sur la puissance acoustique rayonnée en amont. Le terme source est calculé selon le formalisme de Posson et al. [120]. Le modèle ainsi développé permet de prendre en compte une évolution radiale des paramètres géométriques et des propriétés statistiques de la turbulence incidente. Le modèle est ensuite évalué sur le cas test NASA SDT pour différents régimes et géométries. / The advent of modern turbofan engines such as UHBR goes along with new issues. Amongst others, the shortening of the inlet and exhaust yield a relatively higher importance of the liners located inside the interstage, where the flow is highly swirling. The present work aims at developing analytical models to assess the effect of the swirl both on the behavior of the interstage liners and on the upstream radiation of the fan-OGV interaction broadband boise. The evolution of small fluctuations in a rigid annular duct containing a swirling and sheared mean flow are studied first. After having introduced the governing equations and the main assumptions, the acoustic analogy of Posson & Peake [122] tailored to an annular duct with swirl and shear is presented. The effect of the swirl on the modal content in a rigid annular duct is highlighted for different types of swirl. In particular the shift of the cut-on thresholds is studied. Then, the modal analysis is extended to a duct with lined walls. A particular attention is paid on the boundary condition. Notably, a correction of the classical Myers boundary condition [101] is proposed to account for the centrifugal effects. An extension of Brambley’s boundary condition [24] is also derived to account for the boundary layer thickness to first order. The effect of both the swirl and the boundary condition on the modal content are studied. Besides, a dispersion relation for the surface waves is derived for the corrected Myers boundary condition. Based on the previous modal analyses, a transmission tool is developed to assess the effect of the swirl on the efficiency of a liner. The method, which relies on the mode-matching approach, is based on the conservation of the total enthalpy and the mass flow at the interfaces between the rigid and the lined sections. Due to the nature of the eigenfunctions, a new projection method based on the Chebyshev polynomial properties is proposed. Thanks to this model, the absorption is assessed for different types of swirl. Finally, a rotor-stator interaction broadband noise prediction model is derived from Posson & Peake’s acoustic analogy [122], to account for the effect of the swirl on the upstream radiated acoustic power. The source term is computed according to Posson et al.’s model [120]. It allows considering a radial variation of the geometry and the statistical properties of the incident turbulence. The model is assessed on the NASA SDT test case and the effect of the swirl is evaluated for several stator geometries and regimes.

Ce travail s'inscrit dans la recherche de traitements acoustiques passifs de conception nouvelle, permettant une réduction accrue des nuisances sonores des réacteurs d'avions (traitements acoustiques de paroi) ou des moteurs thermiques automobiles (silencieux) par exemple. La première partie du mémoire présente l'étude du comportement des matériaux poreux dans les champs acoustiques intenses, lorsque le squelette poreux peut être considéré comme rigide. Deux dispositifs expérimentaux ont été mis au point. Le premier permet la mesure de la résistance au passage de l'air. en fonction du nombre de Reynolds d'un écoulement à travers un échantillon (Loi de Darcy non linéaire). Deux comportements non linéaires distincts ainsi qu'un nombre de Reynolds critique sont mis en évidence expérimentalement pour chaque échantillon. Le second dispositif permet la mesure des coefficients de réflexion et de transmission acoustiques des mêmes échantillons, insérés dans un conduit, en fonction de la fréquence (80-800 Hz) et du niveau acoustique incident sur le matériau (110-150 dB ref. 2.10-5 Pa). Un modèle non linéaire semi-empirique est proposé, permettant de reproduire fidèlement les coefficients de transmission et de réflexion acoustiques obtenus expérimentalement. La seconde partie étudie un traitement acoustique de paroi réactif, à réaction non locale. En aéronautique, le principe utilisé pour réduire le bruit émis par un racleur consiste à. Disposer sur les parois des tuyères, un grand nombre de résonateurs de Helmholtz. En pratiquant des trous dans les parois latérales, les champs acoustiques dans chaque résonateur peuvent être couplés. Les résonateurs constituent alors un traitement acoustique à réaction non locale, non modélisable par une impédance de paroi. Une modélisation analytique est présentée pour un guide d'onde de grande section ainsi traité en paroi par des résonateurs de Helmholtz couplés. Dans un second temps, en utilisant le formalisme des milieux périodiques (modèle discrétisé), une expression analytique des solutions l'équation de dispersion (milieu de longueur infinie), et de la perte par insertion (longueur finie) est présentée dans le cas de deux modes plans couplés, dans un réseau périodique de deux guides d'ondes inhomogènes. Ces résultats sont illustrés dans le cas particulier d'un silencieux automobile à tube perforé classique, dans lequel on ajoute des diaphragmes. Ce travail met en évidence, du point de vue de l'atténuation acoustique d'un réseau de longueur finie, l'intérêt des bandes de fréquences où deux modes de réseau sont propagatifs.

Une méthode non intrusive de construction d’un modèle de remplacement de l’écoulement dans une cavité de système d’air secondaire de turboréacteur est recherchée. Le modèle réduit doit pouvoir être intégré dans un modèle de l’ensemble du moteur et couplé à la thermique de la structure pour simuler son comportement thermique sur une mission complète sous aile. Pour cela, il doit prendre un grand nombre de paramètres en entrée, retourner autant de sorties et être utilisable sur des intervalles de variations étendus de ces paramètres. Plusieurs approches sont envisagées et implémentées, puis appliquées à la modélisation d’une cavité sous turbine fictive :— Création de surfaces de réponse des termes de la décomposition ANOVA des flux pariétaux.— Création de surfaces de réponse des flux pariétaux combinée avec une méthode de raffinement adaptative exploitant la trajectoire dans l’espace d’entrée issue du couplage modèle réduit - modèle de structure.— Réduction de dimension des champs d’interface échangés à partir de résultats des itérations du couplage des modèles thermiques de l’écoulement et de la structure, puis création de surfaces de réponse des coordonnées réduites.Cette dernière voie permets d'obtenir des résultats encourageants sur le cas test proposé d'abord dans le cas à conditions limites d'entrée de l'écoulement fixées, puis en incluant des variations de certaines d'entre-elles. / A non intrusive method to create surrogate models describing the flow in jet engines’ secondary air system is desired. The resulting model must be integrated in a thermal model describing the whole engine during a complete mission under the wing. This requires the model to use a high number of input and output parameters and to be valid on a broad domain of variation of its parameters. Several approches are explored in this thesis and applied to a simplified turbine cavity :— Surrogate modeling of terms of the ANOVA decomposition of wall fluxes.— Surrogate modeling of wall fluxes combined with an adaptive refinement method exploiting the trajectory followed by the input parameters during the coupling between the metamodel and the structural model.— Dimensionality reduction of the interface data exchanged during the coupling between flow and structure thermal model and surrogate modeling of the resulting reduced coordinate.This last approach leads to good results on the test case considered in this thesis with fixed inlet boundary conditions and then with variations of some of the inlet parameters.