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

Vegetation is commonly modelled as emergent arrays of rigid, circular cylinders. However, the drag coefficient (CD) of real stems or trunks is closer to that of cylinders with a square cross-section. In this thesis, vegetation has been idealised as square cylinders in laboratory experiments with a turbulence intensity of the order of 10% which is similar to that of typical river flows. These cylinders may also represent other obstacles such as architectural structures. This research has determined CD of an isolated cylinder and cylinder pairs as a function of position as well as the average drag coefficient (CDv) of larger arrays. A strain gauge was used to measure CD whilst CDv was computed with a momentum balance which was validated by strain gauge measurements for a regularly spaced array. The velocity and turbulence intensity surrounding a pair of cylinders arranged one behind the other with respect to mean flow (in tandem) were also measured with an Acoustic Doppler Velocimeter. The isolated cylinder CD was found to be 2.11 in close agreement with other researchers. Under fixed flow conditions CD for a cylinder in a pair was found to be as low as -0.40 and as high as 3.46 depending on their relative positioning. For arrays, CDv was influenced more by the distribution of cylinders than the flow conditions over the range of conditions tested. Mean values of CDv for each array were found to be between 1.52 and 3.06. This new insight therefore suggests that CDv for vegetation in bulk may actually be much higher than the typical value of 1 which is often assumed to apply in practice. If little other information is available, a crude estimate of CDv = 2 would be reasonable for many practical applications. The validity of a 2D realizable k-epsilon turbulence model for predicting the flow around square cylinders was evaluated. The model was successful in predicting CD for an isolated cylinder. In this regard the model performed as well as Large Eddy Simulations by other authors with a significant increase in computational efficiency. However, the numerical model underestimates CD of downstream cylinders in tandem pairs and overestimates velocities in their wake. This suggests it may be necessary to expand the model to three-dimensions when attempting to simulate the flow around two or more bluff obstacles with sharp edges.

L’aile rigide navale est le moyen de propulsion qui se substitue à la grande voile souple sur les catamarans de classe Coupe de l’América et Class-C. Ce gréement est similaire à une aile aéronautique, composée de deux éléments, avec le volet séparé de l’élément principal par une fente. Comparée à une voile souple, l’aile rigide permet d’améliorer les performances du bateau en naviguant à des vitesses plus grandes que celle du vent. Cependant, le décrochage brutal qui caractérise l’aile et sa sensibilité à l’instationnarité du vent rendent difficile la correcte maîtrise de l’aile pendant la navigation. La modification des forces aérodynamiques qui agissent sur l’aile, dû à l’action d’une rafale ou au dépassement de la limite du décrochage, peuvent compromettre la stabilité du catamaran avec un possible risque de chavirage. L’aile doit donc être dessinée et réglée correctement pour éviter cette possibilité de chavirage, mais il est nécessaire de connaître l’enveloppe aérodynamique. / Wingsail is a propulsion system substituting the conventional main soft sail on the America’s Cup and C-class catamarans. This rig is similar to a slotted-flap aeronautical wing, made by two elements divided by a slot. With respect to soft sails, the wingsail improves the performance of the yachts allowing navigating faster than the wind in both the upwind and downwind points of sail. However, the abrupt stall characteristics of the wing and its sensitiveness to the wind unsteadiness make difficult its management during the navigation. The modification of the strength of the aerodynamic forces acting on the wingsail, due to a gust or to the achievement of the stall limit, can compromise the stability of the catamaran. Thus, the wingsail has to be designed and trimmed to avoid the possibility of a capsize but, to do this, the aerodynamic envelop of the wingsail must be known. The aim of the Ph.D. project is, hence, to characterize the flow around the wingsail investigating the influence of the geometric and trim parameters on the wing performance.

Vortex shedding is an important mechanism, by which the flow around bluff bodies create forces that excite vibratory motion. Vortex-induced vibration (VIV) is studied for a single circular cylinder by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. An arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation is used to achieve the grid deformation needed for VIV. In this thesis, a multifaceted approach is undertaken by which response dynamics and wake interaction are addressed. Four major aspects are considered in the study: the Reynolds number (Re); the mass and damping; the degree-of-freedom for VIV; and the mutual effect between VIV and heat transfer.As attention is paid towards high pre-critical Re flow, the turbulent flow around the cylinder is treated by two turbulence modelling approaches: unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (uRANS), and Large Eddy Simulation (LES). The wake-VIV interaction is analyzed by looking at mean velocities and Reynolds stresses, where decomposition of flow scales is undertaken to explore the evolution of coherent eddy structures, downstream of the cylinder. Conversely, the VIV response is analyzed by considering oscillation amplitude and frequency, in addition to the excitation and inertial dynamics.High turbulence in the separated shear layers disorders the cylinder's VIV response and induces higher amplitudes. The sensitivity for Re is found more pronounced in cylinders with low mass and damping. Meanwhile, VIV is found to enhance wake mixing, and to significantly change the near wake Reynolds stresses. It is suggested that the increase in Re brings a change to the wake patterns, which are known in VIV at lower Re. The kinetic energy production, of near wake eddy structures, is qualitatively altered with the presence of VIV. Furthermore, the surface heat flux is found to cause a noticeable increase in VIV amplitude, as long as it does not disorder the wake correlation. The cylinder's oscillation increases the average value of the Nusselt number (Nu), while the local variance of Nu rises markedly post-separation.

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<p>This thesis reports on a numerical and experimental investigation of the unsteady loading of high solidity vertical axis wind turbines (VAWTs). Two-dimensional, unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes simulations of a small scale, high solidity, H-type Darrieus vertical axis wind turbine revealed the dominant effect of dynamic stall on the power production and vibration excitation of the turbine. Operation of the turbine at low blade speed ratios resulted in complex flow-blade interaction mechanisms. These include; dynamic stall resulting in large scale vortex production, vortex impingement on the source blade, and significant flow momentum extraction.</p> <p>To validate the numerical model, a series of full-scale experimental wind tunnel tests were performed to determine the aerodynamic loading on the turbine airfoils, vibration response behaviour, and wake velocity. In order to accomplish this, a complex force measurement and wireless telemetry system was developed. During the course of this investigation, high vibration response of the turbine was observed. This resulted in conditions that made it difficult or impossible to measure the underlying aerodynamic loading. A vibration mitigation methodology was developed to remove the effect of vibration from the measured aerodynamic forces. In doing so, an accurate and complete measurement of the aerodynamic loading on the turbine blades was obtained.</p> <p>Comparison of the two-dimensional numerical model results to the experimental measurements revealed a considerable over-prediction of the turbine aerodynamic force and power coefficients, and wake velocity. From this research, it was determined that the three-dimensional flow effects due to the finite aspect ratio of the turbine and blades, as well as parasitic losses, could be accounted for through the application of inlet velocity and turbine height correction factors. In doing so, the two-dimensional numerical model results could be properly scaled to represent the three-dimensional flow behaviour of the turbine prototype. Ultimately, a validated VAWT design tool was developed.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les capacité prédictive des méthodes statistiques URANS et hybrides RANS-LES à modéliser des écoulements complexes à haut nombre de Reynolds et de réaliser l'analyse physique de la turbulence et des structures cohérentes en proche paroi. Ces travaux traitent de configurations étudiées dans le cadre des projets européens ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) et TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). Premièrement, l'écoulement décollé autour d’une configuration de cylindre en tandem, positionnés l'un derrière l’autre, est étudiée à un nombre de Reynolds de 166000. Un cas statique, correspondant schématique aux support de train d'atterrissage, est d’abord considéré. L’interaction fluide-structure est ensuite étudiée dans le cas dynamique, dans lequel le cylindre aval possède un degré de liberté en translation dans la direction perpendiculaire à l'écoulement. Une étude paramétrique est menée afin d'identifier les différents régimes d'interaction en fonction des paramètres structuraux. Dans un deuxième temps, la physique du tremblement transsonique est étudiée au moyen d’une analyse temps-fréquence et d’une décomposition orthogonale en modes propres (POD), dans l’intervalle de nombre de Mach 0.70–0.75. Les interactions entre le choc principal, la couche limite décollée par intermittence et les tourbillons se développant dans le sillage, sont analysées. Un forçage stochastique, basée sur une réinjection de turbulence synthétique dans les équations de transport de l’énergie cinétique et du taux de dissipation générée à partir de la reconstruction POD, a été introduit dans l’approche OES (organised-eddy simulation). Cette méthode introduit une modélisation de la turbulence “upscale" agissant comme un mécanisme de blocage par tourbillons capable de prendre en compte les interfaces turbulent/non-turbulent et de couches de cisaillement autour des géométries. Cette méthode améliore grandement la prédiction des forces aérodynamiques et ouvre de nouvelles perspectives quant aux approches de type moyennes d’ensemble pour modéliser les processus cohérents et aléatoires à haut nombre de Reynolds. Enfin, l'interaction onde de choc/couche limite (SWBLI) est traitée, dans le cas d’un choc oblique à nombre de Mach 1.7, contribuant aux études de "design d'ailes laminaires" au niveau européen. Les performances des modèles URANS et hybrides RANS-LES ont été analysées en comparant, avec les résultats expérimentaux, les valeurs intégrales de la couche limite (épaisseurs de déplacement et de quantité de mouvement) et les valeurs à la paroi (coefficient de frottement). Les effets de la transition dans la couche limite sur l’interaction choc/couche limite sont caractérisés. / This thesis aims at analysing the predictive capabilities of statistical URANS and hybrid RANS-LES methods to model complex flows at high Reynolds numbers and carrying out a physical analysis of the near-region turbulence and coherent structures. This study handles configurations included in the European research programmes ATAAC (Advanced Turbulent Simulation for Aerodynamics Application Challenges) and TFAST (Transition Location Effect on Shock Wave Boundary Layer Interaction). First, the detached flow in a configuration of a tandem of cylinders, positionned behind one another, is investigated at Reynolds number 166000. A static case, corresponding to the layout of the support of a landing gear, is initially considered. The fluid-structure interaction is then studied in a dynamic case where the downstream cylinder, situated in the wake of the upstream one, is given one degree of freedom in translation in the crosswise direction. A parametric study of the structural parameters is carried out to identify the various regimes of interaction. Secondly, the physics of the transonic buffet is studied by means of time-frequency analysis and proper orthogonal decomposition (POD), in the Mach number range 0.70–0.75. The interactions between the main shock wave, the alternately detached boundary layer and the vortices developing in the wake are analysed. A stochastic forcing, based on reinjection of synthetic turbulence in the transport equations of kinetic energy and dissipation rate by using POD reconstruction, has been introduced in the so-called organised-eddy simulation (OES) approach. This method introduces an upscale turbulence modelling, acting as an eddy-blocking mechanism able to capture thin shear-layer and turbulent/non-turbulent interfaces around the body. This method highly improves the aerodynamic forces prediction and opens new ensemble-averaged approaches able to model the coherent and random processes at high Reynolds number. Finally, the shock-wave/boundary-layer interaction (SWBLI) is investigated in the case of an oblique shock wave at Mach number 1.7 in order to contribute to the so-called "laminar wing design" studies at European level. The performance of statistical URANS and hybrid RANS-LES models is analysed with comparison, with experimental results, of integral boundary-layer values (displacement and momentum thicknesses) and wall quantities (friction coefficient). The influence of a transitional boundary layer on the SWBLI is featured.

Ces travaux de recherche ont pour but d’évaluer la méthode dite de la "Simulation auxEchelles Adaptées" (SAS pour Scale-Adaptive Simulation). Cette approche coïncide avec uneapproche RANS classique dans les zones pariétales attachées et adapte le niveau de viscositéturbulente dans les zones décollées pour y permettre une résolution partielle des structures turbulentes.Dans une première partie, une analyse théorique du modèle SAS original a été menéeet a permis de développer une correction visant à favoriser l’adaptation du niveau de viscositéturbulente dans les zones sièges d’instabilités de type Kelvin-Helmholtz. Le modèle ainsi corrigéest nommé SAS-αL. Les modèles SAS et SAS-αL ont été implantés dans le code de calculNavier-Stokes elsA de l’ONERA. À l’issue de cette étape, trois cas académiques d’écoulementsturbulents instationnaires, cylindre à grand nombre de Reynolds, marche descendante et cavitétranssonique, ont été simulés grâce aux trois modèles de turbulence SST, SAS et SAS-αL. Outreune comparaison aux bases de données expérimentales disponibles, une attention particulièrea été portée à l’influence de paramètres numériques tels que des schémas numériques d’ordreélevé. Enfin, afin d’étudier la viabilité de l’approche SAS dans un contexte industriel, les troismodèles de turbulence ont été testés sur une configuration issue de l’industrie aéronautique etcorrespondant à la sortie d’air chaud d’un système de dégivrage des nacelles d’avion. La comparaisondes prévisions obtenues avec les modèles SST, SAS et SAS-αL aux données expérimentalesobtenues à l’ONERA a permis de montrer un gain de précision grâce à l’emploi de l’approcheSAS et ce pour un coût de calcul compatible avec un cycle de conception industrielle. / This research work is meant to assess an upgraded URANS approach, namely the Scale-Adaptive Simulation (SAS). This method is similar to a conventional RANS approach (namelythe SSTmodel) in attached areas and is able to adapt the eddy-viscosity level in detached areas toensure the resolution, at least partially, of the turbulent structures. In a first part of this researchwork, an improvement of the SAS approach is suggestedto allowa better sensitivity of themodelto instabilities such as Kelvin-Helmholtz ones. This "improved" model is referred to as SAS-αLmodel. Both SAS and SAS-αL models were implemented in the ONERA Navier-Stokes solverelsA and both of themaswell as the SSTmodelwere tested on academic test cases : a cylinder in acrossflowat a high Reynolds number, a backward-facing step flowcorresponding to theDriver&Seegmiller experiment and the transonic flow over the M219 cavity experimentally investigatedby de Henshaw. The influence of the numerical parameters was deeply investigated and particularattention was paid to the high-order space-discretization schemes effects. The reliabilityof the SAS approach in an industrial framework was assessed on an aeronautic configurationnamely a nacelle de-icing device. Comparisons between the threemodels (SST, SAS and SAS-αL)and an experimental database available at ONERA - The French Aerospace Lab have shown thebetter accuracy of the SAS approach as well as the high potential of the SAS-αL model.

La simulation des écoulements cavitants est confrontée à des difficultés de modélisation et de résolution numérique provenant des caractéristiques particulières de ces écoulements : changement de phase, gradient de masse volumique important, variation du nombre de Mach, turbulence diphasique, instationnarités. Dans cette thèse, nous nous sommes appliqués à dériver proprement le modèle de mélange homogène 1-fluide couplé à une modélisation RANS de la turbulence. A partir des termes contenus dans ces équations et de la nature des écoulements cavitants étudiés, plusieurs modèles de turbulence basés sur la notion de viscosité turbulente ont été testés : modèles faiblement non-linéaires (corrections SST et de réalisabilité), ajout des termes de turbulence compressible, application de la correction de Reboud, modèles hybrides RANS/LES (DES, SAS). Ces modèles ont été incorporés dans un code compressible qui fait appel à une résolution implicite en pas de temps dual des équations de conservation avec une technique de pré-conditionnement bas-Mach pour traiter les zones incompressibles. Les simulations 2D et 3D ont porté sur deux géométries de type Venturi caractérisées par la présence d'une poche de cavitation instationnaire due à l'existence d'un jet rentrant liquide/vapeur le long de la paroi. Elles montrent que l'ensemble des modèles sont capables de capturer le jet rentrant. En revanche, la dynamique de la poche varie entre les modèles et le manque de données expérimentales ne permet pas de discriminer les modèles entre eux. Il apparaît à la vue des résultats que les approches avec la correction de Reboud ou les modèles SAS améliorent la simulation des écoulements.

V této diplomové práci je provedena optimalizace profilu křídla vybaveného elastickou klapkou umístěnou na horní straně profilu. Optimalizační proces je proveden s vyžitím CFD prostředků, konkrétně URANS metody. V prvních kapitolách je popsána historie vývoje křídla vybaveného pohyblivými klapkami. Práce pokračuje popisem a zdůvodněním volby numerické metody. Vytvoření geometrie a výpočetní sítě je krátce popsáno. V práci je také prezentována validace a verifikace dané výpočetní metody. Případová studie je zaměřena na profil LS(1)-0417mod vybavený 20%, 30% a 40% dlouhou, pevnou kalpkou na různých úhlech náběhu. Aerodynamická účinnost společně s proudovým polem je analyzována. Je provedena nelineární pevnostní analýza s využitím MKP programu za účelem vyhodnocení ohybové tuhosti a deformovaného tvaru elastické klapky tak, aby byly splněný podmínky nutné pro automatické vychýlení.