Le but principal du présent travail est ainsi de réaliser une expérience de mélange par la turbulence, dans laquelle il est possible de déterminer et de quantifier les temps de cohérence des différentes échelles spatiales des fluctuations du champ de vitesse et du champ de concentration qu'il transporte et mélange. La turbulence est ici voisine de la situation idéale statistiquement homogène et isotrope, et la configuration est conçue pour qu'il en soit de même pour le champ de concentration. La turbulence est créée par une grille placée perpendiculairement à un écoulement uniforme à l'extérieur des couches limites qui se développent le long des parois de la veine d'essais à section carrée constante. L'écoulement de la présente étude est un écoulement d'eau, dans lequel le champ de concentration est celui d'une solution de Rhodamine B injectée au niveau de la grille à travers des injecteurs équi-répartis le long des barreaux de celle-ci. Ce choix, dicté par la technique de mesure du champ de concentration par Fluorescence Induite par Laser, permet en outre de mesurer le champ de vitesse par une autre technique optique, elle aussi non-intrusive. Pour se rapprocher le plus de la théorie d'un mélange idéal statistiquement homogène et isotrope sans vitesse moyenne, on considère dans l'expérience, conformément à l'hypothèse de Taylor, que toutes les échelles associées à chacun de ces champs, sont convectés à la vitesse moyenne U de l'écoulement, et l'on suit une "boîte de turbulence" qui se déplace à cette vitesse le long de la veine. Par suite déterminer l'état de la turbulence en un point donné de cette boite à l'instant t et à l'instant t'=t+dt, revient à l'étudier dans l'expérience à t à l'abscisse x de la veine d'essai, et à t' à l'abscisse x+dx , avec dx=Udt, où se trouve le point de la boîte aux deux instants successifs. Les résultats expérimentaux concernant les échelles pour lesquelles l'isotropie statistique est satisfaite, permettent alors de vérifier une phénoménologie de l'évolution de la cohérence temporelle des diverses échelles spatiales du champ des fluctuations de concentration fondée sur les idées de Comte-Bellot et Corrsin. Cette expérience, est en outre l'occasion de donner des résultats sur les densités de probabilité de diverses propriétés statistiques des champs de fluctuation de vitesse. / The main purpose of this work is to make an experiment of mixing by turbulence, in which it is possible to determine and quantify the coherence time of the different spatial scales of fluctuations of a scalar field. We measure concentration fluctuations of rhodamine B by Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) which is transported and mixed by velocity fluctuations. These latter ones are generated by a grid placed perpendicularly to the flow in a water channel and are measured by Particle Image Velocimetry (PIV). The concentration field is injected in the flow by injectors regularly spaced on the grid so that it is a situation where both the velocity and the concentration fields are statistically homogeneous and isotropic. To get as close as the theory of statistically homogeneous and isotropic turbulence with no mean velocity, we consider, according to Taylor's hypothesis, that all scales associated with each of these fields are convected with the mean velocity U of the flow, and we follow a "turbulent box" that moves at U along the channel. As a result determining the state of turbulence at a given point of the box at time t and time t ' = t + dt, is like studying in the experiment at time t and space x of test section, and time t' and space x + dx of the test section, with dx = U dt. When statistical isotropy is satisfied, we can verify a phenomenology of the evolution of the temporal coherence of various space scales of the concentration fluctuation fields based on the ideas of Comte-Bellot and Corrsin. This experiment is also an opportunity to give results on probability densities of various statistical properties of fluctuating velocity fields.

L’étude présentée dans cette thèse relève de la mécanique des fluides expérimentale et numérique appliquée aux écoulements pariétaux de refroidissement de chambres de combustion aéronautiques. En présence de phénomènes thermo-acoustiques, comme les instabilités de combustion, il est important d’évaluer si les capacités de l’écoulement pariétal à protéger les parois de chambre restent suffisantes. C’est ainsi que nous nous sommes intéressés aux écoulements de paroi multiperforée soumis à une excitation acoustique. Dans ce but, le banc d’essais MAVERIC a été amélioré grâce à l’installation d’un système qui permet de forcer acoustiquement l’écoulement transverse dans lequel les jets pariétaux débouchent. Nous avons pu alors mettre en évidence la forte sensibilité de ce type d’écoulements à l’excitation acoustique. Le bon accord entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques aux grandes échelles (LES) effectuées est très encourageant dans le cas d’un forçage par onde stationnaire. Le forçage par onde progressive, étudié uniquement par simulations numériques, s’est révélé être capable de modifier significativement la topologie de l’écoulement. Enfin, à partir de l’outil numérique AVBP-AVTP qui permet le couplage de calculs fluide-solide, nous avons réalisé une étude de l’influence de la présence d’une excitation acoustique sur le comportement thermique de l’écoulement autour d’une paroi multiperforée de chambre de combustion. / This experimental and numerical study in the field of fluid mechanics deals with jets-in cross flow configurations that are relevant for the cooling of aero engine combustion chambers. Indeed, in presence of instabilities it is important to determine to which extent the film cooling is able to do its job of preserving the combustion chamber walls from the thermal load. The test facility MAVERIC has been upgraded in order to acoustically force the crossflow in which the jets are discharging. The strong sensitivity of the overall flow unsteady properties to the presence of the acoustic forcing has been clearly evidenced. The agreement between the experimental results and large-eddy simulations proved to be quite encouraging for a stationary acoustic wave whereas the case of a propagating acoustic wave investigated only numerically reveals also quite a significant change of the flow topology. In this context, the effect of the acoustic forcing on the wall thermal behavior has been analyzed thanks to the use of the fluid-solid coupled AVBP-AVTP solver.

Afin d’alléger les moteurs d’avions et diminuer la consommation de carburant, les industriels tendent à rendre plus compact le système de compression de leurs moteurs, qui représente environ 40% de la masse totale. Or, à taux de compression global égal, la réduction du nombre d’étages implique une charge aérodynamique plus élevée par étage. Cela augmente d’autant les risques de décollements sur les aubes et la dégradation des performances. L’aspiration de la couche limite sur les aubages s’est révélée très prometteuse pour supprimer ces décollements néfastes et satisfaire aux besoins de charge aérodynamique élevée. Cependant, l’aspiration modifie fortement la distribution de pression statique à la paroi des aubes, rendant les approches de conception traditionnelles inadaptées. L’objectif de ce travail de thèse est donc de proposer une nouvelle méthode et de nouveaux critères de conception d’aubages fortement chargés, intégrant l’aspiration de la couche limite. Cette méthode repose sur une stratégie d’aspiration en deux étapes. Dans un premier temps, un contrôle passif, par courbure et diffusion, de la position du point de décollement est effectué dans le but de la rendre insensible aux conditions de fonctionnement. Dans un second temps, un contrôle actif par aspiration vise à placer la fente d’aspiration par rapport au point de décollement de manière à minimiser le taux d’aspiration nécessaire au recollement de la couche limite. Afin de mettre en pratique cette stratégie, une technique de dessin d’aubages par prescription de la distribution de courbure de l’extrados et de la variation de section du canal inter-aubes, est ainsi développée. Associée à un outil de pré-dimensionnement rapide ainsi qu’une évaluation des pertes de pression totale incluant la présence d’aspiration, cette méthode permet ainsi de concevoir une grille de stator aspirée subsonique réalisant une déflexion fluide de 60 degrés, pour un nombre de Mach amont de 0,5, correspondant à un facteur de diffusion de 0,73. Cette performance au point nominal est obtenue avec un coefficient de pertes de pression totale de 2,5%, en aspirant 1,1% du débit entrant dans la grille. Ces valeurs peuvent néanmoins être réduites respectivement à 2,1% et 0,8% par l’emploi d’une fente d’aspiration à bords arrondis. Cette étude numérique bidimensionnelle est effectuée à l’aide du code de calcul elsA de l’ONERA. Afin de valider expérimentalement cette méthode de conception ainsi que les outils numériques associés, une grille d’aubes plane est construite et testée à basse vitesse au laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique de l’Ecole Centrale de Lyon. A mi-envergure, les résultats issus de l’expérience et de simulations numériques 3D confirment la pertinence de la stratégie d’aspiration et la démarche de conception adoptée. Cette confrontation met alors en évidence l’impact de la distribution du taux d’aspiration suivant l’envergure sur l’efficacité de l’aspiration. Etant donné l’importance des écoulements tridimensionnels rencontrés, une généralisation en trois dimensions de la stratégie d’aspiration est proposée et est appliquée numériquement sur cette même grille d’aubes. En contrôlant simultanément les couches limites se développant sur l’aube et sur les parois latérales du canal de compression, il est alors possible de supprimer presque totalement les décollements de coins présents dans celui-ci. En contrepartie, le taux d’aspiration voit sa valeur augmenter très fortement, tempérant ce bénéfice. L’épaisseur des couches limites entrantes se révèle alors également être un facteur déterminant pour le succès du contrôle des couches limites par aspiration, dans un cadre tridimensionnel. / In order to reduce the mass of aircraft jet engines as well as their fuel consumption, manufacturers tend to make the compression system of their engines more compact, since this component represents approximately 40% of the total mass. However, for a given overall pressure ratio, decreasing the number of stages implies increasing the aerodynamic load per stage. This all the more increases the risk of flow separation on the blades ultimately resulting in a decrease in performance. Boundary layer suction on the blade has proven to be very promising to suppress this deleterious flow separation and meet the needs of high aerodynamic loads. Nevertheless, boundary layer suction significantly modifies the static pressure distribution on the blades, making traditional design approaches unsuitable. Therefore, the objective of this Ph.D. work is to develop a new method and new criteria for the design of highly loaded compressor blades, integrating boundary layer suction into the design process. This design method relies on a two-step aspiration strategy. First, passive control of the separation point location is applied via curvature and diffusion in order to make it insensitive to operating conditions. Second, active control through boundary layer suction aims at placing the suction slot with respect to the separation point location, in order to minimize the necessary suction mass flow rate required to reattach the flow. To put this strategy into practice, a blading technique that consists of prescribing the curvature distribution on the suction side of the blade and the cross-section distribution of the blade passage is developed. In association with a fast pre-design tool, as well as an overall total pressure loss coefficient including aspiration, this method allows the design of a subsonic aspirated stator cascade with flow turning of 60 degrees, for an inlet Mach number of 0.5,giving a Diffusion Factor of 0.73. This performance at the design point is obtained for an overall total pressure loss coefficient of 2.5%, aspirating 1.1% of the inlet mass flow rate. Nevertheless, these two values can be respectively reduced to 2.1% and 0.8% by rounding the edges of the suction slot. This bi-dimensional numerical study has been carried out with the elsA solver from ONERA. To experimentally validate this design method and the associated numerical tools, a planar cascade is built and tested at low speed at the Laboratoire de Mécanique de Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon. At mid-span, results from the experiment and from tri-dimensional numerical simulations confirm the relevance of the design approach. This comparison then discloses the impact of the suction mass flow rate distribution along the span, on the efficiency of aspiration. Given the importance of tri-dimensional flows encountered in the experiment and simulations, a generalization in three dimensions of the aspiration strategy is proposed and numerically applied on the same cascade. By simultaneously controlling the boundary layers developing on the blades and on the endwalls,it is possible to almost entirely suppress the corner separations present in the blade passage. However, one disadvantage is that the suction mass flow rate undergoes a strong increase, moderating this benefit. The thickness of the inlet boundary layers appears to be also a key factor in the success of boundary layer control by aspiration, in a tri-dimensional context.

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc. / This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.

L'utilisation des meubles frigorifiques de vente fermés a augmenté régulièrement dans les supermarchés en raison des économies d'énergie réalisées par rapport aux meubles ouverts. D’où la nécessité d'élargir les connaissances scientifiques à ce type de meuble. Pour l’instant la plupart des études de la littérature ont porté sur l'amélioration de l'efficacité énergétique après l'installation de portes, tandis que les études sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés sont rares. De plus, il convient d’étudier également les circulations d’air car ils influencent les échanges de chaleur entre l’air et les produits, donc leur température. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes d’écoulement d’air et de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés par la mise en œuvre d'approches expérimentales et numériques.Des investigations expérimentales ont été menées sur un meuble frigorifique fermé placé dans une cellule d’essai à température contrôlée. Quatre-vingts thermocouples calibrés répartis dans le meuble ont permis d’observer les évolutions spatio-temporelles des températures de l’air et du produit dans différentes conditions de fonctionnement. Nous avons fait varier la température de l'air ambiant (15, 19, 24 et 29 ° C), le volume occupé par le produit (meuble vide ou plus ou moins chargé de blocs de méthylcellulose) et la fréquence d'ouverture des portes (0 : fermé en permanence, 10, 20, 40, 60 Ouvertures Par Heure - OPH). Des expériences ont également été réalisées dans une configuration ouverte du meuble frigorifique (portes complètement retirées) afin de déterminer les avantages des portes sur les performances thermiques.Les résultats ont montré que lorsque les portes étaient fermées en permanence, les champs de température étaient similaires quels que soient la température ambiante et le pourcentage de volume occupé : la température la plus élevée se situe à l’avant de l'étagère supérieure alors que la température la plus basse est observée à l’arrière de l'étagère inférieure. Cette répartition change lorsque les portes sont périodiquement ou définitivement ouvertes : la position où la température est la plus élevée migre vers l’avant de l'étagère du milieu. Même pour une fréquence très élevée d’ouverture des portes (60 OPH), les températures de l’air et des produits dans le meuble fermé sont restées plus basses d’au moins 1,0 ° C par rapport au meuble sans portes.Des mesures de vitesse d'air par anémométrie à fil chaud au niveau du rideau d’air ont permis d'observer son allure générale tandis que les mesures effectuées dans le conduit arrière ont permis de quantifier la répartition du flux d'air à travers le plaque arrière perforée. L’utilisation d’une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a permis de caractériser le rideau d’air avec une résolution et une précision spatiale supérieures. Les résultats ont notamment montré l’existence d’une zone de recirculation de l'air dans la partie supérieure du meuble où l’on observe également une infiltration d'air ambiant chaud par les fentes présentes autour des portes. Ceci induit une augmentation de la température du rideau d'air. Des simulations numériques bidimensionnelles d’écoulement (CFD) avec le modèle de turbulence k-ε ont permis de reproduire les principaux phénomènes d'écoulement observés par PIV et de voir leur influence sur la distribution de température dans le meuble.Enfin, un modèle simplifié des transferts de chaleur a été développé par une approche zonale en régime permanent et en régime transitoire ce qui permet respectivement de prévoir les températures moyennes de l’air et du produit et les fluctuations de température en fonction des cycles marche / arrêt du compresseur. Le modèle transitoire a été résolu avec une approche spectrale. L'influence de différents paramètres sur les niveaux de température et l'amortissement des fluctuations peut ainsi être identifiée. / The use of closed refrigerated display cabinets in supermarkets has been increased steadily because of the potential energy savings compared to open ones. This growing trend has contributed to the necessity to expand research in the field of retail refrigeration. Most studies in literature, however, focused on the improvements of energy efficiency after door installation while studies on the mechanism of heat transfer and airflow within closed display cabinets are still limited. In fact, the airflow pattern influences the heat exchange between air and products, thus, product temperature. This PhD thesis aims to gain an insight into the mechanism of airflow and heat transfer in closed refrigerated display cabinets by the implementation of experimental and numerical approaches.Experimental investigations were conducted in a closed refrigerated display cabinet (an integral type with a single band air curtain and two double-glazing doors) located in a controlled-temperature test room. Air/product temperatures and air velocity are the main parameters taken into investigations. Eighty calibrated thermocouples distributed throughout the cabinet made it possible to observe the spatial and temporal evolutions of the air and product temperatures under different operating conditions. These conditions were ambient air temperature (15, 19, 24 and 29 °C), product-occupied volume (unloaded, half-loaded and full-loaded with test packages made of methylcellulose), door-opening frequency (0 - permanently closed, 10, 20, 40, 60 Openings Per Hour - OPH) and opening duration (15s and 30s). An automatic door opening system was developed and allowed to apply the opening regime as prescribed in the standard test (EN ISO 23953-2, 2015). The experiment was also conducted in an open configuration of the cabinet (doors were completely removed) to determine the benefits of the doors on the temperature performance. The results showed that when the doors were permanently closed, the temperature distribution in the cabinet was similar whatever the ambient temperatures and occupied-volume percentages – the highest temperature position at the front-top shelf and the lowest temperature position at the rear-bottom shelf. The temperature distribution changed when the doors were periodically or permanently open – the front of the middle shelf became the highest temperature position while the lowest temperature position remained at the rear-bottom shelf. However, the air and product temperatures in the cabinet with doors remained lower despite a very high door-opening frequency (i.e. 60 OPH, product temperatures at least 1.0 °C lower), compared to the case without doors.Air velocity measurement using a hot-wire anemometer at the front of the cabinet from the discharge to the return air grilles allowed to observe the shape of the air curtain, while the measurement in the rear duct allowed to quantify the air flow distribution over the perforated back panel of different shelves. The use of a Particle Image Velocimetry (PIV) technique allowed the characterization of the air curtain with higher spatial resolution and accuracy. The result showed a zone of air recirculation at the upper part of the cabinet where warm ambient air infiltration through the door gaps was also observed, leading to an increase in the air curtain temperature. A 2D-CFD k-ε turbulence model was developed to reproduce the main flow phenomena observed by PIV so that its influence on the internal temperature distribution can be examined.Finally, a simplified heat transfer model was developed based on a zonal approach in both static and dynamic regimes which permits, respectively, the predictions of time-averaged air and product temperatures and temperature fluctuations according to the on/off cycle of the compressor regulation. The dynamic model was solved with a spectral approach, thus the influence of different parameters on the damping of the temperature fluctuations can be identified.