Les études sur le Vortex Ring State ont récemment reçu un regain d'intérêt suite à la mise en place de trajectoires d'approche à forte pente pour les atterrissages en ville qui conduisent à des conditions de vol proches des frontières du VRS. Dans les années antérieures, les aspects numériques ont été étudiés grâce à des méthodes empiriques ou des modèles analytiques, et des expériences ont été effectuées dans le but de mieux comprendre la physique du phénomène. Dans cette étude, le code CFD elsA a été utilisé dans le but de résoudre les équations d'Euler. Un balayage en vitesse de descente verticale avec différents maillages a été réalisé afin d'étudier la capacité du solveur à capturer le Vortex Ring State. Dans un premier temps, la précision de la représentation de l'écoulement a été évalué en fonction d'hypothèses numériques (stratégies et précision des maillages, consistance en temps des simulations, ...) et physiques (périodicité de l'écoulement, cinématique du rotor, ...). Ceci permet d'extraire les options pour effectuer, dans un second temps, des simulations les plus représentatives possible de l'état de VRS afin d'étudier et de pouvoir décrire les mécanismes d'apparition et d'évolution de ce phénomène.

A helicopter rotor in descent flight encounters its own wake, resulting in a doughnut-shaped ring around the rotor disk, known as the Vortex Ring State (VRS). Flight in VRS condition can be dangerous as it may cause uncommanded drop in descent rate, loss of control effectiveness, power settling, excessive thrust and torque fluctuations, and vibration. As simple momentum theory is no longer valid for a rotor in VRS, modeling of rotor inflow in VRS continues to challenge researchers, especially for flight simulation applications. In this dissertation, a simplified inflow model, called the ring vortex model, is developed for a helicopter rotor operating in descent condition. By creating a series of vortex rings near the rotor disk, the ring vortex model addresses the strong flow interaction between the rotor wake and the surrounding airflow in descent flight. In addition, the total mass flow parameter in the existing inflow models is augmented to create a steady state transition between the helicopter and the windmill branches. With the ring vortex model, rotor inflow can now be adequately predicted over a wide range of descent rates. Validations of the ring vortex model for helicopter rotors are conducted extensively in axial and inclined descent. Effects from blade taper, blade twist, and rotor thrust are also investigated with further application of the finite-state inflow model. The ring vortex model is applied to a single main-rotor helicopter. The main effort is to establish VRS boundary based on heave stability criterion. In addition, two important phenomena observed in the descent flight tests are addressed in the dynamic simulation, including uncommanded drop in descent rate and loss of collective control effectiveness. The ring vortex model is further applied to a side-by-side rotor configuration. Lateral thrust asymmetry on the side-by-side rotor configuration can be reproduced through uneven distribution of vortex rings at the two rotors. Two important issues are investigated, including the impact of vortex rings on lateral thrust deficit and on lateral AFCS limit.

Ce travail de thèse porte sur les propriétés de stabilité des tourbillons hélicoïdaux, structures que l'on retrouve notamment dans le sillage des rotors d'hélicoptères et d'éoliennes.Dans une première partie, le développement spatio-temporel de l'instabilité d'appariement est caractérisé à l'aide d'un code numérique pseudo-spectral pour une allée infinie d'anneaux tourbillonnaires. On montre que ce modèle axisymétrique d'écoulement est en effet une bonne approximation du système hélicoïdal dans la limite des grands rayons et petits pas d’hélice. Dans ces conditions, et en utilisant un adimensionnement judicieux, on obtient également que le résultat théorique pour le taux de croissance spatio-temporel obtenu pour une double allée de tourbillons ponctuels s’avère être une bonne prédiction pour le cas hélicoïdal.Dans une seconde partie, on décrit comment un ou plusieurs tourbillons hélicoïdaux ont pu être générés de façon très peu perturbée à l’aide de modèles réduits de rotors dans le canal hydrodynamique du laboratoire. Grâce à l’introduction de perturbations d’amplitudes et de fréquences soigneusement contrôlées, le taux de croissance de l’instabilité d’appariement a pu être mesuré et comparé aux résultats théoriques. L’évolution non linéaire de ces perturbations ainsi que d’autres modes instables, à plus petites longueurs d’onde, ont également pu être observés expérimentalement pour la première fois.Enfin, ces résultats ont été appliqués au cas des rotors d’hélicoptères pour la prédiction du régime de Vortex Ring State (VRS) et à la transition vers la turbulence du sillage des éoliennes. / This thesis is devoted to the stability properties of helical vortices, which are of interest for applications such as helicopter and wind turbine wakes.In a first part, the spatio-temporal development of the pairing instability is characterised for an infinite array of vortex rings, using a pseudo-spectral numerical code. We show that this axisymmetric flow model is indeed a good approximation of the helical system in the limit of large helix radius and small pitch. Under these assumptions, and by using appropriate dimensionless variables, we also show that the theoretical result concerning the spatio-temporal growth rate for a double row of point vortices represents a good prediction for the helical case.In a second part, we describe how one or several helical vortices were generated in a carefully controlled way using small-scale rotor models in the water channel of the laboratory. Introducing perturbations with well-defined amplitudes and frequencies, the growth rate of the pairing instability could be measured experimentally and compared to theoretical predictions. The non-linear evolution of these perturbations, as well as other unstable modes of smaller wavelengths, were also observed experimentally for the first time.Finally, these results were applied to helicopter wakes for the prediction of the Vortex Ring State (VRS) regime and to the transition to turbulence in wind turbine wakes.