Thèse doctorat : Génie Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 105-111.

Titre de l'écran-titre (visionné le 17 novembre 2020) / Les turbines à axe vertical longtemps gardées dans l'ombre des turbines à axe horizontal commencent depuis quelques années à prendre davantage de place sur le marché des énergies renouvelables. Ce nouvel engouement pour cette technologie est notamment dû aux récentes avancées quant à leur efficacité les rendant de plus en plus concurrentielles. Ce présent mémoire s'inscrit dans la recherche sur l'amélioration de cette technologie en considérant l'utilisation de pales flexibles agissant comme un système passif de variation d'angle d'attaque. Il sera question dans un premier temps d'une étude 2D employant une turbine à pales droites munie d'un bord de fuite flexible. Cette étude est réalisée dans un premier temps afin de sélectionner les meilleures caractéristiques pour une étude 3D qui est menée par la suite. Un modèle employant la mécanique des fluides numériques couplé à un modèle d'élément fini est employé et validé dans ce mémoire. Le logiciel OpenFOAM utilisant une librairie maison pour le couplage solide est utilisé en 2D. La résolution du domaine 3D est quant à elle réalisée en employant le logiciel StarCCM+ ainsi qu'un couplage fluide structure intégrée à même le logiciel. Également, la modélisation de la turbulence est réalisée en employant le modèle de turbulence RANS k-ω SST, dans sa forme instationnaire. Les résultats de la première étude 2D montrent une augmentation de l'efficacité pour des conditions d'opération en dessous et au-delà du point de meilleur rendement. Cependant, il est également démontré que l'utilisation de pales flexibles diminue l'efficacité de la turbine à son point de meilleur rendement. Enfin, l'impact des effets 3D sur le comportement dynamique des pales flexibles vient changer les observations réalisées en 2D au point de meilleur rendement. En effet, la modélisation tridimensionnelle du problème permet de mettre en lumière une augmentation globale de l'efficacité de la turbine en réduisant considérablement la traînée des pales en agissant directement sur la formation des tourbillons de bout de pale / Vertical-axis turbines, long kept in the shadow of horizontal-axis turbines, are starting to gain more importance in the renewable energy market nowadays. This new trend comes from recent advances in the efficiency, making them more competitive. This thesis takes part in the actual research by considering a flexible blade as a possible passive system to improve the efficiency of this technology. At first, a 2D study using a straight blade turbine with a flexible trailing edge is done in order to select the best characteristics for a 3D study which is carried out subsequently. A model employing computational fluid dynamic coupled to a finite element model is used and validated in this thesis. OpenFOAM software is used with an in-house library which allows fluid-solid couplings in 2D. The resolution of the 3D domain is conducted by using StarCCM+ software as well as a fluid-solid coupling integrated into the software. Also, the turbulence modeling is performed using the unsteady form of the RANS k-ω SST turbulence model. The result of the 2D study shows an increase in efficiency for the operating conditions below and above the optimal efficiency point compared with a turbine with rigid blade. It is also shown that the flexible blades decrease the efficiency of the turbine at the optimal efficiency point. However, the impact of 3D effects on the dynamic behaviour of flexible blades changes the observations made in 2D at the optimal efficiency point. Indeed, the threedimensional modeling of the problem makes it possible to highlight an overall increase in the efficiency of the turbine by considerably reducing the vortex drag of the blades by acting directly on the formation of the tip vortices.

Titre de l'écran-titre (visionné le 1er mai 2023) / Ce mémoire de maîtrise porte sur l'amélioration des performances des turbines à axe vertical. La solution proposée est d'équiper ces turbines de profils aérodynamiques déformables, qui sont capables de se déformer à différents angles d'azimut afin d'atteindre le maximum d'efficacité possible. Les deux tiers de la corde du profil aérodynamique des pales sont considérés comme déformables, tandis que l'autre tiers situé au bord d'attaque est considéré comme rigide. Le profil aérodynamique subit une déformation active, donc la déformation peut être appliquée tout au long du cycle de façon dynamique. Ainsi, dans un cycle complet, la pale peut avoir des formes différentes avec le bord de fuite qui pointe vers l'intérieur ou vers l'extérieur du cercle qui circonscrit la turbine avec des amplitudes différentes. Pour l'étude, le logiciel commercial StarCCM+ et les équations de Navier-Stokes moyennées (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes, URANS) sont utilisés en 2D afin de caractériser le comportement de la turbine pendant la rotation. Pour simuler le mouvement de déformation du profil aérodynamique, une technique de maillage superposé (overset mesh) est utilisée en conjonction avec une technique de krigeage (Radial Basis Function, RBF) pour déformer et déplacer le maillage en fonction de la déformation de la pale. Divers profils aérodynamiques, y compris des profils aérodynamiques non déformés, des profils aérodynamiques déformés statiquement et des profils aérodynamiques dynamiquement déformables, sont examinés et comparés en termes de leurs performances. Divers facteurs sont discutés tels que : le rapport de vitesse en bout de pale (tip-speed ratio), l'amplitude de déformation du profil aérodynamique et les périodes où les déformations sont appliquées. Les profils aérodynamiques déformables permettent d'augmenter l'efficacité de la turbine quel que soit le rapport de vitesse en bout de pale. Lorsque la turbine fonctionne à des rapports de vitesse non optimaux, les performances de la turbine sont améliorées de manière significative. Néanmoins, une augmentation de 3,55% est tout de même obtenue au rapport de vitesse optimal par rapport aux profils aérodynamiques non déformés. / This master's thesis focuses on improving the performance of vertical axis turbines. The proposed solution is to equip these turbines with deformable airfoils, which are capable of deforming at different azimuthal angles in order to achieve better efficiency. Two-thirds of the airfoil's chord is considered deformable, while one-third is considered undeformed at the leading edge. The airfoil undergoes active deformations such that the deformation can be applied and modified dynamically throughout the cycle. Thus, in one complete cycle, the airfoil may have different shapes with the trailing edge pointing inward or outward with different amplitudes. For the study, the commercial finite-volume software StarCCM+ is used and the 2D Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) model is employed in order to characterize the turbine's behavior during rotation. An overset mesh technique is used in conjunction with radial basis function in order to deform and move the mesh with respect to the blade deformation. Various airfoils, including undeformed airfoils, morphed deformed airfoils, and dynamically deformable airfoils, are examined and compared with respect to their performance. Various factors such as the tip-speed ratio, airfoil amplitudes, and the periods where deformations are applied are discussed. Deformable airfoils can increase the efficiency of the turbine regardless of the tip speed ratio. When the turbine is operated at non-optimal tip speed ratios, the performance of the turbine is enhanced significantly. Nevertheless, an increase of 3.55% is still reported at the optimal tip speed ratio compared to undeformed airfoils.

La production d'aubes en TA6V par matriçage à chaud (vers 940°C) donne occasionnellement l i eu à l'apparition de défauts de surface. La lubrification est assurée côté outils par un lubrifiant graphité, côté pièces par un film d'émail, mélange d'oxydes métalliques et de liant s organiques déposé à froid sur l'ébauche et d'épaisseur de l'ordre de 100 à 200 μm. Après une étude bibliographique, nous étudions l'évolution du film d'émail lors du préchauffage sur échantillons et au cours du procédé industriel sur pièces (aubes, " soucoupes "). Le préchauffage confère au film d'émail des propriétés proches de celles des verres métalliques, réduit fortement son épaisseur , mais laisse une porosité et une rugosité variables qui ne permettent pas la mesure de sa viscosité par des méthodes classiques. Le défaut est une accumulation locale d'émail et de graphite et résulte d'une conjugaison de facteurs : excès d'épaisseur et de porosité résiduelle du film d'émail , température d'outil trop élevée, avarie du film lubrifiant... Un mécanisme de formation du défaut par écoulement de l'émail à l'interface métal-outil du centre vers le bord du contact et rupture de la croûte du film à l'extérieur du contact est proposé. Pour déterminer la viscosité des films d'émail, nous développons deux essais de déformation isotherme de métal revêtu d'émail : indentation à basse température fournissant la température de transition fragile ductile correspondant à 101 0 Pas environ ; compression à température élevée permettant d'estimer la viscosité par mesure de l'épaisseur du film piégée. La mise au point de cet essai s'est faite sur un verre étalon par modification des géométries (piégeage entre outil et lopin, puis entre deux lopins) et par simulation numérique du piégeage (Forge2® multi-mat.) afin de corriger l'analyse théorique de Wilson. Enfin. un essai anisotherme d'écrasement de cylindre sur génératrice permet d'étudier l'effet du lubrifiant, de l'épaisseur d'émail et de l a température d'outil sur le frottement et la répartition d'émail à l'interface. La simulations numérique (Forge3®) permet d'identifier le frottement et d'analyser l'évolution d'épaisseur de l'émail : elle dépend de l'étirement superficiel du métal et des gradients de température superficielle et de pression de contact. L'écoulement de l'émail est mis en équation et sa résolut ion à partir des données issues de la simulation du forgeage (pression de contact, scission de frottement, température superficielle) permettrait d'évaluer la redistribution d'émail au cours du matriçage et les risques d'apparition du défaut.

Les turbomachines aéronautiques sont composées de plusieurs roues aubagées dont la fonction estde transférer l’énergie de l’air au rotor. Les roues aubagées des modules compresseur et turbine sontdes pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs de performanceaérodynamique, de tenue mécanique, de tenue thermique et de performance acoustique. L’optimisation aéro-méca-acoustique ou aéro-thermo-mécanique des aubages consiste à chercher, pourun ensemble de formes aérodynamiques paramétrées (par plusieurs dizaines de variables), celleassurant le meilleur compromis entre la performance aérodynamique du moteur et la satisfactionde plusieurs dizaines de contraintes souvent contradictoires. Cette thèse introduit une méthode d’optimisation basée sur les métamodèles et adaptée à la grande dimension pour répondre à la problématique industrielle des aubages. Les contributions de cettethèse portent sur deux aspects : le développement de modèles de krigeage, et l’adaptation d’unestratégie d’optimisation pour la gestion du grand nombre de variables et de contraintes.La première partie de ce travail traite des modèles de krigeage. Nous avons proposé une nouvelleformulation du noyau de covariance permettant de réduire le nombre de paramètres du modèleafin d’accélérer sa construction. Une des limitations connues du modèle de krigeage concernel’estimation de ses paramètres. Cette estimation devient de plus en plus difficile lorsque nousaugmentons la dimension du phénomène à approcher. En particulier, la base de données nécessitedavantage de points et par conséquent la matrice de covariance du modèle du krigeage est de plusen plus coûteuse à inverser. Notre approche consiste à réduire le nombre de paramètres à estimer en utilisant la méthode de régression des moindres carrés partiels (PLS pour Partial Least Squares). Cette méthode de réduction dimensionnelle fournit des informations sur la relation linéaire entre les variables d’entrée et la variable de sortie. Ces informations ont été intégrées dans les noyaux du modèle de krigeage tout en conservant les propriétés de symétrie et de positivité des noyaux. Grâce à cette approche, la construction de ces nouveaux modèles appelés KPLS est très rapide étant donné le faible nombre de paramètres nécessaires à estimer. La validation de ces modèles KPLS sur des cas test académiques ou industriels a démontré leur qualité de prédiction équivalente voire même meilleure que celle des modèles de krigeage classiques. Dans le cas de noyaux de covariance de type exponentiel, laméthode KPLS peut être utilisée pour initialiser les paramètres du krigeage classique, afin d’accélérerla convergence de l’estimation des paramètres du modèle. La méthode résultante, notée KPLS+K, a permis d’améliorer la qualité des modèles dans le cas de fonctions fortement multimodales. La deuxième contribution de la thèse a consisté à développer une stratégie d’optimisation globale sous contraintes pour la grande dimension, en s’appuyant sur les modèles KPLS ou les modèlesKPLS+K. En effet, nous avons étendu la méthode d’optimisation auto-adaptative connue dans lalittérature sous le nom "Efficient Global Optimisation, EGO" pour gérer les problèmes d’optimisationsous contraintes en grande dimension. Différents critères d’enrichissement adaptatifs ont pu êtreexplorés. Cette stratégie a permis de retrouver l’optimum global sur des problèmes académiquesjusqu’à la dimension 50. La méthode proposée a été confrontée à deux types de problèmes industriels, le cas test MOPTA issu de l’industrie automobile (124 variables d’entrée et 68 fonctions contraintes) et le cas test Snecma des aubes de turbomachines (50 variables d’entrée et 31 fonctions contraintes). Les résultats ont permis de montrer la validité de la démarche ainsi que les limites de la méthode pour une application dans un cadre industriel. / Aerospace turbomachinery consists of a plurality of blades. Their main function is to transfer energybetween the air and the rotor. The bladed disks of the compressor are particularly important becausethey must satisfy both the requirements of aerodynamic performance and mechanical resistance.Mechanical and aerodynamic optimization of blades consists in searching for a set of parameterizedaerodynamic shape that ensures the best compromise solution between a set of constraints.This PhD introduces a surrogate-based optimization method well adapted to high-dimensionalproblems. This kind of high-dimensional problem is very similar to the Snecma’s problems. Ourmain contributions can be divided into two parts : Kriging models development and enhancementof an existing optimization method to handle high-dimensional problems under a large number ofconstraints. Concerning Kriging models, we propose a new formulation of covariance kernel which is able toreduce the number of hyper-parameters in order to accelerate the construction of the metamodel.One of the known limitations of Kriging models is about the estimation of its hyper-parameters.This estimation becomes more and more difficult when the number of dimension increases. Inparticular, the initial design of experiments (for surrogate modelling construction) requires animportant number of points and therefore the inversion of the covariance matrix becomes timeconsuming. Our approach consists in reducing the number of parameters to estimate using the Partial LeastSquares regression method (PLS). This method provides information about the linear relationshipbetween input and output variables. This information is integrated into the Kriging model kernelwhile maintaining the symmetry and the positivity properties of the kernels. Thanks to this approach,the construction of these new models called KPLS is very fast because of the low number of newparameters to estimate. When the covariance kernel used is of an exponential type, the KPLS methodcan be used to initialize parameters of classical Kriging models, to accelerate the convergence of theestimation of parameters. The final method, called KPLS+K, allows to improve the accuracy of themodel for multimodal functions. The second main contribution of this PhD is to develop a global optimization method to tacklehigh-dimensional problems under a large number of constraint functions thanks to KPLS or KPLS+Kmethod. Indeed, we extended the self adaptive optimization method called "Efficient Global Optimization,EGO" for high-dimensional problems under constraints. Several enriching criteria have been tested. This method allows to estimate known global optima on academic problems up to 50 inputvariables. The proposed method is tested on two industrial cases, the first one, "MOPTA", from the automotiveindustry (with 124 input variables and 68 constraint functions) and the second one is a turbineblade from Snecma company (with 50 input variables and 31 constraint functions). The results showthe effectiveness of the method to handle industrial problems.We also highlight some importantlimitations.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Ce mémoire présente l'étude expérimentale de l'écoulement dans le canal inter-aube d’une roue de turbine de type bulbe. Pour ce faire, deux campagnes de mesures ont été réalisées. La première a fait usage de l’anémométrie laser à effet Doppler (LDV). La seconde campagne a fait appel à l’anémométrie par image de particules (PIV) et à un montage stéréoscopique endoscopique conçu sur mesure pour atteindre la région ciblée. Les données recueillies permettent de caractériser plusieurs phénomènes. L’importance du sillage des directrices entre les aubes de la roue est mise en évidence par les deux techniques de mesure. La campagne de mesure par LDV permet plus spécifiquement de cibler les tourbillons de jeu de bout d’aube et d’identifier des débalancements fixe et rotatif. En complément, les mesures par PIV révèlent la présence d’un tourbillon qui provient du bord d’attaque près du moyeu lorsque la turbine opère à charge partielle. / This work presents the experimental study of the flow in the inter-blade channel of the runner of a bulb turbine. To do so, two measurement campaigns were carried out. The first used laser Doppler velocimetry (LDV). The second campaign used particle image velocimetry (PIV) and a custom designed stereoscopic endoscopic setup allowed reaching this otherwise difficult to access measurement plane. A comparison of the two sets of data collected indicates a good match over the entire area on which they overlap. The gathered data allows characterising many phenomena. The importance of the guide vanes wake on the runner flow is highlighted by both measurement techniques. The LDV measurement campaign allows characterizing the blade tip vortices and identifying fixed and rotary flow imbalances. In addition, the PIV measurements reveal the presence of a vortex that originates from the leading edge near the hub when the turbine operates at partial load.

Mémoire (T.Sc.A)--Université du Québec à Chicoutimi, 1990. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Ce mémoire documente la recherche sur l'ajout d'une pièce mobile à un modèle de voiture dont le but consiste à capturer de l'énergie de l'écoulement perturbé par le véhicule. Le but général est de réduire l'énergie requise par un véhicule afin de contrer les forces aérodynamiques qui travaillent sur celui-ci lorsqu'il est en mouvement. Le premier objectif du projet a été de modéliser numériquement l'écoulement sur le corps Ahmed et de valider ces résultats. Ensuite, une analyse numérique bidimensionnelle du corps Ahmed est faite en utilisant un modèle de turbulence k-w-SST disponible dans le logiciel OpenFOAM (OF). L'analyse est ensuite modifiée pour inclure une roue à aubes qui capture l'énergie de la vorticité qui se trouve derrière le véhicule. La roue à aubes est modélisée en utilisant une "General Grid Interface" (GGI) et l'énergie capturée est mesurée à l'aide des bibliothèques de forces disponibles dans le logiciel OF. La génération d'énergie atteint 16.1 watts pour les meilleures conditions. On trouve aussi comme effet secondaire une réduction de traînée qui atteint 8.2%. La plupart des simulations sont effectuées en parallèle sur un ordinateur à deux processeurs. Un maillage comprenant 30 000 cellules est utilisé. Les valeurs de y+ sur les parois du véhicule varient entre 60 et 500 pour les simulations avec roue à aubes. Des essais sont effectués pour des vitesses angulaires constantes et variables. L'écoulement atteint en général une stabilité, en moyenne, après 0.2 à 0.3 secondes. Le corps Ahmed est soumis à un écoulement qui se déplace à 60 m/s et cette vitesse est utilisée pour trouver la demande énergétique du véhicule soumis au coefficient de traînée calculé. Les résultats démontrent qu'il y a un certain intervalle de vitesses angulaires qui génère les quantités d'énergie les plus importantes ; cet intervalle est relié à la vitesse angulaire du tourbillon dans lequel la roue à aubes se trouve. La roue à aubes doit être située dans la bulle de séparation arrière du véhicule afin d'éviter d'augmenter la traînée en la plaçant dans l'écoulement non-perturbé. Un algorithme permettant de réguler l'énergie capturée de la roue à aubes en fonction des forces appliquées sur celle-ci est présentement en développement ; il permettra d'atténuer les fluctuations cycliques d'énergie capturée. Dans une application pratique, l'énergie capturée serait convertie en électricité et aurait le double avantage de permettre à un moteur électrique de réguler la vitesse angulaire de la roue en fonction de mesures ou de calculs et d'envoyer l'énergie générée directement à un système de batteries embarqué tel que l'on retrouve dans les véhicules hybrides de nos jours. Le système de roue à aubes aurait son impact le plus important sur des véhicules qui servent majoritairement à de la conduite sur autoroute car c'est là que les forces aérodynamiques atteignent leur intensité maximale.

Ce travail de mémoire présente la modélisation numérique et l'analyse de l'écoulement dans un seul passage de la roue d'une turbine hydraulique axiale de type hélice à l'aide du logiciel ANS YS CFX 11.0. Une approche Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), basé sur le modèle Shear Stress Transport (SST), a été utilisée pour modéliser numériquement l'écoulement. Les simulations prennent en considération le jeu à l'extrémité des aubes. Souvent, le jeu est omis dans les simulations numériques dans les roues de turbines hydrauliques. Cependant, il donne lieu à l'écoulement de fuite interne et autres phénomènes turbulents, tel que le tourbillon de bout d'aube. La comparaison des simulations avec les mesures expérimentales réalisées dans la roue du modèle réduit de la turbine hélice démontrent que l'inclusion du jeu dans les simulations est essentielle pour mieux représenter les caractéristiques réelles de l'écoulement dans la roue de la turbine hélice et ainsi améliorer la prédiction de la performance de la roue d'une turbine hydraulique axiale.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd'hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d'homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l'architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d'aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d'endommagements : l'amorçage et propagation de fissures et l'usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d'un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd'hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d'inclusion équivalente proposée au sens d'Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l'effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L'un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l'interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu'un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d'appliquer la méthode d'inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d'un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès.