L'objectif de cette thèse est la conception, dans un premier temps, des différentes stratégies de commande pour un générateur hybride composé par une pile à combustible et une source auxiliaire de stockage d'énergie. L'outil des Inégalités Linéaires Matricielles (LMI) est utilisé dans la thèse pour la solution du problème de la commande robuste et multi-variables. Dans un premier temps la commande se consacre à la gestion de la partie électrique de la pile. Des stratégies de commande sont proposées pour les convertisseurs élévateurs du bus continu mais aussi pour le contrôle d'un onduleur de tension conçu pour une opération en mode isolé du réseau. La validation d'une partie du contrôle sous un banc d'essai a été réalisée. Dans un deuxième temps, la commande de la partie fluidique de la pile a été traitée. La gestion de la dynamique de l'air en entrée de la pile est assurée par la commande du débit du compresseur. Le sous-système de compression d'air est régulé pour garantir un certain taux d'excès d'oxygène désiré, ce qui permet d'améliorer les performances de la pile. Une introduction au contrôle des systèmes à paramètres variants (LPV) est aussi présentée. Des études de robustesse des contrôleurs proposés ont été effectuées, et ces caractères robustes sont comparés avec plusieurs méthodes de commande classique, prouvant ainsi l'importance des méthodologies de commande robuste et multi-variables.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d’une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s’inscrit dans un contexte d’amélioration des performances et d’extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L’une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d’en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d’action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s’articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d’aide à la compréhension des mécanismes d’action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l’outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l’écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l’analyse des mécanismes d’action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l’un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l’autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d’aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d’autant plus amplifié par un phénomène d’interaction complexe des fentes avec l’écoulement de jeu et la proximité de l’intrados de l’aube adjacente. Cette partie s’est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l’analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l’étude numérique d’un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d’action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d’air qui vient ré-énergétiser l’écoulement proche carter. / This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove’s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.

Dans le domaine de la recherche appliquée, les turbomachinistes sont confrontés à un manque de compréhension de la physique du décollement de coin. Ce décollement tridimensionnel (3D) à la jonction de l’extrados des aubages et du moyeu limite l’efficacité et la stabilité des compresseurs. Les simulations numériques utilisant les deux types de modélisations, « Reynolds-Averaged-Navier-Stokes » (RANS) et « Large Eddy Simulation » (LES), doivent encore être étalonnées pour des applications turbomachines. Dans la recherche fondamentale concernant la couche limite turbulente (TBL), il existe beaucoup d’études sur les effets de courbure et de gradients de pression qui jouent également un rôle important dans la physique du décollement de coin. Le but de cette thèse est de réaliser une expérience dans une grille d’aubes de compresseur pour acquérir une base de données qui pourrait être utilisée non seulement pour calibrer à la fois les approches RANS et LES, mais aussi pour donner quelques explications fondamentales sur le décollement de coin. Cette expérience permet aussi une étude de la TBL se développant sur l’extrados à mi-envergure des aubages, qui est plus complexe que les TBL rencontrées dans des configurations plus fondamentales, mais plus simples que celles existant d’un turboréacteur. Une expérience précise et détaillée de l’écoulement 3D au passage d’une grille d’aubes de compresseur a été mis en place. Les mesures ont été réalisées pour un nombre de Reynolds basé sur les conditions d’entrée et la corde de l’aubage de 3,82×105. Des mesures ont été réalisées par anémométrie à fil chaud, par des prises de pression sur la paroi latérale et sur l’aubage, par une sonde de pression à cinq trous, par de la visualisation d’huile, par la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) 2D, ainsi que par Anémométrie Laser Doppler (LDA) à deux composants. Une base de données originale et complète a ainsi été obtenue. Concernant l’étude de la TBL sur l’extrados à mi-envergure , le gradient négatif de pression normal à la paroi retarde le décollement, ce qui est paradoxal avec son influence sur le décollement de coin tel que présentée dans la littérature. Le gradient de pression adverse dans la direction de l’écoulement est responsable de l’accroissement des tensions de Reynolds. Un phénomène remarquable proche du bord de fuite de l’aubage est qu’il existe un point d’inflexion dans le profil de la vitesse moyenne de l’écoulement. A ce point d’inflexion, les grandeurs des tensions de Reynolds atteignent leurs valeurs maximales et la direction de diffusion de l’énergie est inversée. Le champ de vitesse dans le décollement de coin a été présenté. L’expérience met en évidence l’existence d’histogrammes bimodaux de vitesse. Les points de mesures faisant apparaitre ce caractère bimodal sont essentiellement localisés dans la région de l’interface du décollement de l’écoulement moyenné en temps. Deux modes ont été proposés pour interpréter la physique du comportement bimodal. Pour un point bimodal, les deux composantes de vitesse sont localement non-indépendantes, en raison de l’interaction apériodique de ces deux modes. / In applied research, a lack of understanding of corner stall, i.e. the three-dimensional (3D) separation in the juncture of the endwall and blade corner region, which has limited the efficiency and the stability of compressors. Both Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) still need to be calibrated for turbomachinery applications. In the fundamental research of the turbulent boundary layer (TBL), there are a lot of findings of the effects of curvature and pressure gradients, which also play an important role in physics of corner stall. The purpose of this thesis is (i) to carry out an experiment in a cascade, (ii) to gain a database that could be used to calibrate both RANS and LES, and (iii) to give some basic explanations of corner stall through investigating the TBL on the suction side at the mid-span which is more complex than those in the basic investigations but simpler than those in a real engine. A detailed and accurate experiment of 3D flow field through a linear compressor cascade has been set up. Experimental data were acquired for a Reynolds number of 3.82×10 ^5 based on blade chord and inlet flow conditions. Measurements have been achieved by hot-wire anemometry, pressure taps on blade and endwall, five-hole pressure probe, oil visualization, 2D particle image velocimetry (PIV),and two-component laser Doppler anemometry (LDA). An original and complete database was thus obtained. The TBL on the suction side at mid-span was investigated. The wall-normal negative pressure gradient restrains the separation, on the contrary to its influence in the corner stall. The streamwise adverse pressure gradient can be responsible for the development of Reynolds stresses. The remarkable phenomenon at measurement stations near the trailing edge of blade is that an inflection point occurs in each profile of the mean streamwise velocity. At this inflection point, the magnitudes of the Reynolds stresses reach their maximum values, and the direction of energy diffusion also changes. The velocity field in the corner stall was presented. Bimodal histograms of velocity exist in the experiment. The bimodal points mainly appear in the region around the mean interface of separated flow and non-separated flow. At a bimodal point the local two velocity components are non-independent from each other, due to the aperiodic interplay of two basic modes in the flow field. Two modes were proposed to interpret the physics of bimodal behaviour.

Pour les compresseurs axiaux et centrifuges, la minimisation du jeu, entre l’extrémité des aubes et le carter qui les entoure, augmente l’efficacité aérodynamique des turbomachines mais favorise également l’apparition de contacts structuraux. En présence du contact, les deux structures échangent de l’énergie et le système peut devenir instable lorsque ses fréquences propres, exprimées dans le même repère, sont égales. Nous verrons qu’il existe également la possibilité de créer des réponses forcées lorsque les harmoniques de la vitesse de rotation coïncident avec les fréquences propres de la structure fixe ou tournante. Dans les deux cas, les structures peuvent subir des endommagements assez importants. La maitrise de l’interaction aube-carter est donc logiquement un phénomène que les constructeurs de turbomachines doivent intégrer lors de la définition d’un moteur. Ainsi, dans l’étape de conception des compresseurs, il faut prévoir le comportement vibratoire du système en prenant en compte les phénomènes physiques les plus influents. Dans ce contexte, ce travail de recherche est focalise sur l’étude du comportement mécanique et thermomécanique résultant de l’interaction aube-carter entre un compresseur centrifuge (ou rouet) expérimental du premier étage de compression d’un moteur d’hélicoptère et son couvercle qui est recouvert d’un matériau abradable afin de réduire la sévérité du contact. L’objectif majeur des travaux présentes dans ce manuscrit est d’établir un scénario plausible pour expliquer les divers phénomènes présents lors du contact et de créer une base de données expérimentales, dans un environnement de laboratoire au travers d’un essai réaliste et maitrisé. Puis, il s’agit de confronter et valider les interprétations expérimentales sur un modèle numérique. Pour atteindre nos objectifs, nous avons utilisé un dispositif d’essai adapté afin de fournir des données fiables sur le comportement dynamique et thermomécanique en situation de contact aube-carter. L’analyse des résultats expérimentaux et numériques montre des évènements transitoires concomitants entre la structure fixe et tournante. Le contenu spectral des réponses est caractérise par la présence d’harmoniques de la vitesse de rotation et de sidebands, qui influencent le comportement dynamique du système lorsqu’ils coïncident avec les fréquences propres des structures. / In axial and centrifugal compressors, minimizing the clearance between the blade tips of the impeller and its surrounding casing increases the aerodynamic efficiency, but also the probability of contacts. An energy exchange is then produced between the two structures, leading to forced excitation of the natural modes and potentially to dynamical instabilities, such as interaction phenomena. In both cases, the structures suffer subsequent structural damages. Mastering blade-to-casing interactions is thus a phenomenon that turbomachinery manufacturers must incorporate into the design process of an engine. Compressor designers must predict the vibration behavior of the system, taking into account the predominant physical phenomena. In this context, this work focuses on the study of the dynamic and thermomecanichal behavior resulting from blade-to-casing interactions between a low-pressure centrifugal compressor (or impeller) and a casing lined with abradable coating. The main purpose of this work is to build a likely scenario to explain the various phenomena present when contact occurs, and the creation of a database for subsequent comparisons with numerical simulations. To achieve this, a test rig heavily instrumented has been used in order to better understand the influence of various physical phenomena (dynamic, wearing, heating). Analysis of experimental and numerical results shows transient events, characterized by a simultaneous increase in amplitude on both the rotating and stationary structures. The spectral content of the response highlights the presence of harmonics of the rotating speed and some sidebands aside from the main excited frequencies, which may cause the system to become unstable when they coincide with the natural frequencies of structures.

En raison de la tendance grandissante du downsizing, des hautes performances, des réductions de la consommation et des émissions des véhicules modernes, la turbocompression des moteurs thermiques s’avère de plus en plus innovante et technologique. Leader dans ce domaine, Honeywell Turbo Technologies s’intéresse à deux axes de recherche majeurs des systèmes lubrifiés. Un délai temporel est couramment observé entre l’appui sur la pédale d’accélérateur et l’augmentation de la pression de l’air ambiant du côté de la roue compresseur. Il s’agit du décalage turbo ou turbo lag. Celui-ci a pour origine principale l’existence d’un couple de frottement parasite au sein de la butée. En ce qu’il pénalise les performances du turbo et limite le confort de conduite, la réduction du turbo lag constitue un enjeu majeur de l’industrie des turbocompresseurs automobiles. En tant que phénomène présent à chaque instant du fonctionnement du véhicule, les pulsations moteurs constituent également un axe de recherche primordial. Celles-ci proviennent des ouvertures et fermetures successives des soupapes des cylindres et résultent en d’importantes variations de la charge axiale appliquée à la butée du turbocompresseur. Or le dimensionnement actuel de la butée se basant sur l’étude stationnaire des cas critiques de la vie réelle du moteur, l’influence de ces pulsations sur le comportement de la butée doit être déterminée. Ce manuscrit présente une modélisation thermohydrodynamique du contact de la butée appliquée au cas des turbocompresseurs. Une équation de Reynolds modifiée est établie et intègre le modèle Modifié de Phan-Thien et Tanner. Elle relie les caractéristiques rhéologiques des huiles de moteurs actuelles au comportement macro-moléculaire des additifs à longues chaînes de polymères qu’elles contiennent. La nécessité de considérer les effets inertiels du fluide ainsi que la recirculation inter-patin est démontrée. L’influence de l’élasticité du lubrifiant sur la dissipation d’énergie au sein du contact est analysée numériquement. Il est montré qu’un compromis sur l’élasticité du lubrifiant peut mener à une réduction du turbo lag. De plus, un banc d’essai est développé en régime transitoire afin de mettre en évidence l’influence des pulsations moteurs sur les performances de la butée. Les résultats obtenus expérimentalement corroborent les effets dynamiques observés par les prédictions numériques. / With increasing focus on downsizing, high performances, low fuel consumption and emission reduction of modern vehicles, turbochargers of combustion engines have become more and more innovative and technological. Leader in this field, Honeywell Turbo Technologies is interested in two major lines of research regarding lubricated contacts. A delay in response time is frequently observed between the gas pedal push and the pressure rise of ambient air at the compressor wheel. It is called turbo lag. This phenomenon is mainly induced by a parasitic frictional torque existing in the thrust bearing contact. Penalizing turbochargers performances and drivability, the reduction of turbo lag constitutes a major concern for the automotive turbocharger industry. As an event constantly occurring on working engines, exhaust gas pulsations represent an essential line of research. Due to successive openings and closings of engine valves, these pulsations result in significant axial load variations applied to the turbocharger thrust bearing. Current sizing of thrust bearing design resting on steady state studies of critical on-engine cases, the influence of exhaust gas pulsations on the thrust bearing behavior needs to be determined. This thesis presents a thermohydrodynamic model of the thrust bearing contact applied to turbochargers. A Modified Reynolds equation is established and uses the Modified Phan-Thien and Tanner model. It connects rheological characteristics of current engine oils to the behavior of long polymeric chain additives they contain. The necessity for fluid inertia and oil recirculation to be considered is demonstrated. The influence of oil elasticity on energy dissipation within the contact is numerically analyzed. A compromise on the extent of oil elasticity can lead to a turbo lag reduction. In addition, a thrust bearing rig is developed to highlight the influence of exhaust gas pulsations on thrust bearing performances. Experimental results support dynamic effects predicted by simulations.

Cette thèse évalue d'abord le potentiel thermodynamique du cycle au CO2 supercritique (sc-CO2) pour une large gamme de température de source chaude et étudie son couplage aux applications nucléaires, 45.7% d’efficacité thermique étant obtenu pour un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. Des simulations CFD sont réalisées sur un compresseur à échelle réduite et confrontées à une expérience, apportant des éléments de qualification. Des simulations sur un compresseur à échelle 1:1 révèlent des particularités liées à la compression du sc-CO2 au comportement gaz réel, offrant un retour d’expérience pour la conception. Dans ce cadre, une approche de cartes de performance est proposée et validée à l'aide de simulations. Enfin, une étude de la collapse d’une bulle dans le CO2 liquide au voisinage du point critique est réalisée et indique l'absence d’effet destructif de cavitation, ouvrant la voie au fonctionnement du compresseur en phase liquide, lieu optimum de l'efficacité du cycle. / This study first evaluates the thermodynamic performance of the supercritical CO2 (sc-CO2) cycle in a large range of heat source temperature, with a focus on the nuclear applications; a thermal efficiency of 45.7% is reported for a Sodium-cooled Fast Reactor. Second, CFD simulations have been performed on a small scale sc-CO2 compressor and results have been confronted positively with the experimental data. Simulation results on a real scale compressor have then revealed some particularities during the compression of a real fluid, providing feedbacks for the component design. In addition, a reliable performance maps approach has been proposed for the sc-CO2 compressor and validated using the CFD results. Finally, an investigation of bubble collapse in the liquid CO2 near the critical point has disclosed the likely absence of detrimental effects. As such, risks of cavitation damage should be low, favoring the compressor operation in the liquid region for cycle efficiency improvement.

L'objectif de cette thèse est la conception, dans un premier temps, des différentes stratégies de commande pour un générateur hybride composé par une pile à combustible et une source auxiliaire de stockage d'énergie. L'outil des Inégalités Linéaires Matricielles (LMI) est utilisé dans la thèse pour la solution du problème de la commande robuste et multi-variables. Dans un premier temps la commande se consacre à la gestion de la partie électrique de la pile. Des stratégies de commande sont proposées pour les convertisseurs élévateurs du bus continu mais aussi pour le contrôle d'un onduleur de tension conçu pour une opération en mode isolé du réseau. La validation d'une partie du contrôle sous un banc d'essai a été réalisée. Dans un deuxième temps, la commande de la partie fluidique de la pile a été traitée. La gestion de la dynamique de l'air en entrée de la pile est assurée par la commande du débit du compresseur. Le sous-système de compression d'air est régulé pour garantir un certain taux d'excès d'oxygène désiré, ce qui permet d'améliorer les performances de la pile. Une introduction au contrôle des systèmes à paramètres variants (LPV) est aussi présentée. Des études de robustesse des contrôleurs proposés ont été effectuées, et ces caractères robustes sont comparés avec plusieurs méthodes de commande classique, prouvant ainsi l'importance des méthodologies de commande robuste et multi-variables. / The objective of this thesis is the design of several control strategies for a hybrid power generator composed by a fuel cell and an auxiliary energy storage source. The Linear Matrix Inequalities (LMI) tools are extensively used in this dissertation as a solution to the mutivariable robust control problem. As a first approach, the control methodology is consecrated to the electrical power management sub-system of the fuel cell. Different strategies are proposed to control the hybrid boost power converter configuration for DC voltage applications. The methodology is extended to AC islanded applications considering the additional control of a voltage inverter. The validation on a dedicated test-bench, of a part of the proposed control strategies, is presented. In a second approach, the control of the air supply system is addressed. The management of the air dynamic entering the fuel cell is assured by the control of the air flow of a compressor. The air supply sub-system is controlled to keep a desired oxygen excess ratio, this allow to improve the fuel cell performance. An introduction to the control of Linear Varying Parameter (LPV) systems is also presented. Robustness analysis studies are performed, these robust properties are contrasted with several classic control strategies, demonstrating the advantage and the importance of multivariable robust methodologies.

Ce mémoire de thèse traite du contrôle et de la mise en forme des fronts de phase et d'énergie d'impulsions lasers brèves ultra-intenses.<br />La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'une boucle d'optique adaptative pour la correction des distorsions de surface d'onde sur la chaîne laser de puissance 100 Térawatts du Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses. Cette boucle repose sur l'utilisation d'un dispositif à cristaux liquides comme modulateur de phase et d'un interféromètre à décalage comme senseur de front d'onde. L'association de ces deux dispositifs a permis la construction d'un système innovant de mesure et mise en forme de la surface d'onde d'impulsions lasers ultra-intenses. Il est démontré qu'il permet de corriger une surface d'onde présentant d'importantes distorsions et ainsi améliorer grandement la qualité de focalisation de faisceaux lasers. Cette boucle d'optique adaptative a été testée avec succès sur la chaîne 100 Térawatts et une correction de la surface d'onde de l'ordre de 60% a ainsi pu être démontrée.<br />La seconde partie du mémoire traite de la mise en forme d'une impulsion laser inhomogène brève permettant le pompage du milieu à gain (un plasma) d'un laser à rayons X. L'idée consiste à jouer sur le parallélisme du système de compression d'impulsions utilisé en fin de chaîne 100 Térawatts. Un modèle expliquant la génération d'une impulsion inhomogène laser brève à l'aide de ce compresseur à réseaux de diffraction est développé. Une campagne expérimentale Laser X a notamment permis de valider les prédictions théoriques annoncées par ce modèle et a montré la nécessité d'utiliser une telle impulsion inhomogène afin d'obtenir une émission laser X lorsque le pompage s'effectue par impulsion brève.

La diminution de la cylindrée ou le downsizing du moteur est potentiellement l'une des stratégies les plus efficaces pour améliorer la consommation de carburant et diminuer les émissions polluantes. Dans le domaine de la suralimentation, la simulation est limitée par les caractéristiques de fonctionnement des turbines fournies par les constructeurs. Une extrapolation précise et fiable des cartographies turbine est donc l’objectif de cette thèse. Une étude expérimentale sur une turbine radiale d’un turbocompresseur est effectuée avec différentes techniques pour mesurer la cartographie turbine la plus large possible. Les mesures sont effectuées sur un banc turbocompresseur classique avec différentes températures d'entrée turbine. Puis une technique de gavage en entrée et en sortie compresseur est testée. Le compresseur est ensuite remplacé par un autre compresseur à roue inversée qui peut aider la turbine à tourner et même l’entrainer. Les débits les plus faibles et même les débits négatifs sont mesurés. Un banc turbine électromécanique a également été développé, mais n’a pas pu donner de résultats satisfaisants à cause de problèmes techniques mais des évolutions à venir restent prometteuses. Les diverses techniques expérimentales testées ont aussi permis de mesurer le rendement isentropique de la turbine et le rendement mécanique du turbocompresseur. Finalement, plusieurs modèles d’extrapolation des courbes caractéristiques turbine ont été testés et confrontés aux résultats expérimentaux. / Engine downsizing is potentially one of the most effective strategies being explored to improve fuel economy and reduce emissions. In the field of turbocharging,simulation is limited by the operating characteristics of turbines supplied by the manufacturers. An accurate and precise extrapolation of the turbine performance maps is the main aim of this study. An experimental study was done on a radial turbine of a turbocharger with different techniques to measure the wider turbine performance map possible. Measurements were done on a classic turbocharger test bench with different turbine inlet temperatures. Then air was blown to the compressor inlet and exit: it is the compressor “gavage”. The compressor is then replaced with another one with are versed rotor: this compressor can help the turbine turn and even drive it itself. The lowest mass flow rates are measured even the negative ones. An electromechanical turbine test bench was developed but did not work correctly because of technical problems but future developments are promising. The various experimental techniques used allowed also the measurement of the turbine isentropic efficiency and the turbocharger mechanical efficiency. Finally, many extrapolation models of the turbine performance maps were tested and compared to the experimental results.

L’étude effectuée au cours de cette thèse a permis de caractériser numériquement les instabilités d’origine aérodynamique rencontrées dans un compresseur centrifuge dessiné par Turbomeca. Ce compresseur est composé d’une roue directrice d’entrée, d’un rouet centrifuge, d’un diffuseur radial et de redresseurs axiaux. Le module expérimental, dénommé Turbocel, sera accueilli au LMFA courant 2016. Le contenu de cette étude repose donc exclusivement sur des résultats numériques dont certains sont cependant comparés à des résultats expérimentaux partiels obtenus par Turbomeca sur une configuration proche. _ Le fonctionnement du compresseur est analysé à différentes vitesses de rotation, à partir de simulations RANS et URANS menées avec le code elsA. Du point de vue de la méthodologie, deux points importants sont à retenir :- Du fait du caractère transsonique de l’écoulement dans le rouet et le diffuseur radial à haut régime de rotation, les simulations RANS stationnaires ne permettent pas d’accéder à une description satisfaisante des phénomènes physiques. Cela est dû à l’utilisation d’un plan de mélange aux différentes interfaces rotor-stator qui a pour effet d’empêcher les ondes de choc de remonter à l’amont, et qui affecte tant la physique de l’écoulement que l’étendue de la plage de fonctionnement stable.- En-dessous d’un certain débit, les calculs URANS sur période machine révèlent que le comportement de l’étage n’obéit plus à la périodicité spatio-temporelle mono-canal. Une plage instable est alors obtenue à toutes les iso-vitesses simulées. A bas régime de rotation, une autre plage stable existe lorsque le compresseur est suffisamment vanné. L’étage retrouve alors une périodicité spatio-temporelle, à condition d’étendre le domaine de calcul dans le stator à deux canaux inter-aubes. En ce qui concerne les limites de stabilité de Turbocel, différentes évolutions sont décrites selon la vitesse de rotation considérée :- A haut régime de rotation, une basse fréquence commence à émerger près du point de rendement maximal et son intensité ne fait qu’augmenter jusqu.au pompage.- A bas régime, une signature basse fréquence comparable se manifeste près du point de rendement maximal mais disparaît passé un certain vannage, et n’est donc présente que sur une plage de débit délimitée. La seconde zone stable peut alors être numériquement parcourue jusqu.au pompage proprement dit. La signature basse fréquence est imputée à l’instauration d’une recirculation dans l’inducteur qui une fois établie est quasi-stationnaire. Les résultats numériques mettent en évidence que la source d’instabilité sévère sur Turbocel provient du diffuseur aubé. En fonction du point de fonctionnement, ce composant adopte des comportements différents, entre lesquels une certaine continuité existe, et ses performances chutent progressivement lorsque le débit diminue. Au final, les domaines de stabilité de l’étage de compression peuvent être reliés au type d’écoulement qui se développe dans le diffuseur radial, et apparaissent dictés par le diffuseur semi-lisse à haut régime de rotation. Enfin, afin d’étendre les plages de fonctionnement stable, une stratégie de contrôle basée sur l’aspiration de couche limite dans le diffuseur aubé a également été déterminée dans le cadre de cette thèse. Son évaluation fera l’objet d’études ultérieures sur Turbocel. / The present study aims at characterizing the aerodynamic instabilities involved in a centrifugal compressor designed by Turbomeca, by means of numerical simulation. This compressor is composed of inlet guide vanes, a centrifugal impeller, a radial vaned diffuser and axial outlet guide vanes. The test module, named Turbocel, will be delivered to the LMFA in 2016. Thus, the results presented in this manuscript are only based on CFD, although some of them are compared to experimental results obtained by Turbomeca on a close configuration.RANS and URANS simulations are performed for several rotational speeds, using the elsA software.Two methodological key points are to be emphasized:- As the flow in both the impeller and the radial diffuser is transonic at high rotational speed, steady RANS simulations cannot provide a satisfactory description of the physical phenomena taking place. This can be explained by the use of the mixing plane approach which prevents shock waves to extend upstream the rotor-stator interfaces, and which impacts the flow field predicted as well as the prediction of the stable operating range.- Below a given massflow rate, URANS simulations covering the spatial period of the compressor prove that the stage behavior does not obey to the single passage spatio-temporal periodicity anymore. An unstable operating range then appears at all the simulated rotational speeds. At low rotational speed, another stable range is however obtained if the compressor is further throttled’ A new periodicity arises on this massflow range, provided that the stator domain is extended to two neighboring blade passages. Concerning the stability domains of Turbocel, different evolutions are obtained depending on the rotational speed:- At high rotational speed, a low frequency phenomenon starts to develop near the peak efficiency point and its intensity keeps increasing until surge happens.- At low rotational speed, a low frequency signature also appears near the peak efficiency point, but it then vanishes when the compressor is further throttled, so that only a restricted operating range exhibits this instability. It then gives rise to a second stable operating range which can be described numerically, ending with surge itself. The low frequency signature is attributed to the enhancement of a flow recirculation in the inducer which, once fully established, is quasi-steady. The numerical results underline that the source of severe instability in the compressor comes from the vaned diffuser. Depending on the operating point, this component can adopt different behaviors, between which a relative continuity exists, and its performances decrease when the massflow rate decresases. The overall stage performances prove that at high rotational speed, the global stability is driven by the semi-vaneless diffuser and depends on the flow developing in the radial diffuser. Finally, in order to extend the stable operating range of the compressor, a flow control strategy based on boundary layer suction has also been determined in the diffuser. Its impact on the performances of Turbocel will be deeply studied later on.