Cette thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des effets d'un gradient sur une couche limite turbulente à l'équilibre. On s'intéresse en particulier aux effets d'un gradient de pression sur la partie aérodynamique de l'écoulement, ainsi que sur le bruit émis par la couche limite turbulente. En effet, une couche limite turbulente est une source de bruit omniprésente en aéronautique, automobile ou encore en ferroviaire. Cette source provient de la pression fluctuante produite par la couche limite turbulente se développant à la surface de la paroi extérieure du véhicule. Deux contributions au bruit de couche limite turbulente à l'intérieur de l'habitacle d'un véhicule peuvent être observées. La première contribution est une contribution de type aéroacoustique et est appelée contribution directe. Elle est due à la génération d'ondes acoustiques par les fluctuations de pressions générées par la couche limite turbulente. La deuxième contribution est due à des mécanismes de vibro-acoustique et est appelée contribution indirecte. Elle est due à l'excitation structurale engendrée par les fluctuations de pression sur la paroi du véhicule. Les fluctuations de pression d'une couche limite turbulente sont de plus responsables de la génération d'un rayonnement acoustique qui est de même nature que celui de la contribution directe mais qui est dirigé vers l'extérieur du véhicule. Dans le cadre de cette thèse, des calculs directs à l'aide d'un solveur numérique permettant la résolution des équations de Navier-Stokes en régime compressible sont réalisées pour des cas de couches limites avec gradients de pression adverses et favorables. L'étude de ces résultats nous permet de mettre en évidence l'augmentation des niveaux du rayonnement acoustique avec un gradient adverse et leur diminution avec un gradient favorable en comparaison du cas sans gradient de pression. De plus, l'étude des spectres de la pression fluctuante sous les différentes couches limites étudiées, a également permis d'observer l'augmentation des deux contributions au bruit de couche limite, à savoir les contributions directe et indirecte avec un gradient de pression adverse et leur diminution avec un gradient de pression favorable. On observe de plus que ces effets sont amplifiés avec l'augmentation de l'intensité du gradient. / The aim of this study is to provide a better understanding of the effects of a pressure gradient on an equilibrium turbulent boundary layer. In particular, the effects on the aerodynamic part and on the turbulent boundary layer noise are studied here. In fact, in the framework of transport industry, boundary layers constitute a fundamental source of aerodynamic noise. A turbulent boundary layer over a wall can provide a direct and an indirect contribution to the noise felt inside a vehicle. The indirect contribution corresponds to the structural excitation of the structure below and the direct contribution consists in the propagation of pressure waves. Wall pressure fluctuations are also responsible for the propagation of pressure waves outside the turbulent boundary layer. In this regard, simulations of turbulent boundary layers in presence of adverse and favorable pressure gradients are carried out using direct noise computation by solving the compressible Navier-Stokes equations. This method provides the direct contribution and the wall pressure fluctuations, which are responsible for the indirect contribution to the aerodynamic noise. Results show that an adverse pressure gradient leads to higher levels of the direct acoustic emission whereas lower levels are obtained in presence of a favorable pressure gradient in comparison to the zero gradient case. The study of the spectra of the wall pressure fluctuations for the different gradients cases we present, yield to the same hierarchy of levels. We further observed that these effects are amplified with the increase in the intensity of the gradient.

L'écoulement autour des véhicules produit une couche limite turbulente très proche de la paroi. Le caractère turbulent induit des fluctuations de pression pariétale qui font vibrer les panneaux du véhicule. Ces vibrations sont alors transmises à travers la structure et rayonnent du bruit dans l’habitacle. Les niveaux sonores dus à l'écoulement augmentent avec la vitesse du véhicule. Pour cette raison, cette problématique connaît un intérêt croissant dans le secteur aéronautique.Le but de cette thèse est double : comprendre les mécanismes à l’origine de ces fluctuations de pression à la paroi et prédire l’excitation de la structure avion due à l’écoulement turbulent.Pour ce faire, des calculs Large Eddy Simulation (LES) sont disponibles. Il s’agit de bases de données numériques d’écoulements de couches limites turbulentes en présence de gradients de pression favorable, adverse et nul. Ceci permet de caractériser l’écoulement sur des géométries courbes telles que la pointe avant d’un avion. L’effet du gradient de pression sur des structures cohérentes de type « hairpins » et paquets de « hairpins » a pu être identifié et quantifié à travers des méthodes de visualisation et d’analyse statistique. Une méthode d’estimation stochastique du champ de vitesse a révélé la présence de tourbillons contra-rotatifs au-dessus des paquets de hairpins. Ces tourbillons ont une vorticité opposée à celle des hairpins et un modèle de « hairpins inversé » a été proposé.En s’inspirant du travail de Ahn et al. (2010), un modèle stochastique de spectre de la pression pariétale a été développé. Il s’agit de reconstruire un champ stochastique de vitesse instantanée et d’en déduire le champ de pression à la paroi en résolvant une équation de Poisson sur la pression. Le champ de vitesse est obtenu en soumettant des structures de type paquets de hairpins à un écoulement moyen. Les caractéristiques des paquets de hairpins en fonction du gradient de pression sont basées sur l’analyse des bases LES. Les résultats de ce modèle sont comparés à ceux issues de bases de données numériques et expérimentales. Enfin, ce modèle est utilisé pour caractériser l’écoulement de couche limite turbulente dans une simulation de Statistical Energy Analysis (SEA) afin de prédire les niveaux de vibration des panneaux d’une portion de fuselage d’avion. / The flow around vehicles creates a turbulent boundary layer in the vicinity of the wall. The turbulent behavior induces pressure fluctuations that make the panels vibrate. These vibrations are then transmitted though the structure of the vehicle and radiate noise inside the cabin. The flow-induced noise levels increase with the speed of the vehicle. For this reason, aircraft manufacturers show a great interest in this topic.There are two objectives for this thesis: understand the mechanisms responsible for the wall-pressure fluctuations and predict this source of aircraft panel excitation.A study of available Large Eddy Simulation (LES) computations was performed. The database consists in simulations of turbulent boundary layer flows submitted to favorable, adverse and zero pressure gradients. This is necessary to understand the nature of the flow over curved geometries such as the aircraft flight deck. The effect of pressure gradients on coherent hairpin structures and hairpin packets could be identified and quantified based on visualization and statistical analysis methods. Linear stochastic estimation of the velocity fields revealed a pair of counter-rotating streamwise vortices above hairpin packets. These vortices have a vorticity opposite to that of the hairpins and an “inverse hairpin” model was proposed.Following the work of Ahn et al. (2010), a stochastic model for wall-pressure spectrum was developed. The idea is to build a stochastic turbulent velocity field using hairpin packets which are subjected to a mean flow. The characteristics of the packets depending on the pressure gradient are based on the analyses of the LES database. The pressure field at the wall is obtained by solving a Poisson equation. The results of the hairpin packet model are compared to numerical and experimental data. Finally, the model is used as input for a Statistical Energy Analysis (SEA) simulation in order to predict the levels of vibrations of panels submitted to a turbulent boundary layer flow over a portion of an aircraft cabin.

Le contrôle d’écoulement permet d’éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s’intéressent plus particulièrement au contrôle actif d’écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l’équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l’écoulement autour du modèle à l’aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l’écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d’une séparation sur le volet, un peu comme sur l’extrados d’une aile d’avion. L’utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d’étudier et d’optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi / Flow control allows to suppress boundary layers separation, which largely deteriorates the performances of machineries which interact with fluid (aircraft, cars, turbomachineries, etc.). This study concentrates more particularly on active flow control with continuous jets. A ramp model which allows to manipulate the boundary layer equilibrium was realized and set in Laboratoire de Mécanique de Lille wind tunnel. The first part of the work was to characterize the flow over the model with wool-tufts and oil-film visualisations, pressure distribution, hot-wire anemometry and PIV measurements. The aim was to define a ramp configuration for the flow control study and to know precisely the characteristics of the retained flow. The selected configuration corresponds to an adverse pressure gradient flow followed by a separation on the flap, which mimics the flow on the suction side of a wing. With friction probes coupled with wool-tufts visualisations, passive actuators and active continuous jets were studied and optimised. Finally, some of the optimum active configurations found were characterized in more details with PIV measurements over the entire separated region. It appears that continuous jets do not suppress the separation mechanisms, but only reduce their intensity and squeeze them more or less against the wall

Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur, de masse et d’air au sein des matériaux poreux. Sur le volet de la modélisation, il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à l’aide d’un modèle macroscopique, qui intègre à la fois l’effet du phénomène de thermodiffusion et celui de la pression totale de l’air s’exerçant sur les parois du bâtiment. Ce modèle, dont les paramètres d’entrée sont évalués expérimentalement, utilise des moteurs de transfert continus, d’où la possibilité de traiter des problèmes de transferts dans les matériaux multicouches. Il présente aussi l’avantage d’admettre, dans certaines configurations, des solutions analytiques d’où la possibilité d’entreprendre des comparaisons avec des solutions numériques. De plus, une justification formelle des équations de bilan de ce modèle a été abordée, moyennant l’utilisation d’une approche à changement d’échelle « micro-macro ». Il s’agit d’affiner la modélisation des transferts hydriques du comportement macroscopique, en utilisant des informations issues de la microstructure. Le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique a été réalisé à l’aide de la méthode d’homogénéisation par prise de moyenne. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire. Par ailleurs, une approche expérimentale dédiée à l’évaluation du processus de la thermodiffusion dans les matériaux poreux a été entreprise. Pour cela, une expérimentation relative à la détermination de l’effet du gradient de température et de la dynamique du processus d’échange d’eau à l’intérieur des parois a été mise en place au laboratoire. L’utilisation de la plateforme expérimentale MegaCup du Technical University of Denmark a permis de collecter des données relatives à la sensibilité de l’effet de la thermodiffusion sur les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité. Une comparaison des résultats expérimentaux et numériques a ensuite été effectuée. Peu d’écarts ont été relevés. Aussi, une investigation expérimentale portant sur la contribution des infiltrations massiques sur les transferts hydriques dans les matériaux de construction a été réalisée. Moyennant le développement d’un banc d’essai, une caractérisation expérimentale du coefficient d’infiltration d’humidité a été entreprise. Ce dernier est utilisé comme paramètre d’entrée des modèles de simulation numérique. / The purpose of this thesis is to study coupled heat air and moisture transfer in porous building materials. Concerning the modeling part, the interest is to predict the hygrothermal behavior, with a macroscopic model, that incorporates simultaneously the effect of thermodiffusion phenomenon and that of total pressure on the building walls. The input parameters are evaluated experimentally using continuous driving potentials, where the ability to deal with problems of transfer in multilayer materials. In some configurations, it presents the advantage to undertake analytical solution that can be confronted with numerical solutions. Furthermore, a formal justification of balance equations of the developed model was addressed through the use of ascaling approach. Then, the modeling of macroscopic moisture transfer behavior, by implementing information from the microstructure can be refined. The transition of the microscopic to macroscopic scale was performed using the mean field homogenization. One of the difficulties with the use of this model lies in the identification of many parameters characterizing the hygrothermal properties of materials. Therefore, a part of the present work was devoted to the evaluation of the main properties of materials through the development of various experimental prototypes in the laboratory. More over, an experimental approach dedicated to the evaluation of the thermodiffusion process in porous materials has been undertaken. In this way, an experimentation concerning the determination of the temperature gradient and dynamics of water exchange process inside walls has been established. Furthermore, the use of the experimental platform MegaCup at theTechnical University of Denmark has collected data on the sensitivity of the thermodiffusion effect. Subsequently, a comparison of the experimental and the numerical results was performed. Few differences were observed. Otherwise, an experimental investigation on the contribution of the mass infiltration of water transfers in building materials was performed. A characterization of the moisture infiltration coefficient was performed through the development of the experimental test. This coefficient was used as an input parameter in the simulation models.