München, Techn. Universiẗat, Diss., 2005.

Th. doct.-ing.--Bordeaux 1, 1978. N°: 269.

Une étude numérique des suspensions diluées à base d'un fluide à matrice non newtonienne et de particules sphéroïdales rigides est réalisée. Un fluide de Carreau décrit la matrice non newtonienne. Le cas particulier des particules sphériques rigides est pris en compte. Ici, on simule un écoulement élongationnel uniaxial autour d'une sphère et on utilise l'homogénéisation numérique pour obtenir la viscosité apparente de la suspension diluée pour différents taux de déformation appliqués et différents exposants de dilution. Dans le régime newtonien, on obtient le fameux résultat d'Einstein pour la viscosité d'une suspension diluée de particules sphériques rigides. Dans le régime de la loi sur la puissance, on constate que la viscosité intrinsèque ne dépend que de l'exposant d'amincissement. En utilisant les résultats de la simulation, une modification du modèle de Carreau pour les suspensions diluées avec un fluide de matrice non newtonienne est proposée. Pour étudier l'influence de la forme des particules, une autre étude numérique est réalisée. En particulier, différents écoulements autour de particules sphéroïdales de différentes orientations sont simulés et une homogénéisation numérique est utilisée pour obtenir la viscosité intrinsèque de la suspension en fonction de la vitesse de déformation appliquée, de l'exposant d'amincissement et du rapport de forme. A partir des résultats, il est possible d'extraire les coefficients rhéologiques du modèle Lipscomb. Dans le régime newtonien, les résultats de simulation coïncident avec les prévisions de Lipscomb. Dans le régime de la loi de puissance, les coefficients rhéologiques dépendent fortement de l'exposant d'éclaircie. De plus, les résultats de la simulation indiquent que les coefficients rhéologiques dépendent en outre de l'orientation des particules en régime non linéaire. / A numerical study of dilute suspensions based on a non-Newtonian matrix fluid and rigid spheroidal particles is performed. A Carreau fluid describes the non-Newtonian matrix. The special case of rigid spherical particles is considered. Here, a uniaxial elongational flow around a sphere is simulated and numerical homogenization is used to obtain the bulk viscosity of the dilute suspension for different applied rates of deformation and different thinning exponents. In the Newtonian regime the well-known Einstein result for the viscosity of a dilute suspension of rigid spherical particles is obtained. In the power-law regime it is found that the intrinsic viscosity depends only on the thinning exponent. Utilizing the simulation results a modification of the Carreau model for dilute suspensions with a non-Newtonian matrix fluid is proposed. To investigate the influence of the particle shape another numerical study is performed. In particular, different flows around spheroidal particles with different orientations are simulated and numerical homogenization is used to obtain the intrinsic viscosity of the suspension as function of applied rate of deformation, thinning exponent and aspect ratio. From the results it is possible to extract the rheological coefficients of the Lipscomb model. In the Newtonian regime the simulation results coincide with Lipscomb’s predictions. In the power-law regime the rheological coefficients depend strongly on the thinning exponent. Furthermore, simulation results indicate that the rheological coefficients additionally depend on the particle orientation in the non-linear regime.

Cette thèse propose différentes méthodologies de calcul du bruit à large bande générée par l’interaction rotor-stator d’une soufflante de turboréacteur et ce de la génération des sources acoustiques jusqu’au rayonnement en champ lointain. En premier lieu, le mécanisme d’interaction rotor-stator est étudié à travers une turbulence de grille homogène et isotrope (THI) impactant un profil isolé. Le cas de l’interaction rotor-stator en milieu guidé est ensuite traité et appliqué à une maquette de compresseur axial. Enfin, la dernière partie traite de la simulation du rayonnement aval en sortie de conduit. Dans chacune de ces parties, des approches analytiques et numériques sont proposées. Les méthodes analytiques permettentune prévision rapide du problème simplifié, et les méthodes numériques permettent de leverles hypothèses au prix d’un temps de calcul plus long.Le modèle d’Amiet est mis en œuvre pour simuler le bruit d’interaction THI-profil àtravers une expérience en soufflerie anéchoïque. Ce modèle simplifiant le profil en une plaque plane non portante, une approche numérique est également mise en place. La convection de perturbations de vitesse incidentes synthétisant une THI et impactant un profil isolé est simulée à l’aide d’un code CAA (Computational AeroAcoustics) résolvant les équations d’Euler en deux dimensions. Les différences de rayonnement entre une plaque plane et un profil cambré épais observées expérimentalement sont en partie retrouvées. Une simulation plus avancée d’un calcul LES (Large Eddy Simulation) 3D est également abordée.Dans la deuxième partie du mémoire, le modèle d’Amiet est étendu au problème de l’interaction rotor-stator en conduit. Différentes formulations sont proposées et discutées. Elles sont appliquées au cas d’un banc d’essai du DLR (centre de recherche aérospatiale allemand) avec des données d’entrée provenant d’un calcul RANS (Reynolds Averaged Navier-Stockes) ou bien directement de mesures. Les prévisions acoustiques ainsi obtenues sont satisfaisantes (+/-2 dB avec des données d’entrée expérimentales) compte tenu de la relative simplicité des modèles. Un calcul LES est exploité pour fournir directement les sources de bruit (fluctuations de pression pariétale). Les spectres obtenus montrent des tendances similaires à ceux issus du modèle d’Amiet malgré certains phénomènes non-physiques encore présents au niveau du calcul LES.Pour terminer, le rayonnement en champ libre est traité. Une manière simple et rapidede résoudre ce problème consiste à utiliser une intégrale de Kirchhoff, en supposant unécoulement moyen uniforme. Une comparaison avec une solution analytique (technique deWiener-Hopf) exacte pour les mêmes conditions montre que le rayonnement du bruit largebande est bien prévu par la méthode de Kirchhoff pour des angles de rayonnement inférieursà 90°. Cependant, pour prendre en compte la géométrie d’éjection de la nacelle et l’effet d’un écoulement hétérogène (cisaillement) sur le rayonnement en champ libre, une approche numérique est mise en place. Une technique permettant de simuler le caractère aléatoire des sources turbulentes ainsi que de satisfaire l’hypothèse de modes acoustiques incohérents est développée. Cette méthodologie est appliquée au cas simple du conduit semi-infini, puis à une tuyère réaliste. Les calculs sont validés à l’aide de solutions analytiques sur les configurations simplifiées. Une analyse critique des instabilités créées dans la couche de cisaillement et de leur influence sur les formulations intégrales couplées au calcul Euler pour obtenir le bruit en champ lointain complète ce dernier chapitre. / This report presents several methodologies aiming to predict broadband noise generatedby the interaction between the rotor and the stator of a turbofan. The main objective is toobtain a complete prediction procedure from the acoustic sources generation to the far fieldnoise radiation. As a first step, the rotor-stator mechanism is studied as the interaction betweena homogeneous and isotropic turbulence (HIT) and an isolated airfoil. Then, the ductedrotor/stator interaction case is treated. Finally, the last part is devoted to the aft radiationthrough the bypass duct. In each part, analytical and numerical approaches are investigated.On the one hand, analytical models allow a fast prediction but on a simplified problem, onthe other hand numerical methods remove many assumptions with a longer computationaltime.The Amiet theory is applied to simulate the airfoil-HIT interaction and comparisons withexperimental results obtained in an anechoic wind tunnel are discussed. Since this modelsimplifies the airfoil to a non-lifting flat plate, a numerical approach has also been investigatedusing a CAA (Computational AeroAcoustics) code solving the Euler equations in twodimensions. The incoming HIT is synthesized by a sum of convected harmonic velocity perturbationsinjected through the inlet boundary. The acoustic radiation discrepancies betweena flat plate and a lifting airfoil observed between experimental results and the Amiet theoryare partly verified. Finally, the possibility to use a 3D LES (Large Eddy Simulation) is alsodiscussed.In the second part, the Amiet model for an isolated airfoil is extended in order to solvethe turbofan interaction noise problem. Several formulations are proposed and are validatedby comparisons with measurements obtained from an axial compressor test bed. Input dataare provided either by a CFD (Computational Fluid Dynamics) or experiment. Acoustic resultsshown to be quite reasonable (�}2 dB in the later case) considering the simplicity of themodel. A LES computation is also studied in order to directly obtain the acoustic sources(vane surface pressure fluctuations). The resulting acoustic spectra shape are in relativelygood agreement with the Amiet model even if some non-physical phenomena are observed inthe LES data.The acoustic radiation in the free field is studied in the last part. A simple way to solvethe problem is to use a Kirchhoff integral along the outlet duct section assuming an uniformmean flow. A comparison with an exact(under uniform mean flow assumption) analytical modelinvolving a Wiener-Hopf technique demonstrates that good results can be obtained withthe Kirchhoff method up to 90°of radiation angle. However, in order to take in considerationthe effect of nacelle geometry and heterogeneous flow (shear) on the acoustic radiation, anumerical approach is set up. This method allows to simulate the non-deterministic and thenon-coherent mode behavior of a fan broadband noise. Simplified configurations are used topartly validate these numerical simulations by comparison with analytical solutions. This approachis finally applied to a realistic nozzle case. The instability waves created in the shearlayer and their effects on the integral formulations used to obtain the far field radiation arecarefully analyzed.

Cette thèse apporte une contribution à l'analyse des effets d'anisotropie dans la détermination des propriétés poroélastiques des roches poreuses. Après une étude bibliographique, l'influence de la forme et de la distribution en orientation des pores sur l'anisotropie des roches a été étudiée. Le schéma d'estimation pris en compte est celui de Mori-Tanaka. En utilisant la solution analytique d'une inclusion sphérique isolée dans une matrice isotrope transverse infinie, l'estimation des coefficients poroélastiques effectifs des matériaux hétérogènes de type roches-composites a été réalisée. Par la suite, on s'intéresse à la prise en compte des inclusions sphéroidales dont l'orientation ne coincide pas avec l'axe d'orthotropie de révolution de la matrice. On propose une approche d'intégration numérique basée sur la fonction de Green. L'intégration numérique sur la sphère unité est réalisée à l'aide d'une méthode de Gauss dont la précision est discutée. L'outil numérique développé est appliqué à une roche poreuse en considérant un schéma d'homogénéisation en deux étapes et différentes fonctions de distribution d'orientation. Les résultats obtenus mettent en évidence les influences respectives des anisotropies de matrice et de l'espace poreux. / This thesis contributes to the analysis of the anisotropic effects in the determination of the poroelastic properties of the porous rocks. After a bibliographical study, the influence of the form and distribution in orientation of the pores on the anisotropy of the rocks were studied. The homogenization scheme in this thesis is that of Mori-Tanaka. The estimate of the effective coefficients poroelastic of heterogeneous materials of type rocks-like composites characterized by a transverse isotropic matrix containing solid mineral inclusions of roughly spherical form was carried out in using the analytical solution of a spherical inclusion isolated in an infinite transverse isotropic matrix. Thereafter, we are interested in the taking into account of spheroidal inclusions of which orientation does not coincid with the orthogonal axis of revolution of the matrix. We propose a numerical approach of integration based on the Green function. Numerical integrate on the unit sphere is carried out using a method of Gauss of which the precision is discussed. The developed numerical tool is applied to a porous rock by considering a homogenization scheme in two stages and various functions of distribution of orientation. Respective influences of pore space anisotropy and matrix anisotropy are clearly distinguished and analyzed.

L'objet de ce travail est de présenter une partie des travaux entrepris au laboratoire CELIA (CEA, CNRS, Université Bordeaux I) dans le domaine de la modélisation numérique des écoulements fortement compressibles. Cette activité au sein de l'équipe Interaction-Fusion par Confinement Inertiel-Astrophysique, a eu pour objectif principal la mise au point et le développement de schémas numériques robustes dédiés à la simulation numérique des plasmas à haute densité d'énergie appliquée à la production d'énergie par fusion. Ces travaux se sont concrétisés par l'écriture du code CHIC (Code d'Hydrodynamique et d'Implosion du CELIA), logiciel permettant de concevoir et de restituer des expériences dans le domaine de la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Le modèle théorique numérique décrivant l'implosion d'une cible laser est un système d'équations aux dérivées partielles au centre duquel on trouve les équations d'Euler écrites dans le formalisme lagrangien, couplées à des équations de diffusion non linéaires modélisant le transport de l'énergie par les électrons et les photons. Dans cet exposé, après un bref rappel du contexte physique, nous décrirons les deux méthodes originales qui constituent l'ossature numérique du code CHIC. Il s'agit de deux schémas numériques d'ordre élevé du type volumes finis dédiés respectivement à la résolution des équations de l'hydrodynamique lagrangienne et à la résolution d'équations de diffusion anisotrope sur des maillages bi-dimensionnels non-structurés. Le premier schéma, dénommé EUCCLHYD (Explicit Unstructured Lagrangian HYDrodynamics), permet de résoudre les équations de la dynamique des gaz sur un maillage mobile qui se déplace à la vitesse du fluide. Il est obtenu à partir d'un formalisme général basé sur le concept de forces de sous-mailles. Dans ce cadre, les flux numériques sont exprimés en fonction des forces de sous-mailles et de la vitesse des noeuds. Leur détermination repose sur les trois principes fondamentaux suivants : compatibilité géométrique entre le mouvement des noeuds et la variation de volume des mailles (loi de conservation géométrique), compatibilité avec le second principe de la thermodynamique et conservation de l'énergie totale et de la quantité de mouvement. L'extension de ce schéma à l'ordre deux est mise en place à l'aide d'une méthode basée sur la résolution d'un problème de Riemann généralisé dans l'approximation acoustique. Le second schéma, appelé CCLAD (Cell-Centered LAgrangian Diffusion), concerne la résolution de l'équation de la chaleur anisotrope non-linéaire. La discrétisation correspondante s'appuye sur une formulation variationnelle locale au niveau des sous-mailles qui permet de construire une approximation multi-points du flux de chaleur. Cette discrétisation d'ordre élevé rend possible la résolution des équations de la diffusion anisotrope avec une précision satisfaisante sur des maillages lagrangiens fortement déformés. La précision et la robustesse de ces méthodes numériques sont démontrées sur des cas-tests représentatifs.

Cette thèse propose différentes méthodologies de calcul du bruit à large bande générée par l'interaction rotor-stator d'une soufflante de turboréacteur et ce de la génération des sources acoustiques jusqu'au rayonnement en champ lointain. En premier lieu, le mécanisme d'interaction rotor-stator est étudié à travers une turbulence de grille homogène et isotrope (THI) impactant un profil isolé. Le cas de l'interaction rotor-stator en milieu guidé est ensuite traité et appliqué à une maquette de compresseur axial. Enfin, la dernière partie traite de la simulation du rayonnement aval en sortie de conduit. Dans chacune de ces parties, des approches analytiques et numériques sont proposées. Les méthodes analytiques permettentune prévision rapide du problème simplifié, et les méthodes numériques permettent de leverles hypothèses au prix d'un temps de calcul plus long.Le modèle d'Amiet est mis en œuvre pour simuler le bruit d'interaction THI-profil àtravers une expérience en soufflerie anéchoïque. Ce modèle simplifiant le profil en une plaque plane non portante, une approche numérique est également mise en place. La convection de perturbations de vitesse incidentes synthétisant une THI et impactant un profil isolé est simulée à l'aide d'un code CAA (Computational AeroAcoustics) résolvant les équations d'Euler en deux dimensions. Les différences de rayonnement entre une plaque plane et un profil cambré épais observées expérimentalement sont en partie retrouvées. Une simulation plus avancée d'un calcul LES (Large Eddy Simulation) 3D est également abordée.Dans la deuxième partie du mémoire, le modèle d'Amiet est étendu au problème de l'interaction rotor-stator en conduit. Différentes formulations sont proposées et discutées. Elles sont appliquées au cas d'un banc d'essai du DLR (centre de recherche aérospatiale allemand) avec des données d'entrée provenant d'un calcul RANS (Reynolds Averaged Navier-Stockes) ou bien directement de mesures. Les prévisions acoustiques ainsi obtenues sont satisfaisantes (+/-2 dB avec des données d'entrée expérimentales) compte tenu de la relative simplicité des modèles. Un calcul LES est exploité pour fournir directement les sources de bruit (fluctuations de pression pariétale). Les spectres obtenus montrent des tendances similaires à ceux issus du modèle d'Amiet malgré certains phénomènes non-physiques encore présents au niveau du calcul LES.Pour terminer, le rayonnement en champ libre est traité. Une manière simple et rapidede résoudre ce problème consiste à utiliser une intégrale de Kirchhoff, en supposant unécoulement moyen uniforme. Une comparaison avec une solution analytique (technique deWiener-Hopf) exacte pour les mêmes conditions montre que le rayonnement du bruit largebande est bien prévu par la méthode de Kirchhoff pour des angles de rayonnement inférieursà 90°. Cependant, pour prendre en compte la géométrie d'éjection de la nacelle et l'effet d'un écoulement hétérogène (cisaillement) sur le rayonnement en champ libre, une approche numérique est mise en place. Une technique permettant de simuler le caractère aléatoire des sources turbulentes ainsi que de satisfaire l'hypothèse de modes acoustiques incohérents est développée. Cette méthodologie est appliquée au cas simple du conduit semi-infini, puis à une tuyère réaliste. Les calculs sont validés à l'aide de solutions analytiques sur les configurations simplifiées. Une analyse critique des instabilités créées dans la couche de cisaillement et de leur influence sur les formulations intégrales couplées au calcul Euler pour obtenir le bruit en champ lointain complète ce dernier chapitre.

Le travail s'intéresse aux effets de l'histoire de chargement sur le comportement et la durée de vie en fatigue de deux nuances (THYSSEN et CLI)d'un acier inoxydable austénitique 304L à la température ambiante. Les essais ont été réalisés en utilisant deux catégories d'éprouvettes. Les éprouvettes de la première catégorie (vierges) ont été soumises à des essais classiques de fatigue,alors que celles de la deuxième ont subi, avant les essais de fatigue, un pré-écrouissage monotone ou cyclique en déformation imposée. Les éprouvettes vierges manifestent un adoucissement cyclique suivi d'un durcissement cyclique alors que les éprouvettes pré-écrouies ne présentent qu'un durcissement cyclique. Les résultats montrent une grande influence du pré-écrouissage qui semble bénéfique en contrainte imposée, mais néfaste en déformation imposée,même en présence d'une contrainte moyenne de compression. Ces résultats sont discutés en termes d'évolution cyclique du module d'élasticité, des écrouissages isotropes et cinématiques, et de la densité d'énergie absorbées par cycle, dans différentes configurations : avec ou sans pré-écrouissage, en contrainte ou déformation imposées...

Les travaux réalisés traitent de la caractérisation en fatigue thermique et mécanique d’assemblages collés par colle conductrice isotrope. Issu du domaine des circuits électroniques radio fréquences à applications spatiales, l’empilement type considéré dans l’étude est constitué d’un carré d’alumine reporté de manière automatique sur un support en Kovar.L’adhésif est à base d’époxyde chargé de microparticules d’argent pour la conduction électrique et thermique du report.Les surfaces de collage de l’alumine sont polies-rectifiées et dorées pour favoriser les fonctions RF, au détriment de la tenue du collage. L’objectif principal est l’identification des mécanismes de fatigue de l’assemblage face aux sollicitations thermiques subies pendant des essais de qualification thermiques réalisés au sol, qui se veulent représentatives de celles subies en orbite pendant toute la durée de la mission. Deux axes de recherche sont privilégiés dans cette étude. D’une part, le comportement du matériau adhésif est caractérisé par des essais de fluage et des essais cyclés réalisés sur des éprouvettes de colle. Le modèle viscoplastique Two-Layers est retenu et implémenté dans un modèle éléments finis de l’assemblage. La tenue de la colle aux interfaces constitue une seconde approche de caractérisation. Une faible tenue en mode I est constatée à l’issue d’une campagne DCB. D’autre part, deux plans d’expériences portant sur la géométrie et les conditions de report des assemblages sont réalisés en parallèle d’une étude paramétrique numérique. Ces deux approches complémentaires permettent de proposer des hypothèses relatives aux mécanismes de fatigue prépondérants au sein de l’assemblage dans son environnement thermique. La tenue en fatigue des collages s’avère très dépendante du procédé automatique qui insère de nombreux défauts (porosités) à l’interface du composant. Une caractérisation en fatigue par essai mécanique est proposée comme alternative au cyclage thermique lent en étuve. Bien que l’équivalence ne soit pas complète, les résultats présentent de bonnes perspectives pour aider à la caractérisation en fatigue de l’interface entre des composants céramiques et une colle conductrice. / This subject deals with the fatigue life characterization under thermal and mechanical loads of bonded assemblies with anisotropic conductive adhesive. In the framework of radio frequency electronics for space applications, the stack of study iscomposed of an alumina square bonded onto a Kovar plate following an automatic process. The adhesive is made of anepoxy based matrix loaded with silver flakes for electrical and thermal conduction. Surfaces of adhesion are polished andcoated with gold to improve RF functions despite the reduction of adherence. The main objective is to identify the fatigue mechanisms taking place in the assembly under thermal cycling due to its orbital environment during the mission and some representative on-ground qualification tests. The study is divided into two parts. First of all, the mechanical behavior of the adhesive is completely characterized by creep and recovery tests and cycling tests performed on bulk specimens. The model of material behavior, called Two-Layers, is identified and implemented in a finite elements model of the whole assembly. The adhesive resistance at the bonding interfaces is also studied. A certain weakness in mode I is observed from a DCB campaign. Secondly, two designs of experiments on geometry and thermal conditions are performed in parallel of a numerical parametric study. These two complementary approaches allow proposing some hypothesis upon the fatigue mechanisms occurring in the assembly under thermal cycling. The fatigue resistance of bonded assemblies depends on the automatic bonding process that creates numerous defects at the component interface (as porosities). A fatigue life characterization by the help of a mechanical test is proposed as an alternative to slow thermal cycling in an oven. Although, the equivalence is not entirely proven, results are promising and can help further with the fatigue study of the interface between such ceramic components and a conductive adhesive.

Nous avons mis en place un dispositif de microscopie par génération de somme de fréquences optiques pour étudier les milieux isotropes chiraux. Ce dispositif a tout d'abord été validé en utilisant la molécule chirale de bi-2-naphtol en solution liquide et en milieu sol-gel. Nous avons établi les conditions expérimentales permettant de limiter les phénomènes de blanchiment par absorption biphotonique du chromophore. Nous avons ensuite entrepris une étude des polymères de coordination chiraux élaborés à partir de l'auto-assemblage de ligands organiques chiraux et d'ions métalliques en solution. Nous avons mesuré un signal SFG chiral apparaissant lors du séchage de films de polymères et de complexes de coordination chiraux. Nous démontrons ainsi que la technique de microscopie SFG spécifique des milieux isotropes chiraux permet de détecter le processus de coordination des polymères de coordination chiraux en phase condensée et de suivre l'établissement de la phase solide. / We have built a set-up to perform sum frequency generation (SFG) microscopy in order to study isotropic chiral media. This set-up was first validated with molecules of bi-2-naphthol in liquid solution and sol-gel matrices. We have established the experimental conditions to limit the bleaching phenomena of the chromophore by two-photon absorption. Next, we have conducted a study of chiral coordination polymers produced through the self-assembly of chiral organic ligands and metal ions in solutions. We have measured a chiral SFG signal developing while films of chiral coordination polymers and complexes are drying. Thus we show that SFG microscopy specific to isotropic chiral media makes it possible to detect the coordination process of chiral coordination polymers in the condensed phase and monitor the establishment of the solid phase.