The accuracy of the numerical simulation in the prediction of cavitation in cryogenic fluids is of critical importance for the efficient design and performance of turbopumps in rocket propulsion systems. One of the main challenges remains the efficiency in modeling the physics, handling the multiscale properties and developing robust numerical methodologies. Such flows involve thermodynamic phase transition and cavitation bubbles smaller than the global flow structure. Cryogenic fluids are thermo-sensible, then thermal effects and strong variations in fluid properties can alter the cavity properties. The aim of this work is to address the challenge of efficiently modeling cavitating flows when using water and cryogenic fluids. Because of the complexity of the phenomenon, we focus on improving accuracy of the numerical simulation and on proposing some approaches for a strong coupling between numerics and experiments. We first discuss how to simulate cavitation by means of a mixture model. We specifically address two challenges. The first one is associated with the prediction of thermal effect during the phase transition, requiring the solution of the energy conservation equation. The second challenge is associated to the prediction of the number of bubbles, by considering a transport equations for the bubble density. This study is applied to the numerical simulation of a cavitating flow in a Venturi configuration. We observe an improved estimation of temperature and pressure profiles by using the energy equation and the nucleation model. Secondly, we focus on bubble dynamics. Several forms of Rayleigh-Plesset (RP) equations are solved in order to estimate the temperature and pressure during the collapse of the bubble. We observe that, for high Mach number flows, RP modified with a compressible term can predict the bubble behavior more accurately than the classical form of RP. It is necessary to use a complex equation of state for non-condensable gas (van der Waals) in order to have an accurate estimation of the bubble temperature during the collapse phase. We first apply this approach to the water treatment with cavitation, by proposing a model for the estimation of radicals developed during the collapse of the bubble. Secondly, this equation is modified by adding a term of convective heat transfer at the interface between liquid and bubble and it is coupled with a bubbly flow model in order to assess the prediction of thermal effect. We perform a parametric study by considering several values and models for the convective heat transfer coefficient, hb, and we compare temperature and pressure profiles with respect to the experimental data. We observe the importance of the choice of hb for correctly predicting the temperature drop in the cavitating region and we assess the most efficient models. In addition, we perform an experimental study on nitrogen cavitating flows in order to validate numerical prediction of thermal effect, and in order to assess the fundamental characteristics of the nucleation and the transient growth process of the bubble.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

Les écoulements vrillés, qui sont largement utilisés dans les turbines à gaz, sont connus pour être sujet à des bifurcations entre différentes topologies (grandes reconfigurations de l'écoulement) qui peuvent affecter les performances et la sécurité du moteur. Ce travail se concentre sur l'étude de ces bifurcations en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cette étude montre qu'un petit changement dans les conditions dynamique du fluide, induite par les différents modèles de sous-maille utilisés, peut provoquer une transition entre deux régimes d'écoulement distincts lorsque l'écoulement tourbillonnaire est proche des conditions critiques de transition. La sensibilité de la SGE aux modèles de sous-maille est également identifiée comme le résultat d'un manque de résolution à certains endroits critiques, un problème qui est analysé en utilisant une méthode d'adaptation de maillage. L'adaptation de maillage est testée sur des cas académiques et industriels. Ici, par ajustement de la résolution du maillage sur la base des caractéristiques de l'écoulement étudié (raffinement et grossissement de la grille en maintenant constant le coût numérique), des améliorations substantielles peuvent être obtenues, en terme de prédictions de la SGE. Ce travail peut être considéré comme une des premières étapes vers la mise en place d'une procédure standard (reproductible et indépendante de l'utilisateur) de maillage pour la SGE.

Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche effectués depuis ma soutenance de thèse en septembre 2005. L'ensemble s'articule autour de problèmes touchant aux écoulements turbulents, tant monophasiques que multiphasiques abordés principalement d'un point de vue expérimental. Les problèmes traités sont tout autant d'ordre fondamental que plus appliqué. Cette présentation est organisée autour de 3 axes : 1. les instabilités et bifurcations en écoulements turbulents monophasiques ; 2. l'étude des écoulements dans les machines tournantes et leur conception ; 3. la dynamique et les instabilités en écoulements diphasiques. Ces 3 axes ont en commun un certain nombre de traits, comme la caractérisation au moyen d'outils expérimentaux conçus à dessein, l'analyse des données obtenues (signaux temporels ou champs de vitesse LDV/PIV) au moyen du développement d'outils de post-traitement (analyse d'image) et enfin l'intérêt porté aux phénomènes instationnaires et dynamiques.

This study is devoted to the development of moderate-cost methodologies for the aerodynamic simulation of open rotors. The main goals are, on one side, to develop and validate these rapid methodologies, and, on the other side, to better understand the mechanisms behind propeller in-plane loads, also called the 1P loads. To reach the first goal, the HOST-MINT code, based on the lifting-line theory, has been adapted and improved for the unsteady simulation of propellers and open rotors. The code has been assessed by comparison with experimental data and more complex and precise CFD simulations. Finally, the first developments and tests of a Lagrangian/Eulerian coupling strategy between HOST-MINT and the elsA CFD code have been performed. These studies enable to endeavor a number of applications of this type of rapid methodologies in the aerodynamic design of future open rotors. Moreover, these methodologies may be adapted for other domains linked to aerodynamics, such as aeroelastic problems or preliminary aeroacoustic predictions.

En périmètre irrigué, les flux de remontée capillaires à partir de nappes peu profondes peuvent conduire à la salinisation des sols. Lorsque le drainage naturel du sol est insuffisant, la mise en place d'un drainage artificiel est souvent indispensable pour évacuer une fraction de la dose d'irrigation (fraction de lessivage) pour maintenir un équilibre des sels dans le sol. Le fonctionnement du drainage dans ces conditions est fortement influencé par les flux de remontée capillaires qui alimentent l'évapotranspiration et qui participent aussi au tarissement de la nappe. Cependant, les règles de conception classique du drainage, héritées des régions à climat tempéré, négligent les interactions entre drainage et évapotranspiration. L'objectif de ce travail est d'apporter des éléments de compréhension sur les interactions des flux de remontée capillaire avec le fonctionnement hydraulique du drainage, afin d'en améliorer les règles de conception. Les mécanismes de prélèvement par évaporation dans une nappe peu profonde sont tout d'abord étudiés en cuve lysimétrique. Cette étude fait apparaître les conséquences des variations journalières de la demande évaporatoire sur les intensités de prélèvement dans la nappe ; elle révèle également la difficulté d'utiliser le concept de porosité de drainage en phase de prélèvement par évaporation dans la nappe. Le fonctionnement de la zone saturée est ensuite modélisé par l'équation de Boussinesq intégrée à l'échelle du système drainant ; l'influence de l'imposition d'une condition à la limite (pluie ou prélèvement par évaporation) au toit de la nappe sur les débits et les hauteurs de nappe à l'interdrain simulés par le modèle est étudiée ; la variabilité de la forme de la nappe et ses conséquences sur les débits drainés sont mis en évidence. Le modèle permet d'entrevoir une nouvelle approche de conception basée sur le calcul de la restitution des réseaux et sur la vérification du critère de fraction de lessivage.

Dans cette thèse, une formulation pour l'extraction du couple " champ lointain " d'un rotor d'hélicoptère en vol stationnaire est présentée. Cette formulation est dérivée de la méthode d'extraction de la traînée " champ lointain " d'un avion, basée sur les travaux de van der Vooren et Destarac [?, ?, ?]. Un outil développé à l'Onera à partir de cette théorie permet de donner une analyse complète de la traînée aérodynamique d'un avion. Il est basé sur l'analyse physique et locale de l'écoulement calculé autour de l'aéronef, et décompose la traînée totale, aussi appelée traînée mécanique, en composantes physiques. Ces composantes physiques peuvent être définies comme suit : 1) la traînée d'onde, 2) la traînée visqueuse, 3) la traînée induite. L'adaptation de la méthode d'extraction de la traînée d'un avion à un rotor en vol stationnaire nécessite l'utilisation du couple rotor à la place de la traînée de l'avion, ce qui donne la décomposition suivante : 1) le couple d'onde, 2) le couple visqueux, 3) le couple induit. Les simulations de rotor diffèrent de celles de l'avion dans la mesure où les équations d'Euler (ou RANS) ne sont pas écrites dans le même repère de référence : les simulations d'avion utilisent généralement une formulation en vitesse relative tandis que les simulations d'un rotor d'hélicoptère utilisent la vitesse absolue projetée dans le repère relatif. Cette différence conduit à deux formulations différentes des équations de l'écoulement, et nécessairement deux formulations différentes de l'extraction de la traînée ou du couple. Ce changement de repère implique aussi des changements dans les quantités thermodynamiques utilisées, en particulier l'utilisation de la rothalpie à la place de l'enthalpie d'arrêt pour déterminer le couple dû aux phénomènes irréversibles. Une application de cette méthode est présentée sur un rotor quadripale créé pour cette étude et montre comment cette nouvelle approche peut améliorer la précision de l'extraction des performances d'un rotor à partir de résultat issu de la simulation numérique.

Cette thèse s'intéresse à la mise en œuvre d'une technique de contrôle d'écoulements, d'un point de vue à la fois numérique et expérimental. L'objectif de cette technique est la réduction de perturbations au sein d'écoulements dominés par la convection. Dans ce but, trois aspects sont développés au sein d'un première partie. On observe tout d'abord que dans de tels systèmes l'information voyage essentiellement vers l'aval. Pour cette raison les perturbations doivent être mesurées le plus tôt possible, en plaçant les capteurs en amont. Cette idée intuitive est étudiée quantitativement en introduisant le concept de " longueur de visibilité ". Ensuite, une description de l'écoulement est obtenue à l'aide de technique d'identification de systèmes. Ces outils présentent l'avantage de construire des modèles en se fondant uniquement sur des données accessibles au sein d'une expérience. Enfin, une approche de contrôle du type feed-forward étant particulièrement appropriée pour ces écoulements, une comparaison théorique et numérique avec la théorie classique LQG (Linear Quadratic Gaussian) est menée. Dans une seconde partie, ces trois aspects sont pris en compte dans une procédure d'identification et de contrôle qui est simplifiée de manière à faciliter une mise en place expérimentale. En particulier, les réponses impulsionnelles du système sont identifiées puis utilisées directement dans le calcul de la loi de contrôle. Cette technique repose alors uniquement sur de simples minimisations par moindres carrés et présente l'avantage d'être fondée sur des quantités aux interprétations physiques claires, telles que des vitesses de convection ou des fréquences caractéristiques. Enfin, dans une dernière partie, la procédure est appliquée expérimentalement au contrôle de perturbations dans une écoulement de Poiseuille à Re =870. Dans cette expérience, l'amplitude du signal mesuré par un capteur objectif a pu être réduite de 45%.

La présente étude a permis de mettre au point une méthode itérative de calcul non-linéaire des structures super-cavitantes. Le coefficient de pression au bord d'attaque de la structure est obtenu avec une grande précision, ce qui est essentiel pour la prévision du domaine de cavitation. En écoulement 2D le cas de l'aile super-cavitante à extrados mouillé est traité et la méthode permet de déterminer le point de décollement de la cavité à l'extrados. Le calcul de l'aile à extrados complètement dénoyé est rendu ainsi possible. Le cas des cavités très courtes est obtenu avec une grande précision. Ces trois problèmes n'avaient jamais été résolus auparavant. En écoulement 3D, pour des ailes à envergure finie, une méthode de résolution matricielle spécifique a été mise au point. C'est une méthode de Gauss Seidel par blocs, chaque bloc étant inversé par la méthode de Householder (orthogonalisation de Schmidt). La méthode nécessite des temps de calcul importants mais la richesse des indications qu'elle fournit pourra la faire préférer à d'autres méthodes moins onéreuses sur le plan informatique mais ne permettant pas d'avoir une description de l'écoulement aussi précise. Un champ d'application particulièrement intéressant a été celui des structures sub-cavitantes fonctionnant avec une cavité partiellement développée à partir du bord d'attaque. Les résultats sont très précis et comparés à certaines valeurs expérimentales.

Une méthode de calcul non-linéaire d'écoulement autour de structures minces par la méthode des singularités est présentée. Le concept de minimisation est développé et appliqué à des configurations sub-cavitantes, partiellement cavitantes et super-cavitantes. Ce concept est relatif aux erreurs numériques commises sur les débits de fuite. Le calcul non-linéaire de la géométrie de la poche de cavitation est obtenu par une procédure itérative. La méthode est validée par différentes comparaisons des résultats avec les résultats de référence issus de la littérature. Le cas de la grille d'aubes a été traité, les résultats comparés à ceux obtenus avec une méthode d'éléments finis. La comparaison est excellente. Le code de calcul a été étendu au calcul 3D de l'écoulement autour d'une aile partiellement cavitante et super-cavitante en présence d'une surface libre ainsi qu'au calcul 3D d'une hélice sub-cavitante, suivie de son sillage, en écoulement tournant. Les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux.