Autour de nous, les systèmes granulaires sont omniprésents et rarement dissociés d'une phase liquide ou gazeuse. L'interaction entre les deux phases (solide et fluide) implique une dynamique d'écoulement complexe de ces systèmes couplés. Cette thèse expérimentale a pour but de caractériser la dynamique d'effondrement gravitaire instationnaire d'une colonne fluide-grains dans différentes configurations de mélange diphasique. Considérant uniquement l'effet des grains au sein du fluide, la dynamique d'écoulement d'une suspension isodense dans l'air est d'abord abordée avec une description macroscopique. En particulier, La rhéologie du fluide apparent est extraite à partir de l'évolution temporelle du front en utilisant des solutions auto-similaires, modèles de la dynamique de propagation aux temps longs. Sur la gamme du nombre de Reynolds étudiée, la dynamique d'écoulement de la suspension est décrite comme celle d'un fluide apparent Newtonien ou non-Newtonien (rhéofluidifiant, rhéoépaississant, viscoplastique) dépendant des paramètres considérés (fraction volumique, viscosité du fluide interstitiel, diamètre des grains, protocole de préparation). Afin de décrire la configuration opposée d'un massif sédimentaire pour lequel les interactions entre particules solides deviennent dominantes, la configuration d'une colonne granulaire dense saturée en fluide, i.e. où les grains sont plus lourds que le fluide porteur, est ensuite étudiée. Un travail préliminaire est consacré à la caractérisation de l'effondrement d'une colonne granulaire totalement immergée dans un fluide. Le rôle dissipatif de ce dernier sur le milieu granulaire est mis en évidence par une analyse de la dynamique d'effondrement et des caractéristiques du dépôt final. Cette caractérisation permet de classifier les régimes d'effondrement en fonction de la viscosité et de la masse volumique du fluide environnant, i.e. du nombre de Stokes et du rapport de masse volumique entre le fluide et les grains. Dans le cas triphasique, i.e. lorsque la colonne fluide-grains s'effondre dans l'air, la dynamique peut être fortement affectée par les effets capillaires à travers le nombre de Bond qui contrôle alors la mise en mouvement de la colonne initiale. Quand ces effets deviennent négligeables à l'échelle de la colonne et à celle du grain, le fluide interstitiel peut jouer un rôle moteur ou dissipatif vis-à-vis dumilieu granulaire conduisant à une longueur d'étalement plus ou moins importante en comparaison au cas sec. Le rôle du fluide interstitiel dépend essentiellement de sa viscosité modifiant, par la même occasion, la dynamique d'effondrement. Enfin, une étude préliminaire sur la dynamique d'écoulement d'une suspension non-isodense, initialement homogène, est réalisée. Cette configuration, à la transition des situations décrites précédemment, permet d'aborder le couplage de la dynamique de sédimentation des grains et celle du courant. En particulier, nous observons que la vitesse de sédimentation décroît avec l'augmentation de la fraction volumiqueinitiale en particules.

Ce travail est dédié au développement d'une méthode numérique pour la simulation des écoulements liquide-bulles. La présence des bulles dans l'écoulement visqueux et incompressible est prise en compte via une méthode de pénalisation. Dans cette représentation Euler-Lagrange, les bulles supposées indéformables et parfaitement sphériques sont assimilées à des objets pénalisés interagissant avec le fluide. Une méthode VOF (Volume Of Fluid) est employée pour le suivi de la fonction de phase. Une adaptation de la discrétisation des équations de Navier-Stokes est proposée afin d'imposer la condition de glissement à l'interface entre le liquide et les bulles. Une méthode de couplage entre le mouvement des bulles et l'action du liquide est proposée. La stratégie de validation est la suivante. Dans un premier temps, une série de cas-tests est proposée; les objets pénalisés sont supposés en non-interaction avec le fluide. L'étude permet d'exhiber la convergence et la précision de la méthode numérique. Dans un second temps le couplage est testé via deux types de configurations de validation. Le couplage est d'abord testé en configuration de bulle isolée, pour une bulle en ascension dans un liquide au repos pour les Reynolds Re=17 and Re=71. Les résultats sont comparés avec la théorie établie par la corrélation de Mei pour les bulles sphériques propres décrivant intégralement la dynamique de la bulle. Enfin, des simulations en configurations de nuage de bulles sont présentées, pour des populations mono- et bidisperses dans un domaine entièrement périodique pour des taux de vide s'établissant entre 1% et 15%. Les statistiques fournies par les simulations caractérisant l'agitation induite par les bulles sont comparées à des résultats expérimentaux. Pour les simulations de nuages de bulles bidisperses, de nouveaux résultats sont présentés.

Ces travaux de doctorat portent sur la réduction du bruit d'origine aérodynamique émis par les ventilateurs et les doublets d'hélices contra-rotatifs. La méthodologie proposée consiste à intégrer des méthodes rapides et précises de prédiction des niveaux sonores dans le processus de conception. Cette thématique a vu son intérêt augmenter depuis que l'Union Européenne a restreint les limites d'exposition au bruit en milieu de travail et dans les zones habitées à proximité des aéroports. Parmi les méthodes numériques employées en aéroacoustique, les méthodes hybrides de prédiction du bruit sont considérées comme particulièrement appropriées pour la conception automatisée du fait de leur coût modéré en temps de calcul. Ces méthodes séparent la résolution de l'écoulement aérodynamique de celle de la génération du bruit et de sa propagation en champ lointain. L'écoulement aérodynamique est obtenu par simulation numérique, tandis que l'acoustique est traitée par méthodes analytiques. Ces méthodes analytiques développées et validées pour déterminer le bruit d'un profil aérodynamique placé dans un écoulement turbulent seront étendues pour traiter le réponse acoustique de pales en rotation. Ces travaux se concentrent sur deux configurations de ventilateurs basses vitesses. La première configuration traitée est le doublet d'hélices contra-rotatif de 4.2m de diamètre de la soufflerie L-1 de l'Institut von Karman (VKI). Ce système permet d'étudier le phénomène de bruit tonal et à large bande dû à l'impact des sillages turbulents, générés par l'hélice amont, sur l'hélice aval. La deuxième configuration traitée est un ventilateur à quatre pales du CETIAT (France) installé seul dans un large plenum. Ce système permet d'étudier le bruit propre ou bruit de bord de fuite causé par l'interaction des tourbillons générés par l'écoulement autour de la pale avec le bord de fuite de la pale. Pour cette configuration, des données expérimentales sont rendues disponibles dans le cadre d'un projet commun entre le VKI et le CETIAT. Les méthodes hybrides sont développées et mises en oeuvre pour ces deux mécanismes de bruit présents dans les deux configurations de ventilateur. L'objectif de ces travaux de thèse est d'employer les méthodes hybrides ainsi calibrées et validées pour réaliser l'optimisation du doublet d'hélices contra-rotatif de la soufflerie L-1. Le coeur de ces travaux portera sur l'extension des méthodes hybrides pour la prédiction du bruit d'un profil dans un écoulement turbulent uniforme au cas du bruit tonal et à large bande d'interaction de sillages et du bruit à large bande de bord de fuite dans des ventilateurs basses vitesses. Il sera montré qu'il est possible de déterminer le spectre de bruit de manière rapide et précise en s'appuyant sur la connaissance du champ aérodynamique dont les quantités seront extraites de simulations numériques stationnaires (RANS) pour alimenter la formulation analytique retenue. Cette dernière doit être adaptée au mécanisme de bruit étudié, à savoir l'interaction d'une pale de ventilateur avec un sillage ou celle du bord de fuite avec la turbulence qui s'est développé le long de la pale. Les deux mécanismes de bruit sont d'abord modélisés avec des fonctions analytiques qui sont calibrés avec les données des simulations numériques. Les modèles de sources de bruit ainsi que les estimations finales de spectre de bruit sont comparées aux données expérimentales disponibles et à des simulations directes. Enfin la méthodologie retenue est mise en oeuvre dans le cadre de l'optimisation du doublet d'hélices L-1 au moyen d'un algorithme génétique. L'étude détaillée de la sensibilité des paramètres et des contraintes de l'optimisation apporte un nouveau regard sur l'optimisation multi-objectif efficacité-bruit qui sera de plus en plus utilisée pour la conception de turbomachine dans le futur. / Abstract : The context of this thesis is the reduction of noise emitted by ventilation fans and aeronautical counter-rotating open rotors, which will be achieved by implementing fast and accurate noise prediction methods in the design process. The interest towards this subject has increased since the European Union enforced lower limits of exposure to noise in work environments and also to environmental noise in the proximity of airports. In the field of computational aeroacoustics, hybrid methods for noise prediction are considered particularly suitable for use in an automated design procedure due to their low computational cost. In fact they split the description of the flow field, which is made by computational fluid dynamics, from the quantification of the source of noise and of its propagation, obtained by using analytic formulations. Such analytic methods have already been used successfully for the prediction of the noise emitted by an airfoil placed in a turbulent flow; it is therefore natural to try to extend their applicability to the case of rotating blades. Two application cases have been chosen for this thesis. The first one is the 4.2 m diameter counter-rotating fan of the von Karman Institute (VKI) L1 low-speed wind tunnel, which is used to study the phenomenon of wake-interaction tonal and broadband noise. The second application case is a four-bladed low-speed ventilation fan in which the dominant source of noise is the trailing-edge or self-noise caused by the turbulent eddies passing over the trailing-edge of the blade. In this case, an experimental database has been made available by CETIAT, France, in the framework of a collaborative project with VKI. The final step of the project will be to use the prediction codes developed for both the noise phenomena in the geometric optimization of the L1 counter-rotating fan. The fundamental question that will be addressed in the thesis is how to extend the hybrid CFD-analytic methods to predict noise from an airfoil in a uniform turbulent flow to the case of tonal and broadband wake-interaction noise and trailing-edge broadband noise in low-speed fans. It will be shown that it is possible to provide a fast and reasonably accurate prediction of the spectrum of noise emitted by low-speed fans by extracting flow data from Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and using them as input to Amiet's analytic formulation, provided that this has been carefully adapted to the studied noise generation phenomenon, i.e. the interaction of the leading-edge of a fan blade with an incoming wake or of the trailing-edge with the turbulent boundary layer over the blade surface. Concerning the methodology, both noise generation mechanisms will first be modeled with analytic functions, then the necessary flow field input will be extracted from RANS simulations and the models will be validated with respect to experimental data, whenever possible, or to higher fidelity simulations. The last step of the project is the application of these noise prediction methods to the shape optimization of the L-1 fan blades by means of a genetic algorithm. The sensitivity analysis of the design parameters and of the constraints used in the optimization process provides a new perspective on the multi-objective efficiency-noise optimization approach which will be increasingly used in turbomachinery design in the future.

Dans cette thèse, nous étudions l’effet de la turbulence en rotation sur l’instabilité dynamo. Nous étudions les différentes limites de la turbulence en rotation numériquement et théoriquement. D’abord, nous avons considéré l’effet dynamo engendré par les écoulements quasi-bidimensionnel (un écoulement avec trois composantes de vitesse qui dépendent de deux directions), qui modélise la limite de rotation très rapide. Nous avons étudié l’amplitude de saturation du champ magnétique en fonction du nombre de Prandt magnétique pour ce type d’écoulement. Un modèle théorique est développé et comparé avec les résultats numériques. Nous avons aussi regardé l’effet d’une vitesse bruitée sur le taux de croissance des différents moments du champ magnétique. Nous avons étudié l’écoulement 3D en rotation globale pour différents régimes du paramètre de contrôle. Pour l’écoulement hydrodynamique, nous avons étudié la transition vers une cascade inverse et les différents types de saturation de la cascade inverse. Nous avons regardé l’instabilité dynamo de ces écoulements. Nous avons montré que la rotation modifie le mode le plus instable et dans certains cas peut réduire le seuil de l’instabilité dynamo. / In this thesis, we study the effect of rotating turbulent flows on the dynamo instability. We study the different limits of rotating turbulence using numerical simulations and theoretical tools. We first look at the dynamo instability driven by quasi-twodimensional flows (flows with three components varying along two directions), which models the limit of very fast rotation. We look at the saturation amplitude of the magnetic field as a function of the magnetic Prandtl number for such flows. A theoretical model for the dynamo instability is later developed and compared with the numerical results. We also study the effect of a fluctuating velocity field on the growth rate of different moments of the magnetic field. The three dimensional rotating flow is then studied for different range of parameters. For the hydrodynamic problem, we study the transition to an inverse cascade and the different saturation mechanism of the inverse cascade. Later the dynamoinstability driven by such flows is investigated. We show that the effect of rotation modifies the most unstable mode and in some cases can reduce the dynamo threshold.

Nous développons une méthode de couplage entre un fluide compressible non-visqueux et une structure tridimensionnelle mobile. Nous considérons d'abord une structure rigide, puis déformable, et enfin avec fragmentation. Le couplage repose sur une méthode conservative de type frontières immergées en combinaison avec une méthode de Volumes Finis pour le fluide et une méthode d'Éléments Discrets pour la structure. La méthode de couplage assure la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie totale du système. Elle présente également des propriétés de consistance, comme l'absence d'effets de rugosité artificielle sur une paroi rigide. La méthode de couplage est explicite en temps dans le cas d'une structure rigide, et semi-implicite dans le cas d'une structure déformable. La méthode semi-implicite en temps évite que des déformations tangentielles de la structure ne se transmettent au fluide, et la résolution itérative jouit d'une convergence géométrique sous une condition CFL non restrictive sur le pas de temps. Nous présentons des résultats numériques montrant la robustesse de la méthode dans le cas d'une sphère rigide mise en mouvement par une onde de choc, une poutre encastrée fléchie par une onde de choc et un cylindre se fragmentant sous l'action d'une explosion interne / We develop a coupling method between an inviscid compressible fluid and a three dimensional mobile structure. We consider first a rigid structure, then a deformable, and finally a fragmenting one. The coupling hinges on a Conservative Immersed Boundary method combined with a Finite Volume method for the fluid and a Discrete Element method for the structure. The method yields conservation of mass, momentum, and energy of the system. The method also exhibits consistency properties, such as the absence of numerical roughness on a rigid wall. The method is explicit in time in the case of a rigid structure, and semi-implicit when the structure is deformable. The time semi-implicit method avoids that tangential deformations of the structure impact the fluid, and the method converges geometrically with a non-restrictive CFL condition on the time step. We present numerical results showing the robustness of the method in the case of a rigid sphere lifted by a shock wave, a clamped beam flexed by a shock wave, and a cylinder undergoing fragmentation owing to an intern explosion

When entering a planet’s atmosphere, spacecraft induce a strong compression shock and must be protected from the resulting extreme heat flux by a thermal protection system made of either reusable or ablative materials. To characterise these materials, the harsh flow conditions of atmospheric entry are reproduced in plasma wind tunnels, where a jet of gas heated up to ionisation is directed at material samples for prolonged testing. Unfortunately, heated jets exhibit complex dynamic behaviours, resulting in oscillations that increase the uncertainties in the experiments.At sufficient Reynolds numbers, the dynamic behaviour of heated jets shifts from an amplifier to a self-sustained oscillator type via a Hopf bifurcation, if the centreline-to-ambient density ratio falls below a given threshold. This change is known in the literature to be related to the onset of absolute instabilities in the flow. However, this type of instability is usually studied for a simplified description of the gas, which is not suitable for the case of a plasma wind tunnel.This doctoral work investigates the nature of the instabilities responsible for the oscillations observed in a plasma jet, similar to the one in the VKI Plasmatron facility. The analysis is carried out by comparing results from different numerical methods, including linear stability analyses (both local and global) and direct numerical simulations. The thesis first describes the effect of high-temperature gas models on the stability of synthetic jets found in the literature, before analysing the case of Plasmatron.The analysis of synthetic jets with real-gas effects shows that the onset of the first dissociation reactions in the flow has a strong influence on the prevailing type of instability. Furthermore, if a sufficiently long region of absolute instability is present in the jet, the flow bifurcates to a periodic limit cycle, and steady state solutions become inadequate to describe the flow and its dynamic behaviour. In this case, a stability analysis of the time-averaged state can accurately reproduce the results of direct numerical simulations. In the case of Plasmatron, a large region of absolute instability is revealed in the plasma jet, suggesting that the observed oscillations are caused (in part) by a global non-linear mode and that the flow has entered a limit cycle. Trends of the absolute instability frequency with respect to the driving parameters of Plasmatron are in agreement with experimental observations.The present work confirms that global stability features of heated jet flows are very sensitive to subtle changes of the undisturbed or time-averaged state, which results from technological constraints in the case of Plasmatron. Furthermore, this thesis has shown the relevance of including high-temperature gas effects in the stability analysis of high-enthalpy jets. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Afin de contribuer à l'amélioration des simulations numériques de foyers industriels avec recycle de gaz brûlés et combustible liquide, la modélisation de la combustion turbulente non prémélangée est abordée sous deux de ses aspects : le traitement des problèmes diphasiques et la prise en compte des configurations complexes de mélange (dilution, recirculation interne).Une flamme spray éthanol/oxygène diluée par du dioxyde de carbone est d'abord calculée en LES dans un formalisme Euler-Lagrange et une chimie détaillée pour une résolution atteignant 250 µm. Les conditions d'injection du brouillard de gouttes sont déterminées à partir de mesures expérimentales de granulométrie et d'anémométrie phase Doppler.Dans une seconde partie, un nouveau formalisme de description de la combustion turbulente, basé sur l'introduction de temps caractéristiques de l'histoire du mélange est développé, puis validé en LES sur le cas de référence d'une flamme jet dans un écoulement co-courant vicié. / As a contribution to the improvement of numerical simulations of industrial furnaces with flue gas recirculation and liquid fuel, two aspects of the non-premixed turbulent combustion modeling are addressed: the handling of two-phase problems and the treatment of complex mixing configuration, such as dilution and internal recirculation. An ethanol/oxygen spray flame is first solved in an LES, following an Euler-Lagrange formalism, with detailed chemistry and at a resolution reaching 250 µm. The spray injection conditions are determined from granulometry and Doppler-phase anemometry measurements. In a second part, a novel formalism to describe turbulent combustion is developed, based on the introduction of characteristic timescales of the mixing history. It is then validated on the reference case of a jet flame in a vitiated co-flow.

L'analyse du comportement d'un solide ou de plusieurs solides à l'intérieur d'un fluide est un problème de longue date, que l'on peut voir décrit dans de nombreux manuels classiques d'hydrodynamique. Son étude d'un point de vue mathématique a suscité une attention croissante, en particulier au cours des 15 dernières années. Ce projet de recherche vise à mettre l'accent sur plusieurs aspects de cette analyse mathématique, en particulier sur le contrôle et les problèmes asymptotiques. Un modèle simple d'évolution fluide-solide est celui d'un seul corps rigide entouré d'un fluide incompressible parfait. Le fluide est modelé par les équations d'Euler, tandis que le solide évolue selon la loi de Newton et est influencé par la pression du fluide sur la limite. L'objectif de cette thèse de doctorat consisterait en diverses études dans cette branche et, en particulier, étudierait les questions de contrôlabilité de ce système, ainsi que des modèles de limite pour les solides minces qui convergent vers une courbe. Nous souhaitons également étudier le système de contrôle Navier-Stokes / solid d'une manière similaire au problème de contrôlabilité du système Euler / solid. Une autre direction pour ce projet de doctorat est d'obtenir une limite lorsque le solide se concentre dans une courbe. Est-il possible d'obtenir un modèle simplifié d'un objet mince évoluant dans un fluide parfait, de la même manière que des modèles simplifiés ont été obtenus pour des objets qui sont petits dans toutes les directions? Cela pourrait ouvrir la voie à des recherches futures sur la dérivation des flux de cristaux liquides comme limite du système décrivant l'interaction entre le fluide et un filet de tubes solides lorsque le diamètre des tubes converge à zéro. / The analysis of the behavior of a solid or several solids inside a fluid is a long-standing problem, that one can see described in many classical textbooks of hydrodynamics. Its study from a mathematical viewpoint has attracted a growing attention, in particular in the last 15 years. This research project aims at focusing on several aspect of this mathematical analysis, in particular on control and asymptotic issues. A simple model of fluid-solid evolution is that of a single rigid body surrounded by a perfect incompressible fluid. The fluid is modeled by the Euler equations, while the solid evolves according to Newton’s law, and is influenced by the fluid’s pressure on the boundary. The goal of this PhD thesis would consist in various studies in this branch, and in particular would investigate questions of controllability of this system, as well as limit models for thin solids converging to a curve. We would also like to study the Navier-Stokes/solid control system in a similar manner to the previously discussed controllability problem for the Euler/solid system. Another direction for this PhD project is to obtain a limit when the solid concentrates into a curve. Is it possible to obtain a simplified model of a thin object evolving in a perfect fluid, in the same way as simplified models were obtained for objects that are small in all directions? This could open the way to future investigations on derivation of liquid crystal flows as the limit of the system describing the interaction between the fluid and a net of solid tubes when the diameter of the tubes is converging to zero.

Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Ce mémoire vise à identifier et caractériser les phénomènes d'écoulement dans le cône de la turbine modèle à moyenne chute opérée en marche à vide à la vitesse de synchronisation et installée au laboratoire Heki de l'Université Laval. Avec peu de recherches réalisées sur le régime en marche à vide et des machines fonctionnant de plus en plus dans ce régime, le mémoire aidera l'industrie à comprendre par quels mécanismes la machine est endommagée par le régime en marche à vide. Les mesures expérimentales ont utilisé la vélocimétrie par image de particules stéréoscopique dans un plan radial-axial du diffuseur conique. Les mesures étaient calées sur la position de la roue de turbine de façon verrouillé en phase). Cette méthode de mesure a été appliquée à deux hauteurs dans le diffuseur conique pour couvrir la majeure partie de sa hauteur. Les phases mesurées sont équidistantes d'un intervalle de 6° et couvrent 360°. Pour la section de mesure supérieure, une résolution plus fine de 3° a été utilisée entre les phases 300° et 360°. La structure d'écoulement globale discutée dans la littérature s'est avérée présente dans le modèle étudié et a été mis en évidence. Un débit à haute vitesse avec une grande vitesse tangentielle et axiale a été mesurée près de la paroi interne du cône. Une zone de recirculation avec des vitesses beaucoup plus faibles a été mesurée au centre du diffuseur. La couche de cisaillement mentionnée par quelques auteurs a été caractérisée par le calcul des composantes de cisaillement. L'écoulement s'est avéré ne pas être axisymétrique. Des traces de tourbillons inter-aubes dans le diffuseur conique ont été trouvées dans les mesures à moyenne de phase, comme cela avait été prédit par les simulations numériques. / This thesis aims to characterize the flow and identify flow phenomena in the draft tube of the Tr-Francis medium head model turbine operated at speed-no load and installed at the Heki laboratory at Laval University. With little research accomplished on the speed no-load regime and machines being operated increasingly in this regime, the thesis will help the industry understand by what mechanisms the machine is damaged by the no load regime. The experiments used stereoscopic particle image velocimetry in one radial-axial plane of the conical diffuser. The measurements were locked on the position of the turbine runner (phase-locked). This measurement method was applied at two heights in the conical diffuser to cover most of its height. The measured phases are equally spaced at an interval of 6° and cover 360°. For the upper measurement section, a finer resolution of 3° was used between phases 300° and 360°. The global flow structure discussed in the literature was found to be present in the studied model. A high velocity throughflow with a large tangential and axial velocity was measured near the diffuser's inner wall. A recirculation zone with much lower velocities was measured at the center of the diffuser. The shear layer mentioned by a few authors was characterised by calculating shear strain components. The flow was found not to be axisymmetric. Traces of inter-blade vortices in the draft tube were found in the phase-averaged measurements as was predicted by the numerical simulations.

Titre de l'écran-titre (visionné le 6 novembre 2023) / Le but est d'étudier l'athérosclérose comme une application de la mécanique des fluides qui porte sur l'écoulement sanguin dans une artère sténosée. Le sang et la forme de l'accumulation des graisses sur la paroi artérielle jouent un rôle fondamentale dans le comportement de l'écoulement. Pour se mettre dans le cadre mathématique, un survol sur la mécanique des fluides permet d'obtenir la formulation de Navier-Stokes que l'on résout numériquement à l'aide des schémas de projection. L'adaptation de maillage est un outil numérique performant pour un tel type de calcules. Les conditions aux limites en pression à l'entrée et à la sortie de l'artère sont plus recommandés pour ce type de problèmes, mais leurs insertion exige des espaces d'interpolation particuliers que l'on explore en parcourant la littérature correspondante.