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No / The paper presents a 2-D large eddy simulation (LES) modelling approach to investigate the properties of the plunging waves. The numerical model is based on the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method. SPH is a mesh-free Lagrangian particle approach which is capable of tracking the free surfaces of large deformation in an easy and accurate way. The Smagorinsky model is used as the turbulence model due to its simplicity and effectiveness. The proposed 2-D SPH-LES model is applied to a cnoidal wave breaking and plunging over a mild slope. The computations are in good agreement with the documented data. Especially the computed turbulence quantities under the breaking waves agree better with the experiments as compared with the numerical results obtained by using the k- model. The sensitivity analyses of the SPH-LES computations indicate that both the turbulence model and the spatial resolution play an important role in the model predictions and the contributions from the sub-particle scale (SPS) turbulence decrease with the particle size refinement.

Les systèmes de climatisation et de ventilation sont souvent composés de configurations type jets impactant, sur leur partie terminale. Ainsi, les flux d’air soufflés viennent impacter des obstacles munis de fentes, de différentes formes, afin d’améliorer le mélange. Les conditions de confinement et de soufflage provoquent parfois un inconfort au niveau acoustique. Les nuisances acoustiques générées sont dues à un phénomène de boucles de rétroaction se traduisant par l’apparition des sons auto-entretenus. La production du son par un écoulement fluide en champ libre ou en interaction avec une structure a fait l’objet de nombreuses études. Dans le cas d’un champ acoustique et pour un écoulement à faible nombre de Mach la résolution du corollaire énergétique de Howe permet d’évaluer la puissance acoustique générée ou absorbée par les interactions entre le champ acoustique et l’écoulement. Le calcul de cette puissance nécessite la connaissance de trois paramètres : la vorticité, la vitesse et la vitesse acoustique par des méthodes analytiques ou en utilisant des données expérimentales. Expérimentalement, la mesure du champ cinématique, pour en déduire la vorticité, nécessite une technique de mesure tridimensionnelle. Pour cela une plate-forme expérimentale, utilisant de la vélocimétrie Laser, a été développée, et équipée pour générer les écoulements d’un jet plan. Les champs cinématiques de ces écoulements ont été mesurés en utilisant la technique PIV, avec un dispositif de PIV stéréoscopique. Les champs cinématiques de trente plans parallèles ont été mesurés afin d’étudier les champs de vitesses correspondants. Deux méthodes de reconstruction ont été appliquées à ces plans : la POD et la moyenne de phase. Le volume est obtenu par une interpolation des plans reconstruits donnant accès aux trois composantes de la vitesse. Pour valider ces méthodes de reconstruction en 3D à faible coût, elles étaient comparées à des mesures expérimentales réalisées par le même dispositif expérimental, dans les mêmes conditions, par la PIV tomographique donnant accès aux champs cinématiques tridimensionnels. / Air conditioning and ventilation systems are often composed of jets having a configuration of an impinging jet, on their end part. Thus, the blown airflows impact slotted obstacles of different shapes to improve mixing. The conditions of confinement and blowing sometimes cause acoustic incompatibility. The acoustic noises generated are due to a phenomenon of feedback loops resulting of the appearance of self-sustained sounds. The production of sound by a free flow or in interaction with a structure has been the subject of many studies. In the case of an acoustic field and for a flow of low Mach number, Howe's energetic correlation is used to evaluate the acoustic power generated or absorbed by the interactions between the acoustic field and the flow. The calculation of this power requires the knowledge of three parameters : vorticity, velocity and acoustic velocity by analytical methods or by using experimental data. Experimentally, the measurement of the kinematic field, to deduce the vorticity, requires a three-dimensional measurement technique. For this purpose, an experimental platform, using laser velocimetry, has been developed and equipped to generate flows of a plane jet. The kinematic fields of these flows were measured using the PIV technique, with a stereoscopic PIV device. The kinematic fields of thirty parallel planes were measured to study the corresponding velocity fields. Two reconstruction methods have been applied to these plans : the POD and the phase average. The volume is obtained by an interpolation of the reconstructed planes giving access to the three components of the velocity. To validate these low-cost 3D reconstruction methods, they were compared to experimental measurements made by the same experimental setup, under the same conditions, by using the tomographic PIV giving access to the three-dimensional kinematic fields.

Cette thèse s’inscrit dans le programme de recherche beyond the sea® visant à développer la traction de navire de commerce par des kites géants. Le but est d’utiliser l’énergie du vent, et ainsi de réduire la consommation de carburant des navires et réduire les émissions polluantes. Un tel projet demande de nombreux développements et actions scientifiques, en particulier pour prédire le comportement des cerfs-volants géants et des navires associés. Pour cela des modèles sont développés, mais ces modèles doivent être confrontés à des mesures pour en estimer la validité. Cette thèse a donc pour objectif de mesurer les interactions entre le kite et le navire, à une échelle limitée par rapports aux navires visés par le programme global. Des mesures ont donc été réalisées sur un navire de pêche de 13 m, puis sur un bateau expérimental de 6 m spécialement conçu à cet effet. De plus, des mesures ont aussi été menées à terre pour évaluer uniquement les performances du kite. Chacune de ces campagnes expérimentales mettait en oeuvre un dispositif de mesure complexe, ainsi qu’un système automatique de contrôle du vol du kite. En plus de fournir des données de qualité à destination de la science, les outils développés au cours de cette étude peuvent être utilisés directement par les partenaires industriels du projet beyond the sea®. / This study is part of the research program beyond the sea® aiming to develop kites as auxiliary propulsion devices for ships. The goal is to use the energy of the wind to save fuel and reduce harmful emissions. Such a project needs numerous developments and scientific actions, particularly to model the behavior of giant kites and associated ships. However these models must be compared to measurements to assess their validity. This study is then focus on the measurements of the interaction between kites and ships, at a limited scale in comparison to the real scope of the project. Thus measurement campaigns were carried out on a 13-meter long trawler, and on a 6-meter long experimental platform specifically designed. Another experimental campaign was also carried out onshore to assess the aerodynamic specs of the kite. Each of these three campaigns was based on a complex experimental set-up, including an automatic kite control system. In addition to provide a valuable data set for further scientific analyses, this study provided also tools which can be used by the industrial partners of the beyond the sea project®.

The object of the present work is to experimentally study the case of a turbulent boundary layer subjected to an Adverse Pressure Gradient (APG) with separation and reattachment. The effect of unsteadiness on turbulent boundary layer separation by means two different methods were explored viz. the effect of local forcing by acoustic waves and effect of wakes on separation bubble. The experiments were conducted in a low speed open circuit blower type wind tunnel. The turbulent separation bubble was created on the test plate by a contoured ceiling which created the adverse pressure gradient. The velocities were measured using single element hot wire and X-wire. Limited studies on quasi shear stress were also conducted using surface mounted hot film probes. Static pressure was measured using a projection manometer. Boundary layer is tripped near the leading edge of the flat plate to ensure a turbulent boundary layer. Surface pressure distribution and flow visualization were conducted as part of diagnostics. In the case of laminar separation bubble, lot of investigations have been done on the effect of unsteady wake and the most important conclusion was that the wake induces `bypass' transition to turbulence and since the turbulent boundary layer is more resistant to separation, it remains attached. In the case of turbulent separation bubble, laminar-turbulent transition is not relevant and if the bubble is suppressed, it should be by some other mechanism. This is what we seek to unravel in this study. A closer look at the mean velocity profiles reveal the occurrence of inflection point before separation as in the case of laminar separation bubble and the peak values of turbulence intensities correspond to the location of point of inflection. Turbulent separation correlations proposed by various investigators were compared with the present results and are found to be in good agreement. Surface flow visualization pictures are used to get qualitative information. The wall forcing on the separation bubble was done using a speaker which blows a small amount of air when the diaphragm moves up and sucks in when the diaphragm moves down. The blowing effect seems to be more effective in suppressing the separation compared to suction. The interaction with wake is studied using an unsteady bar which is moving up and down. The inflection point in the mean velocity distribution seems to move closer to the wall with the impingement o the wake. Also the turbulence intensities have increased and seem to move closer to the wall. The displacement and momentum thickness have increased and the shape factor has decreased which indicates suppression of the bubble. The quasi shear stress in the separated region also increased which indicates suppression of separation. While the oncoming unsteady wake might be a parcel of fluid with defect velocity when seen in isolation, in comparison to the velocity defect in the separation bubble, it is a region of velocity excess. As a result, one can expect the impingement of the unsteady wake on the TSB to transport momentum thereby contributing to separation reduction. But the mechanism of separation is different from laminar separation bubble affected by wakes. The suppression in the case of turbulent separation bubble is partly due to the entrainment of turbulence and partly due to the kinematic impact of the wake on the bubble.

Le décrochage profond est un cas particulier du décrochage d’un avion, où l'empennage horizontal est entièrement situé dans le sillage décollé de la voilure principale. Le plan perd ainsi son efficacité, ce qui se traduit par une position d'équilibre en tangage stable, à une incidence élevée, dont il est impossible de sortir par une manœuvre simple. L’objectif de cette étude est de caractériser l’aérodynamique associée à ce phénomène et de proposer une procédure d’identification et de récupération. Il est proposé une démarche visant à déterminer la dynamique bidimensionnelle de l’écoulement autour d’une configuration aéronautique de référence. Les coefficients aérodynamiques, obtenus dans une large plage d’incidence, mettent en évidence l’effet de l’interaction entre les profils sur le décrochage, qui impacte principalement le profil aval. L’analyse des champs de vitesse fournit l’étendue et l’évolution axiale des sillages des profils. Un traitement des champs de vitesse par moyennes de phase permet de reconstruire la dynamique temporelle. À partir de ces résultats, un modèle potentiel de forçage de l’écoulement autour du profil aval permet d’expliquer la modification du coefficient de portance imposé par l’interaction. Des simulations numériques de l’écoulement, qui fournissent des champs résolus en temps, permettent de retrouver certaines évolutions expérimentales. L’ensemble des résultats est utilisé, en parallèle à des données issues d’un aéronef réel, dans un modèle de vol longitudinal afin d’analyser le comportement dynamique de l’avion. Des critères permettant d’identifier la dynamique qui conduit à cet équilibre, fournissent une détection précoce de ce dernier. / Deep stall is a specific type of airplane stall, in which the horizontal tail is inside the detached wake of the main wing. The tail loses its efficiency, leading to a stable pitching equilibrium position with a high angle-of-attack, without any easy recovery procedure. The aim of the study is to characterize the aerodynamic associated to that phenomenon in order to propose an identification and recovery procedure. The approach consists in a two-dimensional flow characterization based on an aeronautical reference configuration. Aerodynamic coefficients, obtained for a wide range of angles-of-attack, show the interaction between the airfoils on the stall of the downstream airfoil. The analysis of velocity fields gives the width and the axial development of the airfoils wakes. Phase-averages of velocity fields lead to the synthesis of flow time-development. With these results, a potential model of flow forcing on the downstream airfoil explains the lift coefficient alteration imposed by the interaction. Flow numerical simulations, giving time-resolved fields, provide good accordance with experimental developments .The whole set of results is used, concurrently with real aircraft data, inside a longitudinal flight model in order to analyze the airplane dynamical behavior. Criteria for the identification of the dynamic leading to that equilibrium provide a rapid detection of deep stall and the implementation of a recovery strategy.

Ce travail tente d'analyser la réponse d'une jet axisymétrique turbulent à une excitation fluidique stationnaire et instationnaire lorsque le contenu fréquentiel et aziumutal (!,m) de la perturbation est maîtrisé. Le dispositif de contrôle utilisé est composé de 16 microjets ronds répartis sur le bord de fuite de la tuyère. L'utilisation des microjets provoque une réduction du champ acoustique rayonné (particulièrement pour le cas de contrôle stationnaire). Le champ aérodynamique est ensuite sondé grâce à des mesures fil chaud et PIV stéréoscopique résolue en temps. L'excitation instationnaire permet d'utiliser les moyennes de phase afin d'effectuer une décomposition triple du champ de vitesse. L'étude de la composante cyclique de la “réponse du jet” montre une synchronisation spatio-temporelle importante sur une grande étendue spatiale. En d'autres mots, le forçage a une grande autorité déterministe sur l'écoulement. De plus, la comparaison de la composante cyclique de la réponse du jet avec la théorie de la stabilité linéaire indique qu'il existe des ondes d'instabilité hydrodynamique au sein du jet. L'analyse du jet contrôlé par injection fluidique stationnaire montre ensuite comment l'effet du contrôle peut être expliqué par la déformation du champ moyen conduisant à la réduction du taux de croissance des ondes d'instabilité dans le jet. Cette déformation est dûe à l'introduction d'un couple de paramètre (nombre d'onde/fréquences) pour lequel le champ moyen de l'écoulement est stable. La réponse du jet étant turbulente, cela implique que les tensions de Reynolds déforment le champ moyen de manière à ce que les modes les plus instables aient des taux de croissance plus faibles. / This work investigates the response of an axisymetric turbulent jet to steady and unsteady fluidic florcing where the azimuthal wavenumber-frequency (!,m) content of the perturbation is well known. The control setup is composed of 16 round microjets azimutally distributed around the nozzle lip. Such actuation can lead to a decrease in the acoustic energy radiated by the jet (especially for the steady case). The aerodynamic fied is investigated using hotwire measurements and time-resolved stereoscopic PIV. Using the unsteady forcing, phase-averaging is possible, and this allows the implementation of a triple decomposition of the measurements. Examination of the cyclic component of the flow response shows that a non-negligible phase-locked fluctuation is obtained over a large spatial extent, in other words, the actuation has good deterministic control authority over the flow. Furthermore, comparison of the cyclic component of the flow response with Linear Stability Theory supports the idea that the jet response comprises linear hydrodynamic instability waves. Subsequent analysis of jets controlled by steady fluidic actuation shows how the control effect can be explained by a mean-flow modification that leads to the reduction of instability-wave growth rates ; the mean flow modification is argued to be due to the introduction of azimuthal wavenumber-frequency pairs to which the mean flow is stable. The response is therefore turbulent, and involves Reynolds stresses which deform the mean-field such that the most unstable modes have lower growth rates.