Une étude expérimentale et numérique traitant de l'influence de structures tourbillonnaires sur la sédimentation de nuage de particules sphériques sous l'effet de la gravité est présentée dans une première partie de ce manuscrit. L'écoulement est créé par électro-convection, ce qui permet de générer un réseau de vortex contrôlés en vitesse et de taille constante qui imite un écoulement tourbillonnaire. Des techniques de PIV (Particle image-velocimetry) et de suivi de particules sont utilisés pour étudier la sédimentation du nuage.Le nuage est modélisé comme un ensemble de particules ponctuelles pour lesquelles les forces d'interaction hydrodynamiques entre particules sont prépondérantes. Le comportement du nuage est comparé aux prédictions obtenues avec des modèles numériques. Dans une seconde partie est présentée une étude expérimentale et numérique concernant la sédimentation à faible nombre de Reynolds de fibres flexibles dans un fluide visqueux au repos. L'état d'équilibre atteint par la fibre flexible est étudié. Nous identifions trois régimes ayant des signatures différentes sur l'état stationnaire de la fibre flexible: un régime de faibles déformations dans lequel la force de traînée est proportionnelle à celle d'une fibre sédimentant horizontalement par rapport à la gravité; un régime de grandes déformations dans lequel la force de traînée est aussi proportionnelle à la vitesse de la fibre, mais avec un coefficient de traînée qui est celui d'une fibre chutant parallèlement à la gravité; et un régime de reconfiguration élastique où le filament se déforme avec une traînée plus faible qui n'est plus proportionnelle à sa vitesse, mais à la racine carrée de celle-ci / In the first part, a jointed experimental and numerical study examining the influence of vortical structures on the settling of a cloud of solid spherical particles under the action of gravity at low Stokes numbers is presented. We use electro-convection to generate a two-dimensional array of controlled vortices which mimics a simplified vortical flow. Particle image-velocimetry and tracking are used to examine the motion of the cloud within this vortical flow. The cloud is modeled as a set of point-particles for which the hydrodynamic interaction is preponderant. The cloud behavior (trajectory, velocity, aspect ratio, break-up time …) is compared to the predictions of a two-way-coupling numerical simulation. In the second part, a jointed experimentally and numerical study on the dynamics of slender flexible filaments settling in a viscous fluid at low Reynolds number is presented. The equilibrium state of a flexible fiber settling in a viscous fluid is examined using a combination of macroscopic experiments, numerical simulations and scaling arguments. We identify three regimes having different signatures on this equilibrium configuration of the elastic filament: a weak deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling perpendicular to the gravity; a large deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling parallel to the gravity and an intermediate elastic reconfiguration regime where the filament deforms to adopt a shape with a smaller drag which is no longer linearly proportional to the velocity but to the square root of the velocity

O escoamento de um fluido ao redor de corpos rombudos configura-se em um dos principais problemas da mecânica dos fluidos. As investigações deste fenômeno são baseadas em técnicas analíticas, numéricas e experimentais. Cada abordagem apresenta suas vantagens e desvantagens, sendo impossível a plena caracterização do escoamento através de uma única técnica para a maioria das geometrias de corpo e condições de escoamento. É neste contexto que se insere esta tese, que compreende um estudo fundamental sobre a dinâmica de formação e desprendimento de vórtices baseado em técnicas experimentais. Primeiramente, realiza-se um estudo de estabilidade hidrodinâmica do escoamento em torno de cilindro circular via modelo de Ginzburg-Landau. Os resultados experimentais deste estudo serviram para validar simulações numéricas e a principal técnica experimental utilizada foi a Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). A decomposição de campos de velocidade em série de Fourier permite verificar a hierarquia sugerida pela solução assintótica da bifurcação de Hopf. Além disso, os resultados também indicam quando a tridimensionalidade passa a ser importante no escoamento. A tridimensionalidade do escoamento está intimamente ligada ao fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV), que exerce efeitos danosos em uma grande quantidade de estruturas sujeitas a escoamentos fluidos. Com o objetivo de suprimir as VIV, realizou-se um estudo paramétrico do supressor do tipo strakes helicoidal, que é bastante empregado na indústria offshore. Verificou-se que os strakes modificam as características tridimensionais da esteira de um cilindro. Apesar da eficiência dos strakes na supressão de VIV, eles possuem algumas limitações inerentes às características hidrodinâmicas do escoamento. Sendo assim, apresenta-se uma técnica que reduz as tridimensionalidades de modo a tornar o escoamento bidimensional, com a possibilidade de controle ativo de malha fechada. O método de controle de camada limite por superfícies móveis (CCLSM) suprime VIV e diminui o arrasto atrasando a separação da camada limite do cilindro através da injeção de quantidade de movimento angular pelos cilindros de controle rotativos. / The fluid flow around bluff bodies is one of the main problems in fluid mechanics. The investigations of this phenomenon are based on analytical, numerical and experimental techniques. Each technique presents advantages and disadvantages, being impossible the comprehensive characterization of the flow though only one technique for the majority of body geometries and flow conditions. Within this context, the present thesis is proposed, which comprehends a fundamental study about the vortex shedding dynamics based on experimental techniques. Firstly, a hydrodynamic stability study of the flow around a circular cylinder is performed using the Ginzburg-Landau model. The experimental results of this study allowed the validation of numerical simulations and the main experimental technique employed was the Particle Image Velocimetry (PIV). The Fourier series decomposition of velocity fields permits to verify the hierarch suggested by the asymptotic solution of the Hopf bifurcation. Additionally, the results also indicate when the three-dimensionalities become important in the flow. The flow three-dimensionality is closely associated to the vortex-induced vibration (VIV) phenomenon, which exerts damaging effects on a great quantity of structures subjected to fluid flows. In order to suppress VIV, it was realized a parametric investigation of the helical strakes, that are commonly employed in the offshore industry. One verifies that the strakes modify the three-dimensional characteristics of the cylinder wake. Despite of the strake efficiency regarding the VIV suppression, the strakes have some limitations that are inherent to the flow hydrodynamic features. Consequently, it is presented a technique that reduces the three-dimensionalities in order to create a two-dimensional flow, with the possibility of closed-loop active control. The moving surface boundary-layer control (MSBC) suppresses VIV and reduces the drag delaying the cylinder boundary-layer separation through the injection of angular momentum by the rotational control cylinders.

Cette thèse porte sur le développement de la PIV tomographique (tomo-PIV) pour la mesure d’écoulements turbulents (Elsinga et al 2006). Cette méthode se fonde sur la reconstruction tomographique d’une distribution volumique d’intensité de particules traceuses, à partir de projections enregistrées par des caméras. Les distributions volumiques sont corrélées, fournissant ainsi un champ de déplacement 3D.Les principales avancées de la recherche sur cette technique sont présentées ainsi que les points bloquants. Les efforts ont principalement été portés sur la reconstruction tomographique. La principale difficulté est le bruit tomographique (particules fantômes) qui croît exponentiellement lorsqu’une forte densité de traceur est requise pour obtenir une résolution spatiale fine de la mesure, particulièrement pour les écoulements turbulents.Afin de mieux appréhender ce bruit de reconstruction, nous avons étudié numériquement les facteurs expérimentaux nuisant à la qualité de la reconstruction. Des considérations géométriques ont permis de quantifier l’impact de «particules ajoutées», qui se trouvent dans le volume de l’union mais pas dans le volume de l’intersection entre la zone laser et les champs de vue des caméras. La diminution du ratio signal-à-bruit dans les images, due à la diffusion de Mie et l’astigmatisme des optiques, a pour principal effet la perte de vraies particules dans la reconstruction.Étudier les conditions optiques de la tomo-PIV nous a permis de proposer une approche alternative à la reconstruction tomographique classique, qui vise à reconstruire une particule presque sur un unique voxel, plutôt que comme un agrégat de voxels de taille étendue, en se fondant sur une représentation particulaire des images. Nous nommons cette méthode Reconstruction Volumique de Particules (PVR). Après avoir été incorporée à un algorithme de reconstruction (SMART), il est possible d’élargir la représentation particulaire de PVR, afin d’obtenir des blobs de 2/3 voxels de diamètre requis par les algorithmes de corrélation de 3D-PIV. Des simulations numériques sur un large spectre de conditions génératrices, ont montré qu’utiliser PVR-SMART permettait des gains de performance par rapport à un algorithme classique comme tomo-SMART (Atkinson 2009).L’aspect vélocimétrie par corrélation de la méthode a aussi été pris en compte avec une extension sur GPU à la 3D (FOLKI-3D) de l’algorithme FOLKI-PIV (Champagnat et al. 2011). Le déplacement y est cherché en minimisant itérativement une fonctionnelle, du type des moindres carrés, par déformation de volume. Les tests synthétiques confirment que la réponse fréquentielle d’espace est semblable à celle d’autres algorithmes classiques itératifs de déformation de volume. Les simulations numériques de reconstruction tomographique ont permis de caractériser la robustesse de l’algorithme au bruit spécifique de la tomographie. Nous avons montré que FOLKI-3D était plus robuste aux particules fantômes cohérentes que les algorithmes classiques de déformation volumique. De plus, des gains de performance ont été observés en utilisant des schémas d’ordre élevé pour différents types de bruit.L’application de PVR-SMART sur des données expérimentales a été effectuée sur un jet d’air turbulent. Différentes densités de particules ont été utilisées pour comparer les performance de PVR-SMART avec tomo-SMART sur la région proche buse du jet. Avec le pré-traitement d’image utilisé, nous avons montré que les champs de vitesse de PVR-SMART étaient près de 50 % moins bruités que ceux de tomo-SMART. L’analyse sur les champs de vitesse comporte l’étude de quantités statistiques, de peak-locking, de divergence, du tenseur des gradients ainsi que de structures cohérentes.Enfin, nous concluons avec une synthèse des résultats obtenus au cours de cette étude, en envisageant de nouvelles perspectives de recherche dans le contexte de la PIV tomographique. / This research dissertation focuses on the developments of tomographic PIV (tomo-PIV) for the measurement of turbulent flows (Elsinga et al. 2006). It is based on the tomographic reconstruction of a volumic intensity distribution of tracer particles from projections recorded on cameras. The corresponding volumic distributions are correlated to obtain 3D displacement fields.The present work surveys the state of advancement of the research conducted on this technique and the main issues it has been confronted with so far. The main research focus was on tomographic reconstruction. Indeed, its main limitation is the appearance of ghost particles, ie reconstruction noise, which occurs when high tracer concentrations are required for high spatial resolution measurements.For a thorough understanding of tomographic noise, we carried out a numerical study of experimental factors impacting the quality of tomographic reconstruction. Geometric considerations quantified the impact of "added particles" lying in the Union volume but not in the Intersection volume, between the camera fields of view and the illumination area. This phenomenon was shown to create ghost particles. The decrease in signal-to-noise ratio in the image was investigated, considering Mie scattering and defocusing effects. Particle image defocusing mainly results in the loss of real particles in reconstruction. Mie scattering’s main impact is also the loss of real particles due to the polydisperse nature of the seeding.This study of imaging conditions for tomo-PIV led us to propose an alternative approach to classical tomographic reconstruction. It seeks to recover nearly single voxel particles rather than blobs of extended size using a particle-based representation of image data. We term this approach Particle Volume Reconstruction (PVR). PVR underlies a more physical, sparse volumic representation of point particles, which lives halfway between infinitely small particles, and voxel blobs commonly used in tomo-PIV. From that representation, it is possible to smooth it to 2 voxel diameter blobs for a 3D-PIV use of PVR incorporated in a SMART algorithm. Numerical simulations showed that PVR-SMART outperforms tomo-SMART (Atkinson et al. 2009) on a variety generating conditions and a variety of metrics on volume reconstruction and displacement estimation, especially in the case of seeding density greater than 0.06 ppp.We introduce a cross-correlation technique for 3D-PIV (FOLKI-3D) as an extension to 3D of the FOLKI-PIV algorithm (Champagnat et al. 2011). The displacement is searched as the minimizer of a sum of squared differences, solved iteratively by using volume deformation. Numerical tests confirmed that spatial frequency response is similar to that of standard iterative deformation algorithms. Numerical simulations of tomographic reconstruction characterized the robustness of the algorithm to specific tomographic noise. FOLKI-3D was found more robust to coherent ghosts than standard deformation algorithms, while gains in accuracy of the high-order deformation scheme were obtained for various signal noises.The application of PVR-SMART on experimental data was performed on a turbulent air jet. Several seeding density conditions were used to compare the performance of tomo-SMART and PVR-SMART on the near field region of the jet. With the given image pre-processing, PVR-SMART was found to yield velocity fields that are about 50 % less noisy than tomo-SMART. The velocity field comparison included velocity field statistical properties, peak-locking study, flow divergence analysis, velocity gradient tensor and coherent structures exploration.Finally, conclusions are drawn from the main results of this dissertation and lead to potential research perspectives of our work with respect to the future of tomographic PIV.

L’effet Biefeld-Brown, du nom de ses découvreurs dans les années 1920, désigne la force électrohydrodynamique (EHD) s’appliquant sur deux électrodes sous haute tension dans l’air. Si l’origine de cette force a pu faire l’objet de certaines spéculations, il est aujourd'hui admis qu’elle repose sur l’accélération par un fort champ électrique d’un volume d’air partiellement ionisé. Cet effet aussi appelé vent ionique intéresse diverses applications : contrôle actif d’écoulement, augmentation du transfert de chaleur par convection forcée, séchage de denrées alimentaires ou encore la propulsion. Cette thèse, présente une étude expérimentale, théorique et numérique du vent ionique dans une configuration modèle à deux électrodes parallèles. Le faible rendement du vent ionique l’a écarté des applications à la propulsion mais des expériences récentes menées en 2013 montrent qu’il permet d’atteindre un rapport poussée/puissance étonnement élevé. Nous montrons dans une première partie, à partir de mesures et de considérations aérodynamique générales que la poussée générée pourrait suffire à contrebalancer la force de traînée pour certains aéronefs ultra-légers. Ces mesures ont permis de quantifier la force EHD et sa dépendance avec la géométrie des électrodes. En outre, la meilleure configuration à deux collecteurs peut produire une poussée presque deux fois plus importante qu’une configuration avec un seul collecteur, à tension fixée. Ces premiers résultats ont été affinés dans un second temps par les mesures PIV qui ont permis la reconstruction de l’écoulement et du champ de force entre les électrodes. Les vitesses mesurées dépassent rarement 3 m/s, et la force volumique est de l’ordre de 10 N/m 3. L’origine physique de la configuration optimale à deux collecteurs a été éclaircie par la mise en évidence des structures de sillages et de leurs effets instationnaires. Par ailleurs, une analyse théorique générale de la force propulsive nous a permis de confirmer sa dépendance explicite avec le rapport courant sur mobilité ionique. Le courant étant directement lié à la physique de la décharge couronne, la seconde partie de la thèse s’est concentrée sur son analyse théorique et numérique. Une analyse asymptotique a ainsi permis de trouver une expression analytique du champ électrique critique et de la caractéristique courant-tension permettant de connaître l’influence de la densité du gaz et de sa composition sur le courant produit dans des électrodes concentriques. Cette approche asymptotique a été associée à une formulation de décomposition de domaine dans le cadre d’une discrétisation par éléments finis pour analyser des configurations plus générales. Une résolution itérative du système d’équations stationnaires non-linéaire couplées par méthode de Newton est proposée, testée et validée. Cette méthode peut être étendue à des géométries plus complexes, permettant ainsi d’obtenir une condition d’injection des charges prenant en compte la physique complexe de la décharge. / The Biefeld-Brown effect, named after its discoverers in 1920s, stands for the electrohydrodynamic (EHD) force applied on two high voltage electrodes in air. The origin of this force has been subject to controverse, but it is establised that it relies on the acceleration of ionized air by a strong electric field. Numerous applications are associated with ionic wind : active flow control, heat transfer enhancement, food drying or even propulsion. At the first glance, the low efficiency is unattractive for propulsion. However recent experiments highlighted a surprisingly high thrust/power ratio. This PhD research aimed to better understand the phenomena, through experiments and theoretical or numerical analysis. First, an experimental study was carried out to quantify the EHD force and its variations with the geometry of the electrodes. For instance, the best position of two collecting electrodes could produce nearly twice more thrust than the one collector configuration, for a given applied voltage. Considering the mass and the aerodynamic of some already existing very light aircrafts, it is shown that the produced thrust could at most balance the aerodynamic drag. This first results were enhanced by PIV measurements, which gave deeper insight into the flow and the force field between the electrodes. The air speed recorded was at most around 3 m/s, while the volumetric force of the order of 10 N/m3. The physical explaination of the optimal two collectors configuration relied partially on the wake flow structures and their unsteady effects. Then, a theoretical analysis of the propulsive force confirmed its explicit dependence on the current to mobility ratio. The discharge current being determined by the corona discharge physics, the second part of this work focuses on its theoretical and numerical analysis. An asymptotic approach of the corona discharge for concentric cylindrical electrodes led to an explicit expression of both the onset surface electric field and the current-voltage law as functions of the gas density, the effective ionization coefficient and the electrodes size. This asymptotic approach was reformulated in the frame of a domain decomposition method, implemented numerically with a finite elements discretization, in order to generalize the asymptotic approach. The iterative algorythm for the steady non-linear coupled system of equations is based on Newton method. This method provides a physically relevant boundary condition for the charge injection and can be applied to more complex geometries.

Embora seja uma técnica tradicional, empregada largamente em processos industriais, a operação unitária de aeração pode ser otimizada ao se utilizar modelos matemáticos que descrevam seu comportamento hidrodinâmico. Diversas equações se prestam a esse fim, no entanto, avanços tecnológicos, tanto no campo instrumental como computacional, permitiram a obtenção de equações mais realísticas e abrangentes. Neste trabalho foram ajustadas e avaliadas equações para descrever três importantes parâmetros envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico: coeficiente volumétrico de transferência de massa, fração de vazios e velocidade ascensional de bolhas. Para tanto, ademais da utilização de conceitos teóricos amplamente difundidos no meio acadêmico, empregou-se um conjunto de dados já existente. Essa combinação permitiu a avaliação e aproximação das equações teóricas à realidade experimental através de coeficientes de ajuste empíricos. Foram obtidos os seguintes resultados: a) revisão bibliográfica e sugestão da correlação que melhor descreve o coeficiente volumétrico de transferência de massa; b) correlação que descreve a fração de vazios, a partir da analise da concentração de bolhas segundo distribuições gaussianas; c) correlação que descreve a velocidade ascensional de bolhas em plumas. A complexidade de cada parâmetro obtido deixou clara a importância da análise isolada, precedendo a convolução dos mesmos em um único modelo, pois embora as resposta e recomendações apresentadas não forneçam conclusões definitivas sobre todos os aspectos envolvidos na transferência de oxigênio em meio hídrico, suas considerações pontuais contribuem sobremaneira ao domínio do fenômeno global, beneficiando modelagens matemáticas futuras. / Although it is a traditional technique, widely employed in industrial processes, the unit operation of aeration can be optimized when resorting to mathematical models which describe their hydrodynamic behavior. A range of equations lends itself to this purpose, however, technological advances both in the instrumental as computational field, allowed the achievement of equations more realistic and comprehensives. In this study were adjusted and evaluated equations to describe three important parameters involved in the oxygen transfer in the hydric medium: volumetric mass transfer coefficient, void fraction and upflow bubble velocity. To this end, besides the use of theoretical concepts widely disseminated in the academic literature, it was employed a set of already existing data. This combination allowed the evaluation and approximation of theoretical equations to experimental reality by means of empirical adjustment coefficients. Were obtained the following results: a) literature review and suggestion of the best correlation which describes the volumetric mass transfer coefficient, b) correlation which describes the fraction of voids, from the analysis of the concentration of bubbles by Gaussian distributions, c) correlation which describes the upflow velocity of swarms of bubbles. The complexity of each parameter obtained made clear the importance of the isolated analysis, preceding the convolution of them in a single model because although the answers and recommendations given fail to supply definitive conclusions on all aspects involved in the transfer of oxygen in hydric medium, their specific considerations contribute to the knowledge of the global phenomenon, benefiting deeply future mathematical models.

[pt] Vibrações induzidas por escoamento tem apresentado cada vez mais importância na indústria do petróleo. A vibração de colunas produção, somada aos ciclos normais de oscilação de temperatura e pressão dos poços, pode causar o desgaste dos diversos micro-componentes presentes no sistema. Uma potencial fonte de perturbação, em poços injetores, é a turbulência do escoamento formado por um jato que sai em alta velocidade da coluna de injeção e atinge a parede do revestimento. No presente estudo, investiga-se o efeito causado por jatos confinados no espaço anular formado por dois tubos concêntricos. A geometria assemelha-se àquela de um poço injetor, entretanto os números de Reynolds analisados são inferiores ao caso real. O objetivo do presente trabalho foi analisar o comportamento desse tipo de escoamento sob diferentes condições, no que diz respeito a número de Reynolds, distância em relação a superfície e número de jatos presentes no espaço anular. O escoamento no interior do espaço anular foi caracterizado com a técnica de velocimetria por imagem de partículas com alta resolução temporal (time resolved PIV). O comportamento dinâmico das perturbações foi analisado e as estruturas espaciais mais relevantes foram estimadas utilizando a decomposição por modos próprios ortogonais. Os resultados mostram que na presença de dois jatos o escoamento o escoamento apresenta flutuações periódicas mais intensas, com frequências bem definidas, sugerindo um acoplamento dos jatos. Foram realizados experimentos para estimar os coeficientes de transferência de calor associados com esse escoamento. Para isso, foram realizados experimentos com aquecimento da superfície do tubo externo. Nos casos com jatos próximos a superfície, os resultados sugerem que ocorre uma redução da transferência de calor na região de estagnação do jato. / [en] Flow induced vibration has shown an increasingly higher relevance in oil and gas industry. The vibration of completion strings, plus normal cycles of wells, can cause premature failure of micro-components present in the system. Flow turbulence is a potential source of vibration for the system. In injection wells, the fluid flows from the inner pipe (completion string) towards the surface of the external pipes (casings). This flow frequently has a turbulent behaviour, due to the high flow rates employed. In the present study, flow resulting from jets in a confined annular space is investigated, for different parameters, including Reynolds number, pipe diameters and number of jets. The geometry resembles that of an injection well, however the Reynolds numbers analyzed are lower than the actual case. The flow field inside the annular space is characterized using time resolved PIV (Particle Image Velocimetry) techniques. The dynamic behavior of the perturbations was analyzed and the most relevant spatial structures were estimated using Proper Orthogonal Decomposition (POD). Results show that, in presence of two jets, flow exhibits intense periodic fluctuations, with well-defined frequencies This suggests the presence of a coupling between jets. Experiments are carried out to estimate the heat transfer coefficients associated with this flow. In the cases with jets close to the surface, results suggest that a reduction of heat transfer occurs in the region of jet stagnation.

Cette étude vise à caractériser en soufflerie les mécanismes aérodynamiques à l’origine de la génération puis la transmission des fluctuations de bruit dans un modèle d’habitacle automobile. Le banc d’essai conçu en soufflerie anéchoïque consiste en un écoulement dont la vitesse incidente est modulée par un volet mobile, et qui par interaction avec une marche montante rayonne un bruit aéroacoustique transmis à travers une vitre dans un caisson anéchoïque. L’approche retenue consiste, pendant le temps de maniement du volet, à mesurer et relier le champ de vitesse externe mesuré à l’aide de la technique de vélocimétrie laser par images de particules (TR-PIV échantillonnée à 20 kHz) à la pression pariétale d’une part, puis au champ acoustique interne obtenu par transmission d’autre part. Des outils de corrélation spatio-temporelle sont alors utilisés pour mettre en évidence les zones de l’écoulement les plus corrélées avec les fluctuations d’énergie de la pression pariétale et celles du niveau de bruit intérieur. La fluctuation du chargement aérodynamique de la vitre sous la bulle de recirculation est logiquement liée à l’activité instationnaire de cette dernière, puis plus en aval, au lâcher tourbillonnaire. Quant au bruit transmis dans le modèle d’habitacle, il semble principalement lié aux fluctuations de vitesse dans la couche de cisaillement. Enfin, une procédure spécifique a permis d’évaluer le caractère quasi-stationnaire des variations temporelles des quantités fluctuantes ainsi que la réponse acoustique de la vitre. / This study aims at characterizing in a wind tunnel the aerodynamic mechanisms contributing to the generation and transmission of the noise fluctuations into a car interior model. The test bench designed in anechoic wind tunnel consists of a flow whose incoming flow velocity is modulated by a mobile flap, and which by interaction with a forward-facing step radiates an aeroacoustic noise transmitted through a glass into an anechoic box. The adopted approach consists, during the flap handling time, in measuring and connecting the external velocity field measured using the Time-Resolved laser Particle Image Velocimetry technique (TR-PIV at sampling frequency 20 kHz) to the wall pressure on the one hand, and then to the internal acoustic field obtained by transmission on the other hand. Spatio-temporal correlation tools are then used to highlight the flow areas that are the most correlated with the energy fluctuations of the wall pressure and with those of the internal noise level. The fluctuation of the aerodynamic loading of the window under the recirculation bubble is logically related to the unsteady activity of the latter, then further downstream to the vortex stream. As for the noise transmitted into the cabin model, it seems mainly related to the speed fluctuations in the shear layer. Finally, a specific procedure allows to evaluate the quasi-steady nature of the temporal variations of the fluctuating quantities, as well as the acoustic response of the window.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé. / The Darrieus wind turbine has entered a period of renewed interest over the last years because it may stand for an alternative solution to produce electricity in urban areas. In particular, high solidity wind turbine can be chosen to take benefit from some of its key properties for use near populated city areas. Conversely, some aerodynamic problems arise. This type of wind turbine operates at low tip speed ratio for which dynamic stall has a very significant role. The goal of this work is to provide valuable data to complement the knowledge of the dynamic stall phenomenon that occurs on a vertical axis wind turbine in order to improve existing numerical models. This study relies on a combined analysis of numerical and experimental results. The numerical simulations are based on a bidimensional unsteady vortex panel method. Effects of viscosity are introduced by adding corrections computed with a semi-empirical dynamic stall model. The experimental work focuses on the dynamics of the shed vortices existing in the vicinity of the rotor as a result of dynamic stall. The set-up consists of a straight-bladed wind turbine tested in a wind tunnel. Unsteady pressure distribution measurements along the chord and velocity fields measurements by particle image velocimetry were carried out. Results indicate how the characteristics of dynamic stall are conditioned by the tip speed ratio. Stall inception delay, magnitude of the dynamic stall vortex effects and its convection velocity were evaluated. Blade/Vortex interaction was analyzed through the observation of the vortical system downstream of the rotor. In addition, a critical review of the suitability of the Leishman-Beddoes model to effectively simulate the effects of dynamic stall was accomplished.

Afin de bénéficier de vents importants, un nombre croissant d'éoliennes est installé en terrain complexe. Cependant, un terrain complexe accroit la complexité de l'écoulement et donc la prédiction du potentiel éolien. Dans ce travail, le vent en terrain complexe est simulé en soufflerie. L'objectif est d'étudier la capacité de la modélisation en soufflerie.La partie basse de l'atmosphère, appelée couche limite atmosphérique, est le siège d'important gradients de vitesse et de turbulence. Dans la soufflerie, ils sont reproduits grâce à des obstacles placés dans la section d'essai. Leurs tailles varient en fonction du type de terrain à modéliser. Cette approche expérimentale est validée par des données terrain. La reproduction des conditions atmosphériques est le paramètre crucial pour une bonne modélisation.Pour évaluer le vent en terrain complexe, le choix de la zone à reproduire autour du site d'intérêt est une question centrale : elle doit tenir compte de l'effet des reliefs environnants mais doit être assez réduite pour préserver un facteur d'échelle raisonnable dans la soufflerie. Une série d'études sur des collines simplifiées est ainsi réalisé afin de déterminer l'étendue spatiale du sillage en aval d'un relief simplifié afin de rationaliser le choix de la zone d'étude.Deux cas réels sont ensuite traités, l'ile de Bolund au Danemark et la montagne Alaiz en Espagne. Les résultats sont bons pour l'estimation de la vitesse du vent, entre 5 et 10 % mais la modélisation de la turbulence est plus difficile, des écarts jusqu'à 100 % sont enregistrés comparés aux données terrain. / To benefit from strong winds, an increasing number of wind turbines are placed in complex terrains. But complex terrains means complex flows and difficult wind resource assessment. This study proposed to use wind tunnel modelling to evaluate the wind in a complex topography. The goal of this study is to evaluate the possibilities of wind resources assessment by wind tunnel modelling and to quantify the important modelling parameters. The lower part of the atmosphere, the atmospheric boundary layer (ABL) is defined by a velocity and a turbulence gradient. The ABL is reproduced in the wind tunnel by placing obstacles and roughness elements of different size representative to the type of terrain desired. The flow produced in the wind tunnel is validated against field data and a wise choice of the obstacles is discussed to reproduce the desired wind profile. The right reproduction of the inflow conditions is found to be the most important parameter to reproduce. The choice of the area to reproduce around a site in usually difficult to make in order to keep a low scaling factor and to account for the surrounding topography. A series of tests on simplified hills helps the experimentalist in this choice by enlightening the longitudinal and vertical extension of the wake downstream different hills shapes. Finally, two complex topographies are studied in two wind tunnels, the Bolund hill in Denmark and the Alaiz mountain in Spain. The results are giving good results, 5 to 10 %, for predicting the wind speed but more scatter is observed for the modelling of the turbulence, up to 100 %. The laboratory simulation of atmospheric flows proves to be a demanding but reliable tool for the prediction of the mean wind speed in complex terrain.

La demande croissante de poudres d‟alliages métalliques aux propriétés spécifiques utilisées en particulier en projection thermique et fabrication rapide pousse les chercheurs à améliorer et à optimiser sans cesse les procédés de production de ces poudres. L‟objectif affiché sur ces procédés est de maîtriser à la fois morphologie/ distribution de taille des particules produites et coût de fabrication. Actuellement, la majorité de ces poudres est produite par des procédés d‟atomisation par fluide et essentiellement par le procédé d‟atomisation gazeuse. Parmi ces procédés, le procédé Nanoval utilisant une buse «De Laval» est l‟un des plus performants en termes de distribution granulométrique et de rendement.L‟objectif principal de ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu par le procédé Nanoval afin d‟en optimiser le fonctionnement. Deux approches composent ce travail :- une partie numérique de modélisation sous Fluent. Deux modèles ont été étudiés, un modèle monophasique relatif à l‟écoulement gazeux dans l‟unité d‟atomisation (passage de l‟autoclave à la chambre d‟atomisation) et un modèle diphasique relatif à la constriction du filament de métal liquide en sortie de buse de coulée. Cette étude numérique a permis de mettre en évidence l‟effet des paramètres opératoires tels que la pression d‟atomisation et le diamètre de la buse de coulée sur la dynamique du jet de gaz, sur la striction du filament de métal liquide ainsi que les zones de forte pression et de haute vitesse avant, pendant et après la désintégration du filament métallique.- une partie expérimentale pour laquelle la mise en place d‟outils de diagnostic in–situ a été nécessaire pour la caractérisation du procédé en cours de fonctionnement. Trois analyses ont été conduites. La première renseigne de la dynamique du jet d‟atomisation évaluée à partir de mesures de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) à proximité de la sortie de la buse De Laval. La deuxième concerne les caractéristiques à l‟écrasement des particules sur un substrat placé dans la chambre d‟atomisation. La troisième et dernière analyse porte sur les propriétés des particules produites et la comparaison avec la matière récupérée après refroidissement dans l‟autoclave. Différents paramètres opératoires ont été explorés (pression d‟atomisation, diamètre de la buse de coulée, pression dans la chambre d‟atomisation, nature du métal) et reliés à leur influence sur la vitesse et le diamètre des particules. Des relations directes entre les résultats de ces trois analyses ont pu être démontrées ainsi qu‟une bonne adéquation entre résultats expérimentaux et résultats issus de la modélisation. / The growing demand for metal alloy powders with specific properties used in thermal spray application and rapid manufacturing encourages researchers to improve and optimize their manufacturing processes. The aim of these processes is to master both morphology/particle size distribution and manufacturing cost. Today the vast majority of powders are produced by fluid atomization and mainly gas atomization process. Among them, the Nanoval process, consisting of a De Laval nozzle is one of the most outstanding process in terms of granulometric distribution and output.The main objective of this thesis is to improve the understanding of the physical phenomena occurring in the Nanoval process to optimize the way it operates. Two approaches will be developed:- A numerical study using Fluent. The two following models were studied, one monophasic concerning gas flow in the atomization unit form autoclave to atomization chamber and the other, a diphasic model concerning the finest part of the filament in the exit of the melt nozzle. This numerical study has highlighted the effect of parameters such as atomization pressure, nozzle diameter on the gas dynamics, fine filament, high-pressure and high speed areas before, during the process and after the disintegration of the metallic filament.- And an experimental study which required the implementation of the in-situ diagnosticTools to characterize the process under working conditions. Three analyses were carried out. The first concerns the dynamics of the atomization jet from Velocimetry measures by Particle Image Velocimetry (PIV) close to De Laval nozzle exit. The second deals with the characteristics obtained when particles impact the substrate in the atomization chamber. The third describes the particle properties and deals with the comparison with the matter in the autoclave after cooling process. Different operating parameters were explored (atomization pressure, melt nozzle diameter, pressure in the atomization chamber, nature of metal) and linked to their influence on the particle velocity and diameter. Narrow links between the analysis results were demonstrated as well as a good adequacy between experimental and modeling results.