This thesis deals with high angle of attack behaviour of a generic delta wing model aircraft. A high angle of attack wind tunnel database has been generated for this aircraft and based upon the bifurcation analysis of the data and the results of extensive simulations, it has been shown in the thesis that the post stall behaviour of this aircraft is both unstable and unpredictable. Unpredictability of aircraft behaviour arises from the fact that the aircraft response is oscillatory and divergent; the aircraft state trajectories do not settle down to any stable limit set and very often exceed valid aerodynamic database limits. This unpredictability of behaviour raises a major difficulty in the design of a procedure to recover the aircraft to normal flight regime in case the aircraft stalls and departs accidentally. A new methodology has been presented in this thesis to recover such unstable aircraft. In this methodology, a nonlinear controller is first designed at high angles of attack. This controller is connected by the pilot after the departure of the aircraft and the controller drives the aircraft to a well-defined spin condition. Thus, the controller makes the post stall aircraft behaviour predictable. Then a set of automatic recovery inputs is designed to reduce aircraft rotations and to lower the angle of attack. The present aircraft model is unstable at low angle of attack flight conditions as well and therefore to stabilize the aircraft to a low angle of attack level flight, another controller is designed. The high angle of attack controller is disconnected and the low angle of attack controller is connected automatically during the recovery process. The entire methodology is tested using extensive non-linear six degree-of-freedom simulations and the efficacy of the technique is established. The nonlinear controller that stabilizes the aircraft to a spin condition is designed using feedback linearization. The stability of a closed loop system obtained using feedback linearization is determined by the stability of the zero dynamics of the open loop plant. It has been shown in literature that the eigenvalues of the linearized zero dynamics are the same as the transmission zeros of the linearized plant at the equilibrium point. It is also well known that the location of transmission zeros of a linear system can be changed by the choice of outputs. In this thesis it is shown that if it is possible to reassign the outputs, then the feedback linearization based design for a linear system becomes very similar to a controller design for eigenvalue assignment. This thesis presents a new two-step procedure to obtain a locally stable and optimally robust closed loop system using feedback linearization. In the first step of this procedure optimal locations of the transmission zeros are found and in the second step, optimal outputs are constructed to place the system transmission zeros at these locations. The same outputs can then be used to construct nonlinear feedback for the nonlinear system and the resultant closed loop system is guaranteed to be locally robustly stable. The high angle of attack controller is designed using this procedure and its performance is presented in the thesis. The stabilized spin equilibrium point of the closed loop system is also shown to have a large domain of attraction. Having designed a locally robust stabilizing controller, the thesis addresses the problem of the evaluation of robustness of the stability of the equilibrium point in a nonlinear framework. The thesis presents a general method to construct bounds on the additive perturbations of the system vector field over a large region in the domain of attraction of a stable equilibrium point using Lyapunov functions. If the system perturbations lie within these bounds, the system is guaranteed to be stable. The thesis first proposes a method to numerically construct a Lyapunov function over a large region in the domain of attraction. In this method a sequence of Lyapunov functions are constructed such that each function in the sequence gives a larger estimate of the domain of attraction than the previous one. The seminal idea for this method is obtained from the existing literature and this idea is considerably generalized. Using this method, it is possible to numerically obtain a Lyapunov function value at each point in the domain of attraction, but the Lyapunov function does not have an analytical form. Hence, it is proposed to represent this function using neural networks. The thesis then discusses a new method to construct perturbation bounds. It is shown that the perturbation bounds obtained over a large region in the domain of attraction using a single Lyapunov function is too conservative. Using the concept of sequence of Lyapunov functions, the thesis proposes three methods to obtain the least conservative bounds for an initial local Lyapunov function. These general ideas are then applied to the aircraft example and the bounds on the perturbation of the aerodynamic database are presented.

In applied research, a lack of understanding of corner stall, i.e. the three-dimensional (3D) separation in the juncture of the endwall and blade corner region, which has limited the efficiency and the stability of compressors. Both Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) still need to be calibrated for turbomachinery applications. In the fundamental research of the turbulent boundary layer (TBL), there are a lot of findings of the effects of curvature and pressure gradients, which also play an important role in physics of corner stall. The purpose of this thesis is (i) to carry out an experiment in a cascade, (ii) to gain a database that could be used to calibrate both RANS and LES, and (iii) to give some basic explanations of corner stall through investigating the TBL on the suction side at the mid-span which is more complex than those in the basic investigations but simpler than those in a real engine. A detailed and accurate experiment of 3D flow field through a linear compressor cascade has been set up. Experimental data were acquired for a Reynolds number of 3.82×10 ^5 based on blade chord and inlet flow conditions. Measurements have been achieved by hot-wire anemometry, pressure taps on blade and endwall, five-hole pressure probe, oil visualization, 2D particle image velocimetry (PIV),and two-component laser Doppler anemometry (LDA). An original and complete database was thus obtained. The TBL on the suction side at mid-span was investigated. The wall-normal negative pressure gradient restrains the separation, on the contrary to its influence in the corner stall. The streamwise adverse pressure gradient can be responsible for the development of Reynolds stresses. The remarkable phenomenon at measurement stations near the trailing edge of blade is that an inflection point occurs in each profile of the mean streamwise velocity. At this inflection point, the magnitudes of the Reynolds stresses reach their maximum values, and the direction of energy diffusion also changes. The velocity field in the corner stall was presented. Bimodal histograms of velocity exist in the experiment. The bimodal points mainly appear in the region around the mean interface of separated flow and non-separated flow. At a bimodal point the local two velocity components are non-independent from each other, due to the aperiodic interplay of two basic modes in the flow field. Two modes were proposed to interpret the physics of bimodal behaviour.

Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants. / Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.

L’aile rigide navale est le moyen de propulsion qui se substitue à la grande voile souple sur les catamarans de classe Coupe de l’América et Class-C. Ce gréement est similaire à une aile aéronautique, composée de deux éléments, avec le volet séparé de l’élément principal par une fente. Comparée à une voile souple, l’aile rigide permet d’améliorer les performances du bateau en naviguant à des vitesses plus grandes que celle du vent. Cependant, le décrochage brutal qui caractérise l’aile et sa sensibilité à l’instationnarité du vent rendent difficile la correcte maîtrise de l’aile pendant la navigation. La modification des forces aérodynamiques qui agissent sur l’aile, dû à l’action d’une rafale ou au dépassement de la limite du décrochage, peuvent compromettre la stabilité du catamaran avec un possible risque de chavirage. L’aile doit donc être dessinée et réglée correctement pour éviter cette possibilité de chavirage, mais il est nécessaire de connaître l’enveloppe aérodynamique. / Wingsail is a propulsion system substituting the conventional main soft sail on the America’s Cup and C-class catamarans. This rig is similar to a slotted-flap aeronautical wing, made by two elements divided by a slot. With respect to soft sails, the wingsail improves the performance of the yachts allowing navigating faster than the wind in both the upwind and downwind points of sail. However, the abrupt stall characteristics of the wing and its sensitiveness to the wind unsteadiness make difficult its management during the navigation. The modification of the strength of the aerodynamic forces acting on the wingsail, due to a gust or to the achievement of the stall limit, can compromise the stability of the catamaran. Thus, the wingsail has to be designed and trimmed to avoid the possibility of a capsize but, to do this, the aerodynamic envelop of the wingsail must be known. The aim of the Ph.D. project is, hence, to characterize the flow around the wingsail investigating the influence of the geometric and trim parameters on the wing performance.

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions – deux composantes (2D-2C) et deux dimensions – trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine. / This PhD thesis has been carried out within the framework of the HARVEST project. This research program, initiated in 2001 by the LEGI laboratory (Grenoble, France), is devoted to the development of a new marine turbine concept inspired from Darrieus turbines in order to convert kinetic energy of marine, tidal or river currents into electric energy. This work has been focused on the development of an experimental apparatus based on two dimensions – two components (2D-2C) and two dimensions – three components (2D-3C) Particle Image Velocimetry. The objective is to provide an experimental database for the local validation of 2D and 3D RANS computations and to improve our understanding of unsteady hydrodynamics phenomena experienced in this type of turbine and especially of dynamic stall. Comparison between measurements and computations enabled to identify strengths and limitations of numerical models for various operating conditions of this type of turbine.

As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a diversas solicitações, devido principalmente às interações com o escoamento aerodinâmico, que podem causar distúrbios e vibrações, comprometendo seu desempenho. As medidas aerodinâmicas aplicadas em uma aeronave podem ser obtidas por simulações computacionais ou testes experimentais. No entanto, podem existir imperfeições na simulação computacional, como por exemplo, se conseguir reproduzir algumas condições de vôo real. Sendo assim, diversas pesquisas vêm sendo realizadas para solucionar estes problemas. Dentre elas estão os testes experimentais feitos em túnel de vento com modelos de escala real em diversas condições de vôo. Desta forma, a construção de um modelo físico de um aerofólio em escala reduzida e a implementação de sensores a este modelo torna-se uma ferramenta bastante importante para validar resultados teóricos e experimentais. Assim, nesse trabalho realizou-se a construção de um modelo de aerofólio NACA0012, o desenvolvimento de um mecanismo de fixação do modelo ao túnel de vento e a implementação de um controlador de oscilação forçada. O modelo físico realiza oscilações harmônicas, em regime não-estacionário. O objetivo do trabalho foi mapear as medidas de pressão atuantes sobre modelo ensaiado em regime estacionário e não-estacionário e fazer a comparação entre os dois casos. / Aeronautical structures are affected by many loads, most of them given by the aerodynamic flow interactions. These flow interactions may cause vibration leading to structural failure, such as cracks and fatigue. The aerodynamic flow interactions can be measured by experiment or predicted by computational simulation. Otherwise, computational simulations on its own are not reliable and can not reproduce a real flight condition, such as the mean atmospheric turbulence dynamic. Many researches has been done to solve these problems for computational simulations. One of them are the wind tunnel experiments with a full scale models in many flight conditions for posterior comparison. For a smaller wind tunnel, a small scale physical prototype well instrumented becomes an important solution to validate theoretical and experimental results. In the present work the construction of a NACA 0012 airfoil model, the development of a constraint mechanism and the implementation of a forced oscilation control system were done. The physical model oscilates with a given frequency. The aim of present work is to map the pressure measurements actuating on the model, testing it under a steady state condition and a transient condition for posterior comparison of both conditions.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d’une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s’inscrit dans un contexte d’amélioration des performances et d’extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L’une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d’en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d’action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s’articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d’aide à la compréhension des mécanismes d’action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l’outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l’écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l’analyse des mécanismes d’action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l’un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l’autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d’aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d’autant plus amplifié par un phénomène d’interaction complexe des fentes avec l’écoulement de jeu et la proximité de l’intrados de l’aube adjacente. Cette partie s’est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l’analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l’étude numérique d’un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d’action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d’air qui vient ré-énergétiser l’écoulement proche carter. / This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove’s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.

Dans le domaine de la recherche appliquée, les turbomachinistes sont confrontés à un manque de compréhension de la physique du décollement de coin. Ce décollement tridimensionnel (3D) à la jonction de l’extrados des aubages et du moyeu limite l’efficacité et la stabilité des compresseurs. Les simulations numériques utilisant les deux types de modélisations, « Reynolds-Averaged-Navier-Stokes » (RANS) et « Large Eddy Simulation » (LES), doivent encore être étalonnées pour des applications turbomachines. Dans la recherche fondamentale concernant la couche limite turbulente (TBL), il existe beaucoup d’études sur les effets de courbure et de gradients de pression qui jouent également un rôle important dans la physique du décollement de coin. Le but de cette thèse est de réaliser une expérience dans une grille d’aubes de compresseur pour acquérir une base de données qui pourrait être utilisée non seulement pour calibrer à la fois les approches RANS et LES, mais aussi pour donner quelques explications fondamentales sur le décollement de coin. Cette expérience permet aussi une étude de la TBL se développant sur l’extrados à mi-envergure des aubages, qui est plus complexe que les TBL rencontrées dans des configurations plus fondamentales, mais plus simples que celles existant d’un turboréacteur. Une expérience précise et détaillée de l’écoulement 3D au passage d’une grille d’aubes de compresseur a été mis en place. Les mesures ont été réalisées pour un nombre de Reynolds basé sur les conditions d’entrée et la corde de l’aubage de 3,82×105. Des mesures ont été réalisées par anémométrie à fil chaud, par des prises de pression sur la paroi latérale et sur l’aubage, par une sonde de pression à cinq trous, par de la visualisation d’huile, par la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) 2D, ainsi que par Anémométrie Laser Doppler (LDA) à deux composants. Une base de données originale et complète a ainsi été obtenue. Concernant l’étude de la TBL sur l’extrados à mi-envergure , le gradient négatif de pression normal à la paroi retarde le décollement, ce qui est paradoxal avec son influence sur le décollement de coin tel que présentée dans la littérature. Le gradient de pression adverse dans la direction de l’écoulement est responsable de l’accroissement des tensions de Reynolds. Un phénomène remarquable proche du bord de fuite de l’aubage est qu’il existe un point d’inflexion dans le profil de la vitesse moyenne de l’écoulement. A ce point d’inflexion, les grandeurs des tensions de Reynolds atteignent leurs valeurs maximales et la direction de diffusion de l’énergie est inversée. Le champ de vitesse dans le décollement de coin a été présenté. L’expérience met en évidence l’existence d’histogrammes bimodaux de vitesse. Les points de mesures faisant apparaitre ce caractère bimodal sont essentiellement localisés dans la région de l’interface du décollement de l’écoulement moyenné en temps. Deux modes ont été proposés pour interpréter la physique du comportement bimodal. Pour un point bimodal, les deux composantes de vitesse sont localement non-indépendantes, en raison de l’interaction apériodique de ces deux modes. / In applied research, a lack of understanding of corner stall, i.e. the three-dimensional (3D) separation in the juncture of the endwall and blade corner region, which has limited the efficiency and the stability of compressors. Both Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) still need to be calibrated for turbomachinery applications. In the fundamental research of the turbulent boundary layer (TBL), there are a lot of findings of the effects of curvature and pressure gradients, which also play an important role in physics of corner stall. The purpose of this thesis is (i) to carry out an experiment in a cascade, (ii) to gain a database that could be used to calibrate both RANS and LES, and (iii) to give some basic explanations of corner stall through investigating the TBL on the suction side at the mid-span which is more complex than those in the basic investigations but simpler than those in a real engine. A detailed and accurate experiment of 3D flow field through a linear compressor cascade has been set up. Experimental data were acquired for a Reynolds number of 3.82×10 ^5 based on blade chord and inlet flow conditions. Measurements have been achieved by hot-wire anemometry, pressure taps on blade and endwall, five-hole pressure probe, oil visualization, 2D particle image velocimetry (PIV),and two-component laser Doppler anemometry (LDA). An original and complete database was thus obtained. The TBL on the suction side at mid-span was investigated. The wall-normal negative pressure gradient restrains the separation, on the contrary to its influence in the corner stall. The streamwise adverse pressure gradient can be responsible for the development of Reynolds stresses. The remarkable phenomenon at measurement stations near the trailing edge of blade is that an inflection point occurs in each profile of the mean streamwise velocity. At this inflection point, the magnitudes of the Reynolds stresses reach their maximum values, and the direction of energy diffusion also changes. The velocity field in the corner stall was presented. Bimodal histograms of velocity exist in the experiment. The bimodal points mainly appear in the region around the mean interface of separated flow and non-separated flow. At a bimodal point the local two velocity components are non-independent from each other, due to the aperiodic interplay of two basic modes in the flow field. Two modes were proposed to interpret the physics of bimodal behaviour.

L'enveloppe de vol des hélicoptères est limitée par le décrochage dynamique, que le contrôle d'écoulement permet de surmonter. Malgré de nombreuses études, aucun dispositif de contrôle ne s'est révélé utilisable sur un rotor. Conçu par l'ONERA, un Vortex Generator déployable (DVG) s'est révélé efficace pour limiter les effets du décrochage dynamique d'un profil OA209 en oscillation de tangage. Mais l'étude de cet actionneur est nécessaire avant son application. Le travail exposé dans le présent mémoire s'attache à reproduire par simulations numériques l'écoulement du décrochage dynamique contrôlé par DVG afin d'identifier les phénomènes physiques en jeu. Après une première partie bibliographique dédiée au contrôle de décrochage dynamique et aux Vortex Generators, une seconde partie a été consacrée à valider et étudier la simulation numérique du contrôle du décrochage statique. L'écoulement induit a pu être ainsi caractérisé par les interactions tourbillonnaires présentes du fait de l'épaisseur du DVG et qui réduisent l'efficacité du contrôle. Cette analyse a permis d'élaborer une modélisation préliminaire du DVG. Dans une troisième partie, la validation et l'étude de la simulation numérique du contrôle du décrochage dynamique a mis en évidence un effet de contrôle similaire au cas statique, et la décomposition en modes propres orthogonaux de l'écoulement contrôlé a montré une altération du mode lié au tourbillon de décrochage dynamique. Ce travail valide la simulation numérique mise en place, laisse entrevoir des perspectives d'amélioration du dispositif de contrôle et permet la simulation numérique ultérieure du contrôle de décrochage dynamique de voilure tournante. / The helicopter flight envelope is limited by dynamic stall, which can be reduced by flow control actuation. Numerous studies are dedicated to the alleviation of dynamic stall, however no actuator has ever been used on real rotor configuration. A new deployable Vortex Generator-type actuator called DVG has been designed by the ONERA and proved its efficiency over pitch-oscillating dynamic stall control of an OA209 airfoil. However, the control effect must be in-depth analyzed before further application. Therefore, the present works aims at reproducing the dynamic stall control through numerical simulations,in order to investigate the physics involved. After a first part dedicated to the literature review of dynamic stall control and Vortex Generators, a second part considered the validation and investigation of the static stall control. DVG-induced secondary flow has been characterized by its vortex interactions, which reduce the control efficiency because of the DVG thickness. This analysis made a preliminary modeling of the DVG possible. In a third part, validation and investigation of the dynamic stall control have been performed, and the actuation showed strong similarities with the static case. Eventually, Proper Orthogonal Decomposition of the flow brought evidence of Dynamic Stall Vortex mode distortion thanks to DVG presence. This work validates the numerical simulation methodology, lets hope possible improvement of the actuator design and allows further numerical simulations of dynamic stall control over real helicopter blades.

Cette thèse est consacrée à l'étude d'amortisseurs passifs non linéaires innovants pour le contrôle de l'instabilité de flottement sur un profil d'aile à deux degrés de libertés. Lorsqu'un profil d'aile entre en flottement, il oscille de façon croissante jusqu'à se stabiliser sur un cycle limite dont l'amplitude peut être significative et détériorer sa structure. Le contrôle a ainsi deux objectifs principaux : retarder l'apparition de l'instabilité et réduire l'amplitude des cycles limites. Avant d'étudier l'influence des amortisseurs passifs, l'instabilité de flottement, et notamment le régime post-flottement, a été étudié. Une expérience de flottement sur une plaque plane a été menée et sa modélisation, prenant en compte le phénomène de décrochage dynamique, a été réalisée. Concernant le contrôle passif, le premier type d'amortisseur étudié est un amortisseur hystérétique réalisé à l'aide de ressorts en alliage à mémoire de forme. La caractéristique principale de tels amortisseurs est que leur force de rappel étant hystérétique, elle permet de dissiper une grande quantité d'énergie. L'objectif principal est ainsi de réduire l'amplitude des cycles limites provoqués par l'instabilité de flottement. Cet effet escompté a été observé et quantifié expérimentalement et numériquement à l'aide de modèles semi-empiriques. Le second type d'amortisseur utilisé est un amortisseur non linéaire de vibration accordé. Il est composé d'une petite masse connectée au profil d'aile à l'aide d'un ressort possédant une raideur linéaire et une raideur cubique. La partie linéaire de ce type d'amortisseur permet de retarder l'apparition de l'instabilité tandis que la partie non linéaire permet de réduire l'amplitude des cycles limites. L'influence de l'amortisseur non linéaire de vibration accordé a été étudiée analytiquement et numériquement. Il a été trouvé que l'apparition de l'instabilité est significativement retardée à l'aide de cet amortisseur, l'effet sur l'amplitude des cycles limites étant plus modeste. / The aim of this thesis is to study the effect of passive nonlinear absorbers on the two degrees of freedom airfoil flutter. When an airfoil is subject to flutter instability, it oscillates increasingly until stabilizing on a limit cycle, the amplitude of which can be possibly substantial and thus damage the airfoil structure. The control has two main objectives : delay the instability and decrease the limit cycle amplitude. The flutter instability, and the post-flutter regime in particular, were studied first. A flutter experiment on a flat plate airfoil was conducted and the airfoil behavior was modeled, taking into account dynamic stall. Regarding the passive control, the first absorber studied was a hysteretic damper, realized using shape memory alloys springs. The characteristic of such dampers is their hysteretic restoring force, allowing them to dissipate a large amount of energy. Their main goal was thus to decrease the limit cycle amplitude caused by the flutter instability. This expected effect was observed and quantified both experimentally and numerically, using heuristic model. The second absorber studied was a nonlinear tuned vibration absorber. This absorber consists of a light mass attached to the airfoil through a spring having both a linear and a cubic stiffness. The role of the linear part of such absorber was to repel the instability threshold, while the aim of the nonlinear part was to decrease the limit cycle amplitude. It was found, analytically and numerically, that the instability threshold is substantially shifted by this absorber, whereas the limit cycle amplitude decrease is relatively modest.