La réduction de la diffusion numérique des structures tourbillonnaires est un point clé de la simulation de nombreux problèmes de Mécanique des fluides. S'appuyant d'une part sur la notion définie par Morton et Roe de schéma numérique préservant exactement la vorticité pour les équations de l'acoustique et d'autre part sur une forme de schémas basés sur le résidu introduits par Lerat et Corre, cette thèse présente un schéma RBV (Residual Based Vorticity preserving), d'ordre 2 implicite basé sur le résidu qui préserve la vorticité pour les équations de l'acoustique, de l'acoustique avec advection et les équations d'Euler. Le schéma RBV permet d'advecter un tourbillon sur de longues distances avec très peu de diffusion numérique. Il a été formulé en maillage curviligne dans l'approche des volumes finis et, par construction, conserve son ordre de précision et ses propriétés de préservation de la vorticité en maillage irrégulier sans nécessiter de termes correctifs. Le schéma RBV a été appliqué à des calculs d'écoulements stationnaires et instationnaires autour de profil pour les équations d'Euler, puis au cas de l'interaction frontale, subsonique instationnaire, entre un tourbillon de Scully et un profil NACA0012 à incidence nulle pour lequel existent des données expérimentales. Ce problème modèle est représentatif de l'interaction parallèle entre une pale de rotor d'hélicoptère et le tourbillon émis en extrémité d'une pale précédente, qui est à l'origine du bruit BVI ("Blade Vortex Interaction noise") dominant dans le cas du vol de descente basse vitesse de l'hélicoptère. Les résultats obtenus avec le schéma RBV sur ce cas d'interaction pale tourbillon 2D démontrent la capacité de la méthode à simuler des écoulements aérodynamiques réalistes. Des comparaisons avec les solutions de schémas classiques d'ordre 2 montrent l'apport de la méthode proposée.

Thèse de doctorat : Mathématiques appliquées : Aix-Marseille 1 : 2000. / 2000AIX11004. Bibliogr.: p. 151-153.

" ... Notre objectif n'est pas le satellite, mais ce que nous pouvons atteindre à travers lui. Ce qui nous importe est de savoir en quoi, comment et sous quelles conditions, il peut nous aider dans notre tâche. ... " (Mr PIKETTY, Allocution d'ouverture des journées nationales d'études : Utilisation pour l'océanographie des satellites d'observation de la Terre. Brest, 6-8 février 1978). Cette thèse constitue une réponse partielle à cette question. En effet, ce travail a toujours été guidé par le problème de l'utilisation des données VHRR des satellites NOAA4 et NOAAS, qui permettent de tracer des cartes de températures de surface, à des fins d'océanographie dynamique. De la lecture de cette thèse, peut résulter une certaine impression de dispersion et d'inachèvement. Ayant développé deux axes de recherche (variations saisonnières, variations spatiales) et ne les ayant traités qu'à l'aide des données satellite, il était fatal que les spécialistes de chaque sujet n'y trouvent pas leur compte. Si, pour les variations saisonnières, j'ai pu élaborer minutieusement une méthode d'étude, il n'en est pas de même pour le second axe de recherche. Il n'est pas habituel en océanographie de traiter des champs bi-dimensionnels. J'ai donc utilisé plus ou moins les méthodes usuelles d'étude des séries temporelles, en les alliant avec celles issues de la géostatique minière que j'ai apprises à l'Ecole des Mines. J'ai conscience des imperfections et des problèmes statistiques attachés à mon étude, mais, étant d'abord un océanographe, j'ai préféré ne pas m'y attarder et continuer, afin de pouvoir évaluer la richesse potentielle de cette étude spatiale. J'ai également essayé de calculer numériquement les courants d'advection thermique à partir des thermographies, à l'aide de l'équation de continuité de la quantité de chaleur. Mais un calcul d'incertitude m'a vite montré que le bruit du VHRR était trop important pour que les résultats aient une quelconque signification. L'utilisation prochaine des mesures moins bruitées du satellite TIROS-N autorisera une telle étude. L'utilisation de ces mesures de température par satellite pour l'océanographie dynamique s'avère très fructueuse. Elle a permis de compléter notre connaissance des phénomènes de surface dans le bassin liguro-provençal. Elle peut également apporter des éléments de solution à l'heure où la communauté océanographique se pose des questions sur la turbulence océanique à moyenne et grande échelle. Elle devrait aussi autoriser le calcul en routine des courants d'advection thermique. En conclusion, je pense que les satellites fournissent actuellement des mesures fiables, qui sont souvent des bons traceurs de mouvement, et que l'avènement des satellites plus performants du type TIROS-N va autoriser des analyses très fines, qui vont considérablement augmenter notre compréhension des phénomènes marins.

Cette thèse est une contribution à l'étude de l'écoulement autour d'un drone UCAV générique. L'écoulement tourbillonnaire se développant à l'extrados d'aile volante à flèche modérée peut générer des phénomènes aérodynamiques non linéaires et ainsi dégrader fortement les qualités de vol, les performances aérodynamiques et limiter le domaine de vol. Plusieurs études expérimentales en soufflerie ont été réalisées sur une maquette de drone de flèche 53° afin de décrire les phénomènes de pitch down/up et d'instabilité latérale. Une analyse détaillée des mesures PIV a permis de mettre en évidence une topologie tourbillonnaire complexe à l'origine du comportement non linéaire du drone. L'utilisation d'un critère topologique a permis la détection de sous structures tourbillonnaires et instationnaires émanant du bord d'attaque et convectées dans la couche de mélange. La compréhension de la phénoménologie de l'écoulement tourbillonnaire a été complétée par différentes simulations numériques. Ces simulations numériques ont permis de prédire globalement le comportement de l'aéronef. La deuxième partie de cette thèse concerne le contrôle de l'écoulement aérodynamique à l'extrados du drone afin d'améliorer les performances aérodynamiques. Une stratégie de contrôle par des dispositifs passifs a été évaluée expérimentalement et numériquement. La mise en place de dispositifs de contrôle aux bords d'attaque a permis une modification significative de la topologie de l'écoulement tourbillonnaire à l'extrados du drone. Ces dispositifs ont ainsi contribué à une réduction de l'influence des phénomènes aérodynamiques non linéaires sur le comportement du drone.

Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d’un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l’eau de pluie et à alimenter l’habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d’évacuation et d’augmenter le niveau d’eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l’inconfort pour les occupants du véhicule jusqu’à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l’écoulement est d’abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d’images obtenues par caméra rapide, un algorithme d’analyse d’images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d’air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d’étudier la structure du tourbillon et montrent qu’il existe une interaction entre le tourbillon et l’écoulement d’air destiné à la ventilation de l’habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l’écoulement d’air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d’équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d’eau en modifiant l’écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l’objet d’un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l’aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l’écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d’eau, les dimensions et la position du noyau d’air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature. / This thesis aims to improve the performance of the cowl box in automotive vehicles ; a system dedicated to draining rainwater and providing clean and dry air to the passenger compartment. This work places emphasis on the bathtub vortex phenomenon which leads to decreased drain rate and increased water level in the box. This increase can cause a variety of issues from passenger discomfort to the breakdown of the heating, ventilation and air conditioning unit. An experimental study of the flow was firstly conducted on a simplified geometry. Particle Image Velocimetry (PIV) and capacitive probe for water level measurement have been applied to study the flow structure. In addition, an image processing algorithm has been developped to measure the size of the air core with a fast camera. It enables to study the vortex structure and demonstrates that there is an interaction between the vortex and airflow intended for the ventilation of the passenger compartment. This interaction is caused by the depression created by the airflow which temporarily modifies the vortex structure and leads to a new equilibrium state at a lower water level. A device that allows the efficient reduction of the water level by modifying the upstream flow has also been studied. This device has been patented. Following the experimental aspect of the study, numerical simulations were generated using the OpenFOAM software package. Simulations qualitatively reproduce the flow which had been experimentally observed. Despite the difference on the water level, the size and position of the air core is correctly simulated. Simulation also demonstrates the existence of an airflow sucked through the drain in the air core. Lastly, the experimental and numerical results were compared to various vortex models existing in the literature.

L’archipel du Prince Édouard est situé dans le Courant Circumpolaire Antarctique, entre le Front Subantarctique (SAF) et le front polaire (PF). Les positions de ces fronts se sont révélées très variables aux échelles interannuelles et mensuelles et ont montré une tendance à long terme à migrer vers le sud dans la région. L'activité tourbillonnaire, observée à la dorsale sud-ouest indienne, en amont de l’archipel, a également affiché une variabilité interannuelle et intra-annuelle ainsi qu’une tendance à la baisse sur ces 24 dernières années. A une échelle plus locale, nous avons souligné que les conditions aux îles sont impactées par ces tourbillons mésoéchelle produits en amont. La marée a également été mise en évidence comme jouant un rôle non négligeable dans la variabilité de la circulation entre les îles. Une configuration idéalisée a été mise en place pour la région afin d’étudier les propriétés des tourbillons et les mécanismes physiques à l’origine de leur formation. L'énergie potentielle tourbillonnaire disponible a révélé un maximum d'énergie aux alentours de 800 m de profondeur, confirmant le caractère « deep-reaching » des tourbillons. Cette activité tourbillonnaire a été montrée comme étant le résultat d'une combinaison d’instabilités barotropes et baroclines. Enfin, nous avons enquêté sur les conséquences potentielles d'une migration vers le sud du SAF dans la région des îles. Le modèle étant idéalisé, il nous a permis de simuler un déplacement vers le sud en déplaçant les conditions initiales ainsi que les conditions aux limites. Le principal résultat a été la nette diminution de l'activité mésoéchelle dans la région, ce qui pourrait avoir un impact sur les écosystèmes de l’archipel du Prince Édouard. / The subantarctic Prince Edward Islands lie in the Antarctic Circumpolar Current, between the Subantarctic Front (SAF) and the Polar Front (PF). These fronts positions were found to be highly variable at interannual and monthly time scales and revealed a significant long-term southward trend in the region. The intense mesoscale activity, observed upstream the islands at the South West Indian Ridge, also showed an interannual and intra-annual variability as well a decrease in eddy kinetic energy over 24 years. At a more local scale, we highlighted that the archipelago’s environment was impacted by the mesoscale features produced upstream.Tides appeared to be another important driver of variability of the circulation in between the two islands.An idealised model configuration was designed for the Prince Edward Islands region to study the mesoscale eddy properties and the physical mechanisms of their formation at the ridge. The Eddy Available Potential Energy revealed a maximum of energy around 800 m depth, confirming the deep reaching characteristic of the eddy originated in the region and suggested the presence of a local energy source at this depth. This eddies activity was shown to be the result of a combination of barotropic and baroclinic instabilities occurring at the ridge.Finally, we investigated on the potential consequences of a southward shift of the SAF in the region of the islands.Because the model was idealised, it allowed us to simulate an SAF southward shift by shifting the initial and boundary conditions. The main result was the clear decrease of mesoscale activity in the region which could potentially impact the ecosystems of the Prince Edward Islands.

Cette thèse concerne l’aérodynamique de pales d'extrémité transsonique. Ces pales sont conçues pour maximiser le rendement en croisière, tout en générant la traction requise au décollage. Elles ont des profils fins et peu cambrés, travaillant à forte incidence au décollage, ce qui peut entraîner l’apparition d’un tourbillon de bord d’attaque (TBA). Or ce TBA présente des similitudes avec les tourbillons d’apex d’aile Delta, connus pour leur capacité à générer de la portance tourbillonnaire.Cette étude consiste à examiner l’intérêt du TBA pour les performances aérodynamiques.La démarche a consisté dans un premier temps à caractériser la topologie du TBA sur une maquette représentative d’une pale d’ Open Rotor, à l'aide d'essais PIV résolus en temps et de calculs RANS k-omega SST, et à évaluer la capacité de la simulation RANS à reproduire les caractéristiques d’intérêt pour cette étude. Un algorithme a été développé afin d'estimer la contribution de ce TBA à la portance à partir du champ de pression pariétal RANS.Afin d'expliciter l'influence des paramètres géométriques et de fonctionnement de la pale sur la portance tourbillonnaire, un modèle 1D de la portance tourbillonnaire a été développé puis couplé à la méthode de l'élément de pale.Les premières comparaison de géométries à iso-traction ont montré que la portance tourbillonnaire permet de générer la traction requise au décollage avec une surface alaire plus faible. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de géométries avec un meilleur rendement en croisière. / This thesis deals with the aerodynamic properties of propeller blades. Those blades are designed to maximise cruise efficiency, while achieving the target thrust at take-off. Their thin, low-cambered profiles must work at high incidence at take-off, which may give rise to a leading-edge vortex (LEV).The topology of this LEV looks similar to Delta wing LEVs, which are known to generate vortex lift.the aim of this study is to explore the probable impact of the LEV on lift at take-off in order to reconsider propeller blade designs. The approach first consisted in caracterising the LEV topology on a model blade representative of an Open Rotor front blade, using both Time-Resolved PIV and RANS k-omega SST calculations. The comparison between both methods demonstrated the ability of RANS calculations to reproduce the LEV characteristics of interest to this study.Then, the LEV contribution to lift was evaluated thanks to an algorithm developed to estimate vortex lift contribution from RANS wall pressure fields.In order to explicit the influence of the blade's geometrical and functioning parameters on vortex lift, a 1D vortex lift model was developed and coupled to the Blade Element Momentum Theory.The first blade geometry comparative studies at iso-thrust showed that vortex lift enables to generate target thrust at take-off with a lower blade surface. This opens new perspectives for the design of blade geometries with enhanced cruise efficiency.

L'évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l'intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d'image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d'eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s'avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L'une d'entre elles utilise l'information sur le courant-jet à partir de vents d'altitude de l'ébauche. Un deuxième volet s'applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L'assimilation de données conventionnelle ne permet pas d'initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d'une méthodologie basée sur l'assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d'eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L'utilisation de données de concentration d'ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d'initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause

Les tourbillons hélicoïdaux générés derrière les rotors sont étudiés. Pour les générer, une méthode basée sur le couplage entre la technique de la ligne active et un solveur des équations de Navier-Stokes (ENS), incompressibles et tridimensionnelles, a été développée. Elle consiste à modéliser la pâle par son équivalent de forces volumiques. Les équations, écrites en coordonnées cylindriques, sont résolues par un schéma de différences finies, écrit en parallèle. La méthode est d'ordre deux en temps et en espace. Le solveur des ENS a été validé par la reproduction des taux de croissance d'un écoulement de jet, instable, trouvés par la théorie d'instabilité linéaire. La comparaison avec des données expérimentales a montré que la méthode prédit bien l'aérodynamique de la pâle. Ensuite, le tourbillon de bout de pâle a été, en particulier, caractérisé. La vorticité et la vitesse azimutale ont été trouvées auto-similaire et la taille du coeur suit asymptotiquement la loi de diffusion linéaire 2D. Un modèle simple du coeur du tourbillon a été proposé. La présence d'une vitesse axiale dans le coeur du tourbillon a été montrée et a été caractérisée en fonction du rapport de vitesse au bout de la pâle. Finalement, une étude de stabilité du tourbillon a été faite en utilisant une vitesse angulaire variable pour perturber l'écoulement. Les taux de croissances des modes les plus instables sont en bon accord avec celui de l'instabilité d'appariement 2D des tourbillons. Trois types de modes ont été identifiés en fonction de la fréquence des perturbations et ont été trouvés similaires aux modes décrits par la théorie et aussi trouvés, précédemment, par l'expérience. / This present work is aimed to study helical vortices encountered in the wakes of rotating elements. For this, the generation of a helical wake of a one-bladed-rotor in a laminar velocity field, is simulated by the actuator line method. This method is a coupling of a Navier-Stokes (NS) solver with the Actuator Line Method where the blade is replaced by the body forces. This method has been implemented in a finite difference code, that we have written in parallel to solve the 3D incompressible NS equations written in cylindrical coordinates. The order of accuracy of the method is two both in time and space. The NS solver was validated comparing growth rates of an unstable jet, found numerically, and those of linear instability theory. A good agreement was found. A good agreement was also found comparing numerical results to analytical formulations and experimental data. It was shown that the method predicts well the blade aerodynamics . Then, the helical tip vortex is characterized for different Reynolds numbers and Tip Speed Ratios. The vorticity and the azimuthal velocity were found self-similar and the vortex core follows asymptotically the linear 2D diffusion law. A simple model for the helical vortex core was proposed. The presence of an axial velocity inside the vortex core was highlighted. Then, a stability study of the helical tip vortex was done using an angular velocity dependent on time to perturb the flow. The largest growth rates were found in good agreement with those of the (2D) pairing instability. Three types of modes were identified based on the perturbation frequency. The results are similar to those found in previous analytical and experimental works.

Lors du fonctionnement d'un rotor éolien, chaque pale émet une nappe tourbillonnaire à partir du bord de fuite suivant son envergure et un tourbillon marginal d'extrémité de pale. Ainsi, ces structures tourbillonnaires se développent en aval du rotor et peuvent impacter les éoliennes voisines. Cette thèse présente deux approches expérimentale et numérique pour l'étude de ces structures. L'approche expérimentale a consisté à explorer le sillage d'un rotor tripale dans la soufflerie d'Arts et Métiers ParisTech à l'aide de la technique PIV. Ces explorations ont permis d'obtenir le champ de vitesse dans plusieurs plans azimutaux. Une nouvelle méthode basée sur le calcul de la circulation a été proposée afin de localiser les centres tourbillonnaires dans les plans explorés et de calculer leur intensité. Dans l'approche numérique, une méthode de couplage entre la simulation numérique Navier-Stokes et un modèle tourbillonnaire du sillage est proposée. Elle permet de restreindre le domaine de calcul au voisinage du rotor grâce à la possibilité de définir les conditions aux limites par le modèle tourbillonnaire. Une étude de sensibilité a permis de déterminer le nombre de pas nécessaire dans le modèle tourbillonnaire pour atteindre la précision souhaitée. Ainsi, la possibilité offerte par cette méthode de restreindre le domaine de calcul permet de construire un maillage plus fin autour des profils et de consacrer toute la capacité de calcul disponible pour révéler la genèse du sillage avec une haute résolution. Ce modèle couplé permet aussi d'étudier l'impact des caractéristiques de pale sur la formation du sillage et d'améliorer la conception et l'optimisation des rotors éoliens.