La conception des groupes moto-ventilateurs au sein de Valeo Systèmes Thermiques et la prédiction de leurs performances aérauliques reposent majoritairement sur les méthodes de développement virtuel, i.e. la conception assistée par ordinateur et la simulation numérique de la mécanique des fluides. Dans ce cadre, le présent travail propose une méthodologie de prédiction et de minimisation de la composante tonale du bruit d'un groupe moto-ventilateur. L'approche adoptée est hybride et dissocie la génération et la propagation du bruit. La propagation en champ libre est calculée avec une formulation intégrale de l'analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings. Dans un premier temps, les termes-sources à la surface du rotor et du stator sont calculés par une simulation numérique instationnaire. La compacité de la pale ainsi que l'influence du maillage acoustique sur la prédiction sont ensuite investiguées. Finalement, les résultats sont comparés aux mesures expérimentales. Dans un deuxième temps, les sources acoustiques à la surface du stator sont calculées avec le modèle de Sears enrichi avec des données extraites d'une simulation stationnaire du rotor complet. Avant de procéder à la prédiction acoustique, l'influence du modèle de turbulence sur les résultats finaux est évaluée à travers une comparaison entre LES et RANS pour l'écoulement autour de profils extrudés. Enfin, la problématique de minimisation du bruit tonal est traitée en tant que problème d'optimisation où la géométrie d'une aube est paramétrée et où la recherche de l'optimum est conduite par un algorithme génétique. Cette optimisation a permis de concevoir un stator moins bruyant et adapté à l'écoulement en aval du rotor étudié. / The design of fan systems at Valeo Thermal Systems and the prediction of their aerodynamic performances rely mainly on virtual development methods, i.e. computer-aided-design and computational fluid dynamics. Within this context, this dissertation develops a methodology for predicting and minimizing the tonal noise of a fan system. The hybrid approach is used, thus separating noise generation and propagation. The free-field propagation is computed via an integral formulation of the Ffowcs-Williams and Hawkings analogy. In a first step, the source terms located at the surfaces of the rotor and the stator are extracted from an unsteady numerical simulation. The compactness of the blade and the influence of the acoustic mesh on the prediction are then investigated. Finally, the computational results are compared to the experimental ones. In a second step, the acoustic sources at the surface of the stator are computed with Sears' model. Its inputs are extracted from a steady simulation of the whole rotor. Before proceeding to the acoustic prediction, the influence of the turbulence model on the final results is assessed via a comparison between LES and RANS simulations of the flow around airfoils. Finally, minimizing tonal noise is formulated as an optimization problem. The shape of a stator-blade is parametrized and the optimization is conducted with a genetic algorithm. The resulting stator is less noisy and adapted to the flow downstream of the studied rotor.

L’objectif de cette thèse est de faire progresser la modélisation de la transition de couche limite sur des aubes de turbines basse-pression fortement chargées. Cette modélisation repose sur l’utilisation du modèle de transition de Menter et Langtry utilisé pour des calculs RANS dans le code elsA. Une fois les limitations du modèle de transition clairement identifiées par une étude sur la mise en données des calculs, nous avons entrepris de modifier ce dernier. Pour cela, un processus d’optimisation a été développé afin de permettre la recalibration des fonctions de corrélation internes au modèle de transition. Cette nouvelle version du modèle nous permet d’obtenir des gains sur la modélisation d’environ 20 % sur les cas T106C du VKI en capturant mieux la transition au sein du bulbe de décollement. Ces précédents calculs correspondent à des cas idéaux, où l’on peut considérer les surfaces comme étant lisses. Cependant, nous avons aussi un besoin de se rapprocher de surfaces plus réalistes pour lesquelles les rugosités peuvent avoir un impact sur l’écoule- ment. En effet, les rugosités de surface peuvent notamment avoir un effet sur la transition. En particulier, si les rugosités entraînent le déclenchement de la transition en amont du point de décollement laminaire théorique en surface lisse, ce décollement sera supprimé. Vu nos efforts pour améliorer la prévision de la transition par bulbe de décollement par le modèle γ-Rθt, il parait intéressant que celui-ci puisse prendre en compte l’état des surfaces. Pour cela, nous avons implanté une méthode de prévision de la transition sur surfaces rugueuses développée par Stripf et al. au sein du modèle γ-Rθt. Enfin, l’utilisation du modèle de transition γ-Rθt a été étendue au modèle de turbulence k-l de Smith. / The goal of this thesis is to enhance laminar-turbulent transition modeling on high-lift low- pressure turbine blades. The presented transition modeling method relies on the Menter and Langtry transition model used in a RANS framework in the elsA solver. Once the model’s limits were clearly identified through a parametric study, we moved on to modification of the model. To do so, an optimization method was developed that allows recalibration of the model’s inner correlation functions. This new version of the model allows us to obtain modeling gains of about 20% on the VKI T106C cases through better capture of the separation-induced transition process. These previous computations correspond to ideal cases, for which surfaces may be considered as being smooth. However, we also have the need to consider more realistic surfaces for which roughness may influence the flow. Indeed, among those effects, is the potential influence of surface roughness on transition. In particular, if surface roughness induces transition up-stream of the smooth separation point, the separation bubble will be suppressed. Considering our efforts on modeling separation-induced transition with the γ-Rθt model, it seemed natural to add roughness-induced transition modeling capacities to it. To do so, we implemented in the γ-Rθt model a method developed by Stripf et al. to take into account surface roughness. Finally, the use of the γ-Rθt transition model was extended to the k-l of Smith tur- bulence model. Indeed, this turbulence model is widely used in turbomachinery. In order that our works on transition modeling over turbine blades be more widely usable, we have completed this thesis by proposing an evolution of the transition model so that it may be used alongside the k-l model.

Les méthodes actuelles de calcul instationnaire des équations de Navier-Stokes (Simulation Numérique Directe (SND), Simulation des Grandes Echelles (SGE)) demandent encore un temps de calcul excessif pour pouvoir être utilisées à des fins industrielles. D'autre part, les méthodes statistiques (RANS) moins coûteuses, ne permettent pas de rendre compte des phénomènes à large bande fréquentielle, qui sont à l'origine, par exemple, des ondes acoustiques. Le développement de méthodes localement couplées permet de concilier les avantages des deux types d'approches précités (SGE et RANS). Une méthode originale de ce type à été développée sur la base de la Non-Linear Disturbance Equations (NLDE). Elle consiste à résoudre l'intégralité du champ grâce à un calcul statistique. Ensuite, aux endroits critiques, le complément fréquentiel est calculé en SGE, de manière à enrichir le champ. Le code a été implanté sur le NEC SX5 de l'ONERA et testé sur plusieurs cas d'application en incompressible (canal plan bi-périodique) et en compressible (aube de turbomachine, aile hypersustentée). Ses possibilités ont été testées et des conditions limites spécifiques ont été développées. La méthode se comporte bien dans tous ces cas d'application et peut être utilisée de façon locale, permettant ainsi une nette réduction du temps de calcul.

Le calcul de gradients de fonctions aérodynamiques par rapport à des paramètres géométriques de la forme solide est une sous-discipline de la simulation numérique en mécanique des fluides. Cette dérivation par rapport à deux variables dépendantes, le champ aérodynamique et le maillage, liés par les équations discrètes de la mécanique des fluides, nécessite l'inversion d'un système linéaire dont la matrice est la matrice jacobienne des équations de la mécanique des fluides discrétisées par rapport au champ aérodynamique (méthode de l'équation linéarisée) ou la transposée de cette matrice jacobienne (méthode adjointe). La précision du calcul de cette matrice jacobienne fait débat lorsque les équations de la mécanique des fluides sont modélisées avec l'approche RANS. L'objectif de cette thèse est de déterminer le degré d'exactitude de la linéarisation d'un flux visqueux discret et des équations discrètes de certains modèles de turbulence, nécessaire à l'obtention de gradients précis de fonctions métiers des concepteurs de turbomachines par rapport à des paramètres géométriques d'une aube. L'écriture de linéarisations approchées du flux visqueux (avec ou sans approche dite de "couche mince") et de deux modèles de turbulence (modèle algébrique de Michel et al. et modèle à deux équations de transport k-e de Launder-Sharma) est détaillée. Pour le modèle de Michel et al., plusieurs approximations pour la linéarisation des équations du modèle ont été testées et comparées. Des résultats (valeurs de gradients de fonctions aérodynamiques, sensibilités d'écoulement pour la méthode linéarisée) sont présentés pour la tuyère de Déléry dite C, l'aile ONERA M6 et deux configurations d'aube isolée de turbine. Des recommandations sont formulées pour le calcul de gradients pour des configurations de machine tournante avec modélisation RANS.

De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière. / Nowadays, combustion of hydrocarbons is widespread in many engineering applications, including aeronautical propulsion. However, gas turbines produce pollutant emission levels that are no longer accepted. Therefore, understanding physical phenomena involved in combustion chambers is a major issue to help to the development of more eco-friendly engines. In aero-engine combustors, fuel is injected as a spray of droplets which generates a strong interaction with the turbulent air flow and the flame. This thesis aims at contributing to the development of two-phase combustion models to improve the predictive ability of numerical simulation tools. To do so, a new test setup dedicated to the study of two-phase turbulent flames has been designed and an experimental database has been built (non-reactive and reactive conditions). Simultaneous visualizations of Mie scattering droplets and heat release rate have highlighted a complex flame structure and the existence of different spray combustion regimes. Another important point of this work was to perform a statistical analysis of the spatial distribution of droplets under reactive conditions using an original measurement method. This analysis permitted to measure the inter-droplet distances (nearest neighbor) in different points of the flow and to assess the errors related to the processing of data through a numerical approach. It further appears that the spatial distribution of droplets is similar to an uniform random law while droplet combustion models are often based on a regular law.

Cette thèse s'est articulée autour de trois axes principaux. Dans un premier temps, les recherches se sont portées sur l'identification des problèmes (mécanique, thermique, pertes) liés à la conception des machines électromagnétiques hautes vitesses, et plus particulièrement des machines synchrones à aimants permanents. Dans ce premier travail, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur les aspects magnétiques, tels que l'étude des différentes sources de pertes générées au sein de la structure générique d'un moteur à aimants permanents. Ces pertes qui apparaissent simultanément au niveau du rotor, sous l'effet des courants induits, et au niveau du stator (en raison de l'hystérésis magnétique, des courants de Foucault, et de l'effet Joule) constituent un aspect d'autant plus critique que le moteur fonctionne dans une plage incluant de très hautes vitesses (> 40 000 tr/min pour une puissance de 10 kW à 100 kW). En conséquence, dans l'optique de la définition d'un moteur optimisé en termes d'effort massique et de rendement, la mise en place de modèles prédictifs capables de rendre compte de ces pertes, a été effectuée. Au-delà, des modèles physiques disponibles dans le domaine des matériaux magnétiques, il s'agissait de mettre en place des représentations à caractère générique susceptibles d'être exploitées dans un schéma de conception optimale. Parallèlement à cette première étude, un effort méthodologique a été déployé afin de développer des modèles analytiques dimensionnels de la machine synchrone à aimants permanents. A partir de ces méthodes, et d'un modèle de machine basé sur la forme et le type d'aimantation des aimants permanents, nous nous sommes attachés à développer un nouveau modèle analytique qui prend en compte les phénomènes physiques majeurs inhérents au fonctionnement à haute vitesse, à savoir les courants induits dans les parties conductrices tournantes. Dans ce contexte, il a été nécessaire de redéfinir une structure de référence dont le rotor conducteur supporte par ailleurs une couche métallique conductrice faisant office de frette. Dans un premier temps, un modèle a été réalisé pour une distribution des conducteurs avec un pas diamétral et une alimentation sinusoïdale, ce qui correspond à la configuration statorique la plus utilisée et la plus standard pour ce type de moteur. Après s'être confronté à un premier dimensionnement de machine haute vitesse, nous avons décidé de rendre notre modèle plus générique afin qu'il puisse prendre en compte un bobinage et une forme d'alimentation quelconque. Cette amélioration permet de rendre compte fidèlement des conditions de fonctionnement de l'actionneur (association convertisseur-machine), notamment les harmoniques de courants apportées par le convertisseur. Les modèles analytiques implantés ont été entièrement validés par simulations numériques, et ont donné des résultats très satisfaisants. Dès lors, il a été possible d'implanter ce logiciel dans un environnement informatique directement exploitable au sein de la société LIEBHERR AEROSPACE. Suite à une première phase de validation des modèles analytiques par simulations numériques, des tests expérimentaux ont été menés sur des machines électriques hautes vitesses. La comparaison de tous les résultats obtenus démontre de façon satisfaisante la fiabilité des modèles développés. L'ultime phase de l'étude concerne la réalisation d'un démonstrateur avec une structure de type machine à aimants permanents. Conformément à la stratégie adoptée par l'industriel, cette étude expérimentale s'est appuyée sur la réalisation d'un prototype à l'échelle 1 (puissance de 70 kW). ABSTRACT : This thesis is divided in three main axes. Firstly, researches are done on identification problems (mechanics, thermals, losses) links to high speed electromagnetic machine design, and most particularly of permanent magnet synchronous machine. In this first work, magnetic aspects such as study of different losses origins in permanent magnet machines are been reached. These losses appear in the same time in the rotor (induced current), and in the stator (magnetic field hysteresis, eddy current, Joule effect). The higher motor speed is, the most critic these loses are (> 40 000 rpm with a power of 10 kW to 100 kW). In order to define an optimal design in terms of weight effort and efficiency, the predictive modelling of these losses is been studied. Beyond physical modelling available on magnetic materials, a generic representation to be able to use in an optimal design schematic was be studied. Secondly, a methodological effort is been achieve to develop sizing analytical modelling of permanent magnet synchronous machine. From this method and a machine modelling based on permanent magnets shape and type of magnetization, a new analytical modelling is developed. It takes into account major physical phenomenon due to high speed, mainly the induced current in the rotating conductive parts. In this context, it will be necessary to redefine a referential structure where the conducting parts (magnets and sleeve) are represented by a superficial current. In this first part, the stator winding is a full pitch represented by an equivalent ampere conductor distribution and the electrical supplier is only sinusoidal current. So, it's the most popular and standard configuration for this machine. In this second part the analytical modelling is upgraded to take into account different types of windings and any current forms. This improvement allows to consider the real electrical supplier (combination of inverter-machine) as the current harmonics due to the inverter. The analytical modelling is been validated by a comparison with a finite element calculation. The obtained results are very close. So, Liebherr Aerospace decided to develop a dedicated software which is based on this analytical modelling. Further to the complete numerical validation of our analytical modelling, experimental test have been done on the high speed electrical machine. The comparison of results shows the reliability of the developed modelling. The final point of this study is the prototype realisation of high speed electrical machine (70 kw) in phase with the strategy of the industrial.

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations européennes et mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour plusieurs industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'étude est concentrée sur les deux sources reconnues pour leurs contributions significatives dans le bruit rayonné : l'interaction des pales avec l'écoulement turbulent amont et la diffraction de la couche limite turbulente au niveau du bord de fuite. Dans un premier temps, une approche reposant sur la formulation analytique d'Amiet pour la prédiction du bruit d'un profil isolé disposé dans un écoulement turbulent est mise en oeuvre. L'effet de l'épaisseur n'est pas pris en compte dans la formulation initiale d'Amiet. Une correction gaussienne a été proposée sur la base des travaux de Gershfeld améliorant ainsi considérablement les résultats de calculs. Une extension vers la turbomachine est ensuite proposée et validée expérimentalement. Un ventilateur axial est disposé à l'amont de différents écoulements incidents turbulents générés par cinq dispositifs de contrôle de turbulence. La turbulence incidente est caractérisée par le modèle spectral de von Kármán à partir des mesures à fils chauds. La confrontation des spectres de puissance acoustique calculés à ceux mesurés donne un accord satisfaisant sur une large bande fréquentielle audible. Dans la deuxième partie, une modélisation hybride combinant des Simulations des Grandes Echelles avec une solution intégrale dans le domaine temporel de l'analogie de Ffowcs Willimas & Hawkings est développée. Une validation complétée par une étude des erreurs numériques du code acoustique développé sur la base de la formulation intégrale 1A de Farassat avec une surface perméable de Di Francescontonio a été réalisée. Les simulations LES bidimensionnelles de l'écoulement turbulent autour d'un profil ont reproduit la transition de la couche limite turbulente et le détachement tourbillonnaire au bord de fuite. L'analyse des spectres de pression pariétale a révélé que l écoulement amont a un important effet sur les fluctuations de pression pariétale et leurs localisations.

Les nuisances sonores sont devenues une importante préoccupation environnementale. L'accroissement des exigences de confort et le durcissement des réglementations tant européennes que mondiales ont rendu la réduction du bruit aérodynamique des turbomachines un enjeu primordial pour de nombreuses industries. Ce travail a pour objectif principal le développement d'outils de modélisation de la composante à large bande du bruit des ventilateurs de façon à l'intégrer comme critère d'optimisation dès leur phase de conception. L'empilement (dévers) étant connu pour avoir une influence sur les émissions acoustiques des ventilateurs, trois ventilateurs à empilements différents seront comparés tout au long de ce mémoire. Un banc d'essai permettant l'acquisition des pressions moyennes et instationnaires sur les pales des ventilateurs est conçu puis fabriqué. Ces données sont nécessaires comme entrées d'un modèle de prévision du bruit de bord de fuite. Les spectres de pressions mesurés sont comparés à différents modèles puis utilisés pour obtenir le spectre acoustique en champ lointain à partir du modèle d'Amiet de bord de fuite. Ce modèle prévu pour un profil fixe est adapté pour un ventilateur. Puis une simulation numérique RANS avec modèle de turbulence du deuxième ordre, de ces trois ventilateurs, est réalisée afin d'obtenir : les performances globales des ventilateurs à différents débits, la morphologie de l'écoulement notamment les profils des vitesses aval, les composantes du tenseur des contraintes de Reynolds, les champs de pression sur les pales et les variables de la couche limite. Toutes ces données sont comparées avec différentes mesures sur un banc normalisé permettant la mesure du débit de fonctionnement

L'IFPEN (Institut Français du Pétrole-Énergies Nouvelles) développe, depuis les années 80, un type de pompe polyphasique rotodynamique axiale pour le transport de pétrole brut et de gaz naturel utilisant une seule et même tuyauterie de production. S'agissant maintenant d'une technologie mature et commercialisée par des sociétés licenciées, IFPEN souhaite désormais étendre le domaine d'application de ces pompes polyphasiques dites de type "Poséidon" au conditionnement et au transport du CO2 en vue de son injection dans les aquifères salins profonds ou dans des réservoirs épuisés. Comme toutes les pompes ou les compresseurs, on caractérise le fonctionnement de ces pompes par des courbes qui donnent, en fonction du débit, une élévation de pression et un rendement pour une vitesse de rotation donnée. Dans le cas de pompes diphasiques, on associe généralement un paramètre supplémentaire que l'on appelle "efficacité diphasique". L'IFPEN définit l'efficacité diphasique comme le rapport du gain de pression réel de la pompe et du gain de pression idéal c'est-à-dire l'augmentation de la pression que subirait un fluide considéré comme homogène avec une masse volumique équivalente à celle d'un mélange diphasique connu. Ce paramètre supplémentaire est supposé quantifier la dégradation du gain de pression liée à la présence de gaz à la traversée de la pompe. La littérature montre que la dégradation des performances est liée à une accumulation de la phase dispersée dans une zone bien précise des canaux des rotors. La physique des phénomènes mis en jeu est relativement bien décrite et il est admis que les paramètres essentiels qui interviennent sur les dégradations sont liés à la taille des particules de gaz et à la force de traînée qui s'exerce sur elles. Compte tenu des équilibres des forces qui régissent les écoulements, les évolutions des bulles de gaz sont différentes en machines radiales de celles des machines axiales. Différents travaux portent sur la modélisation de ces écoulements utilisant des simulations numériques 3D surtout dans les machines radiales. Ils visent généralement à vérifier le comportement des bulles dans les canaux entre les aubes. Aucun d'entre eux cependant ne donne une évaluation de la dégradation des performances de la pompe, et même si des tentatives existent, elles ne s'appliquent qu'au point nominal de fonctionnement et pour des très faibles taux de gaz. L'objectif de notre étude est d'apporter un éclairage nouveau sur les évolutions de l'efficacité diphasique d'une pompe diphasique, en particulier en fonction de ses paramètres géométriques globaux, des paramètres physiques des fluides en présence, en particulier du CO2, et des conditions opératoires à l'entrée de la pompe. Pour ce faire, il est nécessaire de bien cerner les mécanismes responsables de la dégradation des performances des pompes poly-phasiques. Nous sommes parti du principe que l'efficacité diphasique traduisait à la fois une hétérogénéité du mélange liquide / gaz et une modification de l'écoulement au voisinage du bord de fuite des étages de la pompe sous l'effet de glissement entre la phase continue et la phase dispersée. L'objectif de nos travaux est d'apporter une contribution à la quantification de ces effets et en particulier ceux qui proviennent des modifications angulaires des écoulements au bord de fuite des aubages des roues de pompes.

Pas de résumé / No abstract