Une campagne expérimentale, effectuée dans la soufflerie atmosphérique continue transsonique/supersonique S8Ch de l'Onera, a permis d'analyser en détail les aspects stationnaires et instationnaires des écoulements symétrique et dissymétrique produits par la surdétente d'une tuyère plane supersonique fonctionnant en régime surdétendu. Les fluctuations des structures de chocs ont été obtenues par un système de visualisation d'ombroscopie rapide : la Chronoloupe. A l'aide de l'analyse du champ aérodynamique tridimensionnel obtenu par des mesures effectuées au vélocimètre laser Doppler (LDV) et des visualisations des lignes de frottement pariétales, la topologie de l'écoulement comportant une structure de chocs dissymétrique a été reconstituée. L'analyse des deux zones décollées produites par les interactions onde de choc/couche limite ont permis de mettre en évidence des phénomènes basse fréquence (50-60Hz) associés à la convection de grosses structures tourbillonnaires. Les analyses spectrales des fluctuations de pression pariétale pour des configurations symétrique et dissymétrique ont permis de retrouver ces phénomènes basse fréquence et de caractériser des pics autour de 240Hz traduisant les battements de la structure des chocs.<br />Des simulations numériques bidimensionnelles et stationnaires réalisées en régime turbulent ont permis de confronter les modèles de turbulence les plus employés. Les résultats montrent des configurations de chocs différentes suivant les modèles adoptés. Une configuration dissymétrique a été obtenue par la simulation du transitoire d'amorçage de la soufflerie.

Avec la réduction du bruit de jet et de soufflante dans les moteurs aéronautiques modernes, la contribution relative du bruit de combustion (BC) a augmenté de manière significative au cours des dernières décennies. Deux mécanismes ont été identifiés comme étant du BC dans les années 70 : le bruit de combustion direct (BCD) et le bruit de combustion indirect (BCI). Le coeurde la thèse est axé sur le BCI avec le développement d’un modèle semi-analytique 2D axisymétrique prenant en compte la distorsion des ondes entropiques afin de prédire le BCI dans des écoulements de tuyère. L’état de l’art réalisé dans le premier chapitre met en évidence la nécessité d’améliorer la prédiction du BCI des modèles 1D en introduisant la distorsion radiale des ondes entropiques dans la tuyère. Le second chapitre du manuscrit détaille les outils disponibles à l’ONERA pour l’étude du BCI. Le modèle 2D est développé dans le troisième chapitre où les équations d’Euler sont réécritesen 2D pour la partie entropique et en 1D pour les perturbations acoustiques. Le quatrième chapitre décrit les simulations numériques réalisées pendant la thèse sur la configuration retenue (la tuyère DISCERN) : un calcul RANS et deux simulations des grandes échelles (SGE) sont effectués respectivementpour l’utilisation et la validation du modèle 2D. Dans le dernier chapitre, l’application du nouveau modèle utilisant le champ moyen RANS est accompli, les résultats sont comparés au modèle 1D et validés par confrontation avec les prédictions SGE. / Due to the reduction of jet mixing noise and fan noise in modern aero engines, the relative contribution of combustion noise (CN) has significantly increased over the last few decades. Two mechanisms have been identified as CN in the 70’s: direct combustion noise (DCN) and indirect combustion noise (ICN). A focus is made on the ICN in this thesis with the development of a twodimensionalaxisymmetric semi-analytical model taking into account the distortion of the entropy waves in order to predict the ICN for nozzle flows. The state of the art performed in the first chapter highlights the necessity to improve the prediction of ICN of 1D models by introducing the radial distortion of the entropy waves inside the nozzle. The second chapter of the manuscript details the ONERA’s tools for studying ICN. The 2D model is developed in the third chapter where the Euler equations are rewritten in 2D formfor the entropic part while acoustic perturbations are considered to be 1D. The fourth chapter describes the numerical computations performed during the thesis onthe retained configuration (the DISCERN nozzle): a RANS and two large eddy simulations (LES) are carried out respectively for the use and the validation of the 2D model. In the last chapter, the application of the new model using the RANS meanfield is performed, the results are compared tothe 1D model and validated by confrontation with the LES predictions.

Dans cette thèse, on étudie numériquement, par la méthode partitionnée, trois types de couplage issus du domaine aérospatial : l'aéro-mécanique, l'aéro-thermique et l'aéro-thermo-mécanique.<br />Un moteur de couplage est développé pour gérer les aspects logistiques.<br />Outre l'indépendance spatiale et temporelle des différents codes, il permet de mettre en place rapidement un algorithme de couplage taillé sur mesure pour chaque application.<br /><br />L'étude d'une tuyère du moteur Vulcain 2, refroidie par écoulement de gaz, sert de fil conducteur applicatif.<br />Modélisée à haute température par un comportement non-linéaire élasto-visco-plastique, la mécanique couplée est résolue par un algorithme simple.<br />Au contraire, la thermique se montre problématique, et nécessite l'utilisation conjointe de deux méthodes originales : un pas de temps automatique de couplage, et des conditions de raccord mixtes.<br />Ces deux cas sont finalement assemblés pour résoudre la question du couplage à trois codes.

Cette thèse est consacrée à l'étude des phénomènes aéroélastiques dans les tuyères de propulseurs. Elle s'inscrit dans le cadre des activités du groupe de recherche Aérodynamique des Tuyères et Arrière-Corps (ATAC). Un des principaux objectifs de ce travail est de démontrer que les phénomènes aéroélastiques peuvent être nuisibles pour les moteurs fusée (présence de modes instables) au même titre que les charges latérales qu'ils peuvent amplifier. Dans cet objectif, deux modèles permettant de prédire la stabilité aéroélastique de divergents flexibles en présence un choc de décollement sont détaillés. Par ailleurs, un outil numérique, reposant sur un couplage faible des codes fluide et structure dont dispose le LMFN-CORIA, est développé pour étudier ce type de problème. Cet outil performant est ensuite validé sur le cas-test classique du "flutter". Une application et une analyse approfondie des modèles de stabilité aéroélastique sont réalisées. Les modèles sont employés pour étudier la stabilité d'un divergent bidimensionnel plan soumis à un choc de décollement. L'influence de plusieurs paramètres sur la stabilité de la structure est évaluée. Les résultats obtenus sont ensuite confrontés aux résultats de simulations numériques couplées. En dernier lieu, les modèles sont utilisés pour étudier la stabilité de la tuyère LEA souple sur laquelle l'ONERA effectue des mesures expérimentales. Enfin, des travaux complémentaires sur l'amorçage rapide d'une tuyère supersonique sont présentés en annexes.

Ce travail de thèse concerne l'étude des écoulements de fluides gazeux compressibles laminaires subsonique-supersonique dans une tuyère de type convergent-divergent. Les écoulements étudiés sont à nombres de Reynolds modérés et s'affranchissent de l'hypothèse de condition adiabatique de paroi couramment utilisée afin de mieux prendre en compte les phénomènes de transfert de chaleur par convection et rayonnement avec le milieu extérieur. Cette étude des phénomènes de transferts conjugués a permis de déterminer le comportement dynamique simultané du fluide et de la paroi de la tuyère. Enfin, compte tenu des niveaux élevés de températures mis en jeu dans ces systèmes, une analyse concernant le comportement thermomécanique de l'ensemble de la structure de paroi avec des matériaux monocouches et multicouches a été réalisé. De nombreuses configurations géométriques, propriétés physiques et conditions aux limites sur le fluide et la paroi ont été analysées. Les résultats présentés montrent, la structure des écoulements à travers les iso-contours de vitesses, des nombres de Mach, des pressions dans le fluide, des températures dans le fluide et dans la paroi ainsi que les déformations et les contraintes de la paroi qui résultent des couplages thermomécaniques. Une analyse des performances de la tuyère, en termes de force de poussée et de coefficient de débit spécifique, est largement discutée dans ce travail.

Le prototypage virtuel des circuits pneumatiques de puissance, par exemple les circuits de freinage des véhicules industriels, constitue un enjeu important en raison de la complexité des écoulements en régime transsonique et des couplages entre les échelles locales et macroscopiques. Ces problèmes sont rencontrés lors de la conception, de la synthèse des commandes et de l'analyse des performances statiques et dynamiques de ces circuits et l'analyse. La mise au point des modèles numériques de ces systèmes induit des coûts et des temps importants par rapport à d'autres systèmes. La démarche proposée dans cette thèse repose sur la construction numérique de bases de données permettant de caractériser le comportement local et macroscopique d'un composant de circuit en fonction de la variation de certains paramètres physiques ou géométriques par rapport à un point de fonctionnement de référence. Les bases de données résultent de l'extrapolation de la solution des équations de Navier Stokes moyennées (RANS) pour le point de référence considéré obtenu à l'aide d'un logiciel de paramétrisation en mécanique des fluides (Turb'Opty). La contribution de cette thèse repose pour l'essentiel dans un travail d'analyse des solutions issues de la paramétrisation dans deux contextes différents: la tuyère De Laval et un élément "coude", des composants élémentaires de circuit. Nous avons montré que ces exemples "simples" conduisent déjà à des difficultés importantes en termes de paramétrisation du problème et du calcul des dérivées des champs aérodynamiques en raison de la taille du problème. Pour pallier cette difficulté, nous avons proposé de déraffiner le maillage et nous avons alors montré que cette démarche conduit parfois à déplacer ou à atténuer certains phénomènes (chocs). La deuxième contribution de ce travail repose sur l'évaluation de la qualité des solutions extrapolées, de leur domaine de validité et la construction des liens entre grandeurs locales et macroscopiques. Nous avons enfin proposé une démarche permettant de reconstruire la caractéristique en débit d'un composant à partir de la détermination de la solution extrapolée pour un nombre limité de points de référence.

La vectorisation de la poussée d'une tuyère propulsive supersonique axisymétrique est étudiée par le biais d'une injection fluidique transversale dans sa partie divergente. Cette étude menée dans le cadre du programme PERSEUS du CNES a été motivée par la recherche d'une solution alternative au pilotage conventionnel de la poussée par actionneurs mécaniques. Le travail de la thèse, tout en s'appuyant sur des approches expérimentale et numérique, comprend essentiellement une large étude paramétrique concernant principalement la position de l'injection, la forme de la tuyère, la nature et le débit du fluide injecté. L'analyse des résultats montre que pour certaines configurations optimales, des angles de déviation pertinents peuvent être obtenus pour des taux d'injections modérés. L'analyse numérique étendue aux écoulements chauds multi-espèces, plus proches des applications réelles, a montré que la vectorisation fluidique reste très performante lors de l'injection de produits de combustion dans le divergent.

La vectorisation de la poussée d'une tuyère propulsive supersonique axisymétrique est étudiée par le biais d'une injection fluidique transversale dans sa partie divergente. Cette étude menée dans le cadre du programme PERSEUS du CNES a été motivée par la recherche d'une solution alternative au pilotage conventionnel de la poussée par actionneurs mécaniques. Le travail de la thèse, tout en s'appuyant sur des approches expérimentale et numérique, comprend essentiellement une large étude paramétrique concernant principalement la position de l'injection, la forme de la tuyère, la nature et le débit du fluide injecté. L'analyse des résultats montre que pour certaines configurations optimales, des angles de déviation pertinents peuvent être obtenus pour des taux d'injections modérés. L'analyse numérique étendue aux écoulements chauds multi-espèces, plus proches des applications réelles, a montré que la vectorisation fluidique reste très performante lors de l'injection de produits de combustion dans le divergent. / Secondary injection into the divergent section of a supersonic rocket nozzle is investigated for the fluidic thrust vectoring effects. The study was conducted in the framework of CNES PERSEUS program and was motivated by the need for an alternative vectoring solution aimed for a small space launcher. The thesis work, based on the combined experimental and numerical approaches, essentially comprises of a wide parametric study mainly concerning the position of the injection, the shape of the primary and injection nozzles, flow regime, gas thermophysical properties and injected fluid mass-flow-rate. The analysis shows that for some optimal configurations, pertinent deflection angles can be obtained using the moderate injection rates. Furthermore, the study was extended to the hot flow multi-species investigation, simulating a case closer to the real applications. This numerical analysis indicated that the fluidic vectoring method remains effective with injection of combustion products into the divergent section of a propulsive rocket nozzle.

Cette thèse se focalise sur la compréhension et la prédiction des instabilités de combustion dans les systèmes à haute pression. Elle s'oriente autour de la simulation numérique d’un banc d'essai, opéré à l'université de Purdue, comprenant un injecteur caractéristique des moteurs-fusées et dont les propriétés acoustiques peuvent varier à l'aide d’un tube d'injection mobile. Une méthode d'initialisation et d'allumage pour les calculs LES de chambres de combustions terminées par une tuyère est présentée. Un point de fonctionnement instable est choisi pour étudier le mécanisme de l'instabilité. Les simulations sont comparées aux résultats expérimentaux en terme de fréquence et structure du mode instable. La fonction de transfert de flamme est calculée à l'aide du modèle n − τ puis implémentée dans un solveur acoustique (ne résolvant que les perturbations acoustiques à partir de l'équation de Helmholtz en écoulement réactif). Différents modèles d'impédance de tuyère, extraits de la littérature, sont comparés et leurs impacts sur les résultats de stabilité sont analysés. Le théorème d’impédance translatée est implémenté dans le solveur acoustique pour analyser, à faible coût de calcul, l’influence de la variation de la longueur du tube d'injection. Des écarts entre les fréquences prédites et celles trouvées expérimentalement subsistent mais la carte de stabilité de l’expérience est bien reproduite. / This thesis focuses on the understanding and the prediction of combustion instability in high-pressure devices. A model rocket combustor, tested experimentally at Purdue University, with continuously variable acoustic properties, thanks to a variable-length injector tube, is simulated. A method to initialize and ignite Large-Eddy-Simulation (LES) calculation of combustion chamber surrounded by nozzle is proposed. An unstable operating point is then chosen to investigate the mechanism of the instability. The simulations are compared to experimental results in terms of frequency and mode structure. The flame transfer function is calculated using the n − τ model to feed an acoustic solver which solves only the acoustic perturbation using a Helmholtz equation in reacting flows. The importance of the modeling of the nozzles impedance is studied through the main theories in the literature. The impedance translation theorem is implemented in the acoustic solver to analyze at low cost the influence of the variation of the injector tube. Despite differences in frequency of the instability, the stability map of the experiment is well reproduced.

L'intégration aérodynamique des turboréacteurs à grand taux de dilution nécessite, dès les phases de conception, une connaissance précise des propriétés instationnaires du développement du jet à l'aide de la simulation numérique. Différents niveaux de modélisation sont étudiés dans cette thèse pour évaluer la capacité des méthodes numériques à caractériser le développement du jet. Une configuration de jet moteur double-flux est ici étudiée, en s'appuyant sur une large base de données expérimentale. La modélisation par les équations de Navier-Stokes moyennées démontre une bonne capacité des modèles de turbulence à reproduire les champs moyens de ce type d'écoulement, particulièrement au niveau des couches de mélange. La capture des systèmes de choc développés au sein des jets primaire et secondaire, ainsi que la prévision des niveaux de turbulence des écoulements sont en revanche peu satisfaisantes. Un recalage de la simulation sur les conditions turbulentes expérimentales, à l'aide de différentes configurations, pallie en partie ce défaut. La nécessité de procéder à un calcul et non plus à une modélisation des phénomènes turbulents conduit à l'application d'une méthode de calcul à résolution de turbulence. L'approche hybride de simulation des tourbillons détachés type DES (Detached Eddy Simulation) de cet écoulement montre une précision au moins équivalente pour la prévision des champs moyens et apporte une grande quantité d'informations supplémentaire sur les champs fluctuants et les caractéristiques instationnaires des couches de mélange du jet, en accord avec les données expérimentales. On conclue sur l'applicabilité de cette méthode dans un contexte industriel,son gain de précision rapporté à son temps de calcul et la perspective d'une telle approche pour une configuration de jet installée plus complexe. / The aerodynamic integration of Ultra-High Bypass Ratio turbofans raises the need for an accurate prediction of the unsteady properties of the jet development using Computational Fluid Dynamics, since the design stages. The ability of numerical methods in predicting these phenomena are assessed in this thesis, using different modelling approaches. A dual-stream jet configuration is investigated, using an associated wind-tunnel test campaign. Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulations, using several turbulence models, are shown to correctly reproduce the mean flow especially concerning the shear layers. Shock cells and turbulence levels predictions within the primary and secondary jet flows are however perfectible compared to the test results. Turbulence-accounting approaches based upon experimental data and using different configurations partially overcome this issue. An unsteady methodis then applied in order to resolve turbulent phenomena instead of modelling them. The hybrid Detached-Eddy Simulation of the flow demonstrates an at least equivalent accuracy concerning the mean flow and provides additional information on the fluctuating fields and shear layers unsteady properties, in fair agreement with the experimental results. Prospects discuss benefits and consequences of this approach taking into account its cost and the industrial context of this application,as well as its potential use for a more complex, installed jet configuration.