Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2000. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse de doctorat : Acoustique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2007. / 124 réf.

Thèse de doctorat : Physique de l'environnement : Paris 12 : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 183 réf.

Thèses (M.Sc.A.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1999. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Thèse de doctorat : Génie électrique : Lille 1 : 1997. / Bibliogr. f. 155-160.

Dans le contexte des avions plus électriques, le potentiel de récupération d'énergie de ventilateurs de refroidissement embarqués est étudié. Ces compresseurs conventionnels, utilisés uniquement au sol, fonctionnent en autorotation libre en vol. Dans cette dernière configuration, appliquer un couple donné sur l'arbre permet de récupérer de l'énergie électrique, le ventilateur fonctionne alors en autorotation chargée (mode turbine). Cependant, ces géométries conventionnelles obtiennent de faibles rendements turbine, causés par des incidences fortement négatives conduisant à des décollements massifs. Il est alors nécessaire de concevoir une machine axiale réversible capable de fonctionner de manière duale en mode compresseur et turbine, avec une performance élevée dans les deux cas. Ce nouveau concept permet de capitaliser l’équipement tout au long de la mission. Dans cette étude, l'adéquation de l'approche quatre-quadrants et du formalisme psi-phi à propos du mode dual de turbomachines est soulignée, au détriment des représentations classiques séparant les performances compresseur et turbine. Une analyse du fonctionnement du mode compresseur à l'autorotation chargée a permis de mettre en évidence les propriétés génériques des écoulements d'autorotation ainsi que ce qui fait la spécificité des machines duales. Les mécanismes de l’écoulement et les paramètres géométriques impactant la performance le long de la ligne de fonctionnement ont également été identifiés. Le concept de machine duale est validé grâce aux grands rendements obtenus en essais. Enfin, une géométrie optimisée est proposée et des recommandations liées au design de machines duales sont données. / In the more electric aircrafts context, the in-flight windmilling operation of conventional onboard axial fans is regarded as a functioning mode that enables energy recovery. Poor turbine efficiencies of classical geometries, due to massive separations, require to design a reversible machine. The latter allows a dual compressor/turbine functioning with high performances in both modes to capitalize the equipment throughout the mission. In this study, the relevance of psi-phi formalism to multi-quadrant approach is underlined. The flow analysis from compressor to load-controlled windmill enables to highlight generic properties of windmilling flows as well as dual machines specificities. The flow mechanisms and geometrical parameters impacting the performances along the operating line are also identified. Finally, an optimized dual machine design is proposed.

Cette thèse propose de prédire le bruit émis par des ventilateurs à basse vitesse et sa diffraction par des obstacles liés aux contraintes d’installation dans les applications industrielles. Les composantes tonale et à large bande du bruit sont étudiées. Les méthodes existant dans la littérature considèrent des hypothèses et des simplifications afin de traiter le problème du bruit des ventilateurs de façon analytique, comme par exemple l’approximation de champ lointain. Tout d’abord, l’hypothèse de champ lointain dans la formulation du bruit tonal est relaxée. En utilisant des sources artificielles, une comparaison entre deux expressions analytiques et une simulation numérique est effectuée pour la validation en champ libre. Ensuite, la diffraction du bruit tonal est étudiée par des techniques numériques et analytiques. Le champ acoustique d’un rotor fonctionnant dans un conduit fini est d’abord pris comme exemple en combinant les formulations analytiques avec la méthode d’éléments de frontière (BEM). Etant donné que cette dernière serait trop coûteuse en temps de calcul pour des applications haute fréquence, des techniques analytiques pour le problème de diffraction sont également présentées. La réflexion et la diffraction des ondes sonores par une plaque infinie sont d’abord considérées en remplaçant la plaque par une source image. Ensuite, une solution analytique exacte pour la diffraction du bruit tonal par un coin rigide est formulée. Un autre point abordé dans cette thèse est la prévision du bruit à large bande produit par un ventilateur axial à basse vitesse évoluant dans un écoulement turbulent. La théorie d’Amiet pour le bruit d’interaction de turbulence sur un profil fixe est considérée. Nous en proposons dans cette thèse une extension permettant de prédire le bruit du profil dans son champ proche géométrique l’aide d’outils semi-analytiques. La nouvelle formulation est comparée à solution classique d’Amiet et à une solution de référence obtenue par intégration numérique sans hypothèse de champ lointain géométrique. Des expériences sont également menées dans une soufflerie anéchoide où la turbulence est générée en amont du profil par une grille. Une autre hypothèse du modèle d’Amiet concerne l’écoulement uniforme arrivant sur le profil. Cette hypothèse n’est pas vérifiée dans la plupart des applications industrielles. Différentes méthodes existent dans la littérature pour traiter ce problème. Nous proposons une nouvelle approche pour prendre en compte des conditions d’écoulement variables en envergure. En intégrant toutes ces améliorations, la réponse acoustique large bande d’un profil fixe placé dans un jet turbulent et d’un ventilateur axial à basse vitesse placé dans un écoulement turbulent est étudiée et validée par comparaison avec l’expérience. Dans une dernière partie, la diffraction des ondes acoustiques générées par le profil et le ventilateur par des obstacles est déterminée numériquement et analytiquement. Puisque la méthode BEM n’est pas prévue pour résoudre directement le champ d’une source aléatoire, une approche innovante obtenue par la reformulation de la méthode déterministe de BEM est utilisée. Le modèle final est comparé aux solutions numériques, analytiques et expérimentales pour la validation. / This thesis proposes to predict the sound emitted from low-speed fans and its scattered-field by installation effects related to industrial applications. Both tonal and broadband components of fan noise are investigated. Methods existing in the literature contain assumptions and simplifications in order to deal with fan noise problems in analytical manner, such as consideration of an observer located in the far-field of the source. Firstly, the effect of far-field assumption in the tonal fan noise formulation is addressed. Using artificial blade sources, a comparison between two closed-form analytical solutions and a numerical technique is performed for validation in free-field. Secondly, the scattered field of the tonal fan noise is investigated using numerical and analytical techniques. The acoustic field of a rotor operating in a finite duct is first investigated combining the closed-form analytical formulations with the Boundary Element Method (BEM). Since BEM would be computationally demanding for high frequency applications, analytical scattering techniques are also introduced. Reflection and scattering of sound waves by a large plane are first addressed replacing the plane with an image source. Secondly, an exact analytical solution considering scattering of the tonal fan noise by a rigid corner is derived. Another point addressed in this thesis is the prediction of the broadband noise generated by a low-speed axial fan operating in turbulent stream. Amiet’s theory of turbulence-interaction noise for a stationary air foil is considered. One of the key points proposed in this thesis is an extension of Amiet’s method, allowing prediction of the acoustic field of the airfoil in its geometrical near-field in a semi-analytical perspective. The extended formulation is compared with Amiet’s classical solution and a reference solution obtained with numerical integration involving no geometrical far-field assumption. Experiments are also performed in anechoic chamber using an isolated airfoil located in grid generated turbulence. Another assumption made in Amiet’s theory is the consideration of uniform flow impinging onto the airfoil. However this assumption is not valid for most industrial applications. Different methods exist in literature to deal with this problem. A new approach is proposed in order to take the span wise varying flow conditions into account. Including all the improvements, the broadband acoustic responses of a stationary airfoil located in the developing region of a jet and of a low-speed axial fan operating in a turbulent stream are investigated and validated against measurements. Finally, scattering of the sound generated by the considered airfoil and fan by benchmark obstacles is addressed numerically and analytically. Since BEM is not capable to handle statistical source fields directly, an innovative approach obtained by re-formulating the deterministic BEM method is employed. The final model is compared to the numerical, analytical and experimental solutions for validation purposes.

Les machines BDC (Brushless Direct Current) apportent une solution intéressante pour la réalisation de ventilateurs industriels à courant continu. Ces machines présentent deux avantages décisifs : d'une part elles possèdent une durée de vie élevée, et d'autre part permettent l'ajout de nouvelles fonctionnalités grâce à l'utilisation de composants électroniques. Dans un premier temps, les principaux phénomènes agissant sur le fonctionnement de ces machines sont étudiés à partir de quelques formules analytiques simples. Ensuite, une modélisation plus fine mais également plus globale est réalisée à l'aide de la méthode des éléments finis. Tout d'abord, une modélisation tridimensionnelle statique met en évidence un phénomène bénéfique de concentration de flux au sein du stator. Ceci nous amène à définir un coefficient de concentration qui sera étudié en détails pour toute une gamme de moteurs. A partir de ces résultats, une modélisation éléments finis dynamique bidimensionnelle incluant un couplage magnétique, électrique, mécanique est réalisée afin d'obtenir un modèle fiable, robuste et malléable, soit un véritable prototype virtuel. Un tel modèle est absolument indispensable pour aborder toute optimisation significative. De plus, les effets tridimensionnels sont intégrés dans ce modèle plan par l'intermédiaire du coefficient de concentration précédemment établi. La méthode des plans d'expériences est présentée comme un outil d'aide à la conception et à l'optimisation. Cette méthode consiste à organiser la démarche expérimentale et l'analyse décisionnelle en appliquant des règles rigoureuses basées sur l'exploitation des propriétés algébriques et statistiques des matrices décrivant les expériences. En définitive, une démarche basée sur l'utilisation de la méthode des plans d'expériences est proposée pour aborder les problèmes d'optimisation. Une recherche des seuls paramètres influents est faite par l'intermédiaire des plans fractionnaires afin que seuls les facteurs les plus influents soient gardés lors de l'optimisation. Puis, une méthode directe d'optimisation par plans d'expériences successifs a été testée et comparée avec d'autres méthodes d'optimisation plus classiques. Grâce à ce travail, Etri a pu acquérir certaines compétences dans les machines BDC et réaliser de nouveaux produits.

Le bruit à large bande constitue aujourd'hui une part importante, parfois dominante, du bruit généré par certains ventilateurs à basse vitesse ou soufflantes de turbomachines. Ce travail de thèse propose une approche hybride combinant les méthodes analytiques avec le post-traitement de simulations des équations moyennées de la mécanique des fluides.Une synthèse bibliographique du bruit à large bande généré par les profils d'aile est effectuée. Les modèles analytiques développés par Amiet pour le bruit d'impact de turbulence et le bruit de bord de fuite sont présentés, et des extensions en sont également proposées. Dans une seconde partie, les pales d'un ventilateur axial à basse vitesse sont instrumentées, afin de mesurer la statistique de pression en paroi. Le modèle analytique du bruit de bord de fuite est ici étendu au cas d'une pale de ventilateur puis validé par comparaison de la pression acoustique mesurée en chambre anéchoïque avec le modèle. Une extension est ensuite proposée pour appliquer, à titre prospectif, cette formulation en champ libre au calcul de la puissance acoustique d'une soufflante de turbomachines. Dans un contexte industriel, les informations disponibles sur l'écoulement autour d'un ventilateur ne sont que les données moyennes, issues d'une simulation des équations moyennées de Navier-Stokes (RANS). Dans des cas simples, des modèles semi-empiriques permettent d'en déduire le spectre des fluctuations de pression en paroi. En revanche, ils ne peuvent pas être appliqués à un écoulement soumis à un gradient de pression positif. Une augmentation du niveau spectral dans ce cas est observée et un nouveau modèle empirique est proposé.

Les énergies fossiles sont largement utilisées depuis les années 1900 pour satisfaire l’augmentation mondiale de la demande d’énergie. Cependant, la combustion est un procédé qui libère des polluants comme le CO2 et les NOx. Un des principaux challenges du 21ème siècle est de réduire ces émissions et les constructeurs automobiles sont impliqués dans cette course. Pour augmenter le rendement des moteurs à pistons, des solutions techniques, tels que le "downsizing", sont développées. Cette technique consiste à réduire la cylindrée des moteurs tout en maintenant leurs performances grâce à un turbocompresseur qui permet d’augmenter la masse enfermée dans la chambre de combustion. Malheureusement, l’augmentation de la pression dans les cylindres induite par le turbocompresseur est à l’origine de combustions anormales : des variations cycles à cycles importantes apparaissent, les gaz frais peuvent s’auto-allumer (allumage avant le claquage de la bougie) entrainant des phénomènes de cliquetis ou de rumble. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) a déjà prouvé qu’elle était un outil fiable pour prédire ces combustions anormales. Cependant ces calculs reposent sur des modèles pour prédire la propagation de la flamme dans la chambre de combustion. Ces modèles sont généralement issus de corrélations réalisées dans des cas où la turbulence est supposée homogène et isotrope. Définir théoriquement ou numériquement une telle turbulence est relativement simple mais expérimentalement la tâche est plus délicate. Cette thèse s’intéresse à un dispositif classiquement utilisé: une enceinte fermée dans laquelle la turbulence est générée par des ventilateurs. L’objectif de ce travail est donc double: 1. caractériser la turbulence générée dans ce type d’enceinte pour vérifier si elle est homogène et isotrope. 2. caractériser finement la combustion, laminaire et turbulente, afin d’enrichir les connaissances dans ce domaine et ainsi améliorer les modèles utilisés. Une première étude sur la propagation des flammes laminaires a été menée. Elle présente les effets de l’étirement et du confinement sur la vitesse de flamme laminaire. La principale difficulté pour la simulation de l’enceinte complète consiste à trouver une méthode numérique permettant de reproduire précisément l’écoulement généré par un ventilateur mais aussi d’en gérer plusieurs simultanément. Deux méthodes ont alors été testées. Premièrement, une méthode type Frontières Immergées a été implémentée dans le code de calcul AVBP. Malgré les bons résultats obtenus sur des cas tests simples, cette méthode ne s’est pas montrée adaptée pour reproduire précisément l’écoulement généré par un seul ventilateur. Une autre approche, provenant du monde du calcul des turbomachines, et basée sur le couplage de codes (appelée MISCOG), a quant à elle démontré ses capacités à le faire et est donc utilisée pour calculer l’écoulement généré par les six ventilateurs à l’intérieur de l’enceinte. L’écoulement non réactif est d’abord analysé: les résultats montrent qu’il existe une zone d’environ 6 cm de diamètre au centre de l’enceinte dans laquelle la vitesse moyenne de l’écoulement est proche de zéro et dans laquelle la turbulence est quasiment homogène et isotrope. Enfin, le pré-mélange de gaz frais est allumé en déposant un noyau de gaz chauds au centre de l’enceinte et la phase de propagation turbulente est analysée. En particulier, il est montré que la température des gaz brulés déposés au moment de l’allumage est un paramètre critique. / Fossil energy is widely used since the 1900s to satisfy the global increasing energy demand. However, combustion is a process releasing pollutants such as CO2 and NOx. One of the major challenges of the 21th century is to reduce these emissions and car manufacturers are involved in this race. To increase fuel efficiency of piston engines, some technical solutions are developed such as ‘downsizing’. It consists in reducing the engine size while maintaining its performances using a turbocharger to increase the trapped mass in the combustion chamber. Unfortunately, downsizing can lead to abnormal combustions: intense cycle to cycle variations can appear, the fresh mixture can auto-ignite (ignition before spark-plug ignition) leading to knock or rumble. Large Eddy Simulation has proven to be a reliable tool to predict these abnormal combustions in real engines. However, such computations are performed using models to predict the flame propagation in the combustion chamber. Theses models are generally based on correlations derived in cases where turbulence is assumed to be homogeneous and isotropic. Defining theoretically or numerically such a turbulence is a simple task but experimentally it is more challenging. This thesis focuses on a apparatus used in most experimental systems: fans stirred vessel. The objective of this work is twofold: 1. characterize the turbulence generated inside the vessel to check wether it is homogeneous and isotropic or not, 2. finely characterize laminar and turbulent combustion in this setup in order to increase the knowledge in this field, and thereby improve models used. First, a laminar flame propagation study has been conducted to address both confinement and curvature effects on the laminar flame speed in a spherical configuration. The main difficulty to perform the simulation of the whole configuration consists in finding a numerical method able to compute accurately the flow generated by one fan and able to handle six fans simultaneously too. Two numerical methodologies have been tested. First an Immersed Boundaries method was implemented. Despite good results obtained on academic test cases, this method was shown to be unadapted to compute accurately the flow generated by one fan. On the other hand, a numerical approach, coming from turbomachinery calculations and based on code coupling (called MISCOG), demonstrates its ability to do it and it is used to compute the flow generated by the six fans inside the closed vessel. Non-reacting flow is first analyzed and reveals a zone at the vessel center of around 6 cm of diameter where mean velocity is near zero and turbulence is almost homogeneous and isotropic. After that, the premixed fresh mixture is ignited depositing a hot gases kernel at the vessel center and the turbulent propagation phase is analyzed. In particular, it is shown that the amount of energy deposited at ignition is a critical parameter.