<div>Hypersonic flows consist of harsh environments where chemistry effects are relevant and low speed assumptions such as the ideal gas law and the continuum hypothesis</div><div>begin to break down. Because of these processes, computer models do a poor job of predicting behavior of vehicles in hypersonic flight. High fi?delity ground test</div><div>measurements are necessary to anchor and extrapolate CFD simulations so that flight vehicle designs can continue to improve. Due to the harsh conditions and complexities</div><div>of test facilities, implementing experimental measurements can prove challenging. Molecular tagging methods such as Femtosecond Laser Electronic Excitation Tagging</div><div>(FLEET) are attractive for use in hypersonic ground test facilities for many reasons. They are generally considered non-intrusive, since they require no physical probes or seed particles to be placed in the flow. This both keeps the facility safe from damage and minimizes the disturbance imparted on the flowfi?eld by the measurement. Since the tracer is comprised of molecules already present in the flow, the measurement is reliable and can track velocities over a wide dynamic range. The optical arrangement for FLEET is rather simple, requiring only a focused laser beam and a camera to capture the signal. The method can even be applied as a one-sided measurement requiring only one direction of optical access. The current state-of-the-art for the FLEET method is point-wise measurements made at 1 kHz with a</div><div>commercially available laser system. The basis for this thesis is to identify and address current limitations in the implementation of FLEET to relevant flow facilities in terms of the useful aerodynamic information that can be extracted. Fundamental advances to the spatial extent and temporal resolution of FLEET are investigated, and novel applied measurements in high speed flow facilities are presented. Considerations of the precision, spatial resolution and ability to implement fundamental advances to harsh and more complex environments are discussed. A custom-built burst-mode femtosecond laser system is used to enable FLEET measurements at 1 MHz, an improvement of three orders</div><div>of magnitude in measurement rate. New optical arrangements including microlens arrays and holographic beamsplitters are developed to allow multi-dimensional grids</div><div>to be tracked to instantaneously measure velocity gradients. Shock wave and shear measurements in a supersonic bladeless turbine and boundary layer measurements</div><div>on a Mach 6 cone-cylinder-flare are demonstrated. Additionally, an adapted method, Femtosecond Laser Activation and Sensing of Hydroxyl (FLASH) is developed and applied to measure velocity in reacting environments such as a Rotating Detonation Engine (RDE). These innovations provide a path forward for improving the spatiotemproal fi?delity of velocity measurements and extending the capability for investigation high-speed reacting and non-reacting flows in hypersonic ground test facilities.</div><div><br></div>

The aim of this licentiate thesis is to investigate wind-turbines placed in a complex-terrain environment. This is done by studying the flow around small-scale wind-turbine models placed over a landscape model with hills, and by comparing the results with corresponding data obtained over a flat terrain model. The studied flow features include the wind-turbine wake development and the turbine performance under different conditions, the effects from wake interactions, the influence of the ambient turbulence levels and the influence from a complex topography. Wind-tunnel measurements have been performed using particle image velocimetry and hot-wire anemometry to measure the velocity field. Additionally, numerical simulations, based on RANS modelling and actuator-disc techniques, have been made to support the experimental data and to gain further knowledge about the investigated flow cases. The results reveal that the hills promote a downward wake deflection behind the turbines and enhance the wind-turbine wake diffusion. As a consequence of this, and with the flow acceleration introduced by the hills, an improved power performance is seen for turbines exposed to wake-interference effects. A correlation is observed between the turbulence levels present in the flow, and the magnitude to which the hill-induced flow gradients influence the wake: Stronger wake deflections due to the hills are seen when the wind-turbine wake is more diffused. This is for instance the case when the wake of two tandem turbines is studied, or when higher ambient turbulence levels are present in the wind tunnel. A good qualitative agreement is seen when comparing the experimental and numerical results. The simulation results further indicate that the hills give rise to modulations of the wind-turbine wake. It is shown that these modulations can be reasonably captured by means of wake-superposition techniques, given that a wake model with sufficient accuracy is chosen. / Syftet med denna licentiatavhandling är att öka förståelsen om hur vindturbiner påverkas av en omgivande komplex terräng. Huvudsakligen betraktas luftströmningen kring småskaliga vindturbinsmodeller som placerats över en landskapsmodell med kullar. I tillägg görs jämförelser med resultat som erhållits då vindtubinerna placerats över en platt landskapsmodell. De studerade strömningsaspekterna inkluderar vindturbinernas vakutveckling och prestanda under olika förhållanden, inverkan från vakinteraktioner, inflytande från omgivande turbulensnivåer och inverkan från en komplex topografi. Vindtunnelmätningar har utf ̈orts där PIV och varmtrådsanemometri användes för att uppmäta hastighetsfält. I tillägg har numeriska simuleringar utförts baserade på RANS-modellering, där turbinens rotor beskrevs av en porös skiva. Simuleringarna gjordes som komplement till de experimentella mätresultaten för att få en ökad förståelse om de undersökta strömningsfallen. Resultaten från mätningarna och simuleringarna med kullar visar att terrängvariationerna främjar en nedåtgående vakförskjutning bakom turbinerna och ökar vindturbinernas vakdiffusion. Detta, i kombination med luftens acceleration över kullarna, resulterar i att en högre effektprestanda utvinns från en vindturbin vars inströmmande luftflöde störs av vaken från en framförliggande turbin. Vidare observeras kraftigare nedågående vakförskjutningar på grund av det kullriga landskapet då vindturbinsvakarna är mer diffunderade. Detta är exempelvis fallet då vaken bakom två turbiner placerade i en tandemkonfiguration studeras, eller när höga omgivande turbulensnivåer uppmäts i vindtunneln. En bra kvalitativ överensstämmelse kan ses mellan de experimentella och numeriska resultat som uppnås. Resultaten från simuleringarna indikerar dessutom att landskapet med kullar ger upphov till moduleringar av vindturbinens vak. Det visas att dessa moduleringar kan beskrivas någorlunda väl med hjälp av vaksuperpositionsmetoder, givet att en vakmodell med tillräckligt hög noggrannhet väljs. / <p>QC 20180122</p>

<p dir="ltr">As speeds and directions of the vehicle and wind change, the unsteady flow creates variations in wind noise, which can be referred to as non-stationary wind noise. To investigate people's perceptions of non-stationary wind noise, a method to simulate the non-stationary wind noise is needed. Previously, a method was developed that used stationary recordings taken at several wind speeds and directions to form functions that relate the 1/3 octave sound pressure level with wind speed and direction. These functions are used to create time-varying filters based on provided time histories of wind speed and direction. A reference wind noise measurement is then filtered to produce the sounds. To reduce the time cost of taking many stationary measurements, an improved method was investigated. At each yaw angle, one speed sweep wind tunnel measurement was used to estimate the relationship between sound pressure level and wind speed. Two partially correlated white noise signals were then filtered to simulate binaural sounds that had a similar coherence structure between the left and right ear sounds to that observed in binaural measurements in the vehicle. The accuracy of the simulations was validated by comparing wind noise simulations with wind tunnel and on-road vehicle interior noise measurements. For the on-road measurements, a noise decomposition method based on noise source measurements was used to estimate the road/tire noise, which was then added to the simulated wind noise to make it comparable with the measured on-road noise. The time-varying loudness, and power spectral densities of the simulated and measured sounds were found to be well consistent. Besides, a method to simulate the turbulent wind speed time histories, which can be used as inputs to the wind noise simulation method, was developed. The von Karman model predicts the spectra of wind turbulence by assuming it to be a stationary random process. White noise signals can then be filtered to simulate the stable variations of wind speeds. The discrete gusts, which are the transient events in wind speed time histories, were also simulated by using an 8-parameter piecewise function. Eventually, the non-stationary wind noise and the turbulent wind speed simulation method can be a powerful tool when investigating sound perceptions of vehicle interior wind noise.</p>

Le développement de systèmes de propulsion alternatifs aux turboréacteurs actuels constitue un axe de recherche important dans le contexte aéronautique. L’open-rotor, moteur à hélices contrarotatives, constitue une piste sérieuse car il permet à la fois de réduire fortement la consommation de carburant et les émissions de gaz. Toutefois, les émissions sonores restent un défi pour ce type d’architecture, notamment du fait de l’absence de carénage. La compréhension des sources acoustiques et leur prévision est nécessaire afin de pouvoir, par la suite, réduire le bruit de ces moteurs. Les écoulements d’un doublet d’hélices contrarotatives sont complexes, en particulier pour l’hélice aval qui constitue l’axe d’étude de la thèse. Le travail présenté est dédié à une étude numérique, expérimentale et analytique et intervient dans le cadre de la chaire industrielle ADOPSYS entre Safran Aircraft Engines et l’Ecole Centrale de Lyon. L’objectif de ce travail est double. Il s’agit d’une part de réaliser une campagne expérimentale afin d’observer et de mieux comprendre le comportement de l’écoulement et de l’acoustique d’une pale en flèche, notamment en réponse à la présence d’un tourbillon de bord d’attaque. Un second objectif de la thèse était de constituer une base de données afin de comparer les prévisions obtenues avec un modèle analytique. Une méthode de calcul semi-analytique de la réponse aéroacoustique d’une pale aval en réponse à une excitation provenant de l’amont et prenant en compte les effets de charge et de géométrie a été développée. Une étude numérique d’un doublet d’hélices contrarotatives a servi de base à la définition de la géométrie de pale utilisée pendant l’étude. Celle-ci a été définie de façon à observer un tourbillon de bord d’attaque pour certains angles d’incidence. La maquette a ensuite été placée dans une soufflerie anéchoïque de l’Ecole Centrale de Lyon afin de réaliser une étude paramétrique. Des visualisations par enduit visqueux et des mesures de pression pariétale permettent de rendre compte de la présence du tourbillon de bord d’attaque à certains angles d’incidence. L’étude des spectres en champ lointain permet de distinguer un comportement en trois régimes, associés aux trois comportements du tourbillon de bord d’attaque. Des mesures de localisation de sources permettent de corroborer ces observations. Des prévisions analytiques du bruit émis par la pale et se basant sur le modèle d’Amiet ont également été réalisées. Dans un premier temps, les effets de la flèche sont pris en compte dans le modèle et celui-ci est alors appliqué à la pale de l’étude. Une meilleure adéquation des résultats est alors trouvée quand les effets de flèche sont pris en compte, en particulier dans les directions perpendiculaires à la pale. Le modèle est ensuite étendu afin de prendre en compte les effets de la jonction en pied de pale. Cette partie est exploratoire et le développement reste à approfondir. Un complément à l’expérience a consisté en l’étude de l’impact de sillages défilants sur la pale. Un système de barreaux rotatifs permet de générer des sillages périodiques représentatifs d’une interaction de sillages rotor-rotor. Les mesures réalisées montrent le comportement quasi-stationnaire du tourbillon. / The development of alternative propeller systems to turbojets is a main issue for research in the current context of aeronautical transport. Counter rotating open rotors are a candidate solution because they allow reduction of fuel consumption and gas emission. However, noise emissions are still a challenge for these types of configuration, in particular because they cannot benefit from the nacelle and the liners currently used in turbojet. The understanding of acoustic sources and their prediction is necessary in order to be able to reduce noise emission in the near future. Flows in an open-rotor are complex, in particular for the downstream propeller which is the subject of this approach.This work based on a numerical, experimental and analytical study and takes part in the ADOPSYS chair between Safran Aircraft Engines and l’Ecole Centrale de Lyon. This PhD has two main goals. The first one is to complete an experimental study in order to elucidate the behavior of the flow on a swept airfoil and the resulting acoustics, with a possibly developing leading-edge vortex. The measurements will be a data base for further comparison with analytical prediction. The second objective of the PhD consists in developing a semi-analytical modeling of the noise emitted by an airfoil in response to an incoming perturbation, taking into account the loading and geometry effects. A numerical study of a full counter-rotating system was used as a basis for designing the investigated airfoil. The latter was designed so that a leading-edge vortex could be formed on the surface for some angles of attack. The mock-up was then tested in an anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon for various sets of parameters. Flow visualization and wall-pressure measurements indicated the presence of the leading-edge vortex for some angles of attack. The far-field measurements indicated three acoustic regimes, which can be associated with three behaviors of the leading-edge vortex. Source localization measurements corroborate these observations. Analytical predictions of the noise emitted by the airfoil and based on Amiet’s model were also performed. Firstly, the sweep angle is taken into account in the model. Secondly it is applied to the studied airfoil. A better match of the results is found when the sweep is considered, in particular in the perpendicular directions. The model in then extended in order to include the wall-junction. This part is exploratory and should be further developed. Finally, a complementary experimental investigation of the impingement of periodic wakes on the airfoil has been performed, using a system made of rotating bars, mimics true wake interactions. The measurements suggest that the leading-edge vortex has a quasi-steady behavior.

Le bruit tonal rayonné au bord de fuite des profils à faible nombre de Reynolds est un phénomène observé sur les ailes de drones ou micro-drones qui sont utilisés partout dans la vie quotidienne. La diminution de ce bruit va augmenter la survivabilité et l'efficacité des appareils dans le domaine militaire. De plus, cela va augmenter le champ des applications civiles et minimiser la pollution par le bruit. La réduction efficace du bruit est indispensable et, par conséquent, une compréhension complète du processus de rayonnement du bruit tonal du profil est nécessaire. Malgré le fait que des essais dédiés aient été réalisés depuis les années 70, il reste beaucoup de détails à expliquer. Le travail présenté est dédié à une étude expérimentale et analytique du bruit tonal. C'est une partie de collaboration entre l'Ecole Centrale de Lyon et Embry- Riddle Aeronautical University. Le but est de réaliser une caractérisation exhaustive des paramètres acoustiques et aérodynamiques du bruit tonal de bord de fuite d'un profil et de produire une base de données qui pourra être utilisée pour valider les simulations numériques réalisées dans le futur. Le profil symétrique NACA-0012 ainsi que le profil asymétrique SD7003 ont été testés pour une série d'angles d'incidence (de -10° à 10°) dans la soufflerie anéchoïque à jet ouvert de l'Ecole Centrale de Lyon pour des nombres de Reynolds modérés (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Les mesures de pression aux parois et de pression acoustique en champ lointain pour différentes configurations ont permis d'observer une structure en escalier de la signature du bruit, de déterminer quelle face du profil a produit le bruit et de distinguer le rôle de la boucle de rétroaction. Des techniques supplémentaires de post-traitement comme l'analyse temps-fréquence ont montré l'existence de plusieurs régimes (un régime de commutation entre deux états, un régime d'une seul fréquence et un régime à plusieurs fréquences) de l'émission de bruit. L'analyse de bi-cohérence a montré qu'il y a des couplages nonlinéaires entre les fréquences. Une étude par l'anémométrie à fil chaud et par des techniques de visualisation de l'écoulement a montré que la formation d'une bulle de décollement est une condition nécessaire mais pas suffisante pour la génération du bruit. De plus, la localisation de la bulle est aussi importante et elle doit être suffisamment proche du bord de fuite. En outre, l'analyse de stabilité linéaire des résultats de simulations numériques a montré que des ondes de Tollmien-Schlichting sont transformées en ondes de Kelvin-Helmholtz dans la zone du décollement. Une prédiction analytique de l'amplitude des fréquences pures émises dans le champ lointain a été effectuée sur la base du modèle d'Amiet en supposant que le champ de pression pariétal est bidimensionnel. Les mesures de pression proches du bord de fuite du profil ont été prises comme données d'entrée. Les amplitudes prédites sont globalement en accord avec les mesures acoustiques. Après l'analyse de tous les résultats la description suivante du processus de rayonnement de sons purs peut être proposée. Les ondes de Tollmien-Schlichting qui se développent initialement dans la couche limite se transforment en ondes de Kelvin-Helmholtz le long de la couche de cisaillement de la bulle de décollement. Au bord de fuite du profil elles sont converties en ondes acoustiques qui forment un couplage fort avec les instabilités de couche limite plus en amont de l'écoulement, pilotant elles-mêmes le déclenchement de ces instabilités. / The tonal trailing-edge noise generated by transitional airfoils is a topic of interest because of its wide area of applications. One of them is the Unmanned Air Vehicles operated at low Reynolds numbers which are widely used in our everyday life and have a lot of perspectives in future. The tonal noise reduction will increase the survivability and effectiveness of the devices in military field. Moreover it will enlarge the range of civil use and minimize noise pollution. The effective noise reduction is needed and therefore the complete understanding of the tonal noise generation process is necessary. Despite the fact that investigation of the trailing-edge noise was started since the seventies there are still a lot of details which should be explained. The present work is dedicated to the experimental and analytical investigation of the tonal noise and is a part of the collaboration project between Ecole Centrale de Lyon and Embry-Riddle Aerospace University. The aim is to conduct an exhaustive experimental characterization of the acoustic and aerodynamic parameters of the trailing-edge noise and to produce a data base which can be used for further numerical simulations conducted at Embry-Riddle Aerospace University. A symmetric NACA-0012 airfoil and a slightly cambered SD7003 airfoil at moderate angles of attack (varied from -10° à 10°) were tested in an open-jet anechoic wind tunnel of Ecole Centrale de Lyon at moderate Reynolds numbers (0.6x105 < Rec < 2.6x105). Measurements of the wall pressure and far-field acoustic pressure in different configurations allowed to observe the ladder-type structure of the noise signature, to determine which side produced tones and to distinguish the role of the acoustic feedback loop. Additional post-processing techniques such as time-frequency analysis showed the existence of several regimes (switching regime between two tones, one-tone regime and multiple-tones regime) of noise emission. The bicoherence analysis showed that there are non-linear relationships between tones. The investigation of the role of the separation area by hot-wire anemometry and flow visualization techniques showed that the separation bubble is a necessary but not a suficient condition for the noise generation. Moreover the location of the bubble is also important and should be close enough to the trailing edge. Furthermore the linear stability analysis of accompanying numerical simulation results showed that the Tollmien-Schlichting waves transform to the Kelvin-Helmholtz waves at the separation area. An analytical prediction of the tone levels in the far-field was done using Amiet's model based on the assumption of perfectly correlated sources along the span. The wall-pressure measurements close to the trailing edge were used as an input data. The comparisons of the predicted levels and measured ones showed a good agreement. After analysis of all results the following description of the tonal noise mechanism is proposed. At some initial point of the airfoil the Tollmien-Schlichting instabilities start. They are traveling downstream and continued to Kelvin-Helmholtz waves along the shear-layer of the separation bubble. These waves reach the trailing edge, scatter from it as acoustic waves, which move upstream. The acoustic waves amplify the boundary layer instabilities at some frequencies for which the phases of both motions match and creates the feedback loop needed to sustain the process.

Lors des mesures acoustiques dans les souffleries à veine ouverte, les ondes acoustiques émises par une maquette ou une source située dans la veine se propagent dans la couche de cisaillement turbulente qui se forme aux abords du jet avant d’être reçues par les microphones localisés en dehors. L’onde acoustique interagit avec le champ de vitesse turbulent de la couche de mélange ce qui a pour effet de modifier son contenu spectral, de redistribuer spatialement son énergie et de moduler sa phase et son amplitude, on parle alors de diffusion acoustique. Cette thèse a consisté à l’étude de la diffusion d’une onde acoustique par une couche de cisaillement turbulente à l’aide d’une simulation numérique aux grandes échelles. Pour cela, il a d’abord été nécessaire de réaliser la simulation numérique aux grandes échelles d’une couche de cisaillement turbulente plane dans son régime auto-similaire. Dans un second temps, nous avons simulé l’interaction entre une onde acoustique et l’écoulement turbulent afin d’étudier les caractéristiques du champ de pression diffusé qui en résulte. Nous avons notamment vérifié que la simulation était capable de prédire précisément les fréquences sur lesquelles est répartie la plupart de l’énergie acoustique ainsi que la forme du spectre de pression diffusé. Finalement, le champ de vitesse du milieu turbulent qui est corrélé avec l’enveloppe du champ de pression diffusé a été reconstruit à l’aide de la méthode de l’estimation stochastique linéaire. Cette méthode nous a notamment permis de visualiser les larges structures turbulentes qui interviennent principalement dans le mécanisme de diffusion acoustique. / During open jet wind tunnel measurements, the acoustic waves emitted by a device or an acoustic source located inside the flow propagate inside the turbulent shear layer that develops at the periphery of the jet before being received by microphones located outside the flow. The acoustic wave interacts with the turbulent velocity field leading to a change of directivity, a phase and amplitude modulation as well as a spectral re-distribution of the acoustic energy over a band of frequencies. This phenomenon is known as acoustic scattering. This work has consisted in the study of the scattering of an acoustic wave by a turbulent shear layer using large-eddy simulation. The first step of the study has consisted in the large-eddy simulation of a turbulent shear layer in its self-similar state. In a second second step, the direct computation of the interaction between the acoustic wave and the turbulent flow has been performed in order to study the characteristics of the resulting scattered pressure field. It has been shown that the numerical simulation is able to accurately predict the frequencies on which the main part of the scattered energy is redistributed, as well as the shape of the scattered pressure spectrum. Finally, the turbulent velocity field which is correlated with the envelope of the scattered pressure field is reconstructed using the linear stochastic estimation method. This method has enabled the visualization of the large turbulent structures that mainly take part in the acoustic scattering mechanism.