Academic literature on the topic 'Performances aérodynamiques'

Dans cet article, nous présentons les résultats d’une étude des effets de la rugosité sur les performances aérodynamiques d’un profil de pale d’éolienne. Cette étude est effectuée par simulation numérique de l’écoulement turbulent autour du profil avec la résolution des équations moyennées de Navier-Stokes. La turbulence est représentée par le modèle de Menter. Les calculs sont exécutés en stationnaire à l’aide de Code_Saturne, un code libre d’EDF basé sous Linux. Dans une première étape, le Code_Saturne est appliqué à un profil S809 de surface lisse placé sous différentes incidences, de 0° à 25°. Ensuite, les simulations sont poursuivies pour un profil rugueux pour étudier les effets de la rugosité sur les caractéristiques aérodynamiques du profil. Les résultats obtenus sont en bonne corrélation avec les données expérimentales publiées.

Cet article présente les résultats d’une recherche expérimentale visant à étudier la dégradation de la surface des pales d’éoliennes situées dans des zones arides causée par les impacts de particules de sable et l’influence qui en résulte sur leur performance énergétique. Les essais sont effectués dans une sableuse à érosion puis dans la soufflerie pour la pale en fibre de verre / polyester non revêtue sous différents angles et durées d’impact. Les forces aérodynamiques sur les profiles NACA 4412 sont déterminées expérimentalement. Tous les profiles (AR = 0,571) sont testés dans une soufflerie à une vitesse de l’air de 10 m/s au nombre de Reynolds 6.5×105. Les résultats montrent les différences de comportement détectées pour les échantillons avec T = 160s, T = 240s et T = 340s (quand Ra augmente) en les comparant avec l’échantillon lisse (T = 0s, Ra = 0,94). Les coefficients de force (CL et CD) montrent des changements significatifs qui conduisent à une diminution du rapport portance-traînée et donc une perte de performance notable.

l’amélioration de la durée de vie des pales éoliennes opérant dans une région aride au-delà de sa durée de vie habituelle de 20 ou 25 ans oblige leur propriétaire à augmenter le nombre des inspections dans le cadre de la maintenance préventive sachant que les coûts de maintenance et d’arrêt d’une d’éolienne ont un impact direct sur la production totale et peuvent représenter jusqu’à 25% de l’énergie produite. Sachant que dans une région poussiéreuse, les pales sont soumises à une usure érosive qui contribue à la modification de la forme aérodynamique du bord d’attaque et réduit ainsi les performances de l’éolienne. Ce papier décrive et propose une nouvelle méthode de maintenance CBM pour améliorer la durée de vie d’une pale éolienne. Les résultats expérimentaux montrent que l’utilisation de cette méthode est très efficace pour détecter toute dégradation provoquée par l’usure érosive à la surface d’une pale pendant son service.

L’étude d’une turbine éolienne à axe horizontal (HAWT) soumise à des conditions de fonctionnement en présence de vent est très complexe, car la machine est soumise à une variation instantanée de la vitesse et de la direction du vent, qui peut conduire inévitablement les aubes de turbine en phase de décrochage dynamique. L’intensité de ce phénomène conduit à une baisse soudaine du coefficient de portance et donc à la dégradation de ses performances aérodynamiques. Ce présent travail est une simulation numérique bidimensionnelle de la variation instantanée de la direction du vent par rapport à la pale de turbine, comparée aux données expérimentales disponibles dans la littérature. L’effet de la variation de l’angle d’incidence d’un profil S809 est donc étudié en utilisant une approche URANS pour prédire le décrochage. La modélisation de la turbulence est assurée à l’aide des modèles. Le logiciel Fluent est utilisé pour la résolution numérique des équations URANS. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales rapportées par la littérature. Les résultats montrent l’importance de prendre en compte le comportement de l’écoulement instationnaire dans les analyses afin d’obtenir une estimation précise des charges aérodynamiques qui agissent sur l’éolienne.

Dans un parc éolien, il est bien connu que la performance globale du parc est fortement liée aux types d’arrangement des aérogénérateurs dans le site. Un arrangement trop dense entraînerait des pertes considérables de puissance. Dans ce contexte, intervient notre travail, pour déterminer la micro-localisation optimale des éoliennes dans un parc et minimiser l’effet dû aux interférences de sillages des éoliennes. Pour ce faire, nous proposons un modèle numérique, basé sur la description linéaire du sillage, et la méthode d’optimisation de Monte Carlo, afin d’étudier la micro-localisation optimale des turbines en fonction des caractéristiques aérodynamiques et des espacements entre les turbines. La validité des résultats de simulation a été étudiée en utilisant les données expérimentales de NREL.

Ce travail de thèse a consisté au développement de méthodes performantes pour le calcul des dérivées de fonctions d’intérêt dans un contexte d’optimisation aérodynamique de forme. Le cadre d’application est un rotor d’hélicoptère isolé en condition de vol stationnaire. Ces dérivées, appelées de façon générique « gradients », représentent une information décisionnelle importante aux méthodes employées pour résoudre le problème d’optimisation et atteindre la forme optimale au sens de la fonction d’intérêt. Le modèle numérique de type volumes finis pour calculer l’écoulement modélisé par les équations RANS autour du rotor est résolu au sein du code de simulation aérodynamique de l’ONERA, elsA. Les deux méthodes développées au sein d’elsA et adaptées à une formulation des équations RANS en repère tournant sont, d’une part, la méthode linéarisée discrète et d’autre part la méthode adjointe discrète qui présente l’avantage d’une quasi-indépendance du coût de calcul des gradients vis-à-vis du nombre de paramètres de forme du problème. Elles s’appuient toutes deux, sur la linéarisation des équations de conservation, discrétisées par une méthode volumes-finies, et de la linéarisation de la fonction coût (ou intérêt) envisagée qui, dans ce contexte, est le rendement aérodynamique en vol stationnaire appelé également figure de mérite d’un rotor (FM). Des applications d’optimisation mono-objectif visant à améliorer la valeur maximale de ce rendement ont été réalisées. Elles montrent, la capacité du processus d’optimisation à converger vers un optimum améliorant effectivement la figure de mérite sur le domaine de portance du rotor et pour lequel une augmentation de capacité en charge est observée. Les perspectives d’utilisation de ces travaux concernent tout type de configuration de voilures tournantes ou d’hélice en condition de vol purement axial et pour lesquelles l’écoulement peut être considéré, dans le repère relatif, comme stationnaire
This thesis work is dedicated to the development of efficient sensitivity analysis methods in the context of aerodynamic shape optimization considering the application of an isolated helicopter rotor in hover, for which the flow can be considered as steady in a rotating frame. Sensitivity quantities represent in fact an important information to any gradient based method used to solve local optimisation problems. For the flow analysis, the governing equations (RANS) are discretized using a finite volume method and are solved with the ONERA CFD code elsA. The two methods implemented in elsA for the specific formulation in a rotating frame are the discrete direct differentiation method and the discrete adjoint method which presents the interesting characteristic of being quasi-independent in terms of computational cost with respect to the number of shape parameters of the problem. They both rely on the differentiation of the flow solver and of the cost function which, in that context, is the aerodynamic efficiency of a hovering rotor, named the figure of merit (FM). Some single-objective shape optimizations have been done with the goal of improving the maximum of figure of merit of a rotor. They show the capability of the optimization process to converge to blade planform that improve significantly the figure of merit over a large range of thrust and that give an increase in load capacity of the rotor. This work could be used to perform local optimization of any rotary wing or fan in purely axial flight condition

Les fans modernes à faible vitesse de rotation à très haut taux de dilution (Ultra-High Bypass Ratio, UHBR) opèrent principalement sur la partie plate de la caractéristique de compression, ont des lon-gueurs de l'entrée d'air plus courtes et sont constitués d'aubes en composites flexibles et légères. Ces changements favorisent l'évolution de différents types d'instabilités avec des interactions multi-physiques telles que les vibrations non-synchrones convectives (NSV). Pour permettre de nouvelles avancées technologiques, des données de référence expérimentales sur des géométries représenta-tives sont nécessaires. Dans ce contexte, le projet européen CATANA a été initié à l'Ecole Centrale de Lyon. Le fan ECL5 a été conçu comme une configuration ouverte selon les directives industrielles et testé expérimentalement sur le banc d'essai ECL-B3. Cette thèse présente les résultats expérimen-taux du projet CATANA. L'investigation expérimentale de la configuration de référence ECL5 montre que les objectifs de conception ont été atteints. La machine est opérationnelle sur une large plage de fonctionnement et les performances aérodynamiques au point de design coïncident exactement avec les prédictions numériques. En revanche, les mécanismes d'instabilité sont plus complexes que ceux prédits. Par l'application d'une instrumentation multi-physique synchronisée, l'interaction fluide-structure complexe impliquée est résolue. L'analyse de l'influence des conditions d'entrée et de la symétrie géométrique et structurel du système permet d'identifier la sensibilité des caractéristiques aérodynamiques et structurelles ainsi que du comportement près de la limite de stabilité. L'investiga-tion d'une deuxième configuration de rotor présentant un désaccordage structurel met en lumière l'importance des variations géométriques d'aube à aube. Elles provoquent une asymétrie du champ aérodynamique en tête d'aube et suppriment des perturbations aérodynamiques se propageant de manière cohérente, retardant le NSV. Les résultats présentés dans cette thèse offrent une caractéri-sation complète du fan ECL5 et servent de jeu de données de référence pour la validation des simula-tions numériques
Modern low-speed Ultra-High Bypass Ratio (UHBR) fans operate predominantly on the flat part of the compression characteristic, have shorter intake lengths, and employ flexible, lightweight, composite blades. These changes promote the evolution of different types of instabilities with multi-physical interactions such as convective non-synchronous vibration (NSV). To enable further technological ad-vancements, experimental benchmark data on representative geometries required. Within this con-text, the European project CATANA was initiated at Ecole Centrale de Lyon. The open-test-case fan stage ECL5 was designed, following industrial guidelines, and tested experimentally on the facility ECL-B3. This thesis presents the experimental results of the CATANA project. The experimental investiga-tion of the ECL5 reference configuration shows that all design goals have been reached. The machine is operational in a wide range and aerodynamic performance at design condition is exactly coincident with the numerical prediction. In contrast, instability mechanisms are more complex than predicted by the employed numerical methods. Through application of synchronized multi-physical instrumenta-tion, the involved complex fluid-structure interaction is resolved. The analysis of the influence of in-flow conditions and geometrical and structural system symmetry allows to identify the sensitivity of aerodynamic and structural characteristics and the behavior close to the stability limit. The investiga-tion of a second rotor configuration featuring structural mistuning highlights the importance of geo-metrical blade-to-blade variations. They cause an asymmetry of the aerodynamic field at the blade tip and suppress coherently propagating aerodynamic disturbances resulting in a delayed onset of NSV. The results presented in this thesis provide a comprehensive multi-physical characterization of the ECL5 fan stage and serve as a benchmark data set for the validation of numerical simula-tions

Ce mémoire concerne les silencieux absorbants présents dans les systèmes de ventilation de bâtiments. Les caractéristiques du silencieux sont la perte sonore et la perte de charge engendrées par son insertion. Un modèle bidimensionnel du silencieux est créé avec le logiciel de mécanique des fluides FLUENT. Le milieu d'amortissant acoustique, séparé de la zone d'écoulement par une tôle perforée, est représenté comme une zone poreuse où a lieu de la friction. Un écoulement est simulé par résolution des équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds, fermées par un modèle de turbulence. Pour l'analyse aérodynamique, l'écoulement est supposé incompressible et stationnaire. L'analyse acoustique nécessite une résolution compressible instationnaire d'un écoulement bruité. L'analyse fréquentielle du bruit transmis détermine la perte par insertion. Les résultats numériques sont fidèles aux performances expérimentales. Enfin, l'optimisation du profil géométrique du silencieux est réalisée: les pertes de charge peuvent être diminuées significativement en adoptant un critère géométrique optimal.

Les essais en environnement libre et en soufflerie ont été effectués pour étudier la performance propulsive et la déformation de pales de référence et de pales souples. La poussée et le couple ont été évalués par deux méthodes: une mesure directe par balance et une estimation indirecte par bilan de quantité de mouvement, les deux méthodes ayant leurs avantages et limitations respectifs. La méthode indirecte s’est construite sur l’acquisition de champs de vitesse obtenus par PIV et s’appuie sur une estimation de la pression par mise en œuvre de l’équation de Poisson. En vol stationnaire, les pales flexibles ne peuvent pas aider à l’amélioration du rendement en mode rotor (FM), à chargement faible, puisque la distribution de vrillage est sans doute assez éloignée de l’optimal de vol stationnaire. En vol avancé, le rendement propulsif des pales flexibles est la plupart du temps plus élevé que l’hélice rigide de référence en raison de la torsion bénéfique généré en rotation. Dans le cas des pales flexibles, la vitesse axiale se trouve être inférieure au cas rigide, à même station aval; ceci correspondant à la la déformation de vrillage négatif. Pour les deux pales, la différence de poussée entre celle déduite du champ PIV test 2et celle obtenue avec la balance est plus grande que la différence entre les valeurs déduites du champ PIV test 1 et de la mesure directe. La technique de mesure laser pour les déplacements(LDS) a été utilisée pour mesurer la déformation stationnaire des pales lors de leur rotation. Par analyse du nuage de points mesurés par la LDS, la flexion et la torsion de la lame en rotation ont été identifiées à l’aide des régressions multiples
The wind tunnel tests were conducted to explore the performance difference caused by the potential twist deformation between baseline blades and flexible blades. The balance was built in SaBre wind tunnel for measuring the thrust and torque of blades. The BEMT predictions of blades with varied twist were also performed in hover and forward flight, respectively. In hover,flexible blades cannot help in improving the FM at light disk loading since the twist generated on flexible blades is probably beyond the ideal hover twist. In forward flight, the propulsive efficiency η of flexible blades is mostly higher than baseline blades due to the beneficial twist generated in rotation. A Particle Image Velocimetry (PIV) approach of loads determination was developed based on control volume method to obtain thrust and torque of small-scale proprotor,especially for off-optimum conditions. The pressure Poisson equation was implemented for the pressure estimation based on the PIV velocity data. The axial velocity of flexible blades is found to be lower than baseline blades on the same station at downstream. This corresponds to the lower inflow ratio distribution along flexible blade, which results from the negative twist deformation. For both baseline blades and flexible blades, the thrust differences between PIV test 2 and balance are larger when compared to the differences between PIV test 1 based on nearfield and balance. The Laser Displacement Sensor (LDS) technique was employed for measuring the stationary deformation of rotating flexible blades. By obtaining the LDS point cloud, the bending and torsion of the rotating blade were identified using the multiple regressions

Ce travail de recherche, réalisé en collaboration avec l'équipe cycliste professionnelle Bouygues Telecom, a pour objectif d'étudier les facteurs aérodynamiques et biomécaniques influant sur les performances de cyclistes en course contre la montre (CLM). L'effort de traînée aérodynamique représente 90% de la puissance développée par le coureur en CLM. Les essais expérimentaux ont été réalisés dans la soufflerie S1L l'institut des Sciences du Mouvement qui a permis de mesurer l'effort de traînée subit par les coureurs en fonction de leur posture et du matériel utilisé. L'analyse par planimétrie de la surface frontale projetée des cyclistes en position de CLM a permis de définir un modèle estimant la surface frontale en fonction de différents paramètres posturaux. L’analyse approfondie des performances aérodynamiques de différents casques de CLM, à l’aide d’un système de mesure PIV-3C (Particle Image Velocimetry 3 Components), a permis de définir une géométrie optimisée de casques de CLM. L'approche biomécanique des performances des coureurs permet d'étudier l'impact de positions sur le rendement du pédalage de coureurs. Cette étude a été réalisée grâce à un modèle de dynamique inverse nécessitant la mise en œuvre de balances de mesure des efforts aux pédales et d'un système d'analyse du mouvement (VICON). Le modèle de dynamique inverse a permis de déterminer les torseurs d'efforts au niveau de chaque articulation en fonction de paramètres posturaux identiques à ceux étudiés dans l'approche aérodynamique. La synthèse des facteurs d'optimisation aérodynamique et biomécanique a permis d'obtenir une amélioration des performances en course de l'ordre de 3%
The aim of this study is to determine the aerodynamic and biomechanical factors influencing cyclists performance during Time Trial stage (TT). The aerodynamic drag force represents over 90% of the power generated by the cyclist during TT stage. The aerodynamic optimization of the cyclist posture and equipment is thus a main objective. Experimentations were carried out in the wind tunnel S1L of the Institute of Movement sciences, in order to measure the aerodynamic drag force of cyclist according to different configurations. Measurements of the projected frontal led to a modeling of the cyclist frontal area value according to postural parameters. Aerodynamic performance of several TT helmets was characterized by measurement of the velocity fields in their downstream wake using a PIV-3C method (Particle Image Velocimetry 3 components). Results of this study have identified an optimized geometry of TT helmets. The aim of the biomechanical approach is to study the influence of the aerodynamic postural parameters studied on the performance of the cyclists. An inverse dynamics models is used to determine the torques and forces at each leg joint according to the saddle position and the power developed. The inverse dynamic calculation requires measurement of the pedal forces and the cycling motion. The motion analysis system VICON was used and two special 6 components sensors were design for this application. Results of this study have identified postural parameters increasing the performance. The synthesis of the factors influencing aerodynamic and biomechanical performances achieves a performance improvement of about 3%

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

L'estimation précise de la traînée est aujourd'hui un enjeu majeur pour les avionneurs. Il est nécessaire d'identifier et de quantifier ses sources phénoménologiques dans le cadre d'un processus de design efficace. Les méthodes champ lointain, qui permettent une telle décomposition, sont cependant limitées aux applications stationnaires.Cette étude consiste à développer une méthode d'extraction champ lointain destinée à permettre une décomposition phénoménologique de la traînée pour des écoulements instationnaires. La première étape a consisté à généraliser la formulation stationnaire de Van der Vooren aux écoulements instationnaires. Des axes pour l'amélioration de la robustesse et du contenu physique ont ensuite été explorés, avec la mise en évidence de phénomènes acoustiques. La formulation ainsi obtenue a ensuite été appliquée à des cas tests simples, dans le but de valider la décomposition phénoménologique. Le comportement des composantes de traînée s'est avéré cohérent avec la physique de l'écoulement. Enfin, la méthode a été appliquée à des cas complexes afin de démontrer ses capacités : un cas instationnaire 3D ainsi qu'un écoulement simulé en ZDES.Dans l'avenir, il serait intéressant de continuer à explorer la définition de la composante de traînée induite, par exemple en utilisant les formulations basées sur le vecteur vitesse. En ce qui concerne les cas d'application, l'évaluation de la performance d'un doublet d'hélices contra-rotatives pourrait fortement bénéficier de l'utilisation d'une méthode comme celle-ci. Enfin, des applications en vol d'ailes battantes pourraient être d'intéressantes perspectives
Accurate drag prediction is now of a major issue for aircraft designers. Its phenomenological sources need to be identified and quantified for an efficient design process. Far-field methods, which allow such phenomenological drag breakdown, are however restricted to steady flows. This study consists in developing a far-field drag prediction method aiming at a phenomenological breakdown of drag for unsteady flows. The first step has consisted in generalizing the steady formulation of Van der Vooren to unsteady flows, starting from a new rigorous proof. Axes for the improvement of the robustness and physical background have then been explored. Acoustic contributions have in particular been highlighted and quantified. The resulting five-components formulation has then been applied to simple cases, in order to validate as best as possible the phenomenological breakdown. The behavior of the drag components has proved to be consistent with the physics of the flow. Finally, the method has been applied to complex cases in order to demonstrate its capabilities: a 3-D case and a flow simulated by the ZDES method. In the future, it would be interesting to further improve the definition of the induced drag component, for example by using velocity-based formulations. As far as the application cases are concerned, the performance evaluation of a Counter-Rotating-Open-Rotor would strongly benefit from such a method. Unsteady optimization of one of the drag component could also be contemplated. Finally, applications in aeroelasticity or flapping flight would be an interesting perspective

Les objectifs principaux de ce travail sont l'étude de l’influence de la vitesse et du taux de turbulence de l'écoulement amont sur les performances des éoliennes, ainsi que le développement d'un code de calcul permettant de prédire ces performances. Pour ces travaux, nous utilisons une éolienne bipale équipée de pales à profil NACA 654?421. Dans un premier temps, le comportement aérodynamique de ce profil est caractérisé expérimentalement. Les effets du nombre de Reynolds et du taux de turbulence sont alors analysés. Les résultats de ces essais fournissent d'autre part une base de données d'entrée pour notre code de calcul. La seconde étape consiste à étudier l'effet de forts niveaux de turbulence sur le comportement aérodynamique d'une éolienne bipale en soufflerie. Un banc d'essai est conçu et réalisé afin de mesurer le couple, la poussée axiale et la vitesse de rotation de l'éolienne dans diverses configurations (effets du calage des pales, de la vitesse et du taux de turbulence de l'écoulement amont). Dans la dernière phase du travail, les performances de notre éolienne sont calculées à l'aide d'un code de type ligne portante à partir de la base de données 2D du profil NACA 654-421. Les conditions de fonctionnement de l'éolienne sont les mêmes que celles rencontrées en soufflerie. Les résultats ainsi obtenus sont alors confrontés aux résultats expérimentaux provenant des essais en soufflerie.

La mutation technologique du transport en général et aéronautique en particulier, engagée au niveau européen, conduit à une évolution vers des avions plus économiques et moins consommateurs de carburant. Ceci impacte fortement les systèmes de conditionnement d’air par une électrification partielle ne nécessitant plus de prélèvement d’air sur les réacteurs. Il est alors nécessaire d’assurer une large plage de débit à travers la turbine, élément de la turbomachine constituant le cœur du « pack » de conditionnement d’air, tout en fournissant le maximum de puissance possible sur l’ensemble de la plage. L’étage turbine classique ne peut pas assurer la plage de débit spécifiée. Il est donc remplacé par un étage turbine à section d’injection variable. Cet étage turbine doit fonctionner depuis la phase de maintenance au sol (faible débit, fort taux de détente) jusqu'en phase de croisière (fort débit, faible taux de détente), tout en assurant également son rôle sur les autres phases de vol et multiples cas de panne. La problématique est alors de concevoir une turbine dont la géométrie varie en fonctionnement et qui présente de très bons rendements sur une large plage de débit. Il est ainsi primordial de comprendre au préalable la complexité des écoulements pour ce type de géométrie, et comment le dispositif assurant la variation de section va influencer la topologie de l’écoulement dans l’étage turbine. En particulier, la présence de jeux dans les parties statiques de l’étage introduit une perturbation tourbillonnaire en amont du rotor. L’impact de cette perturbation sur l’écoulement principal, son interaction avec les écoulements secondaires, doit être détaillé. L’influence de la localisation de cette perturbation, de son intensité, doit être analysée, dans un contexte rendu très complexe par la variabilité de la géométrie. La compréhension des phénomènes mis en jeu responsables de la variation des performances dans l’étage turbine, permettra de définir une stratégie de dimensionnement à adopter. L’amélioration des performances de la turbine permettra ainsi de limiter la puissance demandée sur le moteur électrique afin de limiter la masse embarquée et donc la consommation de carburant. La méthodologie retenue pour aborder cette problématique, se décline en quatre volets. Un premier volet bibliographique pour s’approprier les phénomènes physiques liés à l’écoulement dans une turbine à géométrie variable et faire un état de l’art des solutions techniques existantes de géométrie variable des distributeurs de turbines centripètes. Un volet numérique dont l’objectif sera double. D'une part, de proposer une méthodologie de calcul robuste de prévision des performances et, d’autre part, de discriminer différentes options de dimensionnement dont la pertinence doit être démontrée sur l’ensemble de sa plage d’opérabilité. Un volet expérimental représentant la part principale de la thèse, consistera à mettre en place un module spécifique pour réaliser et analyser les essais pour des points de spécification représentatifs du fonctionnement de la turbine sur avion. Cela permettra de fournir une base de données d’analyse et de validation, et de quantifier les effets d’intégration. Ces études numérique et expérimentale seront conduites conjointement, afin que l’analyse de l‘écoulement profite de la complémentarité des deux approches. La dernière étape de cette étude a pour but la restitution des résultats obtenus et le savoir-faire vers l’industrie tant du point de vue de la prédiction des performances que de la méthodologie de dimensionnement des turbines à géométrie variable
The technological mutation of transport in general and aeronautics in particular, engaged to the European level, leads to an evolution of more economical and fuel-efficient aircrafts. It strongly impacts the environmental control systems by a partial electrification which does not need an air bleeding on the engine anymore. Then it is necessary to insure a large output range through the turbine, element of the turbomachine which forms the heart of the air conditioning « pack », while providing the maximum amount of possible power on the whole range. The classical turbine stage cannot insure the specified output range. Then it is replaced by a variable geometry radial inflow turbine. This turbine stage has to function from the maintenance phase on the ground (weak output, strong expansion ratio) to the en route phase (strong output, weak expansion ratio). It also has to guarantee its role during the others phases of flight and in case of multiple failures power. So the problematic is to design a turbine such that its geometry varies in operation and adapt itself to the changing operating with the best possible efficiency on the widest possible range. Thus it is primordial to understand beforehand the complexity of flows for this kind of geometry, and how the variable geometry device affects the flow topology in the turbine stage. In particular, the presence of clearances in the static parts of the stage creates a vortex perturbation upstream from the rotor. The impact of this perturbation on the main flow, its interaction with secondary flows, must be detailed. The influence of the perturbation localisation, its intensity, must be analysed, in the complex variable geometry context. The understanding of phenomenon involved and responsible for the downgrade of performance in the turbine stage, will allow defining a specific strategy of design. The improvement of performance for the turbine will enable to restrict the required power on the electrical engine for limiting the on board weight, and then the fuel consumption. The selected methodology to broach this problematic, is divided into four parts. Firstly, a bibliographic part in order to appropriate physics phenomenon related to the flow in a variable geometry turbine will be conducted, together with a state of art about the different existing technological solutions. Secondly, some numerical simulations will be set to propose a methodology of robust calculations for performance prediction and, to discriminate different design options. The third step consists in an experimental phase representing the main work of the thesis. It will consist in the definition of a specific module instrumented for tests representative of the turbine on aircraft functioning. It will provide a database for analysing the flow and validating the numerical simulations, and to quantify the effects of integration. These numerical and experimental studies will be led jointly, such that the general analysis takes advantage of complementarity of both approaches. The last step of this study aims at conditioning the results achieved and the know-how for industrial application

L’objectif principal de ce travail de thèse est de caractériser expérimentalement l’impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques des planeurs hypersoniques. Cette étude regroupe six écoulements basse pression (de 0,068 Pa à 71,11 Pa) de la soufflerie MARHy, quatre supersoniques (Mach 2 et Mach 4) et deux écoulements hypersoniques (Mach 20). Les maquettes expérimentées sont au nombre de 6 et l’objectif est d’étudier des géométries avec des degrés d’optimisation différents et de comprendre l’impact des effets visqueux sur chacune d’elles. Différents diagnostics ont été utilisés pour mener à bien cette étude : Tout d’abord, une balance aérodynamique a été développée pour pouvoir mesurer les forces de traînée et de portance des différentes configurations. Ensuite, les ondes de choc ont été visualisées à l’aide de visualisation par décharge luminescente. Enfin, une étude de pression pariétale a été menée sur deux planeurs hypersoniques. Ce travail de thèse permet d’établir une large base de données expérimentales sur les planeurs hypersoniques en régime raréfié. Les études de forces ont permis de quantifier l’évolution de la finesse au cours d’une rentrée atmosphérique en fonction du degré de raréfaction (paramètre de Tsien). Pour ce qui est des angles d’attaque, des formulations tenant compte des effets visqueux ont été établies et pourront être utilisées lors de l’optimisation des waveriders à hautes altitudes. Un planeur hypersonique tenant compte de ces données a été testé et est prometteur à haute altitude. Tout au long de cette thèse, les résultats mettent en évidence l’impact des effets visqueux sur les performances aérodynamiques des planeurs hypersoniques
The main objective of this thesis work is to experimentally characterize the impact of viscous effects on the aerodynamic performance of hypersonic gliders. The study includes six low-pressure flows (ranging from 0.068 Pa to 71.11 Pa) from the MARHy wind tunnel, four supersonic flows (Mach 2 and Mach 4), and two hypersonic flows (Mach 20). A total of 6 models were tested, aiming to study geometries with different degrees of optimization and to understand the impact of viscous effects one ach of them. Various diagnostics were used to carry out this study : Firstly, an aerodynamic balance was developed to measure the drag and lift forces of the different configurations. Next, shock waves were visualized using glow discharge imaging. Finally, a parietal pressure study was carried out on two hypersonic gliders. This thesis work establishes a broad experimental database on hypersonic gliders in the rarefied regime. Force studies have enabled us to quantify the evolution of glide ratio during atmospheric re-entry as a function of the degree of rarefaction (Tsien parameter). As far as angles of attack are concerned, formulations taking viscous effects into account have been established and can be used in the optimization of high-altitude waveriders. A hypersonic glider incorporating these data has been tested and shows promise at high altitude. Throughout this thesis, results have highlighted the impact of viscous effects on the aerodynamic performance of hypersonic gliders

The following numerical investigations are performed in the frame of a research project that aims at a better understanding of the flow unsteadiness that develops in a multistage high-speed axial compressor. First, the paper presents a new version of the 3.5 stages high-speed axial compressor CREATE (Compresseur de Recherche pour l’Etude des effets Aérodynamiques et TEchnologiques), which has been designed by Snecma and is based at the LMFA (Laboratory for Fluid Mechanics and Acoustics) on a 2MW test rig. This paper is based on numerical results obtained with 3D steady and unsteady RANS computations using the CREATE configuration. The unsteady RANS simulations are carried out over the whole spatial and temporal periodicity of the compressor. The main numerical setup has been fixed according to the state of the art. Second, the effect of three different time discretizations on the flow field in CREATE is discussed. The global performance of the compressor is not significantly affected. However the change in the time discretization impacts the structure of the flow at specific locations. The main focus of this study lies on the transport of flow structures and the analysis of their interactions. A double modal decomposition method, which highlights the specific contribution of the interactions on the overall flow field, is applied for the study of the highly complex and unsteady flow field. It allows identifying which interactions are more sensitive to the change in the time discretization.