Tesis sobre el tema "Flux à faible nombre de Reynolds faible"

Etude expérimentale. On utilise le chauffage du cylindre pour modifier les propriétés du fluide et contrôler ainsi le phénomène tourbillonnaire. Analyse du champ thermique. La température effective contrôlant le développement de la double allée de Von Karman est très inférieure à la température de film. Etude du couplage entre un écoulement amont turbulent et le sillage en aval du cylindre

L’objectif de cette thèse est de fournir une approche générale permettant d’aborder les problèmes de contrôle aéroélastique.Tout d’abord, un modèle d’aile oscillante est développé afin de rendre compte des phénomènes d’hystérésis des charges aérodynamiques et de décrochage dynamique qui peut être observé, particulièrement à fort angles d’attaque ou à faible nombre de Reynolds. Le modèle est alors entraîné et comparé avec succès aux résultats expérimentaux obtenus pour une aile NACA 0018. Ce modèle, comme de nombreux modèles aérodynamiques, souffre d’une complexité inhérente et de non-linéarités qui rendent son analyse et son contrôle complexes. Par conséquent, le modèle a été modifié afin d’inclure les non-linéarités dans une formulation polytopique aux paramètres incertains. S’appuyant sur la théorie de la commande linéaire quadratique et utilisant les inégalités des matrices linéaires, plusieurs théorèmes sont développés, considérant les saturations qui sont un problème majeur et récurent de la dynamique du vol. Les théorèmes sont alors appliqués avec succès au cas du stall flutter en présence de saturations en position et en vitesse
This thesis aims at providing a general approach for aeroelastic control. First, an aeroelastic model of an oscillating wing is developed to capture the phenomena of hysteresis of aerodynamic load and dynamic stall which can be observed at low Reynolds number or large angles of attack. The model is then trained and successfully compared to experimental data for a NACA 0018 wing. This model, like many aeroelastic models, suffers from its inherent complexity and nonlinearities which make its analysis and control challenging. Consequently, the set of equations is conveniently manipulated to encapsulate the nonlinearities in a polytopic formulation with unknown parameters. Then, based on linear quadratic regulation theory and using framework of linear matrix inequalities, several theorems are developed considering saturations which are a major and recurrent issue in flight control. The theorems are then successfully applied to solve the problem of stall flutter in presence of rate and magnitude saturations

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et de la rhéologie des fluides complexes. Nous utilisons une méthode de simulation numérique à trois dimensions. Les systèmes que nous étudions ici sont des suspensions de micro-nageurs actifs, des suspensions de particules sphériques rigides en présence d'un champ externe auquel elles sont sensibles et de la dynamique de suspensions de particules sphériques et confinées en cisaillement. Les Micro-nageurs sont les objets microscopiques qui se propulsent dans un fluide et ils sont omniprésents dans la nature. Un exemple commun de micro-nageurs est la micro-algue textit{Chlamydomonas} . Un des buts principaux de cette thèse est de comprendre l'effet de la motilité de ces micro-organismes sur les propriétés macroscopiques globales de la suspension, telles que la viscosité effective pour expliquer les observations expérimentales. Nous avons élaboré différents modèles de suspensions de textit{Chlamydomonas} et effectué des simulations numériques utilisant la version 3D de la dynamique des particules fluides (FPD) (méthode expliquée dans cette thèse). Les résultats de nos simulations numériques ont été présentés et discutés à la lumière des observations expérimentales. Un des modèles proposés intègre tous les phénomènes observés expérimentalement et sont applicables à d'autres types de suspensions de micro-nageurs. Cette thèse consacre également un chapitre sur les effets du confinement sur la dynamique de cisaillement des suspensions diluées de particules sphériques. Nous avons constaté que dans la géométrie confinée, la vitesse angulaire des particules diminue par rapport à celle imposée par l'écoulement de cisaillement. La vitesse angulaire des particules diminue également lorsque la particule est proche d'une paroi unique et la vitesse de translation de la particule par rapport à la vitesse de la paroi diminue. Un autre objectif de cette thèse est d'étudier les suspensions à viscosité effective ajustable. Nous avons mené une étude numérique sur des suspensions de particules sphériques en présence d'un couple externe. Nous avons montré que le changement de vitesse angulaire des particules due à l'application d'un couple externe est suffisante pour modifier fortement la viscosité de la suspension. Basée sur des simulations numériques, une formule semi-empirique a été proposée pour la viscosité des suspensions de particules sphériques valables jusqu'à 40% de concentration. Nous avons également montré que la 2ème loi de Faxén peut être étendue par une expression empirique pour de grandes concentrations.

Dans ce travail nous nous interessons au comportement asymptotique des equations de navier-stokes en regime stationnaire, dans des domaines avec une faible epaisseur. Notre domaine d'etude est constitue de la jonction d'un film mince et d'un domaine appele cavite de grande dimension devant celle du film mince. Dans une premiere partie nous considerons des conditions aux limites non homogenes en vitesse. Grace a des inegalites du type inclusions de sobolev tenant compte de la non-isotropie du domaine nous montrons que dans le film mince les effets d'inertie n'interviennent pas dans l'equation verifiee par le premier terme du developpement asymptotique de la pression cette equation etant l'equation de reynolds classique pour les films minces. On met en evidence l'influence des effets d'inertie dans le deuxieme terme du developpement et pour un choix judicieux des conditions aux limites nous obtenons des resultats de convergence au deuxieme ordre. Dans la cavite la vitesse limite est nulle et la pression limite constante. On prouve que la pression limite n'admet pas de saut a l'interface des deux domaines. Dans une deuxieme partie nous considerons le probleme de la lubrification hydrostatique avec conditions aux limites homogenes en vitesse sur une partie de la frontiere et conditions aux limites en pression sur l'autre partie. On trouve dans le film mince le meme type d'equations. Dans la cavite les equations sont celles de stokes, d'euler ou de navier-stokes. Dans la derniere partie nous presentons des resultats numeriques relatifs au probleme de la lubrification hydrodynamique

Un jet carré dans un écoulement transverse est étudié, expérimentalement, en régime inertiel et de convection mixte pour un nombre de Reynolds de 500 et des taux d’injection compris entre 0,17 et 2,13. Les visualisations de l’écoulement mettent en exergue les principales structures tourbillonnaires du champ proche. Le développement d’un dispositif de mesures couplées de la vitesse (PIV) et de la concentration (LIF) a permis d’obtenir des résultats résolus en temps. Leur exploitation met en évidence la topologie de l’écoulement et les grandeurs géométriques caractéristiques du mélange. Les mécanismes à l’origine de la déstabilisation de la frontière supérieure du jet sont exposés. Les mesures de vitesses par vélocimétrie par imagerie de particules tomographique quasi-résolues en temps permettent de décrire plus précisément des structures du sillage, notamment l’évolution des tourbillons ascendants et de la paire de tourbillons contrarotatifs. Des liens entre le mélange et le champ cinématique de l’écoulement sont établis. Une très faible variation de la masse volumique transforme l’écoulement. Le jet dense forme un bulbe, la structure en fer à cheval est intensifiée et de nouvelles structures tourbillonnaires apparaissent dans le sillage. Le bulbe, animé par les forces visqueuses et la poussée d’Archimède, est le lieu du mélange. La couche de cisaillement génère des tourbillons dont l’évolution est fortement influencée par le couple barocline. Une augmentation du taux d’injection modifie l’écoulement. Le mélange dans son sillage est amélioré sous l’influence des forces de flottabilité
This dissertation examines, experimentally, a square jet in a crossflow, in an inertial and mixed convection regime for a Reynolds number of 500 and an injection rate ranging from 0. 17 and 2. 13. The visualization of the flow shows the main vortical structure of the near field. The development of a simultaneous measuring device of velocity (PIV) and concentration (LIF) gives timed-resolved results. Drawing on these results, the topology of the flow and the geometrical magnitudes characteristic of the mixture become evident. The mechanisms at the origin of the destabilization of the upper limit are exposed. The measures of velocity using nearly-time-resolved tomographic particle image velocimetry allow description of the wake structures. The measurements demonstrate the evolution of upright vortices and of the counter-rotating vortex pair. Links between the mixture and the cinematic field of the flow are established. A very weak variation of the density transforms the flow. The dense jet forms a bulb, the horseshoe vortices are intensified and new vortical structures appear in the wake. The bulb, driven by viscous force and buoyancy, is where mixture occurs. The shear layer generates vortices whose evolution if strongly influenced by the baroclinic term of the vorticity equation. An increase in the injection rate modifies the flow. The mixture in its wake is improved under the influence of the buoyancy of the flow

Ce rapport concerne d'une part, l'étude locale de l'écoulement dans un canal plan corrugué, réalisée par des approches expérimentale et numérique, et, d'autre part, la détermination expérimentale des performances thermohydrauliques à faibles nombres de REYNOLDS de différents canaux d'échangeurs à plaques. Les visualisations expérimentales del'écoulement local ont autorisé la détermination des transitions de régime dans des géométries 2D et 3D. Concernant le canal 2D, une optimisation du profil de l'onde est proposée, basée sur la caractérisation thermohydraulique des phénomènes locaux mis en évidence. Par rapport à ces résultats expérimentaux, l'étude numérique, réalisée au moyen du logiciel TRIO, est en bon accord, tant au niveau de la configuration de l'écoulement, que pour les profils de pression pariétale. De plus, les intérêts pressentis du canal optimisé proposé ont été confirmés par cette analyse numérique, autorisant un éventuel développement industriel de cette géométrie. La détermination des performances thermohydrauliques (coefficient de frottement - coefficient d'échange de chaleur global) de différents canaux corrugués, permet désormais un dimensionnement des échangeurs à plaques sur une large gamme du nombre de REYNOLDS, représentative de la quasi-totalité des applications industrielles en simple phase de ce type d'échangeur. Dans le cadre de cette étude expérimentale, les influences respectives de la convection naturelle et de la thermodépendance du fluide sur l'échange de chaleur, ont été étudiées. Les analyses et interprétations proposées dans cette dernière partie expérimentale s'appuient sur des résultats de l'analyse locale, précédemment développée

Le but de l’étude est l'analyse d'un écoulement généré par l'interaction entre un jet pulsé et un courant principal. Le nombre de Reynolds caractérisant l'écoulement est de 500 et le rapport des vitesses des deux fluides est égal à un. Le forçage est de type sinusoïdal avec une amplitude comprise entre zéro et deux fois la vitesse moyenne du jet. Le paramètre étudié est l'influence de la fréquence de pulsation sur une gamme de 0 à 10 Hz. Une première approche permet à l'aide de visualisations par colorants de caractériser les écoulements générés afin de les classifier en deux catégories. Ces régimes sont séparés par une fréquence caractéristique étant très proche de celle des tourbillons dans le sillage d'un jet continu. La suite du travail consiste en une étude qualitative sur trois fréquences représentatives de ces régimes caractéristiques. L'analyse est effectuée sur des données expérimentales de vélocimétrie par images de particules stéréoscopique (SPIV) et de fluorescence induite par laser (PLIF), ainsi qu'une méthode couplée des deux techniques. Dans un premier temps, une comparaison est faite entre les jets pulsés et le jet continu sur la topologie de la dynamique tourbillonnaire à proximité de la sortie du jet ainsi que dans les zones de sillage. L'étude des différents axes caractéristiques ainsi qu'une étude fréquentielle permettent de mettre en évidence la formation et les trajectoires des tourbillons engendrés par la pulsation. Ensuite, différents critères appliqués sur les champs de concentration favorisent la quantification du mélange et de son efficacité. Le couplage avec les mesures de vitesse offre une explication aux phénomènes liés aux zones stagnantes sous le jet et à la rapidité du processus de mélange. Enfin, la dernière partie est consacrée à une analyse des structures dominantes de l'écoulement à l’aide de la décomposition aux valeurs propres (POD). Après la compréhension de l'organisation des premiers modes spatiaux, une technique de reconstruction tridimensionnelle de l'écoulement est réalisée sur plusieurs plans parallèles sur des champs moyennés en phase. Une dernière approche permet d'ajouter des modes naturels représentant la propagation des tourbillons dans le sillage du jet. Cette technique est une alternative aux mesures tomographiques 3D-3C
The objective of this work is to study the interaction between a pulsed jet and a transverse flow. The Reynolds number characterizing the flow is equal to 500 and the ratio of both fluids velocity is equal to 1. A sinusoidal forcing is used with a flow rate variation from zero to twice the mean flow rate. In this work, the focus is on the jet pulsation influence over a range from 0 to 10 Hz. The first approach allows the distinction of the different flows in order to arrange them in two categories (by using dye visualization). These different regimes are separated by a characteristic frequency that is very close to the one of the shear layer instability in a continuous jet. Then, the next step is a qualitative study based on three representative frequencies for these characteristic regimes. The analysis is performed using experimental data obtained from Stereoscopique Particle Image Velocimetry (SPIV), Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF), and from a method that combines the two techniques. Firstly, a comparison is made between the pulsed jet and the continuous jet, based on the vortex dynamics topology, close to the jet exit but also in the wake region. The study of the different axes and the main frequencies can exhibit the formation and the trajectories of the vortices generated by the pulsation. Secondly, different criteria applied to the concentration fields can help for the quantification of the mixing and its effectiveness. Furthermore, the phenomena linked to stagnant zones in the jet and the fast mixing process can be explained by the coupling with the velocity measurements. Finally, the last part of this study is dedicated to an analysis of the dominant structures of the flow using the proper orthogonal decomposition (POD). After of the understanding the organization of the first spatial modes, a three-dimensional reconstruction technique of the flow is achieved on several parallel averaged phase planes. This innovative approach allows the addition of natural modes representing the vortices in the wake region of the jet. This technique can be seen as an alternative to the tomographic 3D-3C measurements

L'utilisation de micronageurs hélicoidaux capables de se mouvoir dans des liquides à faible nombre de Reynolds trouve son intérêt dans beaucoup d'applications: de tâches in-vitro dans des laboratoires sur puce (transport et tri de micro-objets; assemblage de micro-composants...), à des applications in-vivo en médecine mini-invasive (livraison interne et ciblée de médicaments, curiethérapie, thermothérapie...); grace à leur dimensions microscopiques et agilité permettant l'accès à des endroits normalement très restreints. Plusieurs types de nageurs hélicoidaux actionnés magnétiquement possédant divers paramètres géométriques, formes de tête et positions de la partie magnétique ont été proposés dans de précédents travaux. Cependant, l'influence de tous ces paramètres n'a pas clairement été étudiée. À notre connaissance, les micronageurs hélicoidaux dans l'état de l'art sont principalement contrôlés en boucle ouverte, en raison de la complexité de la commande du champ magnétique actionnant la propulsion, et du nombre limité de retours ayant des critères satisfaisants. Cette thèse vise à: comparer les performances de déplacement de nageurs hélicoidaux avec des conceptions différentes afin d'améliorer leur design et de les caractériser, et réaliser un asservissement visual de nageur hélicoidal. Pour se faire, des nageurs hélicoidaux de tailles millimétriques ont été conçus et sont mis en conditions à faible nombre de Reynolds. La conception de ces "millinageurs" servira de base à la conception de micronageurs. Une commande boucle fermée par retour visuel de l'orientation d'un micronageur hélicoidal dans un espace 3D, et un suivi de trajectoires sur plan horizontal ont été effectués. Cette méthode de commande sera par la suite appliquée à des micronageurs hélicoidaux.

Un outil numérique destiné à la simulation instationnaire d'écoulements incompressibles visqueux partiellement confinés dans le cadre d'une approximation bi-dimensionnelle plane est présenté. Basé sur une méthode de Random Vortex hybride, il exploite l'équation de transport de la vorticité par une discrétisation adaptative sur des éléments lagrangiens à supports compacts. Des algorithmes destinés à améliorer la performance de calcul et la flexibilité sont également introduits. Une étude bibliographique raisonnée relative aux écoulements au travers d'expansions symétriques brusques est menée. Les paramètres déterminants sont dégagés. Différents régimes sont distingués : les transitions rencontrées à nombre de Reynolds croissant conduisent d'un écoulement recirculant symétrique stationnaire à des configurations asymétriques puis à l'apparition d'instabilités. Certaines justifications phénoménologiques sont proposées et les mécanismes mal cernés sont soulignés. La méthode numérique décrite est appliquée à la simulation de ces écoulements et les résultats obtenus comparés aux données expérimentales et numériques disponibles. Les prédictions effectuées sont en excellent accord dans le cas du régime symétrique stationnaire. A un nombre de Reynolds plus élevé, les calculs conduisent à des régimes asymétriques dont seule la nature est conforme aux résultats expérimentaux. Le déclenchement d'instabilités apparaît à une valeur de Reynolds plus faible qu'expérimentalement. Le rôle de la méthode numérique dans ces désaccords est suggéré, ainsi que d'éventuels palliatifs

Cette thèse de mathématiques appliquées traite de la modélisation des déplacements de nageurs microscopiques. Nous étudions principalement les problèmes de contrôlabilité et d'optimalité associés à la mobilité d'un micro-nageur. Dans une première partie, nous présentons un modèle de nageur simplifié, appelé le"N- link swimmer". Ensuite, nous ́etudions sa contrôlabilité ainsi que l'existence de stratégies lui permettant d'atteindre un point donné le plus vite possible. Dans une deuxième partie, nous analysons les effets de la présence d'un bord sur la mobilité d'un micro-nageur. Nous montrons qu'un nageur qui est contrôlable lorsqu'il évolue dans l'espace non borné, reste "presque partout" localement contrôlable lorsqu'il nage dans un domaine délimité par un mur plat ou rugueux. Au contraire, nous prouvons qu'un nageur qui n'est pas capable d'atteindre toutes les directions lorsqu'il se déplace dans un domaine sans bord peut élargir ses directions accessibles en présence d'un mur (plat ou rugueux). Enfin, la dernière partie de la thèse fournit un cadre à l'étude de problèmes de contrôle optimal associés aux déplacements de nageurs ayant une dynamique sans dérive. Tout d'abord, nous ́etudions les propriétés mathématiques de plusieurs problèmes de contrôle optimal ayant des coûts fonctionnels différents (existence puis comportement). Ensuite, nous considérons les nageurs ayant deux degrés de liberté. Pour ces modèles particuliers de nageurs, nous présentons un cadre permettant d'en déduire des propriétés géométriques locales pour les solutions de certains problèmes de contrôle optimal. Tout au long de ce dernier chapitre, des simulations numériques, réalisées sur un exemple de nageur ayant une dynamique explicite, illustrent les résultats théoriques.

Le but de cette thèse est de proposer des modèles qui améliorent la précision des prévisions RANS des bulbes de décollement laminaire. Dans un premier temps, des données de simulations numériques "haute-fidélité'' sur une configuration de référence ont été exploitées afin de comprendre les défauts des modèles existants. À partir de cette analyse, deux problèmes majeurs ont été mis en évidence : les modèles existants ne produisent pas de turbulence à un rythme suffisamment élevé dans la région transitionnelle décollée, et en général ils manquent de diffusivité dans la région située juste en aval du bulbe. Dans un deuxième temps, un ensemble de modèles ont été proposés qui corrigent les défauts observés. Ces modèles, nommés LSTT (Laminar Separation Transition Triggering), permettent à plusieurs modèles RANS existants de produire de la turbulence à un taux adéquat dans la région transitionnelle, améliorant ainsi notablement la précision de la prévision du bulbe de décollement et de la couche limite en aval de ce dernier. Enfin, une évaluation complète des modèles LSTT a été effectuée en les appliquant à différentes géométries de profils aérodynamiques de type drone, éolienne, turbine et hélicoptère. En général, on observe que les modèles LSTT améliorent la précision des prévisions RANS des bulbes de décollement laminaire et servent à capturer l'influence de l'angle d'incidence, du nombre de Reynolds et du taux de turbulence en amont
The objective of this thesis was to propose new models that improve the precision of RANS predictions of LSB. Firstly, high-fidelity numerical data was analyzed in order to understand the precision defects of existing models. From this analysis, two main defects were identified: existing models do not produce turbulence at a sufficient rate in the transitional region, and they generally lack diffusion right downstream of the LSB. Secondly, a set of models were proposed that correct the defects. The new approach, named laminar separation transition triggering (LSTT), allow several existing RANS models for enhanced production of turbulence in the transitional region, which improves the precision of the prediction of the LSB topology and the overall flowfield. Lastly, a large assessment of LSTT models was undertaken using different airfoils of drones, wind turbines, tubojet engines and helicopters. In general, it was found that LSTT models improve the precision of the RANS predictions of LSB and can be used to predict the influence on angle-of-attack, Reynolds number and turbulence intensity

Ce travail de thèse s’inscrit dans la grande problématique de la récupération d’énergie. Il s’agit plus précisément de convertir de petites quantités d’énergie cinétique présentes dans un écoulement d’air en énergie électrique par l’intermédiaire d’un convertisseur électrostatique. L’énergie électrique convertie est ensuite destinée à alimenter des capteurs autonomes communicants pour le monitoring de structures, le suivi environnemental, le monitoring de santé…Le manuscrit comprend une étude des travaux antérieurs en récupération d’énergie des écoulements d’air, la compréhension physique des phénomènes de conversion électrostatique, de mécanique des fluides et d’aérodynamique à très faibles nombres de Reynolds, ainsi qu’une description des prototypes développés et des résultats expérimentaux obtenus.Les récupérateurs que nous avons développés se divisent en deux grandes catégories : (i) les récupérateurs rotatifs qui transforment l’énergie cinétique de l’air en énergie mécanique de rotation et (ii) les récupérateurs aéroélastiques qui puisent l’énergie cinétique du vent pour produire de l’énergie mécanique par oscillations périodiques. Ces deux types de récupérateurs ont été associés à des convertisseurs électrostatiques dédiés, polarisés par l’ajout d’électrets ou auto-polarisés par triboélectricité. Les récupérateurs d'énergie ont été optimisés et nous avons notamment montré l'intérêt de la conversion électrostatique pour des dispositifs de petites dimensions (quelques cm²) fonctionnant à faible vitesse (<3m/s). Les densités surfaciques de puissance atteignent 5µW/cm2@1m/s pour les récupérateurs rotatifs et de l'ordre de 10µW/cm2@10m/s pour les récupérateurs aéroélastiques. Les micro-générateurs ont finalement été combinés à des circuits de gestion d'énergie pour alimenter des capteurs autonomes communicants, validant la chaine complète de récupération d'énergie, montrant par la même occasion l'intérêt des circuits de gestion d'énergie actifs de type SECE (synchronous electric charge extraction) ou MPP (maximum power point)
This work is enshrined in the energy harvesting context. More specifically, the purpose is to convert small amounts of kinetic energy from airflows into electrical energy through an electrostatic converter. The electrical energy produced is then intended to supply low power sensors for structural health monitoring, environmental follow-up, human monitoring…The manuscript includes an overview of the state of the art on airflow energy harvesting, the physical understanding of electrostatic conversion phenomena, fluid mechanics, ultra-low Reynolds number aerodynamics, a description of the prototypes developed and the results obtained.The harvesters we have developed are divided into two families: (i) the rotational harvesters which transform the kinetic energy of airflows into mechanical energy of rotation and (ii) the aeroelastic harvesters which use wind energy to produce mechanical energy of periodical oscillations. These two types of harvesters have been associated to different electrostatic converters, polarized by the addition of electrets or self-polarized by triboelectricity. The energy harvesters have been optimized and we have demonstrated the benefit of the electrostatic conversion for small devices (a few cm2) operating at low speeds (<3m/s). The power densities reach 5µW/cm2@1m/s for rotational devices and in the range of 10µW/cm2@10m/s for aeroelastic devices. The micro-generators were finally combined with power management circuits to supply autonomous and communicating sensors. This last stage completes the energy harvesting chain and also shows the high benefit of active circuits (synchronous electric charge extraction, maximum power point)

The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac-tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV)proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po-tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancementof proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. Forthat, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sizedproprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody-namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural modeladapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model isdeveloped to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors.In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflectionsin flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adaptsthe structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliabilityof the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic andstructural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to theanalysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptiveproprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades atsingle-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point(combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The proceduresin the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method,based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesiswas directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from themotor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc-cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from theselected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivityof the total power consumption to the variation of value of each motor design variableswas also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bendingon the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed andidentified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor
L’idée principale du travail rapporté ici est d’étudier les effets de l’intéraction fluide-structure (FSI) de pales laminées flexibles pour les proprotors de micro véhicules aériens(MAV) de type tilt-body dans les configurations de vol stationnaire et en avant. Eneffet, le but est d’exploiter les possibilités offertes par les proprotors à pales flexiblespar rapport aux proprotors à pales rigides pour améliorer leur performance dans cesphases de vol. Le modèle FSI a été développé à cet effet. Ce modèle tient compte desproblèmes spécifiques liés aux proprotors de MAV faits de composite laminé. Il com-bine l’adaptation de modèle aérodynamique par la théorie d’élement de pale (BEM) etl’adaptation de modèle structurel par la théorie des éléments finis de poutre anisotropes(AFEM). Le modèle aérodynamique est développé pour être capable de s’adapter àl’analyse des proprotors à bas nombres de Reynolds. Dans le modèle structural, la paleest modélisée comme une poutre élastique subissant des déviations dans la flexion, latraction et la torsion afin de capturer les effets de couplage de matériaux anisotropes.Il adapte l’analyse structurale des pales du proprotor faites de composite laminé. Lafiabilité du modèle FSI développé est vérifiée à travers une validation par modèles aéro-dynamique et structural, séparément, sur plusieurs proprotors de MAV. Afin de se dirigervers une analyse de pales de proprotors à adaptation passive , une recherche de designoptimal a été effectuée pour des proprotor à adaptation active. Pour cela, un programmepour la conception de pales rigides optimales à un unique point de fonctionnement (soitle vol de croisière soit le vol stationnaire) et à plusieurs points (combinant croisière etvol stationnaire) ont été développés. Les procédures du programme de design optimalemploient les mèthodes de design inverse par itération numérique, sur la base de pertesde poussée induites minimales (MIL). Même si le travail dans cette thèse a été dirigéprincipalement vers le proprotor, la partie moteur du système de propulsion n’a pasété négligée puisque l’efficacité de la propulsion est un facteur crucial pour le succès desMAVs. Une méthode simple et rapide de sélection du meilleur moteur parmi les moteurscommerciaux choisis est élaborée sur la base de la méthode de Taguchi. La sensibilitéde la consommation d’énergie totale à la variation de la valeur de chaque variable deconception du moteur a été étudiée. Le bénéfice de l’utilisation de la charge à la pointe de la pale et l’effet de la flexion sur la torsion induite et sur la dégradation de la poussée respectivement ont aussi été analysés et identifiés. Enfin, les proprotors à pales flexibles conçues systématiquement ont été évalués dans des conditions de fonctionnement stables. Performances en vol stationnaire et performances croisière propulsive, caractérisées par la puissance totale Ptotal ont été comparées entre les proprotors à pales rigides et à pales flexibles. En tant que résultat de la comparaison, les proprotors à pales flexibles s’avère capable d’améliorer légèrement les performances par la réduction de la Ptotal surson optimal proprotors à pales rigides

Dans le but d'apporter une contribution aux connaissances existantes sur les actions hydrodynamiques exercées sur une particule sphérique en translation et rotation dans un écoulement cisaillé, on propose, en régime stationnaire, une étude numérique de l'influence de l'effet combiné de la rotation de la sphère et du gradient de vitesse sur la portance, la trainée et le couple. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par une technique de type volumes finis basée sur une procédure de correction de pression. Le code de calcul est validé par des tests effectués d'une part à petits nombres de Reynolds, en comparant avec les résultats théoriques de Saffman (1965) et de McLaughlin (1991) pour le cas d'un écoulement cisaillé, et d'autre part à des nombres de Reynolds plus élevés en comparant avec les résultats numériques ou expérimentaux existant dans la littérature pour le cas d'un écoulement uniforme. L’étude est limitée aux nombres de Reynolds Rep inferieurs à 20. Les résultats obtenus apportent des informations originales, en particulier sur le couple, qui n'a jamais été étudié dans la gamme des nombres de Reynolds dépassant l'unité. Une loi décrivant la variation du coefficient de couple en fonction des paramètres Rep,ω+ (vitesse de rotation adimensionnelle) et X+ (gradient de vitesse adimensionnel) est finalement proposée.

Les micro-nageurs robotiques permettent d'effectuer des opérations à petite échelle telles que l'administration ciblée de médicaments et la chirurgie peu invasive. En raison de la difficulté de miniaturiser des sources d'énergie internes, les méthodes d'actionnement externes sont préférables aux sources intégrées, une stratégie populaire étant l'aimantation du nageur ou d'une de ses parties et son actionnement avec des champs magnétiques externes. L'étude qui suit se concentre sur les micro-nageurs magnétiques flexibles qui imitent les cellules flagellées commeles spermatozoïdes dans leur conception et leur mode de locomotion. Le but decette thèse est d'appliquer des outils numériques de modélisation et de contrôle optimal aux nageurs expérimentaux de l'Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique (ISIR) afin d’améliorer leur contrôle et de fournir une méthode numérique pour la conception de commandes pour les micro-nageurs flexibles. La première étape de cette thèse a été le développement d'un modèle dynamique simplifié d'un nageur magnétique flexible en trois dimensions, basé sur une approximation des forces hydrodynamiques et sur la discrétisation de la courbure et de l'élasticité du flagelle. Une identification des paramètres hydrodynamiques et élastiques du modèle permet d'avoir un nageur simulé qui présente les mêmes caractéristiques de propulsion (notamment la réponse fréquentielle du nageur) que celles mesurées expérimentalement. La seconde étape a été d'utiliser le modèle développé pour la résolution numérique du problème de contrôle optimal consistant à de trouver le champ magnétique qui maximise la vitesse de propulsion du nageur sous des contraintes sur la commande reflétant les contraintes physiquement imposées au champ magnétique. La dernière étape a été l'implémentation des champ magnétiques calculés dans le dispositif expérimental de l'ISIR et l'étude de leur performances expérimentales ainsi que de la capacité du modèle à prédire la trajectoire du nageur
Robotic micro-swimmers are able to perform small-scale operations such astargeted drug delivery, and minimally invasive medical diagnosis and surgery.However, efficient actuation of these robots becomes more challenging as their size decreases. Hence, wireless actuation is preferable over built-in actuation sources, one of the most popular strategies is the magnetization of parts of the swimmer and its actuation with an external magnetic field. In this thesis, we focus on flexible magnetic micro-swimmers that are similar to spermatozoa in their design and flagellar propulsion. Our goal is to use numerical modeling and optimal control tools to improve the performance of existing swimmers made at the ISIR laboratory (Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique) and to propose a numerical control design method for experimental flexible micro-swimmers.Firstly, a simplified 3D dynamic model of a flexible swimmer has been developed, based on the approximation of hydrodynamic forces and the discretization of the curvature and elasticity of the tail of the swimmer. By fitting the hydrodynamic and elastic parameters of our model accordingly, we are able to obtain propulsion characteristics (mainly the frequency response of the swimmer) close to those experimentally measured. Secondly, we numerically solve the optimal control problem of finding the actuating magnetic fields that maximize the propulsion speed of the experimental swimmer under constraints on the control that reflect the constraints physically imposed on the magnetic field. The optimal magnetic fields found via numerical optimization are then implemented in the ISIR experimental setup in order to benchmark the experimental performance of the computed controls and the ability of the model to predict the trajectories of the experimental swimmer

Ce mémoire contribue à l'étude des interactions hydrodynamiques particules-paroi dans un écoulement à faible nombre de Reynolds. Divers écoulements de Stokes axisymétriques sont calculés pour une sphère proche d'une paroi plane. On utilise ensuite les techniques de perturbation pour déterminer les forces hydrodynamiques : la force de traînée visqueuse inertielle et instationnaire pour le mouvement d'une sphère normal à une paroi plane, la force de portance pour une sphère en mouvement parallèle à une paroi dans différents écoulements ambiant, sans aucune restriction sur la distance séparant la sphère et la paroi. En régime de lubrification, on apporte également des corrections aux approximations des vitesses et pression du fluide dans le cas où la sphère sédimente perpendiculairement à la paroi
This work contributes to the study of hydrodynamic interactions between particles and wall in low Reynolds number fluid flow. Various axisymetric Stokes flows are calculated for a sphere near a plane wall. Perturbation techniques are then used to determine hydrodynamic forces, namely the viscous inertial unsteady drag force for the motion of a sphere normal to a plane wall and the lift on a sphere moving parallel to a plane wall in various ambient flow fields; regardless of the sphere to wall distance. In the lubrication regime, corrections are also derived for the approximated fluid velocity and pressure around a sphere settling normal to a wall

La modelisation statistique en un point d'ecoulements turbulents incompressibles constitue le cadre de ce travail.

Dans un premier temps, l'etude du comportement de modeles homogenes classiques de type Rij-epsilon a ete effectuee pour des ecoulements soumis a des effets de rotation. Cette etude a permis de s'interesser plus particulierement a la modelisation du tenseur des correlations pression-deformation et de discuter des contraintes d'objectivite, de realisabilite, et de verification des etats limites de distorsions rapides. Les modeles choisis ont ete testes sur des ecoulements homogenes classiques et compares a des resultats de simulation directe. Les difficultes de prediction des
ecoulements fortement rotationnels par ces formulations classiques ont conduit au developpement d'un modele homogene base sur l'equation de transport du tenseur des correlations pression-deformation, dont l'expression est deduite d'une description spectrale de la turbulence. Ce modele necessite la fermeture de trois termes, correspondant au tenseur des taux de dissipation et aux termes lent et rapide de l'equation d'evolution du tenseur de Reynolds. Ses performances ont ete comparees aux modeles classiques dans les cas homogenes precedents et pour des ecoulements de distorsions rapides. Les comparaisons ont montre notamment un meilleur comportement du terme rapide de ce modele par rapport aux formulations classiques.



La prise en compte des effets de paroi constitue la deuxieme partie du travail de these. Trois modeles du second ordre bas-Reynolds ont ete appliques au cas du canal plan etabli. Les comportements asymptotiques des modeles ont ete compares a l'aide de developpements de Taylor au voisinage des parois et de resultats de simulation directe. L'extension du modele developpe precedemment pour
des ecoulements homogenes a egalement ete effectuee dans le cas du canal plan.

Le niveau inhabituel de la fermeture proposee rend difficile son application a des configurations tridimensionnelles. La derniere partie de ce travail est par consequent consacree a la validation de fermetures bas-Reynolds classiques, dans le cas d'ecoulements en geometrie complexe. Le comportement de l'un des modeles du second ordre etudie precedemment dans le cas du canal plan est valide sur un cas test tridimensionnel caracterise par un tourbillon longitudinal intense.

La clairance mucociliaire est un processus physico-chimique qui sert à transporter et éliminer le mucus bronchique. Pour cela, des milliards d'appendices de taille micrométrique, que l'on nomme cils, recouvrent l'épithélium respiratoire. Ces cils propulsent le mucus en suivant un motif périodique comprenant une phase de poussée où leur pointe peut pénétrer dans le mucus, et une phase de récupération où ils sont totalement immergés dans le fluide périciliaire. Un dysfonctionnement de ce processus peut engendrer de nombreux problèmes de santé. Il a été observé expérimentalement que les cils ne battent pas aléatoirement, mais synchronisent leurs battements avec leurs voisins, formant ainsi des ondes métachronales. Toutefois, les observations in vivo sont extrêmement difficiles à réaliser, et les propriétés de ces ondes restent mal connues. Dans cette thèse, nous utilisons un solveur Lattice Boltzmann - Frontière Immergée afin de reproduire un épithélium bronchique et étudier l'émergence, ainsi que les capacités de transports et de mélanges, de ces ondes
The mucociliary clearance process is a physico-chemical process which aims is to transport and eliminate bronchial mucus. To do so, billions of micro-sized appendages, called cilia, cover the respiratory epithelium. These cilia propel the mucus by performing a periodical pattern composed of a stroke phase where their tips can enter the mucus layer, and a recovery phase where the cilia are completely immersed in the periciliary liquid layer. A failure of this process may induce numerous health problems. It has been experimentally observed that cilia do not beat randomly, but instead adapt their beatings accordingly to their neighbours, forming metachronal waves. However, in vivo observations are extremely difficult to perfom, and the properties of these waves remain poorly understood. In this thesis, we use a Lattice Boltzmann - Immersed Boundary solver to reproduce a bronchial epithelium and study the emergence, as well as the transport and mixing capacities, of these waves

Ce travail porte sur l'etude des ecoulements turbulents en convection mixte. La premiere partie de ce travail fut consacree a la comparaison des couches limites de convection forcee et de convection naturelle. Nous avons pu montrer que ces deux ecoulements etaient fort differents, meme en proximite de paroi, tant sur les profils de grandeurs moyennes et les grandeurs fluctuantes que sur les transferts energetiques. Dans un deuxieme temps, nous avons calcule un ecoulement de convection mixte dans un canal vertical avec une paroi chaude et une froide. Pour cela, nous avons developpe un code unidimensionnel qui permet de calculer les profils etabli de cet ecoulement. Pour modeliser la turbulence, nous avons utilise un modele k- bas reynolds developpe par nagano et al. (celui-ci ayant donne les meilleurs resultats en convection forcee). Les resultats obtenus confirment ceux experimentaux de nakajima et al. . On observe une augmentation de l'intensite de la turbulence du cote de la paroi froide et inversement du cote de la paroi chaude. La principale conclusion porte sur les lois de paroi generalement utilisee en ecoulements turbulents. Ces lois de paroi de convection forcee paraissent inadequates pour resoudre des ecoulements avec forces de volume. En consequence, une etude experimentale sur l'etude de la turbulence en convection mixte semble necessaire afin d'obtenir une base de donnees detaillee pour developper des nouveaux modeles

Nous etudions la filtration en milieu poreux de fluides newtoniens en utilisant la theorie d'homogeneisation des structures periodiques. Dans un premier temps nous rappelons les resultats obtenus grace a la methode dans les cas de l'ecoulement stationnaire de fluides incompressibles ou compressibles, et de l'acoustique de fluides incompressibles. Dans le premier cas, la filtration est decrite par la loi de darcy, la compressibilite etant prise en compte dans le bilan de masse. Dans le second cas, la loi macroscopique est une loi de darcy generalisee: le tenseur de permeabilite est a valeur complexe et depend de la frequence. Nous etendons ensuite notre etude a la recherche d'une correction faiblement non lineaire a la loi de darcy, le nombre de reynolds re microscopique etant suppose petit. L'ecoulement est suppose stationnaire et le fluide incompressible. Le nombre de reynolds microscopique est pris re=0(). En appliquant les resultats aux filtrations unidirectionnelles, la loi macroscopique est une loi cubique sans terme quadratique. On retrouve le meme terme cubique auquel est adjoint un terme du type (v. Grad)v dans le cas d'un milieu isotrope et homogene. Lorsque re0(), le terme cubique n'apparait pas et lorsque 0()re1, on obtient le terme cubique seul. Finalement, nous effectuons une etude experimentale ainsi qu'un calcul numerique sur un modele monodimensionnel. Les deux etudes portent sur un nombre de reynolds local allant de 0 a 150. Il existe une bonne correspondance entre les resultats numeriques et experimentaux. Ces resultats confirment la loi cubique

Etude experimentale des proprietes de quelques corps poreux consolides ou non et de l'ecoulement autour et au travers de trois coques cylindriques poreuses. Etude theorique et numerique de l'ecoulement confine pour differentes conditions de raccordement. Etude par le calcul et l'experience de l'ecoulement lent au travers de milieux poreux representes par differentes structures de treillis de cylindres et regi par les lois de stokes et de brinkman. Mise en evidence de zones de recirculation dans ces milieux