Дисертації з теми "Performances aérodynamiques"

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

Les turbines à axe vertical attirent de plus en plus l'attention dans le secteur de la production d'énergie éolienne et hydrolienne. Ce concept de turbine possède quelques avantages intéressants par rapport aux turbines à axe horizontal qui sont déjà bien établies dans le domaine éolien. En fait, des travaux récents ont suggéré que les turbines à axe vertical pourraient être favorablement utilisées dans un contexte de déploiement en parc de turbines. Par contre, cette technologie est relativement jeune et davantage de travaux de recherche et développement sont nécessaires afin d'évaluer pleinement leur potentiel en vue d'une utilisation en parc. En effet, il faut mieux caractériser les performances de ces turbines, trouver des moyens d'améliorer leur efficacité aérodynamique et comprendre les différents mécanismes physiques affectant la ré-énergisation de leur sillage afin de tirer des conclusions éclairées quant à leur éventuelle utilisation dans un parc éolien ou hydrolien. Dans ce contexte, la présente thèse vise à étudier l'impact de deux considérations de design sur l'efficacité et sur le sillage des turbines à axe vertical : l'utilisation de plaques de bout détachées et l'effet des bras de support des pales. Dans un premier temps, l'effet des plaques de bout détachées sur les performances et sur le sillage d'une turbine à axe vertical est étudié. Une plaque de bout détachée consiste en une mince plaque fixe située très près du bout des pales de la turbine, mais sans être en contact avec ces dernières. À l'aide de simulations numériques (CFD), deux géométries de plaques de bout détachées sont simulées sur une turbine à axe vertical : une géométrie circulaire et une en forme de demi-anneau. Les résultats obtenus démontrent que ces deux géométries de plaques de bout détachées permettent d'améliorer considérablement l'efficacité de la turbine à axe vertical considérée. Cette augmentation s'explique principalement par l'interaction visqueuse qui se forme entre les pales de la turbine et les plaques debout détachées. Cette interaction cause une hausse de la circulation et de la portance près du bout des pales, ce qui entraîne une augmentation de la puissance extraite de l'écoulement. En ce qui a trait au sillage, il est également démontré que l'utilisation de plaques de bout détachées en forme de demi-anneau permet d'accélérer la récupération de vitesse derrière la turbine à axe vertical considérée. L'interaction visqueuse entre les pales de la turbine et les plaques de bout détachées en forme de demi-anneau est favorable à l'induction de vitesse dans la direction de l'envergure des pales dans le sillage de la turbine, et cette induction de vitesse est bénéfique à la ré-énergisation du sillage. Pour cette raison, la récupération de vitesse dans le sillage d'une turbine avec de telles plaques de bout détachées est plus rapide que dans le sillage d'une turbine de référence (sans plaques de bout détachées). Dans un second temps, toujours à l'aide de simulations numériques, l'effet du design et du positionnement des bras de support servant à soutenir les pales de la turbine à axe vertical est étudié. Les résultats démontrent que des bras de support placés au bout des pales sont moins nuisibles à l'efficacité de la turbine que des bras placés à d'autres positions intermédiaires le long de l'envergure. De plus, il est montré que l'utilisation d'une jonction arrondie entre les pales et les bras de support permet d'augmenter l'efficacité des turbines de manière très importante. En fait, l'utilisation de telles jonctions arrondies permet de réduire l'énergie cinétique des tourbillons de bout de pales, et donc, de diminuer considérablement leur traînée induite. Ainsi, ces jonctions arrondies aident à uniformiser l'écoulement le long des pales de la turbine et à atteindre des valeurs d'efficacité très intéressantes. Concernant le sillage, la position des bras de support affecte la distribution spatiale de la vorticité qui est éjectée dans ce dernier. Les résultats présentés démontrent que des bras de support situés au bout des pales sont légèrement nuisibles à la récupération de vitesse par rapport à des bras de support situés à d'autres positions intermédiaires le long de l'envergure de la turbine. Toutefois, en raison de l'augmentation significative d'efficacité, l'utilisation de bras de bout de pales à jonctions arrondies demeure une option très intéressante pour les turbines à axe vertical.
Vertical-axis turbines have gained increasing attention in the wind and hydrokinetic energy sectors in recent years. This type of turbine has several interesting advantages over the well-established horizontal-axis wind turbine concept and recent works have suggested that vertical-axis turbines could be favorable for applications in turbine farms. However, this technology is relatively young and more research and development is needed to fully assess their potential in turbine farms. Indeed, it is crucial to better characterize the performance of vertical-axis turbines, find ways to improve their aerodynamic efficiency and understand the different physical mechanisms affecting their wake recovery in order to draw informed conclusions about their eventual use in wind farms and hydrokinetic turbine farms. In this context, the present thesis aims at studying the impact of two design considerations on the efficiency and on the wake recovery of vertical-axis turbines: the use of detached end-plates and the effect of the blade support structures.Firstly, the effect of detached end-plates on the performance and on the wake recovery of a vertical-axis turbine is investigated. A detached end-plate consists of a thin stationary plate that is located very close to the tips of the turbine blades, but not in contact with them. Using numerical simulations (CFD), two geometries of detached end-plates are simulated on a vertical-axis turbine: a circular geometry and a semi-annular one. The results show that these two geometries of detached end-plates allow to significantly increase the efficiency of the vertical-axis turbine considered. The efficiency enhancement can be explained by the viscous interaction that takes place between the turbine bladesand the detached end-plates. This interaction increases the circulation and the lift near the blade tips,which also increases the power extracted from the flow. Regarding the wake, it is shown that the use of semi-annular detached end-plates leads to a faster velocity recovery downstream of the vertical-axis turbine considered. The viscous interaction between the blades and the semi-annular detached end-plates is favorable to the velocity that is induced in the spanwise direction in the turbine wake, and this velocity induction is beneficial to the wake re-energization. Consequently, the velocity recovery in the wake of the turbine with semi-annular detached end-plates is faster than that in the wake of the reference turbine (without detached end-plates).Secondly, always using numerical simulations, the effect of the design and of the position of the blade support structures (i.e., the struts) is investigated on a vertical-axis turbine. The results show that the struts are less detrimental to the turbine efficiency if they are located at the tips of the turbine blades, rather than at other intermediate positions along the blade span. Moreover, it is shown that the use of rounded blade-strut junction geometries allows to increase the turbine efficiency very significantly. Indeed, the use of rounded blade-strut junctions reduces the kinetic energy of the blade tip vortices, and thus, decreases the induced drag considerably. Therefore, rounded blade-strut junctions help to obtain a flow that is essentially two-dimensional over a significant portion of the turbine blades and they also help to reach very interesting efficiency values. Regarding the wake recovery, the position of the struts along the blade span affects the spatial distribution of the vorticity shed in the turbine wake.The results show that struts located at the blade tips are slightly detrimental to the wake recovery incomparison with struts located at other intermediate positions along the blade span. However, because of the significant increase in efficiency, the use of rounded tip struts remains a very interesting option for vertical-axis turbines.

Les inhalateurs à poudre sèche (DPI) sont une alternative attractive aux inhalateurs pressurisés à valve doseuse (pMDI) du fait de leur absence de gaz propulseur. Pour pénétrer dans les poumons profonds, la taille optimale du principe actif est généralement inférieure à 5 μm. Leur mélange avec un transporteur de taille plus importante, principalement le lactose alpha monohydrate, est classiquement utilisé pour améliorer leur écoulement, faciliter le remplissage dans les inhalateurs et améliorer leur dispersion. Cependant, la formulation et la production des mélanges de poudres pour inhalation demandent une optimisation adéquate pour des-agglomérer les particules cohésives de principe actif et assurer l'homogénéité de ces mélanges contenant un faible pourcentage de principe actif (1,5 à 2,5 %). De plus, l'amélioration de la performance aérodynamique de ces mélanges est nécessaire. Le contrôle des propriétés physico-chimiques du principe actif et du transporteur est critique pour atteindre et maintenir la qualité de la formulation des poudres pour inhalation. Dans cette étude, le lactose alpha monohydrate est utilisé comme transporteur. Des lactoses de grade et de qualité différents sont comparés. Le propionate de fluticasone et le sulfate de terbutaline sont utilisés comme principes actifs modèles. Différentes techniques sont utilisées pour caractériser les principes actifs et les transporteurs: la distribution granulométrique mesurée par la méthode de diffraction laser, les propriétés thermiques par la méthode de calorimétrie (DSC), l'analyse d'image par microscopie électronique à balayage (MEB), l'énergie de surface par la méthode de chromatographie gazeuse inverse (iGC)...Le mélange principe actif et transporteur est réalisé grâce au mélangeur type Turbula, l'influence des conditions opératoires a été étudiée. La performance aérodynamique est évaluée par l'impacteur à cascade en verre (Pharmacopée Européenne). Nous avons développé des techniques de caractérisation des mélanges : l'évaluation de l'adhésion par le tamiseur à dépression d'air, la perméabilité des poudres mesurée par le perméabilimètre de Blaine ; la taille des agglomérats de principe actifs déterminée par la méthode de diffraction laser en milieu liquide. Enfin, les propriétés rhéologiques de poudre et en particulier sa fluidisation sont évaluées par un nouveau rhéomètre, le Freeman FT4. La taille des particules de transporteur exerce une influence importante sur la performance des mélanges pour inhalation. La réduction de taille du transporteur diminue les interactions entre le principe actif et le transporteur. Le détachement du principe de son transporteur est ainsi facilité ce qui augmente le pourcentage de principe actif susceptible de pénétrer dans les poumons c'est-à-dire la fraction respirable de principe actif. Différents grades et qualités de lactose de répartition granulométrique similaire mais obtenus par différentes méthodes de production ont été étudiés et comparés. Ces lactoses différaient essentiellement par le procédé de préparation (broyage ou tamisage) et la teneur en fines particules de lactose. Le lactose broyé présente un potentiel d'adsorption mesuré par iGC supérieur à celui du lactose tamisé et sa teneur en fines particules de lactose est plus importante. Les fines particules de lactose peuvent former des agglomérats avec les particules de principe actif ce qui permet une libération plus facile du principe actif lors de la fluidisation car les forces d'adhésion entre ces particules sont moins importantes. Les mélanges ayant une teneur en fines particules de lactose plus importante permettent d'obtenir une fraction respirable de principe actif supérieure lors de l'évaluation aérodynamique du mélange. Dans ce cas, le pic maximal déterminé par iGC est décalé vers les valeurs supérieures de potentiel d'adsorption ce qui est en accord avec l'hypothèse d'agglomération. [...]

Les compétitions de BMX se déroulent sur une piste spécifique de 300-400 m parsemée de bosses et de virages avec un départ sur plan incliné. Les vitesses atteintes par les pilotes peuvent être supérieures à 70 kmh-1 quelques secondes après le départ. Peu d’études scientifiques ont été consacrées aux paramètres liés à la performance en BMX. Néanmoins une étude a montré que la phase de départ était primordiale et que la puissance maximale musculaire était un des principaux facteurs de la performance lors de cette phase. L’objectif de cette thèse est d’étudier les déterminants de la performance dans cette discipline à partir de deux paramètres essentiels : la production de puissance musculaire des membres inféieurs et une variable de l’aérodynamisme, l’aire frontale projetée. Dans un premier temps, l’étude de la production de puissance musculaire des membres inférieurs au cours de tests de sprints sur cyclo-wattmètre et d’exercices de ½ Squat chez des cyclistes sur route et des pilotes de BMX a montré que l’aire de section musculaire et la force maximale étaient des indicateurs de la performance pour des sprints courts (~ 6-30s). La comparaison des profils musculaires inertiels à des athlètes de force a montré que les pilotes de BMX produisaient une puissance maximale à des charges relatives faibles et qu’il était nécessaire d’augmenter la puissance produite à des charges élevées. Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode de terrain pour la mesure de l’aire frontale projetée en cyclisme a été testée, elle est reproductible et valide en comparaison aux méthodes de pesage des photographies et de digitalisation. Cette méthode a permis de mesurer l’aire frontale projetée de pilotes de BMX lors de sprints de 80 m. Ces sprints ont permis de mettre en évidence l’importance de la puissance maximale, de l’aire frontale projetée et de la cadence moyenne de pédalage sur la performance chronométrique, et la nécessité de trouver un braquet optimal pour diminuer la différence entre la cadence moyenne et la cadence optimale. Pour optimiser la performance en compétition chez les pilotes de BMX, il apparait nécessaire : i) de suivre un entraînement en musculation pour augmenter la masse musculaire et la force maximale des membres inférieurs ; ii) d’adapter le braquet selon le niveau des pilotes ; et iii) d’optimiser l’aire frontale projetée selon les phases de course. Des solutions sont proposées dans cette thèse
The BMX competitions take place on a specific track of 300-400 m with bumps and turns, and with a downhill start. The displacement velocity reached by the riders may be greater than 70 kmh-1 a few seconds after the start. Few scientific studies focused to the parameters related to the performance in BMX. Nevertheless, a study showed that the starting phase was capital and that the maximum muscle power was a major contributor to performance during this phase. The aim of this thesis is to study the determinants of performance in this sport in focusing on two main parameters: the muscular power output of the lower limbs and a variable of aerodynamics, the projected frontal area. Firstly, the study of the muscular power output in lower body during sprints on a cycle ergometer and a ½ Squat among road cyclists and BMX riders showed that the muscle cross-sectional area and maximal muscle strength were indicators of performance for all-out sprints (~ 6-30s). A comparison of muscular inertial profiles has shown that BMX riders produced a maximal power output with relative light loads and it was necessary to increase muscular power output at heavy loads. Secondly, a new field method for measuring the projetcted frontal area in cycling has been tested. This method is reproducible and valid in comparison to the methods of weighing photographs and digitization. This method was used to measure the projected frontal area of BMX riders during 80 m sprints. These sprints allowed to highlight the importance of the maximal power, the projected frontal area and the average pedaling rate on the chronometric performance and the need to find an optimal gear to decrease the difference between the average pedaling rate and the optimal pedaling rate. To optimize the performance in competition among the BMX riders, it seems necessary: i) to follow a resistance training to increase muscle mass and muscle maximal strength of the lower limbs; ii) to adjust the gear ratio depending on the riders; and iii) to optimize the projected frontal area for some phases of the race. Solutions are proposed in this thesis

Les satellites sont mis en orbite en utilisant des lanceurs dont la conception est une des activités principales d’Airbus Defence and Space. Pour ce faire, se baser sur des expériences n’est pas facile : les souffleries ne permettent pas d’évaluer toutes les situations auxquelles un lanceur est confronté au cours de sa mission. La simulation numérique est donc essentielle pour l’industrie spatiale. Afin de disposer de simulations toujours plus fidèles, il est nécessaire d’utiliser des supercalculateurs de plus en plus puissants. Cependant, ces machines voient leur complexité augmenter et pour pouvoir exploiter leur plein potentiel, il est nécessaire d’adapter les codes existants. Désormais, il semble essentiel de passer par des couches d’abstraction afin d’assurer une bonne portabilité des performances. ADS a développé depuis plus de 20 ans le code FLUSEPA qui est utilisé pour le calcul de phénomènes instationnaires comme les calculs d’onde de souffle au décollage ou les séparations d’étages. Le solveur aérodynamique est basé sur une formulation volume fini et une technique d’intégration temporelle adaptative. Les corps en mouvement sont pris en compte via l’utilisation de plusieurs maillages qui sont combinés par intersections.Cette thèse porte sur la parallélisation du code FLUSEPA. Au début de la thèse, la seule version parallèle disponible était en mémoire partagée. Une première version parallèle en mémoire distribuée a d’abord été réalisée. Les gains en performance de cette version ont été évalués via l’utilisation de deux cas tests industriels. Un démonstrateur du solveur aérodynamique utilisant la programmation par tâche au dessus d’un runtime a aussi été réalisé
There are different kinds of satellites that offer different services like communication, navigationor observation. They are put into orbit through the use of launchers whose design is oneof the main activities of Airbus Defence and Space. Relying on experiments is not easy : windtunnel cannot be used to evaluate every critical situation that a launcher will face during itsmission. Numerical simulation is therefore mandatory for spatial industry.In order to have more reliable simulations, more computational power is needed and supercomputersare used. Those supercomputers become more and more complex and this impliesto adapt existing codes to make them run efficiently. Nowadays, it seems important to rely onabstractions in order to ensure a good portability of performance. Airbus Defence and Spacedeveloped for more than 20 years the FLUSEPA code which is used to compute unsteady phenomenalike take-off blast wave or stage separation. The aerodynamic solver relies on a finitevolume formulation and an explicit temporal adaptive solver. Bodies in relative motion are takeninto account through the use of multiple meshes that are overlapped.This thesis is about the parallelization of the FLUSEPA code. At the start of the thesis,the only parallel version available was in shared memory through OpenMP. A first distributedmemory version was realized and relies on MPI and OpenMP. The performance improvementof this version was evaluated on two industrial test cases. A task-based demonstrator of theaerodynamic solver was also realized over a runtime system

Les avions rencontrent de nombreuses conditions d’opérations au cours de leurs vols, comme le nombre de Mach, l’altitude et l’angle d’attaque. Leur prise en compte durant la conception améliore la robustesse du système et finalement la consommation des flottes d’avions. L’optimisation de formes aérodynamiques contribue à la conception des avions, et repose sur l’automatisation de la génération de géométries ainsi que la simulation numérique de la physique du vol. La minimisation de la trainée des formes aérodynamiques doit prendre en compte de multiples conditions d’opération, étant donne que l’optimisation a une unique condition de vol mène a des formes dont la performance se dégrade fortement quand cette condition de vol est perturbée. De plus, la flexibilité structurelle déforme les ailes différemment selon la condition de vol, et doit donc être simulée lors de telles optimisations. Dans cette thèse, la minimisation de la consommation de carburant au cours d’une mission est formulée en problème d’optimisation. Une attention particulière est apportée au choix des conditions d’opérations à inclure dans le problème d’optimisation, étant donne que celles-ci ont un impact majeur sur la qualité des résultats obtenus, et que le cout de calcul est proportionnel à leur nombre. Un nouveau cadre théorique est proposé pour adresser cette question, offrant un point de vue original et surmontant des difficultés révélées par les méthodes a l’état-de-l’ art en matière de mise en place de problèmes d’optimisation multipoints. Un algorithme appelé Gradient Span Analysis (GSA), est proposé pour automatiser le choix des conditions d’opération. Il est base sur la réduction de dimension de l’espace vectoriel engendre par les gradients adjoints aux différentes conditions de vol. Des contributions de programmation a la chaine d’optimisation ont permis d’évaluer les méthodes aux optimisations du profil académique RAE2822 et de la configuration voilure-fuselage XRF-1, représentative des avions de transport modernes. Alors que les formes résultant d’optimisation mono-point présentent de fortes dégradations de performance hors du point de conception, les optimisations multipoints adéquatement formulées fournissent de bien meilleurs compromis. Il est finalement montre que les interactions fluide-structure ajoutent de nouveaux degrés de liberté, et ont un impact sur les optimisations en de multiples conditions de vol, ouvrant des perspectives en matière d’adaptation passive de forme
An aircraft encounters a wide range of operating conditions during its missions, i.e. flight altitude, Mach number and angle of attack, which consideration at the design phase enhances the system robustness and consequently the overall fleet consumption. Numerical optimization of aerodynamic shapes contributes to aircraft design, and relies on the automation of geometry generation and numerical simulations of the flight physics. Minimization of aerodynamic shapes drag must take into account multiple operating conditions, since optimization at a single operating condition leads to a strong degradation of performance when this operating condition varies. Besides, structural flexibility deforms the wings differently depending on the operating conditions, so has to be simulated during such optimizations. In the present thesis, the mission fuel consumption minimization is formulated as an optimization problem. The focus is made on the choice of operating conditions to be included in the optimization problem, since they have a major impact on the quality of the results, and the computational cost is proportional to their number. A new theoretical framework is proposed, overcoming and giving new insights on problematic situations revealed by state-of-the-art methods for multipoint optimization problem setup. An algorithm called Gradient Span Analysis is proposed to automate the choice of operating conditions. It is based on a reduction of dimension of the vector space spanned by adjoint gradients obtained at the different operating conditions. Programming contributions to the optimization chain enabled the evaluation of the new method on the optimizations of the academic RAE2822 airfoil, and the XRF-1 wing-body configuration, representative of a modern transport aircraft. While the shapes resulting of single-point optimizations present strong degradations of the performance in off-design conditions, adequately formulated multi-Machmulti- lift optimizations present much more interesting performance compromises. It is finally shown that fluid-structure interaction adds new degrees of freedom, and has consequences on multiple flight conditions optimizations, opening the perspective of passive shape adaptation

Ce travail de thèse s’est déroulé dans le cadre d’une convention CIFRE entre mon laboratoire de rattachement C3S (EA4660) et le département Recherche et Développement (R&D) de l’équipe cycliste professionnelle FDJ. Les différentes études que nous avons conduites se sont articulées autour de l’amélioration de la performance sportive chez le cycliste à travers une variable centrale qui est la puissance mécanique qu’il développe lors de la locomotion (Pméca) selon deux axes principaux : 1) l’évaluation et le suivi du potentiel physique avec pour but l’amélioration du processus d’entraînement et 2) l’optimisation de l’interface homme – machine à partir de l’analyse du matériel et des équipements utilisés par les cyclistes dans l’équipe FDJ
This thesis has been completed as part of a CIFRE agreement between the laboratory C3S(EA4660) and the Research and Development (R&D) department of the FDJ professionalcycling team. The various studies that we conducted centred on analysing sport performanceoptimisation in cyclists through a central variable: the mechanical power output (PO)developed during locomotion. There were two main areas of focus: 1) evaluation andmonitoring of physical potential, with the aim of improving the training process, and 2)optimisation of the human–machine interface via analysis of the materials and equipmentused by the FDJ team cyclists

Ce travail contribue a la mise en uvre d'un dispositif de controle actif de debits pulses etant a l'origine de bruits en basses frequences. L'application des equations de la mecanique des fluides aux ecoulements instationnaires en conduite mene en effet a une relation entre les fluctuations de debit et une perte de charge dont l'evolution instantanee peut conduire a l'annulation des fluctuations periodiques. L'objet de cette etude est alors de comprendre et maitriser l'organisation d'un ecoulement traversant une singularite et faire le lien avec la perte de charge. Ce travail, essentiellement experimental, est base sur la velocimetrie par imagerie de particules (piv). Nous avons alors montre la possibilite de former, dans une geometrie de type diffuseur, une zone de recirculation en moyenne et de reguler sa taille qui s'associe directement a la variation de la perte de charge. Dans ce cas, la relation entre structure d'ecoulement moyen et perte de charge est tres nette, mais dans le cas de phenomenes instationnaires et tridimensionnels, cette relation ne peut pas etre etablie. En revanche, lorsque la vanne est de dimension trop reduite et aussi lorsque celle-ci presente des angles trop abrupts, il apparait un phenomene de sillage qui rend alors la maitrise de l'ecoulement impossible. En ce qui concerne le controle actif de debit, nous avons etabli un modele ou l'actionneur est represente par sa loi statique de perte de charge. Celui-ci permet de juger des performances des actionneurs en evaluant en l'occurrence la puissance consommee, l'effet de la distorsion et la charge introduite. Son application au dispositif developpe dans ce memoire montre que des ameliorations sont apportees en termes de consommation d'energie et de charge introduite par rapport a la vanne papillon de reference. Parallelement, des travaux de simulation numerique 2d ont permis de valider un code k dans nos configurations presentant des gradients de pression adverses importants.

Les études conduites au cours de ce travail de thèse ont montré que l’optimisation de la position du cycliste sur son vélo était un élément déterminant de la performance. Nos recherches ont porté sur quatre axes principaux : la conception et la validation d’outils de mesure, l’étude de la position aérodynamique, l’étude de la position assise et enfin l’étude de la position danseuse.L’ensemble des résultats obtenus montrent que la capacité de performance du cycliste peut être améliorée en position aérodynamique en augmentant le ratio entre la puissance mécanique (Pméca) et la surface frontale effective (SCx). Le confort représente également un des principaux facteurs de la performance en contre‑la‑montre (CLM) puisqu’il détermine l’aptitude du cycliste à maintenir sa position au cours du temps. Nos travaux montrent une amélioration du confort avec des semelles orthopédiques, chez les cyclistes affectés par une inégalité de longueur des membres inférieurs (ILMI), liée à une réduction des mouvements du bassin. Une correction orthopédique induit également une augmentation du rendement énergétique (+5,7 %). Ainsi, les cyclistes affectés par une ILMI sont recommandés de la compenser avec des semelles orthopédiques individualisées de façon à améliorer leur performance en CLM. Lors d’une étude préliminaire, nous avons également montré la relation entre les mouvements de la tête et le SCx, c’est pourquoi les cyclistes doivent réduire au maximum ces mouvements afin de minimiser leur SCx et ainsi maximiser leur performance. L’évaluation de la position aérodynamique doit être réalisée en conditions réelles de locomotion, que ce soit pour l’évaluation de S ou de SCx. Le développement de nos deux applications est donc un réel atout pour l’évaluation de la traînée aérodynamique (Ra) de manière individualisée dans les prochaines années puisqu’elles rendent le traitement plus accessible aux entraîneurs. Enfin, bien que nous ayons initié une nouvelle méthodologie d’évaluation de la position aérodynamique en associant numérisation 3D et modélisation numérique de la mécanique des fluides, cette méthode serait plutôt recommandée pour l’individualisation de l’équipement.La position assise peut également être optimisée en augmentant l’indice d’efficacité mécanique (IEM) du cycliste, quel que soit le niveau et le sexe. Cette augmentation de l’IEM passe principalement par une diminution de la force résistante (Fres) dans la phase de montée de la pédale. Malgré tout, le cycliste ne doit pas tirer sur la pédale pour générer un couple propulsif car cette stratégie est contre-productive d’un point de vue énergétique. Il serait intéressant d’étendre notre première étude, établie en laboratoire, sur le terrain pour analyser les adaptations biomécaniques du pédalage des cyclistes aux conditions rencontrées sur le terrain. Les différences observées en laboratoire, sur terrain plat et en montée laissent penser que les cyclistes adaptent leur pédalage selon les conditions dans lesquelles ils évoluent.Enfin, les travaux menés sur la position danseuse montrent que les cyclistes augmentent leur coût mécanique (CM) (+4,3 % en laboratoire vs. +19 % sur le terrain) par rapport à la position assise alors que la consommation d’oxygène reste stable entre les deux positions. Ces pertes mécaniques en position danseuse sont principalement dues à l’augmentation du coefficient de roulement (Cr) due aux oscillations latérales du vélo et donc à la torsion des pneus. Puisque les pertes mécaniques sont plus élevées sur le terrain que sur tapis roulant, d’autres facteurs semblent contribuer à cette différence comme la Ra (~10 W), le matériel utilisé par les cyclistes, le Cr de la route et la technique adoptée. Aussi, la position danseuse induit une augmentation du CM pour maintenir la vitesse de déplacement face aux variations de pente en montée. Les cyclistes sont donc fortement recommandés de réduire l’augmentation du CM en position danseuse comparée à la position assise
The studies conducted during this PhD research showed that optimizing the position of the cyclist on the bicycle is a key factor influencing cycling performance. Our research focused on four main axes: the design and validation of measurement tools, the study of the aerodynamic position, the study of the seated position and the study of the standing position.All the results showed that the performance capacity of cyclists can be improved in aerodynamic position by increasing the ratio between the mechanical power (PO) and the drag area (ACd). Comfort is also a significant factor in time trial (TT) performance as it determines the ability of the cyclist to maintain position over time. Our works show that comfort can be improved via orthopaedic correction in cyclists affected by lower limb length inequality (LLLI) in the TT position, related to a reduction in pelvis movements. The orthopaedic correction also induces an increase in gross efficiency (+5.7%). Thus, this improvement in comfort could increase the PO and/or the amount of time the aerodynamic position can be maintained during a TT. Therefore, cyclists affected by LLLI should compensate LLLI with individualised foot orthotics to improve their TT performance. In a preliminary study, we also showed that there is a relationship between head movements and ACd. Therefore, cyclists should minimise these movements to minimise their ACd and maximise their performance. Aerodynamic position must be evaluated in real cycling locomotion, whether for the evaluation of A or ACd. We have developed two applications that are a real asset for the dynamic evaluation of aerodynamic drag (Ra) as they make the data analysis more accessible to coaches. Finally, although we have initiated a new method to assess ACd in the aerodynamic position by combining 3D scanning and computational fluid dynamics simulation, this method is also recommended for individualisation of cycling equipment.The seated cycling position can also be optimised by increasing the cyclists’ force effectiveness (FE), regardless of practice level or gender. This increase in FE is mainly due to a decrease in resistive force (Fres) during the upstroke phase of pedalling. Nevertheless, the cyclist should not pull on the pedal to generate propulsive torque because this strategy is counterproductive from an energy point of view. It would be interesting to extend our first study, which was set up in a laboratory, to the field to analyse the biomechanical adaptations of cyclists to the real conditions of locomotion. The differences observed in the laboratory, on level ground and over an uphill grade suggest that cyclists adjust their pedalling technique according to the conditions under which they are performing.Finally, studies of the standing cycling position show that cyclists increase their mechanical cost (MC) (+4.3% in the laboratory vs. +19% in the field) compared to the seated position; however, oxygen consumption was similar between the two positions. These mechanical losses (13 W in the laboratory vs. 49 W in the field) in the standing position are mainly due to increased rolling resistance coefficient (Crr), induced by the lateral sways of the bicycle and therefore torsion of the tyres. Because the observed mechanical losses are higher in the field than on the treadmill, other factors could contribute to this difference, such as Ra (~10 W), the equipment used by cyclists, the Crr of the road surface and the technique adopted. Also, the standing position induces an increase in MC to maintain constant speed when faced with uphill slope variations. Cyclists are therefore strongly recommended to reduce the increase of the MC in standing position compared to the seated position. This reduction in mechanical losses can be achieved by decreasing lateral sways and Ra

The need to improve the aerodynamic performance of air vehicles is the origin of intense research on the real-time optimization of the airfoil shape. This real-time optimization can only be achieved by morphing the airfoil using adequate materials and actuators. The object of this thesis is to study smart-material actuators for aerodynamic performance optimization on different time scales (low-frequent and high-frequent actuation). First, the effects of the distinct actuation types, low-frequency large-displacement shape-memory alloy (SMA) and high-frequency low-displacement piezoelectric, on the surrounding flow are analyzed separately using dedicated time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements. The experiments showed the deformation capacity of the SMA technology under realistic aerodynamic loads. Furthermore, it was highlighted that despite the limited actuation frequency the “quasi-static” hypothesis has to be carefully adapted for the Reynolds number range of 200.000. The PIV measurements conducted behind the piezoelectrically actuated trailing edge showed the capacity of the actuator to reduce the shear-layer instability modes. An open-loop optimum actuation frequency of 60 Hz has been identified. Secondly, a hybridization of the two previously studied technologies has been proposed. The implied actuators, SMAs and macro fiber composites (MFCs), have been modelled and the combined actuation capacity has been demonstrated. The designed prototype NACA4412 airfoil has been tested in the S4 wind-tunnel of IMFT and it was shown that the combination of the two technologies allows acting on the shear-layer vortices as well as control the lift.

En ski alpin et quelle que soit la discipline (descente, slalom, géant, ), la dispersion de la performance entre les meilleurs skieurs mondiaux est inférieure au pour-cent. Compte tenu de cette faible variabilité, un problème se pose à l'entraîneur : comment juger du bien fondé d'une stratégie gestuelle par rapport à une autre ? La modélisation s'avère être une solution pertinente. La démarche consiste à établir la corrélation entre des paramètres cinématiques et posturaux observables sur le terrain et chacune des forces intervenant dans l'équation du mouvement du skieur. Dans le cas des stratégies gestuelles mises en œuvre au passage de bosse en ski alpin, la traînée et la portance aérodynamique sont modélisées en fonction de paramètres posturaux (longueur et orientation des segments du skieur) ; la réaction normale du sol et les frottements skis-neige sont modélisés en fonction de la cinématique posturale du skieur (variation d'amplitude du skieur et durée des déploiements). Le poids du skieur est facilement accessible. L'expression des forces appliquées au système skieur-skis étant ainsi connue, l'équation de son mouvement peut être résolue et des simulations peuvent être réalisées. Elles permettent d'estimer l'écart de temps et le déficit de vitesse induits par différentes stratégies gestuelles. De telles simulations trouvent une application dans le domaine de l'entraînement en évaluant l'impact d'une stratégie gestuelle par rapport à une autre sur la performance. Les résultats des simulations, présentés sous la forme de visuels interactifs utilisant la technologie du DVD, permettent aux entraîneurs de montrer aux skieurs l'efficacité relative d'une stratégie gestuelle par rapport à une autre.

L'objectif de la thèse est de traiter quelques thèmes de la Dynamique du Vol par une approche analytique. Cette approche constitue un complément pertinent de l'approche numérique. C'est un outil d'analyse rapide et physique des phénomènes particulièrement utile, notamment : Au stade de pré-développement en phase conceptuelle - rapidité des calculs ; Pour cerner rapidement les axes pertinents de recherche - outil d'aide à la décision ; Pour interpréter et valider des études numériques sophistiquées. Les thèmes suivants ont été traités : Modèles des efforts extérieurs : propulsif (ex : poussée moteur F[indice max] et consommation spécifique C[indice SR]) ; massique (ex : masse moteur Mm et voilure M[indice w]) ; Performances opérationnelles (ex : longueur de piste au décollage L[indice p]). La cohérence du projet réside dans l'état d'esprit commun et l'unité de la méthode pour traiter les différents thèmes. Les modèles analytiques classiques sont revisités avec la puissance du calcul formel avec l'aide de logiciel tel que Maple. Si possible une généralisation est faite par une approche adimensionnelle qui rend le résultat universel, c'est-à-dire applicable à tout type d'avion.

Dans le cadre du projet européen Clean Sky, Snecma construit un démonstrateur de Contra Rotating Open Rotor (CROR). La conception du système de régulation du moteur nécessite d'avoir connaissance du comportement aérodynamique de chacune des hélices du doublet. Les objectifs de cette thèse sont dans un premier temps de comprendre les interactions entre les différents éléments constitutifs d'un CROR ayant un effet sur les performances des hélices, d'isoler leurs contributions respectives et dans un deuxième temps de développer un modèle prédictif des performances individuelles des hélices d'un CROR intégrable dans un environnement de calcul de cycles thermodynamiques. Pour cela, le comportement des hélices en doublet est rapproché de celui d'hélices isolées dont les effets macroscopiques sont bien connus. Des calculs Euler et NS3D ont servi de base pour proposer un couplage entre les hélices isolées permettant de retrouver le champ de vitesses induits entre les hélices d'un calcul doublet. Pour respecter les exigences de rapidité d'exécution et de robustesse numérique imposées par l’environnement de calcul de cycles thermodynamiques, les performances individuelles des hélices du doublet sont calculées à partir de champs hélice isolée. Une approche monodimensionnelle permet de calculer les vitesses induites propres des hélices à partir de la traction et de la puissance absorbée et une méthode pour estimer les vitesses induites mutuelles à partir des vitesses induites propres est donnée. Le calcul des performances individuelles des hélices d'un doublet contrarotatif est itératif. Cette méthode estime les performances avec une erreur relative inférieure à 5%. Elle est utilisée dans le développement du système de régulation du démonstrateur CROR SAGE2
Within the scope of the European research project Clean Sky, Snecma builds a ground demonstrator of the concept engine Contra Rotating Open Rotor (CROR). Engine control system design requires knowing how each propeller will behave aerodynamically under the interaction of each other. The aim of this work is to design a predictive model of contra rotating propeller individual performance fitting in a thermodynamic cycle calculation environment. A coupling is proposed in order to represent the dual propellers thanks to isolated propeller behavior. It has been shown that by matching the isolated propellers thrust and torque to the doublet values, the good values of mutual induced velocities can be found. Hence contra rotating propellers individual performance can be reached with a good variation in parameters. In addition to that, in order to meet withthermodynamic cycle calculation environment requirements of rapidity and numerical robustness, performance is calculated from pre-generated propeller maps. One-dimensional approach is used to calculate mutual induced velocities from propellers thrust and torque. Contra rotating propellers individual performance calculation is an iterative process. The method developed gives the performance within a 5% relative error margin and is currently used for the design of the ground demonstrator control system

Les outils et méthodologie utilisés actuellement par les ingénieurs ne permettent pas d’évaluer efficacement l’intérêt de ces concepts innovants. Typiquement, le conventionnel partage poussée/traînée devient excessivement ambigu pour l’étude de systèmes propulsifs avec ingestion de couches limites. Par ailleurs, le management thermique devient un enjeux crucial pour les performances globales de l’appareil. Le travail a donc consisté à développer une méthodologie capable de prendre en compte ces différents aspects. Dans un premier temps, une formulation théorique basée sur la notion d’exergie a été développée. Une analyse du fluide contenu dans un volume de contrôle autour de l’appareil basée sur la quantité de mouvement et sur le premier et le second principes de thermodynamique a permis d’aboutir à une équation bilan qui met en relation l’exergie délivrée par convection (système propulsif) ou par conduction (transfert de chaleur), l’équilibre mécanique de l’avion et les principaux phénomènes fluides à l’origine de la destruction d’exergie. Cette formulation théorique a ensuite été implémentée numériquement dans un code Fortran afin de pouvoir post-traiter des solutions haute-fidélité CFD-RANS. La précision et la robustesse de ce code a été évaluée dans un second temps pour des configurations non propulsées qui ont l’avantage de faire intervenir des méthodes éprouvées pour la détermination de la traînée subi par ces solides. Enfin, la formulation et le code on été utilisés pour la détermination des performances de configurations qui échangent de l’énergie (mécanique ou thermique) avec le fluide environnant
The tools and methodologies currently used for the design of commercial aircraft have been initiated decades ago and are based on simplifying assumptions that become excessively ambiguous for highly-integrated propulsion devices for which traditional drag/thrust bookkeepings become inapplicable. Likewise, the growing complexity of civil aircraft requires a more global performance assessment which could take into account thermal management. As a consequence, a new exergy-based formulation is derived for the assessment of the aerothermopropulsive performance of civil aircraft. The output of the derivation process is an exergy balance between the exergy supplied by a propulsion system or by heat transfer, the mechanical equilibrium of the aircraft, and the exergy outflow and destruction within the control volume. The theoretical formulation is subsequently numerically implemented in a Fortran code named ffx for the post-processing of CFD-RANS flow solutions. Unpowered airframe configurations are examined with grid refinement studies and a turbulence model sensitivity analysis. The code is thereby validated against well-tried methods of drag prediction or wind-tunnel testings when available. Finally, the investigation of powered configurations demonstrates the ability of the approach for the performance assessment of configurations with aerothermopropulsive interactions

Les animaux volants et flottants ont développé des façons efficaces de produire l'écoulement de fluide qui génère les forces désirées pour leur locomotion. Cette thèse est placée dans ce contexte interdisciplinaire et utilise des simulations numériques pour étudier ces problèmes d'interaction fluides-structure, et les applique au vol des insectes et à la nage des poissons. Basée sur les travaux existants sur les obstacles mobiles rigides, une méthode numérique a été développée, permettant également la simulation des obstacles déformables et fournissant une polyvalence et précision accrues dans le cas des obstacles rigides. Nous appliquons cette méthode d'abord aux insectes avec des ailes rigides, où le corps et d'autres détails, tels que les pattes et les antennes, peuvent être inclus. Après la présentation de tests de validation détaillée, nous procédons à l'étude d'un modèle de bourdon dans un écoulement turbulent pleinement développé. Nos simulations montrent que les perturbations turbulentes affectent les insectes volants d'une manière différente de celle des avions aux ailes fixées et conçues par l'humain. Dans le cas de ces derniers, des perturbations en amont peuvent déclencher des transitions dans la couche limite, tandis que les premiers ne présentent pas de changements systématiques dans les forces aérodynamiques. Nous concluons que les insectes se trouvent plutôt confrontés à des problèmes de contrôle dans un environnement turbulent qu'à une détérioration de la production de force. Lors de l‘étape suivante, nous concevons un modèle solide, basé sur une équation de barre monodimensionnelle, et nous passons à la simulation des systèmes couplés fluide–structure
Flying and swimming animals have developed efficient ways to produce the fluid flow that generates the desired forces for their locomotion. These bio-inspired problems couple fluid dynamics and solid mechanics with complex geometries and kinematics. The present thesis is placed in this interdisciplinary context and uses numerical simulations to study these fluid--structure interaction problems with applications in insect flight and swimming fish. Based on existing work on rigid moving obstacles, using an efficient Fourier discretization, a numerical method has been developed, which allows the simulation of flexible, deforming obstacles as well, and provides enhanced versatility and accuracy in the case of rigid obstacles. The method relies on the volume penalization method and the fluid discretization is still based on a Fourier discretization. We first apply this method to insects with rigid wings, where the body and other details, such as the legs and antennae, can be included. After presenting detailed validation tests, we proceed to studying a bumblebee model in fully developed turbulent flow. Our simulations show that turbulent perturbations affect flapping insects in a different way than human-designed fixed-wing aircrafts. While in the latter, upstream perturbations can cause transitions in the boundary layer, the former do not present systematical changes in aerodynamic forces. We conclude that insects rather face control problems in a turbulent environment than a deterioration in force production. In the next step, we design a solid model, based on a one--dimensional beam equation, and simulate coupled fluid--solid systems

Ce travail porte sur le developpement de m ethodes num eriques innovantes pour la conception a ero -acoustique optimale de forme des con gurations supersoniques. Ce manuscrit pr esente tout d'abord l'analyse et le d eveloppement des approches num eriques pour la pr evision du bang sonique . Le couplage du calcul CFD tridimensionnel en champ proche prenant en compte la d ecomposition multipolaire de Fourier et la propagation atmosph erique bas ee sur un algorithme de trac e de rayons est am elior e par l'int egration d'un processus automatique d' adaptation anisotrope de maillage. La deuxi eme partie de ce travail se concentre sur l' elaboration et l'application des techniques de conception pour l'optimisation d'une con guration aile-fuselage supersonique. Un module de conception inverse, AIDA , fournit a partir d'une signature acoustique cible au sol a faible bang sonique la g eom etrie de la con- guration correspondante. Pour am eliorer a la fois les performances acoustique et a erodynamique, des techniques d'optimisation directes de forme sont utilis ees pour r esoudre des probl emes d'optimisation mono et multi- disciplinaires et une analyse d etaill ee est r ealis ee. Des strat egies innovantes bas ees sur la coop eration et les jeux comp etitifs sont en n appliqu ees au probl eme d'optimisation multidisciplinaire o rant une alternative aux algorithmes traditionnels MDO . L'hybridation de ces deux strat egies ouvre la voie a une nouvelle fa con d'explorer le front de Pareto de mani ere e cace. Celle-ci est mise en application sur un cas pratique.

L’'accélérateur par effet stato en régime sous-détonatif, caractérisés par une vitesse du projectile inférieure à la célérité de la détonation dans le mélange considéré est, à l’'heure actuelle, le mieux connu. La compréhension des phénomènes mis en jeu dans cette technologie est subordonnée à une importante étude expérimentale associée à la mise au point de moyens numériques. C’'est l’'objet du travail présenté dans ce mémoire qui décrit numériquement, à l’'aide d’'un code CFD de combustion turbulente, le processus de combustion qui s’'opère autour du projectile. Les résultats, comparés aux données expérimentales existantes disponibles au Laboratoire de l’'Université de Washington, ont permis de parfaire la fiabilité d’'un code de calcul monodimensionnel en régime sousdétonatif. Les calculs analytiques font intervenir des équations d’'état dont la validité est discutée. La poussée générée par l’'accélérateur est calculée et les valeurs déduites de cette analyse 1D sont en excellent accord avec les expériences. Cette démarche a pour but d’'apporter une contribution en termes de prédiction des performances de poussée d’'un accélérateur à effet stato et de choix du mélange réactif optimal.