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Mécanique des milieux fluides

Les thèses se rapportant au secteur de recherche "Mécanique des milieux fluides"

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  • Aérodynamique d'un profil d'aile battante à bas nombre de Reynolds    - Andro Jean-Yves  -  08 décembre 2008

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    Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de microdrones d'une envergure inférieure à 15 cm devant assurer des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. Une approche biomimétique utilisant un système de locomotion par ailes battantes semble notamment prometteuse car elle permettrait une capacité de vol stationnaire et une grande manoeuvrabilité en milieu confiné. Cependant, l'aérodynamique des ailes battantes à bas nombre de Reynolds diffère sensiblement de l'aérodynamique des applications classiques en raison du phénomène de lâcher tourbillonnaire et de la superposition de nombreux mécanismes instationnaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons dans un premier temps étudié le lâcher tourbillonnaire derrière un profil d'aile en caractérisant théoriquement et expérimentalement l'apparition de ce lâcher puis en le simulant numériquement. Des essais en bassin hydrodynamique précisent enfin l'influence des effets 3D et du nombre de Reynolds sur les efforts créés par le lâcher tourbillonnaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié par simulation numérique directe (DNS) les mouvements fondamentaux du vol battu, c'est-à-dire le pilonnement pur et le tangage pur, afin de mettre en évidence les mécanismes instationnaires, de différencier les stratégies du vol battu et de proposer des modèles simplifiés pouvant décrire les efforts instantanés.

  • Étude numérique et expérimentale de l'écoulement turbulent au sein des passes à poissons à fentes verticales. Analyse de l'écoulement tridimensionnel et instationnaire    - Ballu Aurélien  -  20 mars 2017

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    L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de la présence d'obstacles dans les passes à poissons à fentes verticales. Deux types d'éléments sont couramment insérés, à l'heure actuelle, dans les passes : les seuils et les macro-rugosités. Dans un premier temps, l'effet de ces deux dispositifs à la fois sur l'écoulement et sur le comportement des poissons est étudié. Dans le but de favoriser le passage des petites espèces à travers le dispositif de franchissement, une solution technique est ensuite proposée, sous la forme de plusieurs rangées de cylindres flexibles placées en sortie de fente. La caractérisation du comportement hydraulique d'une passe à poissons équipée de ces obstacles est effectuée par des mesures expérimentales de niveau d'eau à l'aide de sondes acoustiques et des mesures de vitesses tridimensionnelles avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV). La base de données générée par ces mesures est ensuite utilisée pour définir une loi de dimensionnement, qui prend en compte les paramètres influençant le fonctionnement hydraulique de l'ouvrage en vue d'améliorer sa conception. Les simulations numériques 3D instationnaires URANS et LES de l'écoulement permettent une analyse volumique fine des grandeurs caractéristiques de la turbulence qui règne dans les bassins en fonction du type d'obstacle inséré. En obstruant une partie de la fente, la présence d'un seuil accentue la tridimensionnalité de l'écoulement tandis que les macro-rugosités créent une zone de plus faible vitesses et des abris utilisables par les espèces de fonds. L'insertion des structures souples permet une meilleure dissipation de l'énergie du jet et réduit l'énergie cinétique turbulente dans une partie du volume des bassins. Les manipulations réalisées avec différentes espèces de poissons, permettent de mieux comprendre l'effet de la modification des grandeurs cinématiques de l'écoulement, par l'insertion d'obstacles, sur le comportement des poissons pour pouvoir adapter les passes à poissons existantes aux espèces dotées de faibles capacités de nage.

  • Détermination d'une méthodologie de caractérisation des effets d'installation appliquée aux aéronefs propulsés par des moteurs à hélices rapides    - Barry Martin  -  06 juillet 2015

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    Dans le contexte actuel, l'open-rotor contrarotatif connaît un regain d'intérêt. Cependant, en l'absence de carter extérieur, la prédiction des effets d'installation devient une problématique primordiale du cycle de conception. L'objectif de ces travaux de thèse est de construire une méthode de calcul qui permette à la fois de rendre compte de l'impact du bloc moteur sur la traînée de l'avion et de l'impact de l'installation sur les performances aérodynamiques des hélices. Suite à une étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers le couplage des codes ligne portante LPC2 et RANS elsA, développés à l'Onera. La méthode de couplage se base sur la condition de disque d'action et est itérative afin de rendre compte de l'interaction. Dans un second temps, des résultats de calculs instationnaires et d'essais en soufflerie ont été comparés aux résultats fournis par le couplage afin de confirmer que ce dernier rendait bien compte des performances aérodynamiques du moteur en configuration installée. Afin de valider sur un large domaine de calcul, plusieurs configurations ont été utilisées, prenant en compte différentes installations, différentes hélices et plusieurs points de vol. Enfin, nous avons proposé une amélioration de la condition de disque d'action par une modélisation de la turbulence représentant l'impact du passage des hélices sur l'écoulement. En effet, en l'état actuel, cette condition n'est pas en mesure de retranscrire l'impact des hélices sur la turbulence, en particulier sur l'augmentation du taux de turbulence. C'est pourquoi une formulation originale d'un modèle de turbulence, basée sur les travaux de Mr Benay, a été proposée.

  • Étude expérimentale et numérique du décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical de forte solidité    - Beaudet Laurent  -  10 juillet 2014

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    L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier,une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentrée sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé.

  • Élaboration d'une méthode tomographique de reconstruction 3D en vélocimétrie par image de particules basée sur les processus ponctuels marqués    - Ben Salah Riadh  -  03 septembre 2015

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    Les travaux réalisés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement de techniques de mesure optiques pour la mécanique des fluides visant la reconstruction de volumes de particules 3D pour ensuite en déduire leurs déplacements. Cette technique de mesure volumique appelée encore Tomo-PIV est apparue en 2006 et a fait l'objet d'une multitude de travaux ayant pour objectif l'amélioration de la reconstruction qui représente l'une des principales étapes de cette technique de mesure. Les méthodes proposées en littérature ne prennent pas forcément en compte la forme particulière des objets à reconstruire et ne sont pas suffisamment robustes pour faire face au bruit présent dans les images. Pour pallier à ce déficit, nous avons proposé une méthode de reconstruction tomographique, appelée (IOD-PVRMPP), qui se base sur les processus ponctuels marqués. Notre méthode permet de résoudre le problème de manière parcimonieuse. Elle facilite l'introduction de l'information à priori et résout les problèmes de mémoire liés aux approches dites "basées voxels". La reconstruction d'un ensemble de particules 3D est obtenue en minimisant une fonction d'énergie ce qui définit le processus ponctuel marqué. A cet effet, nous utilisons un algorithme de recuit simulé basé sur les méthodes de Monte-Carlo par Chaines de Markov à Saut Réversible (RJMCMC). Afin d'accélérer la convergence du recuit simulé, nous avons développé une méthode d'initialisation permettant de fournir une distribution initiale de particules 3D base sur la détection des particules 2D localisées dans les images de projections. Enfin cette méthode est appliquée à des écoulements fluides soit simulé, soit issu d'une expérience dans un canal turbulent à surface libre. L'analyse des résultats et la comparaison de cette méthode avec les méthodes classiques montrent tout l'intérêt de ces approches parcimonieuses.

  • Modélisation par des méthodes lagrangiennes du transport sédimentaire induit par les mascarets    - Berchet Adrien  -  11 décembre 2014

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    Le travail effectué au cours de cette thèse s'inscrit au sein du projet ANR Mascaret, dont l'objectif est la compréhension du phénomène de mascaret, l'étude de ses conséquences sur l'environnement et sa sensibilité aux modifications de cet environnement. La contribution de cette thèse s'inscrit uniquement dans la partie numérique de ce projet. Seul l'aspect transport sédimentaire causé par le mascaret sera abordé. Le but est de construire un modèle numérique de transport sédimentaire général qui pourra notamment s'appliquer au cas du mascaret. Trois méthodes numériques sont explorées, une première permettant le suivi individuel des grains sédimentaires et deux autres permettant de suivre l'évolution de la concentration en grains au sein de l'écoulement. La première méthode considérera les plus petites échelles et sera appelée méthode tracker et consistera en un suivi individuel des grains sédimentaires. La seconde méthode, dite méthode particulaire, portera sur des échelles plus larges et le transport d'une concentration locale en grains sédimentaires. Enfin, la troisième méthode, que l'on appellera méthode des moments, s'intéressera aux échelles les plus larges en transportant un nuage de particules sédimentaires dans son ensemble grâce à une seule particule numérique caractérisée par les moments de sa distribution en concentration interne. Ceci permettra de caractériser le transport sédimentaire de manière locale qui se produit lors du passage d'un mascaret. Deux mascarets ondulés de nombre de Froude proches seront étudiés. Il sera notamment montré que le nombre de Froude n'est pas un critère permettant de caractériser le transport sédimentaire induit par les mascarets.

  • Modification de l'écoulement turbulent au sein de passes à poissons à fentes verticales par l'insertion d'obstacles    - Bourtal Badreddine  -  06 juillet 2012

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    L'étude de l'écoulement turbulent au sein des passes à fentes verticales est nécessaire afin d'améliorer ces dispositifs de franchissement contenant des barrières physiques aux mouvements migratoires des poissons. En effet, les études menées sur les passes existantes ont montré leurs limites pour permettre le franchissement des petites espèces de poissons avec des faibles capacités de nage. L'objectif de notre étude est d'adapter l'écoulement turbulent dans la passe aux capacités de nage des poissons. Des mesures de vitesse bidimensionnelle par Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) et les mesures de vitesse tridimensionnelle par Vélocimétrie Acoustique par effet Doppler (ADV) ont montré que les grandeurs cinématiques de l'écoulement au sein des passes existantes sont très importantes et donc affectent les capacités de nages des petites espèces de poissons. Une des stratégies pour répondre à ce problème est d'introduire des obstacles de forme cylindrique au sein des bassins de la passe à poissons. L'insertion de ces cylindres a pour objectif de réduire les quantités cinématiques de l'écoulement turbulent au sein de la passe afin d'adapter cet ouvrage au passage des petites espèces de poissons. Cette stratégie nécessite une méthode d'optimisation afin de trouver l'emplacement idéal des cylindres à partir de simulations numériques de l'écoulement (logiciel Star-CD).

  • Etude de stratégies de contrôle du tremblement transsonique sur voilure supercritique    - Browaeys Gaëtan  -  10 mars 2010

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    L'étude porte sur le contrôle actif du phénomène de tremblement transsonique sur une voilure supercritique par l'utilisation de deux stratégies de contrôle : thermique et pneumatique. Des simulations numériques de l'écoulement naturel obtenues par résolution des équations de Navier-Stokes moyennées ont permis la restitution des différents régimes (avec ou sans tremblement) en bonne cohérence avec les données expérimentales. Les observations des champs moyens, des champs turbulents et des signaux de pression permettent d'établir le principe de fonctionnement et les performances des actionneurs. Le tremblement transsonique est alors soit repoussé soit supprimé autorisant ainsi l'élargissement du domaine de vol des aéronefs. L'étude paramétrique des deux actionneurs est réalisée aussi bien en mode de fonctionnement continu que rétroactif. Une campagne d'essai consolide et approfondie les résultats obtenues avec la stratégie pneumatique.

  • Étude expérimentale des effets de hauteur d'eau finie, de confinement latéral et de courant sur les sillages et la résistance à l'avancement des navires    - Caplier Clément  -  15 décembre 2015

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    Ce mémoire présente une étude expérimentale des effets de confinement de la voie d'eau et de courant sur les sillages et la résistance à l'avancement des navires. Deux formes de carènes génériques et représentatives de navires maritimes et fluviaux ont fait l'objet de mesures dans le bassin des carènes de l'Institut Pprime dans différentes configurations bathymétriques. Des méthodes de mesure de déformée de surface libre par moyens optiques stéréoscopiques ont été mises en place pour caractériser les sillages générés. L'étendue spatiale et la résolution des mesures optiques permet de mener une analyse fine du sillage dans l'espace spectral, afin de le décomposer en une composante hydrodynamique dans le champ proche de la carène et une composante ondulatoire dans le champ lointain. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau profonde mettent en évidence la non-linéarité des sillages. Les résultats obtenus dans une configuration de voie d'eau peu profonde mettent en avant une modification de la forme des sillages et une répartition différente de l'énergie entre les différents systèmes de vagues. L'influence de la forme et de la vitesse des navires sur l'amplitude de la réponse hydrodynamique et du courant de retour est mise en avant. Des mesures en présence de contre-courant montrent une augmentation de l'amplitude des vagues du sillage et un élargissement de la zone de réflexion au niveau des parois du canal. Des mesures de forces de traînée avec un dynamomètre donnent accès aux courbes de résistance dans chaque configuration. L'augmentation de la résistance à l'avancement en eau peu profonde est mise en parallèle avec l'augmentation de l'amplitude et de la longueur d'onde des ondes transverses.

  • Wavepackets as sound-source mechanisms in subsonic jets    - Cavalieri André Valdetaro Gomes  -  18 juin 2012

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    On considère les paquets d'ondes hydrodynamiques comme mécanismes de génération de bruit des jets subsoniques. Cette approche résulte tout d'abord de l'analyse de données numériques - DNS d'une couche de mélange (Wei et Freund 2006) et LES d'un jet à Mach 0,9 (Daviller 2010) - permettant de déterminer les propriétés des sources en termes de compacité, d'intermittence et de structure azimutale. L'identification d'un rayonnement intermittent associé aux modifications des structures cohérentes des écoulements permet de proposer un modèle de paquet d'onde pour représenter ce phénomène dans l'analogie de Lighthill, dont l'enveloppe présente des variations temporelles d'amplitude et d'étendue spatiale. Celles-ci sont tirées de données de vitesse de simulations numériques de jets subsoniques, et un accord de l'ordre de 1,5dB entre le champ acoustique simulé et le modèle confirme sa pertinence. L'exploration du concept proposé est ensuite poursuivie expérimentalement, avec des mesures de pression acoustique et de vitesse de jets turbulents subsoniques, permettant la décomposition des champs en modes de Fourier azimutaux. On observe l'accord des directivités des modes 0, 1 et 2 du champ acoustique avec le rayonnement d'un paquet d'onde. Les modes 0 et 1 du champ de vitesse correspondent également à des paquets d'onde, modélisés comme des ondes d'instabilité linéaires à partir des équations de stabilité parabolisées. Finalement, des corrélations de l'ordre de 10% entre les modes axisymétriques de vitesse dans le jet et de pression acoustique rayonnée montrent un lien clair entre les paquets d'onde et l'émission acoustique du jet.

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