UPThèses

Les garnitures mécaniques sont utilisées dans de multiples applications pour réaliser l'étanchéité autour d'arbres en rotation. Ces composants peuvent fonctionner efficacement pendant plusieurs années en conditions stables, mais leur durée de vie est significativement réduite lorsque les conditions varient. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et d’utiliser un banc d'essais et code de calcul pour étudier l'impact de pulsations de pression, d’inversions de pression et du chargement dynamique résultant sur les performances de garnitures mécaniques ayant des faces mésalignées et présentant des défauts de planéité. Le solveur fluide d'un modèle numérique de garnitures mécaniques a été étendu aux conditions transitoires. Un module résolvant la dynamique des forces et des moments a été ajouté afin de prédire le déplacement axial et les déplacements angulaires de la face montée de manière flexible. Afin de caractériser les performances de garnitures, un banc d'essais générant des pulses de pression a été instrumenté et des méthodes de mesure de perte de volume d'huile et d'entrée d'eau mises en place. Des garnitures mécaniques à faces parallèles puis mésalignées, fonctionnant sous pulsations et inversions de pression, ont été testées expérimentalement et simulées. Seules de très faibles augmentations d'eau dans l'huile ont été observées, sans augmentation au cours du temps, et sans fuite d'huile mesurable. Les faibles valeurs d'entrées d'eau sont dues à la faible épaisseur de film et à la courte durée des inversions de pression. Une garniture mécanique expérimentale à fort défaut de planéité a aussi été testée. Contrairement aux autres paramètres, le défaut de planéité semble augmenter significativement la fuite et promouvoir les entrées d'eau et pourrait ainsi être à l'origine de certaines défaillances.

Ce travail présente les résultats de recherches sur le contrôle d'écoulement dans les liquides diélectriques. L'objectif est d'étudier les potentialités du contrôle d'écoulement au moyen d'actionneurs ElectroHydroDynamiques. La 1re partie de cette thèse est notamment consacrée à l'étude bibliographique générale du contrôle d'écoulement et des techniques disponibles pour la mesure de vitesse de fluide. La méthode PIV est choisie pour caractériser l'écoulement de panache chargé. Cependant la présence d'un champ électrique intense dans un liquide diélectrique remet potentiellement en question l'hypothèse selon laquelle les traceurs suivent fidèlement les mouvements du liquide. Des études théorique et expérimentale permettent de préciser les conditions d'un traceur idéal et de choisir le meilleur type d'ensemencement pour l'huile de silicone. La 2nde partie de ce travail est consacrée à l'étude du contrôle d'écoulement sur un profil d'aile NACA0015 à ultra-bas Reynolds (Re < 5000). Une étude bibliographique présente les stratégies de contrôle d'écoulement autour de profil d'aile ainsi que les types d'actionneurs EHD appliqués aux liquides diélectriques. L'écoulement naturel en champ de vitesse moyen puis instationnaire est caractérisé et comparé à l'écoulement contrôlé. Le calcul de la force à partir d'un bilan de quantité de mouvement (Navier-Stokes), permet d'estimer les efforts hydrodynamiques appliqués par le fluide sur le profil immergé. Des polaires de portance et de traînée sont obtenues et permettent de quantifier l'efficacité de l'actionneur EHD. Enfin, les mécanismes de contrôle sont précisés et mettent en lumière les potentiels et les limites de l'actionneur.

Le projet de recherche consiste à observer en laboratoire la radiation de Hawking, cette prédiction stupéfiante de l'astrophysicien anglais Stephen Hawking faite en 1974 : les trous noirs ne sont pas noirs. Autrement dit, ils n'absorbent pas tout ce qui est à leur portée mais émettent un rayonnement. En plus des complications du fait que ces objets célestes sont à des milliers d'années-lumière, ce rayonnement est tellement faible que cela reviendrait à essayer d'entendre un murmure dans un concert de rock. Mais William Unruh, en 1981, a proposé une solution : utiliser des systèmes hydrodynamiques qui présentent les mêmes équations mathématiques qu'en astrophysique. Plus précisément, dans notre cas, nous utilisons la correspondance entre la propagation des ondes lumineuses au voisinage d'un trou noir et celles des ondes de surface dans un contre-courant rendu inhomogène par la présence d'un obstacle immergé. Pour cela, une compréhension approfondie de la mécanique des ondes de surface est nécessaire (bathymétrie variable, vorticité, non-linéarités…). Du côté technique, une méthode de mesure de surface libre a été développée et optimisée.

L'étude expérimentale de la propagation et du rayonnement multimodal en guide large est abordée via des mesures par antennerie microphonique de la réflexion des modes pour différentes extrémités. Le banc expérimental est constitué d'un guide large fermé à une extrémité et débouchant sur différentes terminaisons à l'autre extrémité ; en paroi du guide sont branchées une source acoustique et deux antennes microphoniques. Chaque composant du banc est étudié pour améliorer les résultats de mesure. Une méthode de vérification des performances des haut-parleurs constituant la source et une méthode de pilotage de la source acoustique sont proposées pour favoriser la génération des différents modes de propagation de l'onde. Une méthode de calibration in-situ pour l'antenne est développée pour les différents modes. Un calcul des incertitudes pour l'estimation du coefficient de réflexion est proposé. Enfin les mesures sont effectuées pour différentes extrémités de guide : avec une bride, sans épaisseur, avec un écran infini. Le principe de la méthode de mesure de la réflexion des différents modes consiste à appliquer la méthode du doublet microphonique adaptée aux signaux issus de la décomposition modale obtenue au moyen de deux antennes de microphones. Les résultats de mesure pour le mode plan sont avantageusement comparés aux résultats théoriques issus de la littérature. Les résultats pour les premiers modes supérieurs montrent l'aptitude du système à extraire le coefficient de réflexion en module et en phase suffisamment précisément pour distinguer l'effet de la condition de rayonnement.

Face aux limites auxquelles doivent faire face les systèmes optoélectroniques (matériel lourd, champ de mesure limité), les capteurs inertiels constituent une alternative prometteuse pour la mesure du mouvement humain. Grâce aux dernières avancées techniques, notamment en termes de miniaturisation des capteurs, leur utilisation en ambulatoire c’est-à-dire de façon autonome et embarquée est devenue possible. Mais ces opérations de miniaturisation ne sont pas sans effet sur les performances de ces capteurs. En effet, une telle mesure est dégradée par différents types de perturbations (stochastiques et déterministes) qui sont alors propagées au cours du processus dit de fusion des données visant à estimer l'orientation des segments humains. Classiquement, cette opération est réalisée à l'aide d'un filtre de Kalman dont le rôle est justement d'estimer une grandeur à partir d'une mesure bruitée en la confrontant à un modèle d'évolution. Dans ce contexte, nous proposons diverses méthodologies dans le but d'accéder à une mesure suffisamment précise pour être exploitée dans le cadre de l'analyse du mouvement humain. La première partie de cette thèse se focalise sur les capteurs. Tout d'abord, nous étudions les bruits de mesure issus des capteurs inertiels, puis nous leur attribuons un modèle afin de les prendre en compte au sein du filtre de Kalman. Ensuite, nous analysons les procédures de calibrage et évaluons leurs effets réels sur la mesure afin d'émettre quelques propositions en termes de compromis performance/facilité de réalisation. Dans une seconde partie, nous nous consacrons à l'algorithme de fusion des données. Après avoir proposé un filtre de Kalman adapté à la mesure du mouvement humain, nous nous focalisons sur un problème récurrent à ce stade : l'identification des matrices de covariance dont le rôle est d'attribuer une caractérisation globale aux erreurs de mesure. Cette méthode, basée sur une confrontation de la mesure avec une référence issue d'un système optoélectronique, met en évidence la nécessité de traiter ce problème rigoureusement. Dans une troisième partie, nous commençons à aborder les problèmes liés à l'utilisation des capteurs inertiels pour la mesure du mouvement humain, notamment le calibrage anatomique et le positionnement des capteurs. En conclusion, les gains apportés par les diverses propositions avancées dans cette thèse sont évalués et discutés.

Cette thèse se concentre sur le développement d'une méthode précise et efficace pour la simulation des grandes échelles (LES) des écoulements turbulents. Une approche de la LES basée sur la méthode variationnelle multi-échelles (VMS) est considérée. La VMS applique aux équations de la dynamique des fluides une séparation d'échelles a priori sans recours à des hypothèses sur les conditions aux limites ou sur l'uniformité du maillage. Afin d'assurer effectivement une séparation d'échelles dans l'espace des nombres d'onde associé, nous choisissons d'utiliser les ondelettes de deuxième génération (SGW), une base polynomiale qui présente des propriétés de localisation spatiale-fréquence optimales. A partir de la séparation d'échelles ainsi réalisée, l'action du modèle sous-maille est limitée à un intervalle de nombres d'onde proche de la coupure spectrale. Cette approche VMS-LES basée sur les ondelettes est désignée par WAVVMS-LES. Elle est incorporée dans un solveur d'ordre élevé pour la simulation des écoulements incompressibles sur la base d'une méthode de Galerkin discontinue (DG-FEM) stabilisée pour la pression. La méthode est évaluée par réalisation de LES sur des maillages fortement sous-résolus pour le cas test du tourbillon de Taylor-Green 3D à deux nombres de Reynolds différents.

L'objectif principal de cette thèse est d'étudier, à l'aide d'un code de calcul numérique et d'une caractérisation sur banc d'essai, les performances et le comportement de différentes garnitures mécaniques à rainures spirales, habituellement utilisées pour dez gaz, en application de lubrification avec un liquide. La finalité de ce travail sera de statuer sur la possibilité de remplacer les garnitures mécaniques à faces lisses employées dans les applications liquides de type turbopompe cryogénique de lanceurs spatiaux par des garnitures mécaniques à faces rainurées en spirale. L'étude bibliographique présente différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la texturation de surface, le changement de phase et de la turbulence. Ces deux derniers points peuvent se produire en présence d'un fluide cryogénique. Un modèle numérique a été développé en éléments finis. Il résout l'équation de Reynolds et l'équation de l'énergie dans le film fluide. Cette dernière est formulée en enthalpie et considère le changement de phase du fluide comme un mélange homogène. Le couplage fluide/solides est considéré pour obtenir les déformations thermoélastiques des solides. La partie suivante de cette étude présente des essais expérimentaux, avec de l'eau, de garnitures mécaniques avec différentes profondeurs de rainures spirales. Une comparaison avec des faces lisses à été réalisée et montre que le couple de frottement est moins élevé lorsque des rainures spirales sont utilisées. En revanche, leur débit de fuite est plus élevé. Des changements nets de comportement apparaissent tels que de la transition laminaire-turbulent à partir d'un nombre de Reynolds de 1500, ainsi que du changement de phase à faible charge, fortes vitesse de rotation et température d'alimentation. La dernière partie confronte le modèle théorique thermoélastohydrodynamique aux essais expérimentaux en régime d'écoulement laminaire, pour un fluide monophasique et diphasique. Le modèle de changement de phase développé permet de reproduire les observations expérimentales. Malgré quelques difficultés de convergence en écoulement diphasique, le modèle pourra être utilisé pour le développement de garnitures dans des applications industrielles.

La détermination du champ de pression dans un écoulement et/ou des efforts sur un profil en mouvement à partir de mesures de vitesses effectuées dans le milieu fluide est une problématique actuelle qui intéresse de nombreux domaines de recherche en mécanique des fluides. On pourrait citer en particulier, les systèmes de récupération d'énergie (éolienne, hydrolienne) ou bien les systèmes de contrôle optimal d'aubes de guidage de turbine, etc… Dans ce mémoire, nous apportons notre contribution à ce problème en proposant dans un premier temps, une méthode originale qui permet, à partir de champs de vitesses instationnaires obtenus par mesure optiques PIV, d'approcher ces champs dans l'ensemble du milieu (profil inclus) en utilisant la théorie des polynômes orthogonaux de Legendre. L'équation de Navier-Stokes permet alors d'obtenir des gradients de pression polynomiaux dans l'ensemble du milieu fluide et de pouvoir ainsi calculer le champ de pression dans l'écoulement et ensuite, en utilisant l'équation de bilan de mouvement dans un domaine de référence judicieusement choisi, de déterminer les efforts sur un profil mobile en oscillation. Cette méthode est alors validée sur un profil fixe à partir de données simulées numériquement et de données expérimentales. Dans un deuxième temps, après une série de mesures optiques PIV sur un profil NACA0015 soumis à différents types d'oscillations, nous appliquons la méthode décrite précédemment pour reconstruire les champs de pressions instationnaires et évaluer les efforts instantanées et moyens sur le profil. L'étude d'un certain nombres de plages de fréquences et d'amplitudes permet de comparer nos résultats, pour la recherche d'une meilleure efficacité.

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.

Les joints à brosse sont des joints compliants utilisés dans les turbomachines. Ils sont constitués d'une brosse de fils très fins compactés entre deux plaques, de telle manière que l'ensemble comble l'écart séparant le stator du rotor. Les fils sont le plus souvent constitués d'un alliage à base de cobalt appelé Haynes 25 (d'autres matériaux peuvent être utilisés, tels que le Kevlar). Le comportement de ces joints présente un fort couplage entre l'écoulement du fluide et la déformation de la brosse. Ce type de joints peut être modélisé en considérant la brosse comme un milieu poreux. Cette méthode présente l'avantage de permettre un calcul relativement simple de l'écoulement, mais elle demande l'usage de données expérimentales afin de calibrer ses perméabilités (i.e. sa capacité à laisser un fluide s'écouler à travers lui). L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation par milieu poreux indépendante des données expérimentales. Une simulation itérative entre le calcul de la déformation des fils sous l'action des efforts de pression et la résolution de l'écoulement dans le milieu poreux formé par la brosse déformée a été mise au point. Elle repose sur le calcul numérique des perméabilités obtenues à partir de la perte de charge générée par un réseau de cylindres représentatifs de la brosse. Des joints de faible diamètre en Haynes 25 ont été testés avec de l'air afin de vérifier la validité des résultats donnés par la simulation. L'évolution du débit avec la différence de pression et avec l'interférence des joints avec le rotor a été étudiée. Les déplacements du rotor et la température des joints ont été suivis durant les essais.