UPThèses

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.

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.

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 milieux poreux font partie des formations géologiques assez répandue dans la nature et son sujet d'études intensives. L'engouement de ce sujet vient des multiples secteurs d'applications de ces recherches et leur importance dans notre société. Que ce soit de la part des sociétés pétrolières qui souhaitent optimiser leurs moyens de productions, les agences de contrôles environnementaux qui veulent prévenir la contamination de nappe phréatique et la fuite de déchets nucléaires ou encore des industriels avec des problèmes de drainages et de réhabilitation de mines, tous ces acteurs dépendent des recherches faites dans ce domaine. Cependant, un des principaux problèmes de ce sujet est l'inaccessibilité des milieux que nous voulons étudier. Pour palier à cela de nombreuses équipes se sont tournées vers la simulation numérique. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et utilise le module PARADIS du logiciel d'hydrogéologie H2olab pour modéliser le transport de particules dans des milieux poreux fortement hétérogènes. Grâce aux données obtenues et à des comparaisons avec la littérature nous montrerons l'effet du passage au 3D sur la topologie de l'écoulement et les répercussions sur le transport de particules ainsi que l'effet de la diffusion moléculaire sur les coefficients de macro-dispersion. Enfin nous proposerons deux lois de transport reliant macrodispersion, variance du champ de perméabilité et diffusion moléculaire.

Les problèmes associés au transport sédimentaire sont l'une des préoccupations majeures de notre société, tant d'un point de vue environnemental qu'économique. Nous disposons de peu d'informations sur la dynamique locale des phénomènes d'érosion et plus particulièrement pour les sédiments cohésifs. Dans cette étude, nous nous focalisons sur les phénomènes locaux agissant à l'interface eau-sédiment. Tout d'abord, un sédiment modèle transparent est réalisé en nous basant sur les propriétés rhéologiques des sédiments naturels. Pour cela, différents mélanges, à base de Laponite et de carboxyméthylcellulose, sont testés en faisant varier la concentration et le mode de fabrication. Les protocoles de mesures sont alors établis et une loi d'évolution des propriétés en fonction de la concentration en sédiment est déterminée. Puis, la qualification de la veine hydraulique de l'étude, sans présence de sédiment, est réalisée par des mesures optiques PIV. L'obtention des champs de vitesse moyens et instantanés nous a permis de calculer l'énergie cinétique turbulente ainsi que les contraintes laminaires et turbulentes agissant sur le fond. Enfin, des mesures similaires sont effectuées dans le canal en présence de sédiment pour des cas où le sédiment est entraîné ou non par les forces hydrodynamiques. L'accès à l’énergie cinétique turbulente ainsi qu'aux contraintes laminaires et turbulentes hydrodynamiques permet de comprendre les phénomènes locaux étant à l’origine de l'érosion. Les contraintes à l'interface sont comparées à celles obtenues dans le sédiment via la loi rhéologique mettant en évidence la présence d'une contrainte de cisaillement critique liée aux propriétés du sédiment.

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.

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.