La réduction des nuisances sonores est un enjeu permanent pour les acteurs du transport aérien, notamment autour des aéroports. En particulier, le bruit de soufflante (fan noise) tient une place importante dans le bruit global de l’avion. Aussi, relativement à la réduction du bruit d'aéronef, sont développés des matériaux dits liners positionnés le long de la nacelle moteur. De par leur position à l'intérieur des nacelles de réacteurs, ces traitements acoustiques sont soumis à de forts niveaux sonores, à un écoulement rasant important, et à des gradients thermiques intenses.Cette étude a consisté à mettre en place une métrologie multi-physiques (acoustique, aérodynamique, thermique et turbulence) permettant de constituer une base de données expérimentales, afin d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques en jeu et d’alimenter les modèles de conception de liners pour répondre aux nouveaux enjeux posés par l'implantation des liners dans les nacelles.Compte tenu de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu, un effort important a été conduit pour disposer d'outils expérimentaux performants pour caractériser finement le couplage entre l'acoustique, la thermique et la turbulence. On associe donc des mesures microphoniques classiques permettant de déterminer le comportement acoustique des liners et des mesures par thermographie infrarouge pour caractériser leur réponse aérothermique. Une veine d'essai spécifique permettant d'intégrer ces différentes techniques de mesure a été réalisée, et une nouvelle méthode de détermination d'impédance acoustique a été développée afin de prendre en compte les effets aéroacoustiques. Une modélisation des phénomènes de transfert et de convection thermiques a ensuite permis de lier la réponse aérothermique au comportement acoustique des échantillons de liners sélectionnés pour l'étude.

Le bruit de choc du rotor est aujourd'hui une des principales sources de bruit des moteurs d'avions dans les conditions de décollage et de montée. Le contrôle et la réduction de cette source de bruit sont d'une importance primordiale pour les avionneurs pour se conformer aux réglementations internationales et améliorer le confort des passagers. Des outils de simulation haute fidélité sont nécessaires pour son étude, avec prise en compte de tous les effets géométriques et d'écoulement 3D ainsi que la modélisation des traitements acoustiques incorporés dans les parois de l'entrée d'air de nacelle. Les solveurs Euler et Navier-Stokes proposent des solutions pour calculer la propagation non linéaire des fluctuations de pression de forte amplitude des chocs créés par les rotors dans l'entrée d'air. Cependant, la modélisation des revêtements acoustiques dans ces solveurs reste un défi de l'acoustique numérique moderne, en raison de leur appartenance naturelle au domaine fréquentiel. Le présent travail se concentre sur la validation et l'extension de la condition limite d'impédance dans le domaine temporel (TDIBC) basée sur la Représentation Oscillo-Diffusive (ODR) et son implémentation dans un solveur CFD industriel. L'ODR s'est déjà avéré être un outil mathématique performant pour traduire l'opérateur d'impédance (ou de reflection) dans le domaine temporel.Un développement numérique dans un formalisme Navier-Stokes Characteristic Boundary Condition (NSCBC) a permis l'implémentation de ce modèle temporel dans le solveur Navier-Stokes à volumes finis elsA. Les validations de cette méthodologie sont réalisées par rapport à des données acoustiques issus de la littérature et de mesures expérimentales industrielles. Ils ont tous démontré que la nouvelle TDIBC est correctement implémentée dans le solveur CFD et prouvé son efficacité en termes de temps de calcul et stabilité numérique. Enfin, une application à la propagation et à l'atténuation des ondes de choc créées par les rotors dans une entrée d'air traiteé est proposée.

Ce travail présent le développement d’une formulation exergétique réduite au sillage, adaptée à l’analyse aérodynamique de configurations ayant un fort couplage aéro-propulsif. Cette formulation est basée sur le travail d’Arntz (formulation exergétique utilisant un plan de sondage de taille infinie qui est bien adaptée pour l’analyse des simulations aérodynamique computationnelles par CFD) et combinée avec des méthodes classiques de champ lointain afin de réduire la zone d’étude au sillage. L’intérêt de cette réduction de la zone d’étude est double : d’un part, cela autorise une validation expérimentale de l’étude aéro-propulsif. D’autre part, cette réduction au sillage offre une compréhension très puissante de la physique et permet aussi de décomposer tous les mécanismes de génération de pertes aérodynamique. Ainsi, cette décomposition permet d’établir une comptabilité des phénomènes aéro-propulsifs pour des configurations avion complexes, ayant un fort couplage, ce qui est très outil pour le design d’un avion.La deuxième partie de la thèse vise à récolter des donnés expérimentaux (essais en soufflerie) d’une configuration avion type multifan, ayant un très fort couplage aéro-propulsif. Une maquette simplifiée de cet avion a été testée, tout en réalisant des mesures de sillage par PIV et sonde cinq trous, ainsi que des mesures de balance. Cette base de données a été utilisée pour valider expérimentalement la nouvelle formulation exergétique. Aussi, elle a été utilisé pour établir une modèle aéro-propulsif en utilisant une analyse aérodynamique classique, suivi d’une analyse exergétique complémentaire qui a fourni information de design très outil et qu’aucune méthode existante permet de le faire.

Lors de la rentrée atmosphérique d’un véhicule hypersonique, l’écoulement présente une onde de choc détachée enveloppant le véhicule et une couche limite visqueuse au voisinage de la paroi qui conduit à son échauffement. Dans les basses couches de l’atmosphère, l'écoulement évolue d'un régime laminaire à un régime turbulent en raison de l’augmentation du nombre de Reynolds. L’échauffement de la paroi conduit à la détérioration du matériau sous l’effet de l’ablation et de réactions chimiques susceptibles de modifier l’état de surface. Dans le cas d’un écoulement pleinement turbulent, l'effet des rugosités de paroi se traduit par une augmentation du frottement et des échanges de chaleur. Actuellement, on dispose de modèles avec différents degrés de sophistication et de validation qui reproduisent cet effet par augmentation de la turbulence en proche paroi. Concernant le soufflage en paroi, des modèles existent qui permettent de reproduire l'effet d'injection de fluide à la paroi sur le développement de la turbulence. L’objectif de cette thèse est de mettre au point un modèle permettant de tenir compte d'effets conjoints/couplés de rugosité et de soufflage adapté à des approches RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) de la turbulence, par exemple modèle à deux équations de type k-ω;, dans le contexte d’écoulements hypersoniques. La thèse se déroulera en 3 ans dans le cadre d’une collaboration entre le CEA-CESTA (à proximité de Bordeaux) et l’ONERA-DMAE (Toulouse). Le déroulement se fera comme suit: - Tout d'abord une revue bibliographique la plus exhaustive possible sera entreprise sur la problématique des parois rugueuses avec soufflage. Cette revue doit aboutir à l'élaboration d'une base de données détaillée. On distinguera notamment les écoulements subsoniques incompressibles des écoulements supersoniques et hypersoniques. A partir de cette base de données, la seconde étape de la thèse sera la construction d'un modèle de rugosité/soufflage. - Dans un premier temps, on adoptera une approche avec un couplage faible entre les effets de rugosité et de soufflage. Ainsi, les modèles de rugosité actuels seront couplés à des conditions limites de soufflage pour voir dans quelle mesure une telle approche peut s'appliquer. - Ensuite, on considèrera des approches où les effets de soufflage, notamment sur la turbulence de proche paroi, seront pris en compte en supplément des effets de rugosités dans la formulation du modèle de turbulence. Enfin, on envisage le développement d'un modèle directement à partir de la base de données collectée, dans lequel les effets de rugosité et de soufflage sont fortement couplés. Les différents modèles identifiés seront développés dans un code de couche limite (code CLICET de l'ONERA) puis dans un solveur Navier-Stokes (code CEA). Une phase de validation sur des cas pertinents d'application sera ensuite menée.

L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de la compressibilité sur la dynamique du sillage du cylindre circulaire et du profil NACA0012, à faibles nombres de Reynolds. L’attention est portée en particulier sur le développement des instabilités primaires et secondaires à l’origine de la transition de l’écoulement d’un état bidimensionnel stationnaire vers un état tridimensionnel instationnaire. Le développement d’un code basé sur l’algorithme de Krylov–Schur combiné à une approche itérative en temps est réalisé pour conduire l’analyse de stabilité modale globale. La première partie est focalisée sur l’instabilité primaire à l’origine de la bifurcation du sillage du profil NACA0012 d’un état bidimensionnel stationnaire vers un état bidimensionnel instationnaire. Cet écoulement instationnaire est caractérisé à l’aide de simulations numériques directes pour différents nombres de Reynolds Re ∈ [200; 1000] et pour différents angles d’incidence α ∈ [0◦; 20◦]. L’écoulement de base stationnaire nécessaire à l’analyse de stabilité est obtenu à l’aide de la technique de SelectiveFrequency Damping (SFD). L’influence de l’angle d’incidence et du nombre de Reynolds sur les caractéristiques du mode le plus amplifié est d’abord étudiée dans le régime incompressible, révélant dans les deux cas une évolution non-monotone du taux de croissance dont le maximum est atteint pour unα et Re donné. L’influence de la compressibilité est ensuite explorée en régime compressible pour des nombres de Mach jusqu’à M∞ = 0.5. Celle-ci produit un effet stabilisant ou déstabilisant sur le mode qui dépend de l’angle d’incidence et du nombre de Reynolds. Pour α < 20◦, la compressibilité a un effet déstabilisant près du seuil critique, qui se traduit par une bifurcation de Hopf plus précoce, tandis que l’augmentation du nombre de Mach entraîne toujours une diminution du taux de croissance du mode lorsqu’on s’éloigne du seuil critique. Enfin, la fréquence du mode diminue avec le nombre de Mach. La deuxième partie est consacrée aux instabilités secondaires tridimensionnelles qui se développent dans le sillage bidimensionnel instationnaire. Dans ce cas, l’analyse de stabilité est conduite sur un écoulement de base instationnaire obtenu par des simulations numériques directes sans la SFD. Le développement des modes A et B responsables de la transition du cylindre circulaire vers un état tridimensionnel est d’abord étudié pour des nombres de Reynolds jusqu’à Re = 350. La compressibilité a un effet stabilisant sur les deux modes à proximité des seuils critiques, retardant le processus de tridimensionnalisation, mais ne modifie pas les longueurs d’onde des modes instables. En revanche, au-dessus des seuils critiques, seul le taux de croissance du mode B décroît avec le nombre de Mach,tandis que la plage des longueurs d’onde instables du mode A se déplace vers des valeurs plus faibles. La réponse à l’augmentation du nombre de Mach des instabilités secondaires 3D se développant dans le sillage instationnaire à l’aval d’un profil NACA0012 est étudiée dans un second temps.

Pour le développement d’une nouvelle génération de satellites très basse orbite, il est fondamental de minimiser la traînée et les contraintes aérothermodynamiques afin de pouvoir se déplacer sur des orbites les plus basses possibles tout en garantissant l’intégrité de la charge utile. En parallèle, la loi d’opération spatiale de 2008 impose aux opérateurs français de limiter les risques liés aux débris spatiaux lors de leur désorbitation. De même, la conception de nouveaux véhicules de rentrée réutilisables nécessite une connaissance toujours plus aboutie des conditions de vol propres à une rentrée atmosphérique. L’atteinte de ces objectifs passe donc par la maîtrise de l’ensemble des contraintes aérodynamiques (coefficients de forces et de moments) et aérothermodynamiques (flux de chaleur pariétal) notamment à haute altitude. Les écoulements rencontrés en orbite basse et durant la première phase de rentrée atmosphérique sont des écoulements hypersoniques raréfiés en déséquilibre fort, de sorte que les méthodes de CFD traditionnelles basées sur l’hypothèse des milieux continus ne sont pas applicables. Dans ce cas, il convient d’utiliser des méthodes de résolution de l’équation de Boltzmann de type DSMC (Direct Simulation Monte-Carlo). Cependant, en raison du couplage fort existant entre la trajectographie, la forme de l’objet et l’écoulement, il est impossible d’élaborer une géométrie optimisée ni de simuler la rentrée atmosphérique complète avec des outils dits de « haute-fidélité ». L’objectif de cette thèse est donc de développer des modèles réduits en régime hypersonique raréfié capables de déterminer les coefficients aérodynamiques et le flux de chaleur pariétal d’une géométrie quelconque en des temps de calcul très faibles. Dans un premier temps, les phénomènes propres aux écoulements hypersoniques raréfiés ont été étudiés en considérant plusieurs rentrées véhiculaires pour lesquelles des données de vol ont été obtenues. Un ensemble de simulations DSMC avec le code SPARTA, a ainsi permis d’établir une stratégie pour le développement d’une nouvelle forme de modèles réduits. Deux modèles de krigeage ont d’abord été développés pour estimer les coefficients de pression et de flux de chaleur au point d’arrêt en fonction des conditions de vol. Ensuite, des réseaux de neurones profonds ont été entraînés pour calculer les distributions de pression, de frottement et de flux de chaleur en tout point d’un véhicule. Enfin, l’évaluation de ces modèles par comparaison aux méthodes par panneaux actuellement utilisées dans la majorité des codes de rentrée a mis en avant le meilleur niveau de précision des méthodes d’apprentissage. Un certain nombre de perspectives ont également été ouvertes quant à des voies d’améliorations futures.

L’optimisation de forme aérodynamique est une méthode numérique éprouvée permettant d’ajuster automatiquement la forme externe d’un aéronef afin d’en améliorer la performance en vol. En croisière, cette méthodologie est principalement utilisée dans le but de réduire la traînée et permet alors de diminuer la consommation énergétique d’un avion et donc son impact environnemental. Traditionnellement, des modèles basse-fidélité sont utilisés pour les études amont alors que les modèles haute-fidélité, plus précis mais aussi plus coûteux, sont eux plutôt réservés à la phase de conception détaillée. Néanmoins, les nouveaux concepts d’aéronefs qui s’inscrivent dans une vision zéro émission, visant à réduire drastiquement l’impact environnemental du transport aérien, nécessitent des changements significatifs de technologies avion, notamment sur le plan propulsif. Le champ des possibles qui découle de ces évolutions technologiques motive, désormais, l’utilisation de modèles haute-fidélité dès les études de conception amont, de manière à garantir la précision des analyses et ainsi la capacité à capturer et à optimiser au mieux les aspects multidisciplinaires. Cependant, le recours à la haute-fidélité augmente significativement le coût numérique du processus et motive donc l’introduction de méthodes permettant de le réduire. Au niveau de l’optimisation de forme aérodynamique, l’un des aspects clés conditionnant la solution réside dans la définition du problème. En pratique, la performance d’un avion doit être robuste à un ensemble de conditions de vols découlant de différentes missions. Néanmoins, étant donné le fait que le coût numérique de l’approche croît linéairement avec le nombre de conditions de vols à calculer, les missions ne peuvent pas être directement simulées à l’aide de calculs haute-fidélité et ces calculs ne sont donc effectués que pour un sous-ensemble restreint de points de vol. De plus, chaque point de vol conduit à des charges aérodynamiques et des déformations structurales différentes dues au couplage aéro-élastique. Ce couplage doit alors être pris en compte dans les simulations haute-fidélité afin de prédire précisément la performance aérodynamique, ce qui accroît le coût de chaque analyse. Cette thèse vise à étudier et à éprouver une combinaison de trois méthodologies permettant à la fois de prendre en compte la souplesse de la structure dans le processus d’optimisation, tout en réduisant le coût numérique et le temps de restitution de ce dernier par le biais d’une approche d’optimisation multi-fidélité bénéficiant de modèles basse-fidélité. Afin de répondre au besoin de robustesse de la solution vis-à-vis d’un ensemble de missions, une méthodologie permettant de sélectionner un sous-ensemble représentatif de conditions de vols est également introduite. Étant donné le nombre important de variables de formes impliquées dans le processus d’optimisation, en pratique plus d’une centaine, l’optimisation est réalisée à l’aide d’algorithmes par gradients. Une approche par adjoint souple est ainsi considérée, afin de fournir les gradients aérodynamiques à un coût abordable, tout en prenant en compte la flexibilité de la structure pour chaque condition de vol. La stratégie d’optimisation multi-fidélité repose également sur des approches par gradient permettant alors de garantir la convergence du processus vers un optimum haute-fidélité du problème. La principale contribution du travail proposé repose sur la combinaison de différents aspects méthodologiques clés et leur application au modèle avion XRF-1, représentatif d’un cas réaliste, dans un environnement de simulation industriel.

Dans un contexte de changement climatique, le secteur de l’aéronautique doit réduire ses émissions de CO2. Le gain technologique est l’un des leviers sur lequel peut jouer le secteur pour maitriser ses émissions. Les motoristes ont fortement été impactés par ces contraintes et doivent faire face à des défis importants. Pour remplir ces objectifs, une des pistes potentielles d’amélioration se situe en sommet de roue mobile de la turbine basse pression des turbofans double corps/doubles flux actuels. En effet, il est possible d’ajouter une pièce mécanique en tête de pale de rotor, appelée talon, afin de supprimer l’écoulement de jeu, générateur de pertes, qui prend naissance dans le jeu radial d’une configuration classique de pale. Cela a des conséquences bénéfiques sur le rendement des étages de turbines basse pression, mais ces aménagements entraînent l’apparition de nouveaux phénomènes physiques, eux aussi générateurs de pertes, dont il faut améliorer la compréhension. On retrouve dans la littérature deux principaux phénomènes générateurs de pertes associés à ces géométries. Le premier entraine des pertes de charge lorsque le fluide traverse le talon. Cette physique se déroule en dehors de la veine et n’est donc pas au cœur de l’étude menée au cours de cette thèse. Le second est l’interaction entre le débit dans la veine et celui sortant du talon. Les deux fluides ont des propriétés de vitesse différentes et cela engendre des pertes de mélange. Ce mécanisme est important car il modifie également les conditions d’alimentation des aubages en aval. On retrouve aussi, en marge mais bien présent, des interactions entre le fluide présent dans la veine et celui dans les cavités de la géométrie de talon.Ces conclusions sont principalement issues d’une analyse stationnaire du problème à l’aide de bancs d’essais ou de simulations numériques. Aussi, on ne retrouve que des études pour des points de fonctionnement adaptés. Cette thèse a pour objectifs d’apporter une analyse instationnaire de ces écoulements et d’observer le comportement de ces géométries à des conditions hors-adaptation qui sont susceptibles de modifier les différents mécanismes. Pour cela, deux configurations de turbine basse pression avec pales talonnées, de complexité différentes, ont été utilisées. Des calculs stationnaires et instationnaires ont été réalisés afin de comparer ces deux méthodes. De plus, les géométries réelles ont été comparées à des cas idéaux où le jeu en tête de pale de rotor est considéré comme nul. Cela permet d’isoler l’influence de l’effet technologique sur l’écoulement principal. Ces simulations numériques ont été réalisées à l’aide du code de calcul elsA développé par l’ONERA.Les résultats de ces simulations ont permis de retrouver certaines conclusions de la littérature comme le fait que pour une configuration mono-étage les prédictions de performance faite par un calcul stationnaire sont très proches de celles faites par un calcul instationnaire. Ce n’est plus forcément le cas pour une configuration multi-étage ou bien à des conditions de fonctionnement hors-adaptation comme observé au cours de ces travaux. D’autres résultats sont nouveaux pour la littérature associée à cette problématique. Notamment la mise en évidence d’instabilité dans les cavités du talon. Ces dernières étaient plus ou moins attendues car les géométries rencontrées sont semblables à celles des configurations de cavités de purge dans lesquelles des instabilités peuvent prendre naissance.

Le givrage est un des phénomènes atmosphériques les plus sévères pour les aéronefs et les moteurs. Les évolutions récentes des exigences réglementaires ont étendu le domaine atmosphérique aux cristaux de glace. Pour ces conditions les moteurs d’avion doivent démontrer un fonctionnement robuste en vol. Contrairement aux gouttes en surfusion rencontrées en givrage standard, l’accrétion des cristaux de glace se produit jusqu’à très haute altitude et à température positive à l’intérieur du moteur. Les mécanismes associés sont complexes car ils font intervenir des couplages forts entre les cristaux et les champs aérodynamiques dans l’écoulement ainsi qu’à la paroi. L'objectif de cette thèse est de développer et valider des moyens de simulation et d’analyse permettant de prédire les accrétions générées par l’ingestion en vol de ces cristaux. Il s’agira notamment de développer les modèles pour la croissance de glace en 3D en étendant les modèles d’impact aux parois chaudes, en implémentant un modèle d’accrétion dans un code de film d’eau en paroi, et en tenant compte des effets d’érosion et de détachement. Dans un second temps, ces développements seront implémentés dans la chaine de givrage de l’ONERA. Les améliorations seront validées sur des bases d’essais académiques et moteurs en atmosphère de cristaux de glace

Afin d’anticiper de potentiels problèmes thermiques liés à l’éjection de gaz d’échappements à haute température par les moteurs hélicoptères, les industriels ont de plus en plus recours à la simulation numérique. La simulation de la trajectoire et du mélange des gaz d’échappement est cependant complexe et peu intuitive. Elle implique notamment de reproduire correctement les mécanismes physiques tridimensionnels et instationnaires résultant de l’interaction entre le jet chaud issu des moteurs et l’écoulement externe composé du vent relatif, du souffle rotor et d’un potentiel effet de sol. Le jet et l’écoulement externe n’étant généralement pas orientés selon les mêmes directions, l’écoulement résultant peut être assimilé à un écoulement de type jet débouchant. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse était de proposer des méthodologies de simulation permettant de restituer le mélange et la dynamique de l’écoulement pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère(fort niveaux de température et jet décollé de la paroi). Dans un premier temps, une campagne d’essais a été réalisée dans la soufflerie F2 de l’ONERA. L’objectif était de constituer une base de données expérimentale détaillée pour des jets débouchants représentatifs d’une application hélicoptère. Cette base de données expérimentale a alors été utilisée afin d’évaluer la capacité de plusieurs modélisations RANS à restituer les aspects dynamique et thermique de ce type l’écoulement. L’utilisation de modélisations RANS plus avancées pour le flux de chaleur turbulent a également été étudié. D’autre part,des simulations aux échelles résolues SAS-SST et LES ont été conduites et comparées aux données expérimentales. L’analyse du flux de chaleur turbulent résolu a notamment permis d’évaluer la validité des modèles GDH et GGDH pour ce type d’écoulement. Finalement, une simulation SAS-SST a été réalisée sur une configuration industrielle basée sur une maquette d’hélicoptère.