Cette thèse propose la reformulation et l'implantation d'une méthode simplifiée de prévision de la transition laminaire-turbulent naturelle, la méthode des paraboles. Elle s'appuie sur une base de donnée pour fournir une expression analytique des taux d'amplification de perturbations modales de la couche limite. Ces perturbations prennent naissance dans la couche limite à travers un mécanisme de réceptivité, puis connaissent une croissance linéaire suivie d'interactions non-linéaires qui conduisent à la transition vers la turbulence. La méthode du facteur-N permet la prévision de la position de transition en supposant qu'elle a lieu quand l'amplification linéaire totale d'un mode des perturbations a atteint une amplitude critique. L'amplification totale est obtenue en intégrant les taux d'amplifications des perturbations le long de la ligne de courant extérieure à la couche limite. Cette formulation intégrale n'est pas adaptée aux codes RANS et ces travaux proposent une reformulation de la méthode du facteur-N sous forme d'équation de transport, dont le terme source dépend du taux d'amplification des perturbations donné par la méthode des paraboles. Le modèle qui en résulte (N-sigma-P ou NSP) permet de déterminer si un point donné est en amont ou en aval du point de transition et ainsi de prévoir la position de transition, pour des configurations où la transition est déclenchée par des modes longitudinaux (ondes de Tollmien-Schlichting) ou transverses (crossflow).

Cette thèse étudie l'application de méthodes de parallélisation en temps pour la simulation numérique directe des écoulements turbulents. Après une étude préliminaire, on choisit de se focaliser sur l'algorithme Parareal avec grossissement spatial. Le comportement de l'algorithme est étudié en premier lieu sur l'équation d'advection, comme simplification des équations de Navier-Stokes, par une analyse de Fourier et une série d'expériences numériques, afin d'en cerner les mécanismes et paramètres dimensionnants. L'algorithme est ensuite étudié dans un contexte HPC, à l'aide du code de simulation massivement parallèle Hybrid. Deux situations d'écoulements turbulents tridimensionnels sont à l'étude: la décroissance d'une turbulence homogène isotrope et l'écoulement de canal turbulent. Ce travail propose une première mesure de l'efficacité de la parallélisation combinée espace-temps, ainsi qu'une évaluation précise de la capacité de l'algorithme à représenter les propriétés physiques de la turbulence.

Les moteurs à propergol solide de certains lanceurs spatiaux peuvent présenter des oscillations de poussée provoquées par des oscillations de la pression interne du moteur. Il est désormais connu qu'une instabilité hydrodynamique propre à l'écoulement et mise en évidence par une approche de stabilité linéaire, appelée Vortex Shedding Parietal, est le phénomène à l'origine de ces oscillations. Cependant plusieurs questions subsistent quant à l'apparition de ces oscillations. En particulier, on constate que ces oscillations ne sont observées que dans la seconde moitié du tir. On suppose que la transition laminaire-turbulent de l'écoulement joue un rôle dans ce phénomène. Par ailleurs, l'utilisation possible de la géométrie étoilée pour les blocs de propergol de géométrie étoilée oblige à reprendre l'étude de stabilité linéaire pour l'étude de ces oscillations. Cette thèse porte ainsi à la fois sur l'étude de la stabilité linéaire de l'écoulement induit par une géométrie étoilée et sur la transition laminaire-turbulent d'une configuration circulaire. Une solution analytique de l'écoulement au sein d'un conduit à paroi débitante de géométrie étoilée est d'abord obtenue. Le profil de vitesse associé peut présenter des points d'inflexion en fonction de la déformation radiale ou du nombre de Reynolds de l'écoulement. Ensuite les approches de stabilité linéaire locale et biglobale sont appliquées à cette solution. Par rapport au cas circulaire, cette étude de stabilité linéaire met en évidence la possible existence d'un ou plusieurs modes amplifiés. Enfin, une simulation numérique LES de la transition laminaire-turbulent de la configuration du montage VALDO est effectuée.

A leurs débuts dans les années 50, les véhicules de décollage et d'atterrissage verticaux (VTOL) n’étaient pilotés que par les pilotes les plus expérimentés. Les avancées récentes sur les capteurs inertiels à faible coût, les systèmes embarqués intégrés, d'autre part, renforcent les systèmes d'augmentation de la stabilité (SAS) pour atténuer les modes dynamiques instables et permettre un vol par un utilisateur faiblement expérimenté puis de façon totalement autonome. Cependant, presque toutes les techniques de conception du pilote automatique reposent sur des descriptions mathématiques précises d'architectures nouvelles et donc inconnues. La présente thèse établit un cadre unifié, à savoir la Phi-théorie, pour évaluer les qualités de manipulation des véhicules hybrides et, en outre, concevoir des lois de contrôle stabilisatrices appropriées. Cette étude a consisté à établir un modèle traçable pour les véhicules tail-sitters en vue de la conception du contrôle et de l'analyse de la dynamique qualitative. La Phi-théorie proposée ne donne pas seulement un modèle avantageusement numérique, mais élargit également notre compréhension des véhicules tail-sitters. En contraste étroit avec la littérature existante, le modèle proposé est globalement non singulier, de type polynomial et contourne l'utilisation d'angles aérodynamiques d'attaque et de glissement latéral (free-stream et propwash induits). Même si mathématiquement élégant, un modèle mathématique ne présente un intérêt que s'il est conforme à la réalité. Cette thèse montre que c'est le cas au moyen de données issues d’une campagne de soufflerie ainsi que grâce à des essais en vol.

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.

L’aile rigide navale est le moyen de propulsion qui se substitue à la grande voile souple sur les catamarans de classe Coupe de l’América et Class-C. Ce gréement est similaire à une aile aéronautique, composée de deux éléments, avec le volet séparé de l’élément principal par une fente. Comparée à une voile souple, l’aile rigide permet d’améliorer les performances du bateau en naviguant à des vitesses plus grandes que celle du vent. Cependant, le décrochage brutal qui caractérise l’aile et sa sensibilité à l’instationnarité du vent rendent difficile la correcte maîtrise de l’aile pendant la navigation. La modification des forces aérodynamiques qui agissent sur l’aile, dû à l’action d’une rafale ou au dépassement de la limite du décrochage, peuvent compromettre la stabilité du catamaran avec un possible risque de chavirage. L’aile doit donc être dessinée et réglée correctement pour éviter cette possibilité de chavirage, mais il est nécessaire de connaître l’enveloppe aérodynamique.

Cette thèse étudie des méthodes de conception aérodynamique pour les avions de ligne de demain. A l'heure actuelle, les avions de ligne sont en général conçus de manière à ce que les moteurs, conçus séparément du reste de l'aéronef, n'interagissent que très peu avec la cellule de l'avion (la voilure, le fuselage,...). Pour diminuer la consommation de carburant, de nouveaux concepts comme l'ingestion de couche limite émergent, dans lesquels l'avion est conçu pour tirer profit des interactions aérodynamiques qui peuvent s'établir entre le moteur et la cellule de l'avion sur certaines configurations. Il devient alors nécessaire de simuler ces interactions pour s'assurer que le bénéfice pour l'avion en termes de consommation de carburant est réel. La méthode développée dans cette thèse a pour objectif de rendre possible la simulation de ces interactions, à un coût de calcul qui reste acceptable. La soufflante, qui est l'élément du moteur le plus à même d'interagir avec l'avion, est modélisée à l'aide d'un champ de force qui reproduit son aspiration de l'écoulement d'air. Cette approche permet de reproduire les interactions aérodynamiques entre l'avion et ses moteurs à un coût 50 fois inférieur à celui d'une simulation complète du moteur et de l'avion, ce qui permettra en pratique d'optimiser les lignes aérodynamiques des futurs avions.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en oeuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MA de l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements.

Dans le cadre du développement récent des schémas numériques compacts d’ordre élevé, tels que la méthode de Galerkin discontinu (discontinuous Galerkin) ou la méthode des différences spectrales (spectral differences), nous nous intéressons aux difficultés liées à l’utilisation de ces méthodes lors de la simulation de solutions discontinues. L’utilisation par ces schémas numériques d’une représentation polynomiale des champs les prédisposent à fournir des solutions fortement oscillantes aux abords des discontinuités. Ces oscillations pouvant aller jusqu’à l’arrêt du processus de simulation, l’utilisation d’un dispositif numérique de détection et de contrôle de ces oscillations est alors un prérequis nécessaire au bon déroulement du calcul. Les processus de limitation les plus courants tels que les algorithmes WENO ou l’utilisation d’une viscosité artificielle ont d’ores et déjà été adaptés aux différentes méthodes compactes d’ordres élevés et ont permis d’appliquer ces méthodes à la classe des écoulements compressibles. Les différences entre les stencils utilisés par ces processus de limitation et les schémas numériques compacts peuvent néanmoins être une source importante de perte de performances. Dans cette thèse nous détaillons les concepts et le cheminement permettant d’aboutir à la définition d’un processus de limitation compact adapté à la description polynomiale des champs. Suite à une étude de configurations monodimensionnels, différentes projections polynomiales sont introduites et permettent la construction d’un processus de limitation préservant l’ordre élevé. Nous présentons ensuite l’extension de cette méthodologie à la simulation d’écoulements compressibles bidimensionnels et tridimensionnels. Nous avons en effet développé les schémas de discrétisation des différences spectrales dans un code CFD non structuré, massivement parallèle et basé historiquement sur une méthodologie volumes finis. Nous présentons en particulier différents résultats obtenus lors de la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente.

De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière.