Dissertations / Theses on the topic 'Trains – Aérodynamique'

L’amélioration de la qualité du transport ferroviaire passe par l’augmentation des vitesses opérationnelles sans altération des niveaux de sécurité et de confort. Dans ces conditions, les aspects aérodynamiques jouent un rôle important et imposent des contraintes de conception parfois contradictoires. Pour y répondre, cette thèse expose les bases d’une méthode globale d’optimisation. Ce travail s’appuie sur la simulation numérique du comportement aérodynamique des rames, nécessitant des moyens de calcul importants. La complexité du domaine de recherche à prospecter impose de recourir à une procédure d’optimisation flexible et performante. L’étude concerne donc les méthodes métaheuristiques, et plus particulièrement l’emploi d’un algorithme génétique couplé à une procédure d’estimation des solutions automatisée. Les méthodes hybrides, consistant à greffer une méthode de recherche locale à l’algorithme général, sont avantageuses mais sont difficiles à mettre en place. Une solution originale est proposée, consistant à intégrer la méthode de recherche locale à l’élaboration d’une génération de l’algorithme génétique. Cette procédure, appelée génération ciblée, combine les qualités de l’algorithme génétique avec la précision de la recherche locale, tout en s’affranchissant de transition entre chaque méthode. Après avoir été validée sur des exemples classiques, la génération ciblée a été appliquée à des profils bidimensionnels représentatifs de formes ferroviaires. Les sensibilités des caractéristiques des algorithmes génétiques et de l’estimateur ont été étudiées. Enfin, une application tridimensionnelle mono-objectif a été réalisée pour démontrer la faisabilité de la méthode
Improving the quality of railway transport requires higher operational speeds with equivalent security and comfort levels. Under these conditions aerodynamic effects play an important role and can imply conflicting design constraints. This work lays the basis of a global optimization method. This work is based on numerical simulations of trains aerodynamics, demanding substantial computing resources. The complexity of the search space to be explored imposes the use of a flexible and highly efficient optimization process. The study concerns metaheuristic methods and particularly a genetic algorithm relying on a fully automatic process for the flow simulations. The hybrid method, consisting in using a local search method with the general algorithm, are advantageous but are difficult to set up. An original solution is proposed, consisting in incorporating the simplex method in the generation process of a genetic algorithm. This method, called Targeted Generation Simplex, combines the genetic algorithm advantages with the accuracy of the local search and does not need any transitions between each method. The Targeted Generation Simplex has been first validated on classical examples. Therefore, it has been applied to two dimensional profiles representative of railway shapes. Sensitivity with respect to the genetic algorithm characteristics and to the estimator has been studied. The method has been successfully applied to a three dimensional single objective application to demonstrate its feasibility

Les fluctuations rapides de pression, créées à l'intérieur des tunnels lors du passage de trains à grande vitesse peuvent poser des problèmes, tant sur le plan du confort des passagers que sur celui de la fatigue des structures du train·. Dans cette étude est proposée, dans un premier temps, une modélisation des phénomènes aérodynamiques liés au passage, avec ou sans croisement, de convoi ferroviaires en tunnel. A partir de cette modélisation, un logiciel permettant d'obtenir, par un calcul unidimensionnel ou bidimensionnel, l'évolution des paramètres aérodynamiques à l'extérieur ainsi qu'à l'intérieur des voitures a été développé. La validation de l'analyse théorique et du logiciel est ensuite effectuée à partir de résultats expérimentaux obtenus dans différents tunnels. Pour terminer, une étude paramétrique est menée afin de déterminer l'influence de certains paramètres tels que la vitesse du train, la géométrie du tunnel ou la surface équivalente de fuite des voitures, notamment sur le confort des passagers
Rapid pressure fluctuations generated inside tunnels when high speed trains pass through, may cause problems both for passengers comfort and for train structure's fatigue. In this study, first we propose to modelize aerodynamics phenomena related to movements of trains in tunnel with or without crossing. Based on this model, a program, that computes the evolution of aerodynamic parameters outside and inside of the coaches through a unidimensional or bidimensional calculation, has been developed. The validation of the theoretical analysis and of the software is then validated using experimental results obtained in different tunnels. Lastly, a parametric study is carried out in order to determine the influence of certain parameters such as train speed, tunnel geometry or equivalent leaking surface of t he coaches, specially on passengers comfort

Dans le domaine des transports, la nécessité de se conformer à des normes acoustiques sans cesse plus sévères et l'accession de la notion de confort acoustique au rang de critère essentiel de qualité du produit, ont conduit les industriels à s'intéresser au développement de modèles prédictifs du comportement vibroacoustique des véhicules, encore très mal compris. Il est ainsi apparu nécessaire d'engager des recherches sur le comportement vibroacoustique de grandes structures complexes en mouvement dans un fluide léger infini. Notre travail s'inscrit plus particulièrement dans le domaine basses fréquences pour lequel les sollicitations survenant à grande vitesse sont principalement d'origine aéroacoustique. L'objectif est de proposer une nouvelle approche, basée sur la compréhension physique des principaux phénomènes générateurs du bruit interne, et qui se positionne comme une alternative aux méthodes de discrétisation pour des études avant-projet. La méthode retenue est une méthode mixte simplifiée alliant théorie et expérience : s’appuyant sur des connaissances expérimentales pour diminuer la complexité du système, la modélisation repose sur une approche analytique intégra-modale associée à une technique de RAYLEIGH-RITZ. Développée d'abord dans le cadre général de structures minces quelconques, l'approche est illustrée dans un second temps sur un système parallélipipédique constitué de plaques planes orthotropes. L'une des principales originalités de notre étude consiste à envisager la transmission acoustique de structures hétérogènes soumises à des excitations aéroacoustiques. Nous aboutissons alors à la définition d'un outil numérique souple capable de déterminer les modes et chemins de transmission privilégiés du bruit, améliorant ainsi notre connaissance de ces systèmes et autorisant de surcroît des actions visant à réduire les niveaux sonores subis par les passagers. Une application spécifique est réalisée sur le cas du T. G. V. Duplex, dans le cadre d'une collaboration avec la SNCF sur un projet d'amélioration du confort acoustique dans le domaine 0-500 Hertz
The noise transmission through moving structures is of high interest in transport industries which have to conform more and more severe acoustic standards. Development of researches on acoustic behaviour of large and complex structures moving in a light fluid becomes then very topical. Our work concerns especially low frequency range and high speeds where loadings are mainly due to aeroacoustic sources. The purpose is to propound for this kind of problems a new approach, based on the understanding of the principal physical phenomena producing high internal sound levels and which places as an alternative of discretization methods for preliminary draft studies. We carry out a simplified method combining theoretical and experimental aspects: Being supported on experimental knowledge in order to decrease the complexity level of the system, our model lies on an analytical modal description associated with a RAYLEIGH-RITZ technique. First developed in the case of general thin heterogeneous structures, the model is then written for a parallelipipedic structure made up of orthotropic plane plates. One of the best originalities of our study is to analyze the acoustic transmission through heterogeneous structures excited by aeroacoustic sources. It has led us to define a flexible numerical tool which allows the preferential ways of noise transmission to be identified and which increases our knowledge on such systems. Solutions for reducing internal acoustic levels embarrassing passengers are defined. A specific application is done on the double deck T. G. V. In the context of a collaboration with the French Rail Ways Society (S. N. C. F. ) on an acoustic comfort improvement project for the 0-500 Hertz range

Lorsqu’un train circule en situation de vent traversier, il est exposé à un risque de renversement. L’évaluation de ce risque est possible à partir d’un calcul dynamique basé sur les efforts aérodynamiques, plus particulièrement le moment de renversement. Les coefficients aérodynamiques d’un véhicule ferroviaire peuvent être évalués en soufflerie. Lors de ce type d’essais, le nombre de Reynolds ne peut être respecté. L’expérience a montré que dans ces conditions, une mise à l’échelle directe des détails sur les maquettes de train ne conduit pas nécessairement à une représentation réaliste des efforts aérodynamiques.Ces travaux de thèse portent sur l’étude de l’impact de lignes placées en toiture sur les caractéristiques aérodynamiques de véhicules ferroviaires. Le but est de déterminer dans quelle mesure l’échelle de représentation de ces détails impacte les coefficients aérodynamiques.Deux modèles de trains simplifiés sont employés, le premier est un véhicule idéalisé déjà largement étudié auparavant dans la littérature sur les vents traversiers, le second est plus proche d’un train réel. Les moyens d’investigation employés pour mener cette étude sont principalement expérimentaux. Les efforts et moments aérodynamiques sont mesurés au moyen d’une balance aérodynamique et la répartition de pression à la surface des corps est évaluée à l’aide de capteurs de pression pariétale. Des simulations numériques par approche RANS viennent compléter la base de données afin d’affiner la compréhension de l’écoulement autour du train.Nous avons ainsi démontré que la présence des lignes sur le toit des véhicules augmente le risque de renversement des deux modèles de trains étudiés. Nous avons aussi mis en évidence une forte dépendance de cette augmentation à la taille des lignes de toiture. Une configuration s’est avérée particulièrement critique d’un point de vue industriel. En effet, nous avons identifié une taille des lignes de toiture conduisant à de très faibles modifications des efforts sur le modèle régional. Ainsi, une échelle de reproduction des détails non adaptée lors d’essais de certification pourrait conduire à une large sous-estimation du risque de renversement.Afin de comprendre les causes de l’augmentation du risque de renversement, nous avons identifié les modifications de pression ayant un impact sur les efforts globaux. Nous avons ensuite relié ces modifications de pression à la topologie de l’écoulement. Nous avons finalement démontré que l’augmentation du risque de renversement est liée d’une part à des modifications de pression locales très importantes, mais aussi à des modifications de pression plus globales
When expoecd to strong crosswinds, railway trains experience aerodynamic loads which tend to overturn them. The evaluation of the risk of overturning can be done with a dynamic calculation based on the aerodynamic loads and more precisely on the rolling moment. The aerodynamic characteristics of the vehicles can be evaluated in windtunnels. The Reynolds number of a full scale train is not applicable in these tests. Experimental tests showed that a reproduction of the train surface details at the same scale as the model would not necessarily lead to a correct estimation of the real aerodynamic loads.The topic of this work is to investigate the effect of roof mounted cables on the aerodynamic characteristics of railway vehicles. The aim is to determine the influence of the reproduction scale of these appendices on the aerodynamic coefficients. Two train models are employed. The first one is an extensively-studied simplified train model. The second one is more similar to a real train, modelled after a regional train. Visualisation tools are employed to investigate the flow topology. Global aerodynamic loads (lift, lateral force and rolling moment) are evaluated with a dynamometric force balance and surface pressure distribution is evaluated with pressure sensors. Additional RANS numerical simulations are performed to improve understanding of the flow topology.We demonstrated an increase of the risk of overtum for the two train models when cables are added on the roof. We also showed that this increase strongly depends on the cable's size.To understand this increase, we identified pressure modifications which are involved in the global load modifications. Then, we linked these pressure changes to flow topology. We finally showed that the incrcase of the risk of overtun is both due to local and global pressure modifications

L'augmentation globale du trafic aérien mondial est susceptible de fortement augmenter les nuisances sonores induites autour des aéroports. De fait, des initiatives à diverses échelles sont prises afin de réduire le bruit des aéronefs. Le "bruit de cellule" de l'avion (airframe noise) est un contributeur majeur du bruit total en phase d'approche, dont environ un tiers est émis par le train d'atterrissage. La simulation aux grandes échelles (LES) des équations de Navier-Stokes compressibles a été identifiée comme une candidate pour la prédiction du bruit de train d'atterrissage. Elle permet de résoudre l'écoulement intrinsèquement instationnaire autour du train, et de capturer les différentes échelles des structures turbulentes mise en jeu dans le sillage. En outre, une approche non-structurée est retenue afin de traiter des géométries réalistes et complexes de trains d'atterrissage. Répondant à ces critères, le logiciel AVBP est choisi pour de telles simulations. Une analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings est ensuite utilisée pour propager les sources acoustiques en champ lointain. La détermination des paramètres de simulation optimaux ainsi qu'une validation du code sont effectuées sur le cas académique du "barreau-profil" réalisé à l'Ecole Centrale de Lyon. Un bon accord des résultats aérodynamiques et acoustiques est observé avec la base de donnée expérimentale ainsi qu'avec d'autres résultats numériques. Une analyse des sources acoustiques a également été mise en oeuvre, mettant en évidence une contribution significative du cylindre aux angles rasants ainsi que des phénomènes interférentiels entre les émissions du cylindre et du profil, constructifs ou destructifs selon l'angle d'observation. Le code AVBP est ensuite utilisé pour la simulation des écoulements autour des trois trains simplifiés de la base de donnée LAGOON, supportée par Airbus. Un bon accord est globalement obtenu pour les résultats aérodynamiques et acoustiques pour les trois géométries de train, et les tendances des résultats expérimentaux lors de le complexification de la géométrie sont retrouvés à l'aide de la LES. Une étude des sources acoustique est ensuite réalisée. Les contributions respectives de chaque élément des trains sont identifiées, et une attention particulière est portée sur les tons de cavité. La structure de ces derniers est clairement mise en évidence à l'aide d'un solveur des équations d'Helmholtz (AVSP), expliquant également l'absence de tons pour les micros en survol. Les effets de l'ajout d'éléments supplémentaires pour les deux dernières configurations de train sont également étudiés, et il est montré en particulier qu'un bruit d'interaction, similaire à celui observé dans le cas "barreau-profil", entre le sillage de la barre de traction et l'essieu du train explique la prédominance d'un ton supplémentaire dans les spectres en champ lointain sur les tons de cavité.

Dans le domaine du transport, l'augmentation de la vitesse et l'allégement des structures sont responsables de la détérioration du confort acoustique. Afin d'intégrer cette notion dès la conception, il est nécessaire de caractériser les sources acoustiques. Dans le cadre d'une application ferroviaire, pour les vitesses considérées (Nombre de Mach<0,35) et pour le domaine des basses fréquences (0-500Hz), celles-ci sont principalement d'origine aérodynamique. La démarche retenue repose sur la compréhension des principaux phénomènes physiques mis en jeu dans le cas d'une cavité ouverte sollicitée par un écoulement turbulent. Grâce à une analyse bibliographique critique et à une expérimentation menée en soufflerie sur maquette, nous avons pu identifier, puis localiser les sources aéroacoustiques majeures. Les principaux paramètres de l'écoulement et de la cavité ouverte gouvernant ces phénomènes ont été identifiés. Un modèle robuste est proposé et confronté aux résultats obtenus pour les maquettes, puis pour une configuration réelle sur TGV. Celui-ci nous permet d'accéder aux paramètres critiques vitesse moyenne d'écoulement, fréquences d'émergence aéroacoustiques pour lesquels le niveau de pression acoustique généré est maximal. Les sources aéroacoustiques étant identifiées, nous développons un outil numérique RAMCES qui nous permet de calculer la pression acoustique pariétale induite sur toute la structure en mouvement. A cette fin des modèles de rayonnement ont développés : la méthode des sources images pour le problème intérieur à la cavité et une formulation intégrale en milieu convectif pour le problème extérieur. La mise en œuvre nécessite la connaissance de l'amplitude des sources mono polaires équivalentes, estimée à partir d'une grandeur moyenne de l'écoulement : l'énergie cinétique de turbulence. Grâce aux connaissances acquises, nous avons pu dégager une stratégie de réduction du niveau acoustique des sources. Deux solutions techniques proposées sont validées expérimentalement. Un outil global de type avant-projet a été développé dans le cadre d'une collaboration avec la SCNF
In transport industries, the increase of the velocity, and the lightning of the structures is responsible for the deterioration of acoustic comfort. In order to take into account this fact since the beginning of the design (draft studies), it is necessary to characterize acoustic sources. Within the framework of railways our study concerns especially low frequency range (0-500 Hertz) and high speeds (Mach t umber < 0,35). Hence, the source are mainly due to aerodynamic interactions. Our approach is based on the understanding of principal physical phenomena connected to a grazing turbulent t1ow over an opened cavity. Thanks to a critical bibliography analysis and to an experimental study held in a wind tunnel with scale models, we have identified and located major aeroacoustics sources. The main parameters of both flow and cavity which control those phenomena have been identified. A sturdy model is proposed and compared with the results concerning the scale models and a real configuration, the TGV. The model enable us to calculate the critical parameters that is to say the mean flow velocity and the aeroacoustics’ frequency leading to the maximum sound pressure level. As the aeroacoustics sources are identified, we develop a numerical tool RAMCES, for the prediction of the wall acoustic pressure over the whole structure. Radiating models are developed: the image sources model for the internal problem and an integral formulation with a convective media for the external problem. The implementation required the knowledge of the amplitude of equivalent monopolar source. These data are estimated from u mean value of the flow: The turbulent kinetic energy. Thanks to the granted knowledge, we propose a strategy for the reduction of aeroacoustics’ sources. Two practical solutions are presented and validated experimentally. A global cool for draft studies is developed. In the framework of a collaboration with the SNCF on a Low frequency field acoustic comfort improvement project

Ce travail concerne l’analyse et le contrôle de l’écoulement affleurant des cavités présentant la particularité d’être ouvertes latéralement et à proximité d’une paroi, avec pour visée applicative le développement de solutions de contrôle de la trainée induites par les cavités bogie de trains à grande vitesse. Pour étudier cette configuration, représentative des cavités ferroviaires et réputée moins sensible au bruit acoustique que les cavités présentant des rapports d’aspect plus petits, des essais expérimentaux ainsi que des simulations numériques (IDDES) d’accompagement ont été entrepris. Les motivations de nos recherches portent sur l’identification des liens entretenus entre l’écoulement et les charges aérodynamique appliquées sur la cavité d’une part et sur le contrôle de la trainée induite d’autre part. Dans ce cadre des essais synchronisés PIV-pression pariétales ont été spécifiquement menés en complément des mesures de forces visant à quantifier la contribution à la traînée (donc à la résistance à l’avancement) de la cavité. Ces derniers développements nous ont également permis d’identifier et de paramétrer une solution de contrôle actif par soufflage continu, basée sur la réduction de la quantité de mouvement à l’interface de la cavité et de débit sous caisse. Les gains de traînée maximum associés sont de l’ordre de 20% pour une géométrie de cavité vide et de l’ordre de 15% pour une cavité avec son bogie
This work concerns the analysis and control of the flow over cavities, which have the particularity of being laterally open and near a wall, with the aim of developing drag control solutions induced by bogie cavities of high-speed trains. To study this configuration, representative of railway cavities and known to be less sensitive to acoustic noise than cavities with smaller aspect ratios, experimental tests and numerical simulations (IDDES) were conducted. The motivations of our research focus on identifying the relationships between the flow and the aerodynamic loads applied on the cavity on one hand, and on the control of induced drag on the other hand. In this context, synchronized PIV-wall pressure tests were specifically conducted in addition to force measurements aimed at quantifying the contribution to drag (and thus to resistance to motion) of the cavity. These recent developments also allowed us to identify and parameterize a continuous blowing active control solution, based on reducing momentum at the cavity interface and underbody flow rate. The maximum associated drag reductions are around 20% for an empty cavity geometry and around 15% for a cavity including the bogie

Le transport aérien des marchandises et de personnes est devenu un des piliers de notre société mondialisée. Néanmoins, la croissance du secteur aéronautique a accentué les problèmes liés aux hauts niveaux sonores émis par les aéronefs. Dans le cadre de la réduction du bruit produit par les trains d’atterrissage en phases d’approche et d’atterrissage, cette thèse a pour but de proposer une méthodologie numérique précise et efficace permettant de prédire un tel bruit. Elle est basée sur l’utilisation du code Navier-Stokes CEDRE développé à l’ONERA mettant en œuvre des maillages non-structurés de haute qualité ainsi qu’un modèle de turbulence de type Zonal Detached Eddy Simulation. Cette démarche a été validée grâce au cas LAGOON, notamment à partir de deux simulations réalisées durant cette thèse, avec l’obtention de résultats très précis (moins de 1dB d’écart avec la mesure expérimentale des niveaux de bruit intégrés) avec un coût de calcul très raisonnable. Par la suite, cette méthodologie a été appliquée à un cas plus complexe, le PDCC, représentatif d’un train d’atterrissage réel. Une nouvelle fois, les résultats obtenus notamment les niveaux de bruit sont très précis, comme c’était le cas pour LAGOON. Ces bons résultats sont obtenus pour des choix différents : pour le PDCC des lois de paroi ont été utilisées en plusieurs endroits de la géométrie, dans le but de réduire encore plus le coût de calcul, tandis que dans le cas LAGOON, les couches limites ont été résolues à l’aide d’un maillage dédié. Finalement, la nature des sources acoustiques présentes dans le train LAGOON a été aussi étudiée. Pour cela, une simulation numérique d’un écoulement se développant autour d’une roue isolée du train a été réalisée afin d’identifier les mécanismes physiques responsables de la réponse tonale de la cavité, observée lors de la campagne expérimentale sur le train à 2 roues. Cette étude peut être aussi considérée comme celle d’une cavité installée soumise à un écoulement rasant non-uniforme. Les résultats obtenus sont comparés avec succès à ceux issus de la littérature du bruit de cavité
In a globalized world, air transportation of goods and persons has become an important pillar of our societies. However, the growth of this sector has raised an important issue, the high noise associated. In the framework of reducing the noise emitted by aircraft at approach and landing, and more precisely the noise emitted by the landing gear, this thesis aims to provide an accurate and efficient numerical methodology enabling to predict such noise. It is based on the use of ONERA’s in house Navier-Stokes code CEDRE coupled with the use of high quality unstructured meshes and a Zonal Detached Eddy Simulation turbulence model. This procedure has been developed thanks to the LAGOON test case, of which two simulations were performed during this thesis, obtaining very accurate results (less than 1dB of error in the OASPL results compared to the experimental measurements) at a moderated cost. In the following, it was applied to a more complex case, the PDCC, representative of a realistic landing gear. Once again, the results obtained were very accurate as was the case for LAGOON, even if an important difference existed between the two cases: for the PDCC, wall functions were used for several geometrical parts, aiming to decrease even more the cost of the simulation while all the boundary layers developing over the LAGOON case were completely solved with a devoted grid. Finally, the nature of the acoustic sources present in the LAGOON landing gear was also addressed. At this end, a simulation was carried out over an isolated wheel, aiming to identify the mechanisms underlying the tonal response of these cavities observed during the LAGOON experimental campaign. This study can be considered as the study of an installed cavity submitted to a non uniform grazing flow, and its analysis relied on comparisons with the results obtained on common cavities from literature

La circulation de trains à grande vitesse engendre de nombreux phénomènes aérodynamiques dont l'évaluation est nécessaire pour régler certains problèmes de sécurité ou de confort. Dans le cas particulier des croisements, il n'existe pas actuellement d'installation expérimentale appropriée. Par ailleurs, les essais en ligne sont onéreux et difficiles à mettre en œuvre. C’est pourquoi nous avons entrepris une étude numérique destinée à fournir les variations de pression qui apparaissent lors des croisements dans l'hypothèse simplificatrice d'un fluide idéal. Les effets instationnaires sont approchés par une méthode quasi-stationnaire. La méthode des singularités étant, d'après notre étude bibliographique, la mieux adaptée à la résolution de ce problème, nous avons développé un code de calcul, dit code sources, qui permet de déterminer l'écoulement incompressible autour de corps sans modélisation du sillage. Ce code, valide sur plusieurs obstacles de forme simple, a ensuite été applique aux trains en marche isolée et en croisement. Les résultats sont en bon accord avec ceux du LIMSI qui a initié les recherches numériques sur les trains à grande vitesse dans les années 70. Cependant, les vitesses toujours plus élevées impliquent désormais de prendre en considération le caractère subsonique de l'écoulement lors du croisement. De plus, la modélisation du sillage est nécessaire à l'étude des effets portants. Nous avons donc élaboré un autre code de calcul dit code sources-doublets, consacré aux écoulements autour d'obstacles avec prise en compte de la compressibilité de l'air et du sillage. Dans un premier temps, nous avons calculé les répartitions de pression autour d'obstacles largement étudiés dans la littérature, afin de valider la modélisation du sillage. Nous avons enfin évalué l'écoulement autour de deux trains en croisement, avec prise en compte de la compressibilité du fluide suivant la loi de Gothert. Nous avons ainsi estimé les efforts élémentaires et globaux s'exerçant sur les deux trains pour des configurations différentes. Les répartitions de pression obtenues serviront de base à l'étude des effets de fluide réel.

Les travaux rapportes dans ce memoire concernent l'etude des phenomenes aerodynamiques instationnaires generes a l'interieur et au voisinage d'un tunnel par l'entree d'un train. De nombreuses nuisances liees a ces phenomenes sont apparues sur les reseaux ferroviaires depuis le developpement des grandes vitesses (gene auditive pour les passagers, bang sonique,). Dans cette etude, nous nous sommes concentres sur la generation de l'onde de compression et sur l'emission de la micro-onde. La premiere partie du memoire s'attache a l'etude experimentale de la generation de l'onde de compression. Un dispositif a echelle reduite (1/140#e#m#e) couvrant une large gamme de vitesses (5 50 m/s) a ete realise. Afin de clarifier le mecanisme de generation, et ce pour la premiere fois, les caracteristiques de l'ecoulement genere a l'entree du tunnel ont ete etudiees. L'influence des parametres principaux de l'onde de compression a ete degagee et a permis d'introduire les grandeurs adimensionnees adaptees a sa description. Nous avons alors investi un grand nombre de solutions permettant de reduire les gradients de pression en tunnel en quantifiant l'efficacite de chacune et en analysant les phenomenes induits. Une attention particuliere a ete portee a la pertinence de leur application a echelle reelle. La seconde partie est constituee de deux etudes numeriques. Tout d'abord, un code de calcul monodimensionnel a ete developpe pour la generation de l'onde de compression. Plusieurs corrections ont ete apportees afin de prendre en compte la couche limite sur le train et la perturbation du champ de pression a l'entree du domaine de calcul. Les resultats alors obtenus sont probants. L'emission de la micro-onde resultant de la decharge dans l'atmosphere de l'onde de compression a ete modelisee. Le code de calcul s'avere non seulement utile a la prediction de l'amplitude de la micro-onde mais aussi a l'estimation fine des caracteristiques de l'onde de detente reflechie en tunnel.

Le contrôle actif de l’écoulement à l’arrière des véhicules se déplaçant à grande vitesse est un moyen de diminuer efficacement la consommation énergétique des véhicules par la réduction de la traînée aérodynamique. L’intérêt des méthodes actives est leur possible adéquation avec des conditions environnementales variables pour une modification minimale de la forme des véhicules, contrairement aux systèmes exclusivement passifs (profilage, ailerons aérodynamiques …). Toutefois, le contrôle actif nécessite un apport d’énergie qui réduit sa rentabilité énergétique finale. À l’aide d’essais expérimentaux sur une maquette de véhicule simplifié, cette thèse recherche comment employer un contrôle actif à base de jets pulsés à haute fréquence pour assurer une réduction de traînée de véhicule performante, robuste et énergétiquement rentable. Ces recherches sont axées sur : (i) la compréhension des phénomènes à l’origine de la traînée de pression, (ii) la définition d’un modèle de l’écoulement pour le contrôle, et (iii) l’implémentation expérimentale de méthodes de contrôle de traînée efficaces, robustes et à moindre coût énergétique. Les tests en soufflerie réalisés au cours de cette thèse se basent sur les stratégies de contrôle par mode glissant et de commande par extremum seeking qui permettent de concevoir de nouvelles solutions de réduction de la traînée visant à l’amélioration de la robustesse et de la rentabilité du contrôle par jets pulsés. Cette thèse s’inscrit dans le projet ANR ActivRoad issu de la collaboration de trois laboratoires de recherche : le Laboratoire Ampère (INSA, Lyon), l’Institut Pprime (ENSMA, Poitiers) et le LMFA (Centrale, Lyon) ; et le soutien de deux acteurs industriels : le groupe PSA et Volvo Trucks
Active flow control techniques can decrease the aerodynamic drag acting on a vehicle moving at high velocity. Instead of exclusively passive techniques, active control can reduce the pressure drag on a vehicle under a wider range of operating conditions without requiring large modifications of the functional shape of the vehicles. However, active control devices require an additional source of energy, which may decrease the global efficiency of the control. Our work aims to reduce significantly the drag of ground vehicles with efficiency and robustness thanks to high frequency pulsed jet control. We present experimental studies on a simplified bluff body mock-up of a ground vehicle and we seek to understand the phenomena linked to the pressure drag on a vehicle. In this thesis, we propose a modelling methodology of the vehicle’s turbulent wake adapted for control purposes. Finally, we design and test experimentally different closed-loop control methods of the wake with high frequency pulsed air jets. The experimental studies performed in a wind tunnel show the efficient application of sliding mode control and extremum seeking techniques for a robust drag control with energy cost considerations. This thesis was financed by the French National Research Agency (ANR) and contributes to the project ActivRoad involving three French laboratories: Ampère (INSA, Lyon), Pprime Institute (ENSMA, Poitiers), and the LMFA (Centrale, Lyon); and two automotive companies: PSA group and Volvo Trucks

Cette thèse a pour cadre le développement de méthodes numériques pour la conception optimale de forme de voilure en aérodynamique compressible. Ce travail a donné lieu au développement et à la validation d'un adjoint discret aéro-structure pour l'analyse de sensibilité par rapport aux paramètres de forme et de structure interne de l 'aile dont dépend la fonction d'intérêt, qu' elle soit aérodynamique ou structurale. Les développements logiciels ont été réalisés dans le code de simulation numérique de mécanique des fluides elsA et font suite aux travaux de Marcelet portant sur l'adjoint aéroélastique et dont ils sont une extension. Alors que pour l'adjoint aéro-élastique, on considère une aile flexible, de caractéristiques structurales constantes, pour l'adjoint aérostructure, leur variations sont prises en compte. Pour cela, l'extension de la méthode adjointe s' est accompagnée du développement d' un module de modélisation de la structure interne de l'aile. Ce module est linéarisé et vient donc alimenter le système adjoint. Il a été validé par le dimensionnement de la structure primaire d'une configuration de recherche fournie par l' avionneur Airbus. Dans l'état actuel de développement de la méthode adjointe dans le code elsA, on peut donc désormais calculer les sensibilités d'une fonction aérodynamique ou d'une fonction structure par rapport aux paramètres de forme aérodynamique ou de structure interne de l'aile. Le calcul des gradients ainsi obtenus a été validé par des comparaisons systématiques aux différences finies.

Cette thèse a pour cadre le développement de méthodes numériques pour la conception optimale de forme de voilure en aérodynamique compressible. Ce travail a donné lieu au développement et à la validation d'un adjoint discret aéro-structure pour l'analyse de sensibilité par rapport aux paramètres de forme et de structure interne de l 'aile dont dépend la fonction d'intérêt, qu' elle soit aérodynamique ou structurale. Les développements logiciels ont été réalisés dans le code de simulation numérique de mécanique des fluides elsA et font suite aux travaux de Marcelet portant sur l'adjoint aéroélastique et dont ils sont une extension. Alors que pour l'adjoint aéro-élastique, on considère une aile flexible, de caractéristiques structurales constantes, pour l'adjoint aérostructure, leur variations sont prises en compte. Pour cela, l'extension de la méthode adjointe s' est accompagnée du développement d' un module de modélisation de la structure interne de l'aile. Ce module est linéarisé et vient donc alimenter le système adjoint. Il a été validé par le dimensionnement de la structure primaire d'une configuration de recherche fournie par l' avionneur Airbus. Dans l'état actuel de développement de la méthode adjointe dans le code elsA, on peut donc désormais calculer les sensibilités d'une fonction aérodynamique ou d'une fonction structure par rapport aux paramètres de forme aérodynamique ou de structure interne de l'aile. Le calcul des gradients ainsi obtenus a été validé par des comparaisons systématiques aux différences finies.

La propulsion en aviron résulte de la compensation entre la résistance de l’eau sur la coque et l’accroche des pelles dans l’eau. Pour la collecte de brouillard à l’aide de filets, la dynamique de récupération de l’eau résulte des effets de résistance de l’air sur les gouttelettes combinés aux perturbations de l’écoulement au niveau du filet. Dans cette thèse, — centrée sur les interactions fluide/structure — nous avons cherché à optimiser l’efficacité (de la propulsion et de la collecte) du point de vue hydro et aérodynamique. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur des expériences modèles (maquettes de bateaux d’aviron, soufflerie à brouillard) permettant de se placer dans des conditions contrôlables en laboratoire et de s’affranchir des biais humain et climatique.Dans la première partie sur l’aviron, nous avons montré quelle était la longueur de rame optimale pour la propulsion. Puis nous nous sommes intéressés à l’effet du déphasage entre les rameurs et avons montré qu’une parfaite synchronisation permet d’obtenir une vitesse maximale. Enfin, nous avons effectué une étude empirique et expérimentale sur les formes (rapport d’aspect et symétrie) de coques optimales. La seconde partie porte sur la collecte d’eau à l’aide de filets à brouillard qui a débuté par une étude de l’impact des gouttes sur une maille (fibre) du filet puis au sein d’un filet complet. Nous avons enfin étudié l’effet de l’élasticité des fibres et du drainage sur la collecte. Cette étude a mis en évidence l’importance des propriétés de mouillage des fibres sur la collecte et la conception des filets
The rowing propulsion results from the compensation between water resistance on the hull and the attachment of the oars in the water. For fog collection using nets, the dynamics of water harvesting results from the effects of air resistance on the droplets combined with flow disturbances at the net level. In this thesis, - centered on the fluid / structure interactions - we sought to optimize the efficiency (propulsion and collection) from the hydro and aerodynamic point of view. For this, we relied on model experiments (Robot rowing boats, mist wind tunnel) to be placed in controllable laboratory conditions and to overcome human and climatic bias.In the first part on rowing, we showed what was the optimal oars length for propulsion. Then we were interested in the effect of the phase shift between the rowers and showed that a perfect synchronization makes it possible to obtain a maximum speed. Finally, we carried out an empirical and experimental study on the shapes (aspect ratio and symmetry) of optimal hulls. The second part deals with the collection of water using mist nets, which began with a study of the impact of the drops on a mesh (fiber) of the net and then within a complete net. Finally, we studied the effect of fiber elasticity and drainage on collection. This study has highlighted the importance of fiber wetting properties on net collection and design

L’industrie automobile fournie de plus en plus d’effort pour optimiser l’aérodynamique externe des véhicules afin de réduire son empreinte écologique. Dans ce cadre, l’objectif de ce projet est d’examiner les structures tourbillonnaires responsables de la dégradation de traînée et de proposer une solution de contrôle actif permettant d’améliorer l’efficacité aérodynamique d’un véhicule SUV. Après une étude expérimentale de la maquette POSUV échelle réduite, une analyse modale croisée permet d’identifier les structures périodiques corrélées de l’écoulement qui pilotent la dépression sur le hayon. Une solution de contrôle optimale par jets pulsés sur le parechoc arrière, est obtenue avec un algorithme génétique. Celle-ci permet de réduire la dépression du hayon de 20% et l’analyse croisée des résultats instationnaires avec contrôle montre un changement significatif de la distribution spectrale. Après deux études préliminaires sur la rampe inclinée à 25° et sur le Corps d’Ahmed à 47°, la simulation de POSUV à partir d’un solveur LES, en éléments finis, est validé par rapport aux résultats expérimentaux. L’approfondissement des résultats 3D permet de comprendre les pertes aérodynamiques. La simulation de l’écoulement contrôlé permet également d’identifier les mécanismes du contrôle d’écoulements
The automotive industry dedicates a lot of effort to improve the aerodynamical performances of road vehicles in order to reduce its carbon footprint. In this context, the target of the present work is to analyze the origin of aerodynamic losses on a reduced scale generic Sport Utility Vehicle and to achieve a drag reduction using an active flow control strategy. After an experimental characterization of the flow past the POSUV, a cross-modal DMD analysis is used to identify the correlated periodical features responsible for the tailgate pressure loss. Thanks to a genetic algorithm procedure, 20% gain on the tailgate pressure is obtained with optimal pulsed blowing jets on the rear bumper. The same cross-modal methodology allows to improve our understanding of the actuation mechanism. After a preliminary study of the 25° inclined ramp and of the Ahmed Body computations, the numerical simulation of the POSUV is corroborated with experiments using the cross-modal method. Deeper investigations on the three-dimensional flow characteristics explain more accurately the wake flow behavior. Finally, the controlled flow simulations propose additional insights on the actuation mechanisms allowing to reduce the aerodynamic losses

Sur fond de crise pétrolière, il devient crucial pour les industries de transport, civiles ou militaires, de réduire la consommation de carburant de leurs véhicules. Aussi. la réduction de leur traînée de frottement laisse espérer des gains énergétiques substantiels. Notamment à l'origine de cette force, la contrainte pariétale dans les couches limites turbulentes résulte de phénomènes dynamiques complexes difficilement observables et peu prévisibles. Il s'agit de structures tourbillonnaires cohérentes. dont les tailles et temps caractéristiques sont encore difficilement atteignables dans les applications industrielles. Pour mieux prévoir les gains potentiels et en vue d'une future démonstration expérimentale. des simulations numériques de leur contrôle au moyen d'un micro système d'actionnement original sont présentées dans ce mémoire. L'accent a été mis sur le réalisme de la modélisation. Ces travaux ont d'abord permis un diagnostic des techniques de simulation des couches limites spatiales et ont abouti à une amélioration des conditions d'entrée turbulentes et au développement d'une méthode performante de génération synthétique de turbulence. Des stratégies de contrôle ont ensuite été proposées, qui permettent d'accroître la faisabilité pratique des mécanismes associés au contrôle en opposition, bien connus de la littérature. La mise en œuvre de cette dernière stratégie au moyen d'un microsystème distribué réaliste a finalement permis de caractériser ses performances réelles. Les mécanismes d'interaction entre turbulence et actionneur sont précisément décrits. L'identification de facteurs de rendement permet alors d'orienter les futurs travaux à ce sujet
The rising cost of oil leads most of transportation firms to work towards reducing the fuel consumption of their vehicles. ln aeronautical applications, they mainly focus on viscous drag reduction. which gives hope to considerable power savings. The approach followed in the present work aims at manipulating the turbulent features responsible for the friction force. Located in the turbulent part of boundary layers. they consist in coherent vortices. whose characteristic time and space scales are costly to reach experimentally and numerically. This work postulates that only a high level of realism could help to predict accurately the performance of coherent vortices-based drag control methods. It is therefore taken into account at three stages of the design of our flow control simulation. which are the choice of the Reynolds number, the control algorithm and the actuating system. First of all, the simulation of high Reynolds number spatial boundary layers is often limited by computing capacities. Thanks to an optimization of existing inflow boundary conditions, current work helps to reduce CPU cost and widens the field of reachable flow conditions. Secondly, two improvements of the well-known oppositiol control have been proposed to allow its experimental adaptation. They are assessed using large-eddy simulation (LES) at a reasonable cost. Finally, a realistic MEMS is mode lied and used to manipulate the fine turbulent structures in the vicinity of the wall. Real influence on drag as well as precise interaction mechanisms are described using direct numerical simulation (DNS). Efficiency parameters are identified and possible ways of improvement are indicated

Cette thèse concerne l'étude de l'interaction air-mer, due aux échanges de mouvements, avec un modèle idéalisé mais consistant. Les études sont réalisées à partir d'un modèle shallow-water bicouches (une pour l'océan et une pour l'atmosphère), avec une fine résolution spatiale et temporelle. L'interaction est uniquement due à la friction de surface entre les deux couches.Elle est implémentée par une loi de friction quadratique. La force appliquée à l'océan est calculée en utilisant la différence de vitesse entre les vents et les courants. Pour la force appliquée à l'atmosphère on distingue deux cas l'interaction ``1way'' et ``2way''. Pour la première, la friction appliquée à l'atmosphère néglige la dynamique de l'océan; elle est calculée en utilisant uniquement les vents. Pour l'interaction ``2W'', la friction appliquée à l'atmosphère est l'opposée de celle appliquée à l'océan.Trois configurations idéalisées sont explorées ici.La première configuration explique la génération d'une instabilité barotrope dans l'océan due à la force de friction quadratique et la dissipation visqueuse horizontale de l'atmosphère. Dans le cas 1W le cisaillement entraîne une instabilité barotrope dans l'océan. Dans le cas 2W, l'instabilité est amplifiée en amplitude et en dimension et est transférée à l'atmosphère. L'échelle principale de cette instabilité correspond à celle du rayon de Rossby dans l'océan. Elle est uniquement visible dans les modèles numériques, lorsque la dynamique est résolue à cette échelle à la fois dans l'océan mais aussi dans l'atmosphère.Dans la deuxième configuration, des expériences pour différentes valeurs du coefficient de traînée de surface sont réalisées. Le forçage diffère de la première configuration, et permet d'avoir une dynamique turbulente dans l'océan et l'atmosphère. L'énergie perdue par l'atmosphère et gagnée par l'océan par cisaillement à l'interface sont déterminées et comparées aux estimations basées sur les vitesses moyennes. La corrélations entre la vorticité océanique et atmosphérique est déterminée à l'échelle synoptique et méso-échelle de l'atmosphère. L'océan a un rôle passif, et absorbe l'énergie cinétique à quasiment tout les instants et tous les lieux. Les résultats différent des études réalisées à l'échelle du bassin. De par les faibles vitesses de l'océan, le transfert d'énergie dépend que faiblement des courants. La dynamique de l'océan laisse cependant son empreinte dans la dynamique de l'atmosphère conduisant à un état `quenched disorder' du système océan-atmosphère, pour le plus fort coefficient de friction utilisé.La dernière configuration, considère l'échange de mouvements entre l'océan et l'atmosphère autour d'une île circulaire. Dans les simulations actuelles de la dynamique océanique, le champs du forçage atmosphérique est généralement trop grossier pour inclure la présence de petites îles (<100km). Dans les calculs présentés ici, l'île est représenté dans la couche atmosphérique par un coefficient de traînée cent fois plus fort au dessus de l'île que l'océan. Cela engendre de la vorticité dans l'atmosphère , autour et près du sillage de l'île. L'influence de la vorticité atmosphérique sur la vorticité de l'océan, l'upwelling, la turbulence et le transfert d'énergieest considéré en utilisant des simulations couplées océan-atmosphère.Les résultats sont comparés avec des simulations ayant un forçage atmosphérique constant dans le temps et l'espace (pas de sillage) et des simulations "1W" (pour lesquelles les courants n'ont pas d'influence sur l'atmosphère).Les résultats des simulations sont en accords avec les travaux et les observations précédemment réalisés, et confirment que le sillage atmosphérique est le principal processus générant des tourbillons océanique dans le lit de l'île. Il est aussi montré que la vorticité est injectée directement par le rotationel du vent, mais aussi par la force du vent perpendiculaireau gradient d'épaisseur de la couche de surface océanique
This thesis considers air-sea interaction, due to momentum exchange, in an idealized but consistent model. Two superposed one-layer fine-resolution shallow-water models are numerically integrated. The upper layer represents the atmosphere and the lower layer the ocean. The interaction is only due to the shear between the two layers. The shear applied to the ocean is calculated using the velocity difference between the ocean and the atmosphere.The frictional force between the two-layers is implemented using the quadratic drag law. Three idealized configurations are explored.First, a new mechanism that induces barotropic instability in the ocean is discussed. It is due to air-sea interaction with a quadratic drag law and horizontal viscous dissipation in the atmosphere. I show that the instability spreads to the atmosphere. The preferred spatial scale of the instability is that of the oceanic baroclinic Rossby radius of deformation.It can only be represented in numerical models, when the dynamics at this scale is resolved in the atmosphere and the ocean.In one-way interaction the shear applied to the atmosphere neglectsthe ocean dynamics, it is calculated using the atmospheric wind, only. In two-way interaction it is opposite to the shear applied to the ocean.In the one-way interaction the atmospheric shear leads to a barotropic instability in the ocean. The instability in the ocean is amplified, in amplitude and scale, in two-way interaction and also triggers an instability in the atmosphere.Second, the air-sea interaction at the atmospheric synoptic and mesoscale due to momentum transfer, only, is considered. Experiments with different values of the surface friction drag coefficient are performed, with a different atmospheric forcing from the first configuration, that leads to a turbulent dynamics in the atmosphere and the ocean. The actual energy loss of the atmosphere and the energy gain by the ocean, due to the inter-facial shear,is determined and compared to the estimates based on average speeds.The correlation between the vorticity in the atmosphere and the ocean is determined. Results differ from previous investigations where the exchange of momentum was considered at basin scale. It is shown that the ocean has a passive role, absorbing kinetic energy at nearly all times and locations.Due to the feeble velocities in the ocean, the energy transfer depends only weakly on the ocean velocity. The ocean dynamics leaves nevertheless its imprint in the atmospheric dynamics leading to a quenched disordered state of the atmosphere-ocean system, for the highest value of the friction coefficient considered. This finding questions the ergodic hypothesis, which is at the basis of a large number of experimental, observational and numericalresults in ocean, atmosphere and climate dynamics.The last configuration considers the air-sea interaction, due to momentum exchange, around a circular island. In todays simulations of the ocean dynamics, the atmospheric forcing fields are usually too coarse to include the presence of smaller islands (typically $<$ 100km).In the calculations presented here, the island is represented in the atmospheric layer by a hundred fold increased drag coefficient above the island as compared to the ocean. It leads to an increased atmospheric vorticity in the vicinity and in the wake of the island. The influence of the atmospheric vorticity on the ocean vorticity, upwelling, turbulence and energy transfer is considered by performing fully coupled simulations of the atmosphere-oceandynamics. The results are compared to simulations with a constant, in space and time, atmospheric forcing (no wake) and simulations with one-waycoupling only (where the ocean velocity has no influence on the atmosphere).Results of our simulations agree with previous published work and observations, and confirm that the wind-wake is the main process leading to mesoscale oceanic eddies in the lee of an island

Cette thèse porte sur l'étude numérique des fluctuations extrêmes de la force de traînée exercée par un écoulement turbulent sur un corps immergé.Ce type d'évènement, très rare, est difficile à caractériser par le biais d'un échantillonnage direct, puisqu'il est alors nécessaire de simuler l'écoulement sur des durées extrêmement longues. Cette thèse propose une approche différente, basée sur l'application d'algorithmes d'échantillonnage d'événements rares. L'objectif de ces algorithmes, issus de la physique statistique, est de modifier la statistique d'échantillonnage des trajectoires d'un système dynamique, de manière à favoriser l'occurrence d'événements rares. Si ces techniques ont été appliquées avec succès dans le cas de dynamiques relativement simples, l'intérêt de ces algorithmes n'est à ce jour pas clair pour des dynamiques déterministes extrêmement complexes, comme c'est le cas pour les écoulement turbulents.Cette thèse présente tout d'abord une étude de la dynamique et de la statistique associée aux fluctuations extrêmes de la force de traînée sur un obstacle carré fixe immergé dans un écoulement turbulent à deux dimensions. Ce cadre simplifié permet de simuler la dynamique sur des durées très longues, permettant d'échantillonner un grand nombre de fluctuations dont l'amplitude est assez élevée pour être qualifiée d'extrême.Dans un second temps, l'application de deux algorithmes d’échantillonnage est présentée et discutée.Dans un premier cas, il est illustré qu'une réduction significative du temps de calcul d'extrêmes peut être obtenue. En outre, des difficultés liées à la dynamique de l'écoulement sont mises en lumière, ouvrant la voie au développement de nouveaux algorithmes spécifiques aux écoulements turbulents
This thesis discusses the numerical simulation of extreme fluctuations of the drag force acting on an object immersed in a turbulent medium.Because such fluctuations are rare events, they are particularly difficult to investigate by means of direct sampling. Indeed, such approach requires to simulate the dynamics over extremely long durations.In this work an alternative route is introduced, based on rare events algorithms.The underlying idea of such algorithms is to modify the sampling statistics so as to favour rare trajectories of the dynamical system of interest.These techniques recently led to impressive results for relatively simple dynamics. However, it is not clear yet if such algorithms are useful for complex deterministic dynamics, such as turbulent flows.This thesis focuses on the study of both the dynamics and statistics of extreme fluctuations of the drag experienced by a square cylinder mounted in a two-dimensional channel flow.This simple framework allows for very long simulations of the dynamics, thus leading to the sampling of a large number of events with an amplitude large enough so as they can be considered extreme.Subsequently, the application of two different rare events algorithms is presented and discussed.In the first case, a drastic reduction of the computational cost required to sample configurations resulting in extreme fluctuations is achieved.Furthermore, several difficulties related to the flow dynamics are highlighted, paving the way to novel approaches specifically designed to turbulent flows