Дисертації з теми "Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD)"

La Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un moyen de mesure non intrusif de la vitesse particulaire classiquement utilisé en mécanique des fluides. La vitesse acoustique est une grandeur très importante en acoustique car elle permet de caractériser les champs de propagation acoustique indispensable pour la compréhension de certains phénomènes de propagation en proche paroi ou pour des géométries complexes. Le banc DUCAT installé au laboratoire de l’équipe acoustique et vibration de l’Université de Technologie de Compiègne avait pour but de caractériser les performances acoustiques de différents systèmes d’absorption acoustique tel que les SDOF ou les poreux métalliques pour des utilisations aéronautiques à travers la mesure amont/aval de la vitesse et la pression acoustiques à travers deux sondes automatisées contenants un capteur à fil chaud ainsi qu’un microphone avec ogive. L’objectif de cette thèse est de permettre la mesure de la vitesse acoustique en propagation multimodale et en présence d’écoulement en utilisant la VLD. Le signal mesuré par la VLD est échantillonné aléatoirement et présente un bruit de fond assez important dû à la présence de l’écoulement dans le conduit. La nature complexe du signal mesuré demande des méthodes de traitement de signal particulières pour pouvoir en extraire la vitesse acoustique qui nous importe. La première partie de cette thèse, présente un benchmark des différentes méthodes présentes dans la littérature ainsi que leur validité pour les conditions expérimentales actuelles du banc DUCAT. Une simulation du signal VLD mesuré est développé en guise de référence de validation des méthodes qu’elles soient spectrales ou temporelles. La méthode des moindres carrés pondérés est finalement sélectionnée et adaptée suite à cette étude pour l’estimation des différents paramètres acoustiques à partir du signal brut. La deuxième partie concerne la présentation des outils numériques utilisés ou développés pour la simulation de la propagation acoustique dans les conduits infinis. L’outil numérique est un code éléments finis aéroacoustique basé sur les équations de Galbrun couplées à une couche absorbante virtuelle dite PML (Perfect Matched Layer). En raison de la présence de la PML, la résolution numérique du problème inverse devient compliquée et un code de résolution des problèmes aux valeurs propres non linéaires basé sur la méthode du Contour Intégral a dû être développé. La troisième partie de ce travail présente les différents composants du banc expérimental. Le banc permet la propagation acoustique multimodale (jusqu’à 5000 Hz) en présence d’un écoulement en aspiration/expiration pouvant atteindre une vitesse de Mach 0.25. La quatrième partie présente une comparaison numérique et expérimentale des outils présentés et développés durant la thèse. Une première comparaison pour une propagation multimodale dans un conduit droit permet de conclure sur l’efficacité du système de mesure et de traitement de signal avec une erreur relative inférieure à 1 dB. Une seconde comparaison a été réalisée pour l’étude des modes piégés acoustiques dans le cas d’un conduit cylindrique avec changement brusque de section
Laser Doppler Velocimetry (LDV) is a non-intrusive measurement of particle velocity classically used in fluid mechanics. The acoustic velocity is a very important quantity in acoustics for the characterization of acoustic propagation fields, which is essential for the understanding of certain propagation phenomena in near walls or for complex geometries. The DUCAT bench installed in the laboratory of the Acoustics and Vibration team of the University of Technology of Compiègne aimed at characterizing the acoustic performances of various acoustic absorption systems such as SDOF or metallic porous materials for aeronautical uses through the measurement of the acoustic velocity and pressure through two automated probes containing a hot wire sensor as well as a microphone with ogive. The objective of this thesis is to allow the measurement of acoustic velocity in multimodal propagation and in the presence of flow using the VLD. The signal measured by the VLD is randomly sampled and has a fairly large background noise due to the presence of flow in the duct. The complex nature of the measured signal requires special signal processing methods to extract the acoustic velocity that is important to us. The first part of this thesis presents a benchmark of the different methods available in the literature and their validity for the current experimental conditions of the DUCAT bench. A simulation of the measured VLD signal is developed as a reference to validate the methods, whether they are spectral or temporal. The weighted least squares method is finally selected and adapted following this study for the estimation of the various acoustic parameters from the raw signal. The second part concerns the presentation of the numerical tools used or developed for the simulation of the acoustic propagation in infinite ducts. The main numerical tool is an aeroacoustic finite element code developed in the lab based on Galbrun’s equations coupled to a virtual absorbing layer called PML (Perfect Matched Layer). Due to the presence of the PML, the numerical solution of the inverse problem becomes complicated, which led us to develop a code for solving nonlinear eigenvalue problems based on the Integral Contour method. The third part of this work presents the different components of the modified version of the bench as well as the characteristics of these different components. The bench allows the experimentation of multimodal acoustic propagation (up to 5000 Hz) in the presence of a suction/expiration flow that can reach a speed of Mach 0.25. The fourth and last part, presents a protocol of experimental numerical validation of all the tools presented and developed. The test/calculation comparisons are presented for a multimodal propagation in a straight duct at first. The results allow to conclude on the efficiency of the measurement and signal processing system with a relative error lower than 1 dB. The same protocol is then used for the experimental study of the acoustic trapped modes in the case of a cylindrical duct with an abrupt change of section

Le travail présenté porte sur l'application de la Vélocimétrie Laser Doppler (VLD) au domaine de l'acoustique aérienne sans écoulement. Le choix de cette technique optique pour la mesure de la vitesse particulaire acoustique est retenu en raison de son caractère faiblement intrusif, de son excellente résolution spatiale et de son aptitude à discriminer le sens de la vitesse. Le dispositif optique est tout d'abord caractérisé et ses réglages optimisés de manière à fournir un signal Doppler de bonne qualité. Les performances effectives dans le domaine de l'acoustique de deux systèmes d'acquisition et de traitement du signal, l'un commercialisé et l'autre développé au Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM), sont ensuite précisées. Les jeux de paramètres optimaux pour le traitement des signaux sont mis en évidence à partir de la mesure du mouvement sinusoïdal de la pointe d'une aiguille dont la vitesse instantanée est déterminée par vibrométrie laser. Ces valeurs optimales des paramètres de traitement sont alors utilisées pour mesurer, en champ clos, des vitesses acoustiques sinusoïdales de fréquence comprise entre 200 Hz et 4 kHz et dont la valeur efficace se situe entre 0,1 et 10 mm/ s. La validité des résultats est discutée sur la base d'une comparaison avec des vitesses de référence, dont la précision est analysée soigneusement, déduites d'une mesure de pression. Les deux dispositifs étudiés présentent des performances voisines et satisfaisantes jusqu'à 2kHz et pour des valeurs efficaces de la vitesse supérieures à 1mm/s. L'utilisation du dispositif développé au LAUM est toutefois préférable en raison du faible ensemencement qu'il nécessite. Ces dispositifs ont été utilisés dans deux applications, portant l'une sur l'étude du rayonnement de transducteurs en champ libre et l'autre sur l'étude du flux d'énergie au sein du résonateur d'un réfrigérateur acoustique. Les résultats obtenus montrent que la VLD constitue un outil performant pour l'analyse de certains champs acoustiques
This research deals with the application of Laser Doppler Velocimetry (LDV) to airborne sound without flow. This sophisticated optical technique is chosen for measuring the acoustic particle velocity as it is only weakly invasive, also for its excellent spatial resolution and its ability to determine the sign of the velocity. First, the characteristics of the optical set-up are established and adjusted to obtain a good quality Doppler signal. Two systems for signal acquisition and processing, one available commercially and the other being developed at the Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM), are assessed in detail for application to acoustic signals. After this, optimal sets of signal processing parameters are determined and used to measure sinusoidal particle velocities in enclosed acoustic fields for frequencies between 200 Hz and 4 kH z and rms velocities between 0. 1 and 10mm/s. The validity of the results is assessed by means of a comparison made with reference values for the velocity determined by derivation from precision measurements of the pressure. The two systems studied show satisfactory and close performance up to 2 kH z for velocities higher than 1 mm/s. Yet the LAUM system is to be preferred as it requires only a very light seeding. Finally these two systems are used in two specific applications, one dedicated to measuring particle velocities radiated in free field and the other to measuring the acoustic power in the resonator of a thermoacoustic refrigerator. The results obtained show the value of LDV as a powerful tool for acoustic velocity measurements

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte particulier des écoulements en régime supersonique à l'origine de niveaux de bruit très importants et pouvant induire des phénomènes de vibrations significatives des structures solides présentes dans le champ acoustique rayonné. L'étude préalable de techniques de réduction de bruit et des mécanismes vibro-acoustiques nécessite, entre autres, une connaissance rigoureuse du bruit rayonné ainsi que de ses différentes sources. Pour un écoulement libre quelconque, une approche possible d'estimation du bruit généré consiste à relier la dynamique du champ turbulent intrinsèque de l'écoulement au champ acoustique rayonné. Ceci est rendu possible grâce au concept d'(\it analogie aéroacoustique) proposé initialement par Lighthill (1952). La détermination des organisations spatiale et temporelle du champ turbulent à partir d'un tenseur de corrélation des fluctuations de vitesse permet de rendre compte, statistiquement, de l'évolution au sein de l'écoulement des mécanismes de conversion de l'énergie cinétique turbulente en énergie acoustique et indirectement, de celle des sources aéroacoustiques. Des mesures par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler (technique de mesure optique) en jets supersoniques successivement froid et chaud sont ainsi ici réalisées afin de déterminer une des composantes principales de ce tenseur de corrélation. Une modélisation simplifiée du tenseur, basée sur l'estimation d'échelles spatiales et temporelles dites intégrales et caractéristiques des mécanismes sources, est ensuite proposée dans la cas d'une turbulence homogène. La composition spectrale du champ turbulent dans le cas du jet supersonique froid est également ici rapportée et renseigne sur sa dynamique. Ces données expérimentales sont finalement couplées à un code de calculs aéroacoustiques dans le but de prédire le spectre d'intensité acoustique rayonné par un jet supersonique chaud.

Les phénomènes non linéaires dans les machines thermoacoustiques sont à l'origine d'écoulements secondaires se superposant au flux oscillant. Malgré leur faible niveau, ces écoulements entraînent une importante convection d'énergie vers les parois dégradant ainsi les performances énergétiques des systèmes thermoacoustiques. Afin d'augmenter leurs performances, il apparait comme inévitable de supprimer ou de réduire ce phénomène de vent acoustique. Cette thèse portera ainsi sur l'étude du vent acoustique dans les systèmes thermoacoustiques. Comme l'étude du vent acoustique nécessite la connaissance des champs acoustiques, un modèle linéaire du comportement des champs d'ordre 1 est utilisé et appliqué dans le cas d'une machine thermoacoustique annulaire de type Stirling conçue et réalisée au sein du LIMSI. Les résultats théoriques du champ de pression sont confrontés aux résultats expérimentaux et leurs écarts relatifs inférieurs à 6\% permettent la validation du modèle linéaire. Les écoulements secondaires n'ont été caractérisés, de nos jours, que pour des systèmes académiques. Afin de caractériser le vent acoustique dans notre moteur thermoacoustique, le modèle de Gusev et al. Et celui de Bailliet et al. Ont été utilisés. Pour appliquer leurs résultats, l'influence de la variation de la section transversale a été ajoutée à leurs modélisations. Les champs théoriques du gradient de pression et de la vitesse axiale de l'écoulement redressé, ainsi que le flux de masse ont été déterminés dans le moteur thermoacoustique à ondes progressives du LIMSI. Afin de valider les résultats obtenus, les champs théoriques de la vitesse axiale du vent acoustique ont été confrontés à leurs mesures obtenues par Vélocimétrie Laser Doppler. La bonne correspondance entre les résultats théoriques et expérimentaux a permis la validation du modèle utilisé. Afin de réduire le phénomène de vent acoustique dans les systèmes thermoacoustiques, la compréhension des mécanismes de génération de ce dernier s'est avérée indispensable. Ainsi trois phénomènes à l'origine de la création du vent acoustique ont été identifiés : les contraintes de Reynolds, les contraintes visqueuses et le débit acoustique. Le modèle de caractérisation a ensuite permis de quantifier l'influence de chaque mécanisme dans le moteur thermoacoustique. L'influence de la largeur du canal sur les différents mécanismes a été étudiée. Cette étude a permis de comprendre l'origine des tourbillons internes et externes
In thermoacoustic devices, nonlinear acoustic phenomena generate a secondary flow superimposed on the oscillating flow. Despite its low level, the secondary flow contributes to a significant energy dissipation by heat convection between the exchangers. Reducing or eliminating acoustic streaming appears inevitable to increase the efficiency of thermoacoustic engines. Therefore, this thesis focuses on the investigation of acoustic streaming. As acoustic streaming is generated by the propagation of acoustic, the knowledge of acoustic fields is required. A linear model of first order is used and applied in a travelling wave thermoacoustic engine designed and built at LIMSI. The results of acoustic pressure are compared theoretically and experimentally and the relative error less than 6% allows the validation of the linear model. Acoustic streaming has only been characterized in simplified systems. To characterize the streaming in our thermoacoustic device, the modellings of Gusev et al. And of Bailliet et al. Have been used. To apply their results in the case of our system, the influence of the section variation has been added to their modellings. The pressure gradient and the axial velocity of the acoustic streaming and the mass flow in the loop have been quantified in the system. Measurements by Laser Doppler Velocimetry of the streaming velocity have been performed and compared with the theoretical results. Good agreements between theoretical and experimental results have been obtained. To reduce acoustic streaming in thermoacoustic devices, it appears necessary to understand the mechanisms of streaming generation. Therefore, three phenomena were identified: the Reynolds stresses, the viscous stresses and the acoustic flow. The developed model was used to quantify the influence of each mechanism in the thermoacoustic engine. The investigation was then extended to the influence of the channel width. Those investigations lead to understand the origin of the inner and outer vortex. Therefore, the research works conducted in this thesis allow the characterization of streaming field in thermoacoustic systems and the expansion of the understanding of the phenomena at the origin of acoustic streaming. This work is part of research aimed at reducing acoustic streaming in thermoacoustic systems to increase their efficiency

La mesure de la vitesse particulaire acoustique par Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) peut permettre l'identification de champs acoustiques ou vibratoires. Ces champs, qui peuvent être le siège de phénomènes réactifs locaux, sont parfois difficilement accessibles à la mesure par le biais des techniques courantes (doublet microphonique, anémométrie de fil chaud). La VLD offre alors pour ce type de problèmes l'avantage d'être faiblement invasive, d'assurer une bonne localisation spatiale de la mesure, mais nécessite en contrepartie l'utilisation de techniques de traitement du signal adaptées. Pour estimer les paramètres de la vitesse acoustique - amplitude V et phase dans le cas d'une excitation harmonique - un traitement du signal spécifique est indispensable. L'analyse montre par ailleurs que ce signal, appelé signal Doppler, est à modulation de fréquence sinusoïdale. Les représentations temps-fréquence, basées sur l'estimation de la fréquence instantanée (FI) des signaux Doppler, et appliquées à l'analyse de signaux caractérisés par de faibles amplitudes de la vitesse et/ou des fréquences d'excitation élevées, ont mis en lumiére plusieurs limitations en termes de gamme de déplacements acoustiques et de bande fréquentielle. Afin d'améliorer ces premiers résultats, et à partir des informations a priori disponibles sur le modéle du signal de mesure, un éventail de techniques paramétriques adaptées au problème d'identification de la vitesse acoustique particulaire, dans le cas d'une excitation harmonique, a été étudié. Au cours de ce travail, deux approches ont été envisagées. La première consiste à exploiter des modèles de variation de la FI et a été mise en oeuvre à partir de filtrage auto-régresif (AR) et de filtrage de Kalman. La seconde, quant à elle, est basée sur le modèle du signal Doppler pour fournir une estimation "directe" de la vitesse acoustique (maximum de vraisemblance, méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov). Les méthodes utilisées font toutes l'objet d'une étude de leurs performances sur des signaux synthétiques et expérimentaux
The particle acoustic velocity measurement using Laser Doppler Velocimetry (LDV) allows the identification of complex sound fields which can not generally be measured by conventional methods (microphonic gradient, hot wire anemometry). This method offers the advantage to be non intrusive and it presents a good spatial resolution. Nevertheless dedicated signal processing methods are needed to estimate the parameters - magnitude V and phase , in case of harmonic excitation - of the particle acoustic velocity. This signal, called Doppler signal, is sinusoidally frequency modulated. The time-frequency representations, based on the instantaneous frequency (IF) estimation, are applied to analyze Doppler signal. Previous studies have established the ranges of displacement and frequencies reachable. To improve these first results, several parametric methods have been suited to allow the ident ification of the acoustic velocity parameters. This study deals with two approaches using the a priori information available on the system. The first approach consists in using the information on the shape of the IF variations and considers the AR and the Kalman filter. The second one consists in using the signal Doppler information to identify the parameters. The signal processing methods are the maximum likelihood based principle and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) method. Each method has been evaluated on simulation and Experimental signaIs

La recherche dans le domaine des turbomachines nécessite de développer en parallèle des codes de calcul, des moyens pour instrumenter les bancs d'essais et accéder au champ de vitesse tridimensionnel et instationnaire dans les parties mobiles. Depuis 1996, une équipe de chercheur de l'ONERA-Toulouse a pris en charge le développement d'une nouvelle technique globale, la DGV (Doppler Global Velocimetry), basée sur la mesure du décalage fréquentiel lié à l'effet Doppler. Une utilisation de ce dispositif en turbomachines passe par une confrontation des résultats avec une autre technique de mesure (la PIV) sur un écoulement représentatif de celui induit par des aubes de compresseur en statique. Des essais ont été menés en soufflerie au Laboratoire Aérodynamique de Supaéro sur un profil seul pour mesurer le champ moyen de vitesse et caractériser le sillage. Les résultats de comparaison sont très satisfaisants et encouragent la poursuite du développement du système
Research in turbomachinery requires to develop CFD code as well as experimental device. Measurements are of prime important to set testing bench and access unsteady 3D velocimetry field in rotating parts. Since 1996, DGV technique (Doppler Global Velocimetry) has been developed at ONERA-Toulouse. This technique measure frequency shift caused by Doppler effect. To be applied in turbomachinery, this new method must be compared with PIV. As a reference case, a flow which geometry is comparable to that of a compressor blade grid has been choosed. Tests have been performed at Laboratoire Aérodynamique de Supaéro in a transonic wind tunnel on an isolated profile. Wake has been characterised with the two different methods by measuring velocity average flow field. Results are promising and justify further development of the system

Cette etude concerne les ecoulements generes par des helices industrielles placees dans des configurations geometriques variables dans une cuve cylindrique a fond bombe en regime turbulent et en regime transitoire. Dans le premier chapitre, une revue bibliographique sur l'hydrodynamique des ecoulements, sur les caracteristiques techniques des agitateurs les plus courants et sur la turbulence est presentee. Le dispositif experimental et les techniques de mesure sont detailles dans le second chapitre. Le troisieme chapitre traite de la caracterisation des ecoulements en systeme mono-etage (h = t). Une etude complete a ete conduite pour l'helice tt mixel en regime turbulent : ecoulement moyen et fluctuant et caracteristiques techniques. La forme des pales de cette helice a ensuite ete modifiee et cette nouvelle helice plus performante, appelee tt95, a ete testee en regime transitoire dans des fluides de differents comportements rheologiques. Divers mobiles ont par ailleurs ete concus et testes en regime turbulent. Le quatrieme chapitre concerne la caracterisation des ecoulements generes en systemes multi-etages. Dans une cuve haute (h = 2t) et en regime turbulent, l'influence de la position et du nombre d'helices tt a ete examinee. En regime transitoire et dans une cuve standard (h = t), l'hydrodynamique de l'ecoulement genere par differents systemes a deux helices et pour differents fluides a ete etudiee. Le cinquieme chapitre est une analyse temporelle et frequentielle des ecoulements. La visualisation des ecoulements en regime transitoire a permis de mettre en evidence la presence de macro-instabilites. L'analyse spectrale a ete realises en regime transitoire et turbulent, permettant de mettre en evidence la frequence caracteristique de la formation des macro-instabilites et de calculer les echelles de la turbulence.

Le travail présenté s'inscrit dans le contexte particulier des écoulements en régime supersonique à l'origine de niveaux de bruit très importants et pouvant induire des phénomènes de vibrations significatives des structures solides présentes dans le champ acoustique rayonné. L'étude préalable de techniques de réduction de bruit et des mécanismes vibro-acoustiques nécessite, entre autres, une connaissance rigoureuse du bruit rayonné ainsi que de ces différentes sources. Pour un écoulement libre quelconque, une approche possible d'estimation du bruit généré consiste à relier la dynamique du champ turbulent intrinsèque de l'écoulement au champ acoustique rayonné. Ceci est rendu possible grâce au concept d'{\it analogie aéroacoustique} proposé initialement par Lighthill (1952). La détermination des organisations spatiale et temporelle du champ turbulent à partir d'un tenseur de corrélation des fluctuations de vitesse permet de rendre compte, statistiquement, de l'évolution au sein de l'écoulement des mécanismes de conversion de l'énergie cinétique turbulente en énergie acoustique et indirectement, de celle des sources aéroacoustiques. Des mesures par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler (technique de mesure optique) en jets supersoniques successivement froid et chaud sont ainsi ici réalisées afin de déterminer une des composantes principales de ce tenseur de corrélation. Une modélisation simplifiée du tenseur, basée sur l'estimation d'échelles spatiales et temporelles dites intégrales et caractéristiques des mécanismes sources, est ensuite proposée dans la cas d'une turbulence homogène. La composition spectrale du champ turbulent dans le cas du jet supersonique froid est également ici rapportée et renseigne sur sa dynamique. Ces données expérimentales sont finalement couplées à un code de calculs aéroacoustiques dans le but de prédire le spectre d'intensité acoustique rayonné par un jet supersonique chaud
The prediction of jet mixing noise using an acoustic analogy and based on experimental measurements is here investigated in the case of a supersonic jet. The basis of any acoustic analogy is the representation of the specifics spatial and temporal organisations of the turbulent field as a spatiotemporal correlation tensor of the turbulence velocity. This quantity gives informations on the dynamic and efficiency of the mechanisms of conversion of the turbulence kinetic energy into acoustic energy. Turbulence and source properties such as integral length and time scales, as well as convection velocity are commonly used to characterised the mixing processes and used for accurately modelling the spatiotemporal correlation tensor. The accuracy of the noise prediction is therefore related to the accuracy with which this tensor is modelled. Modelling of this quantity, based on experimental two-point Laser Doppler Velocimetry measurements in the case of a supersonic jet is here proposed. Modelling is based on an assumption of a homogeneous and isotropic turbulence field so that the tensor can be reduced to one component only. The prediction of the noise radiated by the flow requires also the spatial distribution of the energy of the sources to be known. An aerodynamic code is here used and validated by experimental measurements in a hot supersonic jet. Additional measurements have been performed to study the spectral content of the turbulent field and its evolution along the flow in such typical jets. This highlight on how the turbulent kinetic energy is efficiently used by the different components of the turbulent field. The noise radiated by the hot supersonic jet is finally predicted using a numerical code based on the Lighthill's acoustic analogy and the model established for the correlation tensor obtained from the experimental measurements

Ce travail est relatif à l'étude des circuits thermoélectriques utilisés pour la conception d'instruments de mesure. Les capteurs présentés sont constitués d'un élément sensible, une thermopile, qui se présente sous forme planaire ou filaire. Ces capteurs étaient réalisés dans notre laboratoire à partir du couple thermoélectrique constantan-cuivre. Ils présentaient l'inconvénient de délivrer un signal dépendant de la température du milieu environnant. Une étude portant sur de nombreux couples métalliques a permis de réaliser une compensation quasi-naturelle en température lors de l'utilisation de la paire fer-nickel. La valorisation de ce couple a nécessite la réalisation d'un banc d'étalonnage spécifique et d'un conditionneur de signal évolutif. Les fonctions de ce conditionneur sont diverses, elles ont notamment permis de mettre en évidence le principe d'une nouvelle méthode de mesure basée sur la réponse temporelle des capteurs à un indice de courant. L'étude de nombreux couples associée aux technologies couches minces permet d'envisager la réalisation de microcapteurs et de nouvelles applications.

De nos jours, l’énergie délivrée par la combustion dépasse 80% de l‟énergie totale dans le monde, et ce pourcentage restera probablement élevé le long des 100 prochaines années. La plupart des systèmes réactifs qui génèrent la combustion turbulente sont utilisés dans la fabrication, le transport et l‟industrie pour la génération des puissances. Comme résultat, l‟émission des polluants est parmi les problèmes majeurs qui sont devenus des facteurs critiques dans notre société. Dans ce cadre, une étude détaillée des systèmes réactifs est alors nécessaire pour la conception de systèmes de haute performance qui s‟adaptent aux technologies modernes. L'optimisation des performances de ces systèmes énergétiques permet d‟une part d‟économiser l'énergie et d‟autre part de réduire la pollution. Les jets turbulents sont impliqués dans l'efficacité de ces divers systèmes. Dans le cas isotherme, la complexité des écoulements turbulents résulte principalement de la coexistence des structures de tailles très différentes et de l‟interaction non linéaire entre ces structures. Les plus grandes structures dépendent fortement de la géométrie du domaine considéré, elles sont donc anisotropes. De plus, elles ont une grande durée de vie et elles sont responsables du transport de la quasi-totalité de l'énergie. Les plus petites structures, quant à elles, ont souvent un caractère beaucoup plus "universel" (dû à leur comportement relativement isotrope) et sont à l'origine du processus de dissipation visqueuse. Prédire numériquement la dispersion et le mélange d‟un scalaire non réactif dans un écoulement turbulent est considéré comme un problème primordial et reste toujours actuel. Plusieurs recherches sont attachés à ce sujet afin d‟approfondir de plus à la connaissance de différents phénomènes pour pouvoir les mieux prédire. La prédiction numérique du mélange turbulent existant dans plusieurs applications industrielles et environnementales, a un important intérêt en génie chimique. Il est nécessaire donc de bien comprendre la majorité de propriétés du mélange et de l‟écoulement. En combustion, la complication du comportement des jets résulte de l‟interaction entre le dégagement de la chaleur, les processus de mélange, l'entraînement et la recirculation des gaz. Pour bien comprendre la complexité de ce phénomène, il est nécessaire de connaître parfaitement l'évolution dynamique et scalaire des jets turbulents isothermes en présence d'importantes différences de densité, comme elles peuvent lors de la combustion. Cette optimisation passe par la compréhension de l'effet de la variation des conditions d'entrée sur les processus de mélange dans le cas non réactif et sur la stabilité et la nature de la flamme dans le cas réactif. Ainsi, des études théoriques, expérimentales et numériques, doivent être menées en parallèle pour mieux identifier les effets d'une telle intervention. Bien des questions demeurent ouvertes dans le but de mieux caractériser les différents écoulements turbulents réactifs. Les objectifs des études menées dans ce domaine sont la réduction des émissions de polluants et l‟amélioration du rendement de combustion. Une compréhension du mélange et leur interaction avec les différents processus chimiques traduit donc un enjeu majeur. Elle est considéré alors comme un facteur déterminant la qualité des variétés des procèdes. Ce travail de thèse se base sur les jets coaxiaux qui constituent un cas particulier de jet axisymétrique. Ils sont communément rencontrés dans des différents brûleurs industriels qui assurent le contact entre le comburant et le carburant sous une forme de jets coaxiaux. Cette technique est le siège d‟une amélioration du mélange et de la stabilité des flammes
Résumé non fourni

Ce travail concerne le développement et l'utilisation de technique de mesures optiques bidimensionnelles non intrusives pour accéder, dans le champ proche de jets diphasiques, aux grandeurs scalaires telles que la fraction volumique de liquide (Y), le diamètre moyen de Sauter (D32) ou la densité d'interface nécessaire à la validation des codes de calcul. L'utilisation de la fluorescence induite par laser et d'une approche statistique basée sur des cumulatives à seuil variable a permis de reconstituer la PDF locale de Y en déconvoluant les fluctuations du bruit ; les distributions obtenues comportent deux pics d'intermittence encadrant une distribution continue qui par un simple changement de variable prend une forme canonique. L'application des principes de la physique statistique a fourni le nombre de degrés de liberté des éléments du spray. Un diagnostic similaire basé sur la diffusion Raman de l'oxygène liquide a été appliqué en combustion haute pression sur le banc cryogénique MASCOTTE de l'ONERA, mais les difficultés rencontrées dues principalement à la déflection et au piégeage par réflexion totale du rayonnement dans le jet dense déstabilisé ne nous ont pas permis d'interpréter les images quantitativement en terme de fraction volumique. La mesure 2D du D32, quant à elle, est basée sur le rapport entre les images de fluorescence du spray proportionnelles au D3 et les images de diffusion de Mie proportionnelles au D2, rapport qui devrait être indépendant de l'éclairement local I. Une vérification des principes de cette méthode a été réalisée numériquement et expérimentalement sur un train de gouttes monodisperse. Elle a montré la faisabilité du diagnostic en soulignant l'influence de la polarisation du laser, de la concentration en colorant et de l'angle de diffusion. L'application dans des conditions plus sévères sur un jet diphasique a fourni des images du D32 mais la densité du spray et la multidiffusion remettent en cause le caractère local de la mesure.

Le comportement hydrodynamique d'une roue de pompe mixte (hélice-centrifuge) a été étudié à partir de relevés du champ des vitesses instantanées par vélocimétrie laser et de mesures stationnaires à l'aide d'une sonde directionnelle. L'ensemble des résultats a permis d'obtenir une reconstitution cohérente de l'écoulement pour différents débits. Une analyse théorique de cet écoulement a été menée à partir d'une modélisation quasi tridimensionnelle, utilisant une méthode de couplage des écoulements méridien et circonférentiel, une méthodologie de prédiction des pertes de profil a été développée à partir des schémas semi-empiriques établis pour les compresseurs axiaux. Dans le développement des couches limites, les effets de la rotation et de la courbure des aubages ont été pris en compte.

La PIV permet de cartographier des distributions de vitesses dans les écoulements divers, flammes, jets, elle n'est cependant pas adaptée à l'étude de distributions de vitesses à trois composantes dans un volume d'étude. Des systèmes associant l'holographie à la PIV ont permis d'étendre l'étude aux volumes en utilisant des plaques photosensibles. Ils sont donc lents à cause du développement chimique et souffrent d'un RSB moyen. Dans la première partie de ce travail, un système de HPIV utilisant un cristal photoréfractif, support dynamique totalement recyclable, a été réalisé. Il se base sur l'enregistrement holographique instantané de plusieurs nappes dans le volume d'un cristal BSO. L'exploitation des puissances spectrales, via un calcul d'auto-corrélation, permet de déterminer les composantes de vitesses transversales. Une méthode de calcul de phase a été élaborée pour déterminer la composante axiale des vecteurs vitesses. Les tests de faisabilité se sont avérés encourageants. Dans la seconde partie de ce travail, on a procédé à une étude théorique de faisceaux non-diffractants produits par diffraction d'une onde convergente sur une ouverture annulaire. Pour compenser la faible efficacité de conversion, on a eu recours à une amplification optique des faisceaux par mélange à deux ondes dans un cristal photoréfractif Batio#3. On a montré aussi que, dans la LDV avec des faisceaux gaussiens, des erreurs d'estimations de vitesses de particules peuvent être induites à cause de la variation de l'interfrange dans le volume d'étude. Celles-ci peuvent être réduites par l'utilisation de faisceaux non-diffractants.

Cette thèse propose le développement et la mise en œuvre d'une technique de mesure optique et non intrusive, fondée sur l'utilisation couplée de la vélocimétrie laser à effet doppler et de la fluorescence induite par laser. Cette technique permet d'effectuer des mesures simultanées de vitesse et de concentration, ou de température, avec une résolution temporelle et une résolution spatiale compatibles avec l'étude des champs turbulents. Une modélisation du signal de fluorescence en fonction de la concentration et de la température est proposée et les conditions d'utilisation de la technique sont développées. Cette technique a été appliquée a l'étude d'un écoulement de type turbulence de grille homogène et isotrope et a permis de décrire les propriétés di fusionnelles par un modèle de diffusivité turbulente constante. L'utilisation de cette technique a permis d'analyser les propriétés di fusionnelles d'un jet axisymétrique turbulent d'un contaminant passif massique. La validation des modèles de fermeture des équations de la turbulence au second ordre portant sur les termes de corrélations entre les fluctuations de pression et les fluctuations du scalaire est en particulier proposée. Les résultats expérimentaux ont permis d'établir un modèle de viscosité turbulente et un modèle de diffusivité turbulente variables et aboutissent à la définition d'un nombre de Schmidt turbulent constant dans la zone centrale de l'écoulement. Une extension de cette technique aux mesures simultanées de vitesse et de température est proposée, et nous présentons les résultats expérimentaux concernant l'étude des champs cinématiques et thermiques d'un jet turbulent axisymétrique chaud. La mesure des corrélations $$vt entre les fluctuations de vitesse et les fluctuations de température a abouti au calcul d'une diffusivité thermique turbulente d t variable, ainsi qu'a la définition d'un nombre de Prandtl turbulent.

Ce travail a trait à l'exploration des tissus biologiques par la lumière laser, avec pour objectif le diagnostic des insuffisances microcirculatoires et la localisation de cellules cancéreuses rendues fluorescentes par un marqueur spécifique. Le problème posé s'inscrit globalement dans le contexte de la lutte contre le cancer. Il vise à aider les praticiens à effectuer leur diagnostic à partir d'un faisceau de mesures optiques, non traumatiques et non invasives, aux longueurs d'onde retenues (visible et proche infrarouge). . . .
This work is related to the exploration of biological tissues using laser to diagnose microcirculatory insufficiencies and the localization of cancer cells made fluorescent by contribution of a specific marker. It aims at helping experts to carry out their diagnosis non-invasively from a beam of optical measurements, in the spectra of the selected wavelenghts (visible and near infrared). . . .

L'effet du vol d'avancement sur le bruit de choc de jets supersoniques sous-détendus est étudié de manière expérimentale. La structure de tels jets est d'abord explorée, avec et sans vol simulé. L'analyse employée allie des visualisations strioscopiques à des mesures quantitatives de pression statique et de vitesse, par vélocimétrie laser Doppler et vélocimétrie par images de particules. L'accent est mis sur l'étude de l'écoulement moyen et des propriétés de la turbulence dans la couche de mélange. L'effet du vol sur la composante tonale du bruit de choc, le screech, est ensuite examiné. A l'aide d'une antenne azimutale de microphones placée dans le champ proche acoustique, une analyse fine des modes du screech est notamment proposée. Par ailleurs, plusieurs effets de cette composante de bruit sur la dynamique du jet sont mis en évidence, en particulier l'oscillation des chocs ; on montre que cette oscillation est intimement liée au mode du screech. De manière à étudier spécifiquement la composante large bande du bruit de choc, diverses techniques de suppression du screech sont ensuite explorées.L'utilisation d'une tuyère crénelée s'est révélée satisfaisante pour l'éliminer de manière non-intrusive et a permis de déduire son influence sur le bruit de choc large bande. Enfin, l'effet du vol sur cette dernière composante est déterminé par l'étude de l'évolution de sa fréquence centrale, de son amplitude et de sa forme spectrale en situation de vol simulé. Une explication des tendances observées est alors proposée à la lumière des résultats aérodynamiques obtenus.

La surdité est un problème de santé publique. Le vieillissement de la population explique ainsi une grande partie des causes de surdités, par la fréquence de la presbyacousie. Le principal moyen de la réhabilitation auditive est représenté par les prothèses auditives conventionnelles. Les aides auditives ont considérablement progressé ces dernières années, principalement en termes d’amélioration du traitement du signal. Ceci étant dit, outre le problème économique, certains facteurs limitent encore les bénéfices que les patients peuvent ressentir (occlusion du conduit auditif, effet larsen, absence d’amplification en ambiance sonore,…). Les implants d’oreille moyenne sont destinés à amplifier le signal sonore en le transmettant à l’oreille moyenne pour compenser une perte auditive. Ils sont indiqués en cas d’échec ou de contre-indication de l’appareillage conventionnel. Cependant, les implants d’oreille moyenne présentent certaines limites comme l’insuffisance de performance. Des données récentes montrent que les performances des techniques de réparation de la chaîne ossiculaire sont dépendantes du couplage des prothèses ossiculaires à la chaîne des osselets. Par ailleurs, des avancées dans la compréhension de la biomécanique de la chaîne ossiculaire confirment l’importance du placement et du couplage des procédés de restauration chirurgicaux. Nous avons formulé l’hypothèse selon laquelle ces données pouvaient être appliquées aux implants d’oreille moyenne pour en améliorer les performances. Nous avons voulu analyser expérimentalement les effets sur les performances de variables telles que : placement d’un transducteur, le couplage à la chaîne des osselets, la taille de l’effecteur, l’effet de stimulations alternatives. Nous avons utilisé un transducteur électromagnétique de dernière génération (Otologics MET-V Gen 2) et une technique d’analyse de la vibration des structures de l’oreille moyenne par vélocimétrie laser. Les résultats ont montré une nette amélioration des performances en fonction des modifications de placement et de couplage à la chaîne des osselets ou à la fenêtre ronde
Hearing loss is a public health issue. Ageing is the most frequent cause of deafness. The main option for the rehabilitation of hearing loss is the use of conventional hearing aids. These aids have dramatically improved their performance for the past 20 years, mostly with regards to signal processing. However, in addition to economic reasons, some limitations remain (occlusion, feedback, hearing in noise…) and limit the satisfaction of patients. Active middle ear implants (AMEI) have been developed to overcome some of these problems and are indicated n conventional hearing failed to improve patients’ quality of hearing. However, AMEI suffer from limitations, as insufficient performances for severe hearing losses. Recent experimental and clinical data have highlighted the importance of coupling and placement of ossicular reconstruction passive prosthesis use. Other reported new findings regarding the biomechanism of the ossicular chain, especially for high frequency hearing, which is, unfortunately, where most people have their hearing loss. We hypothesized that these findings could be applied to AMEI use. We have analysed experimentally the effects on AMEI performance of variables such as: placement, coupling, size of tranduscer vibrating tip, alternative stimulation options. We used a electromagnetic tranducer from Otologics LLC to drive the middle ear or round window membrane, and a laser Doppler vibrometer to assess for the induced middle transfer function. Results have shown that we could provide great improvement in performance when varying the coupling method and the placement to the ossicular chain or the round window membrane

Le développement de modèles et de lois de paroi pour les méthodes de simulation numérique des écoulements de géométries complexes passe par l'analyse expérimentale détaillée de la turbulence et des phénomènes mis en jeu dans les couches limites. Une synthèse bibliographique montre en particulier la nécessité de développer des systèmes de mesure donnant accès au transfert de chaleur pariétal instationnaire. La méthodologie expérimentale d'identification du coefficient de transfert de chaleur instationnaire mise en oeuvre est basée sur l'utilisation d'un capteur dont la température de surface est mesurée par l'intermédiaire d'un système de thermographie infrarouge. Un ensemble d'outils de simulation est développé pour définir les paramètres du capteur thermique et la méthode d'identification adaptée. L'étude détaillée de l'écoulement derrière une marche descendante pour une basse vitesse, adaptée aux conditions des codes de calcul par simulation directe, permet d'appréhender le comportement des différentes zones qui le composent et de quantifier la répartition spatiale des grandeurs caractéristiques de la turbulence. L'analyse de l'échange de chaleur instationnaire à la paroi révèle la complexité de l'écoulement dans la zone de recollement où la couche limite est fortement perturbée. Afin de mieux comprendre les phénomènes instationnaires apparaissant dans les régions proches des parois, une étude plus fondamentale sur l'interaction tourbillon - paroi est entreprise. Des traitements spécifiques des mesures de vitesse par vélocimétrie laser donnent le moyen de suivre l'évolution dynamique de la couche limite lors de l'interaction et d'en déduire le coefficient de frottement pariétal instantané. La corrélation de ces résultats avec l'évolution de l'échange de chaleur pariétal a été possible grâce à l'utilisation du nouveau capteur thermique.

La présente étude a pour objectif d’évaluer l’effet de l’augmentation du jeu fonctionnel en tête d’aube de la roue mobile sur les performances globales et les instabilités aérodynamiques en compresseur centrifuge à fort taux de pression. Pour ce faire, le compresseur TM-Pi9, développé et produit par Turbomeca, installé sur le banc d’essai 1 MW du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’acoustique, a servi de support de recherche. Les mesures de performances globales, associées à des sondages par anémométrie LASER à effet Doppler ainsi que des enregistrements de pression instationnaire au carter, sur l’ensemble de l’étage de compression, ont permis d’acquérir une base de données expérimentales dans deux configurations de jeu, de la vitesse nominale (Nn) à la vitesse de ralenti (0.6 Nn). Ces résultats sont confrontés et complétés par des simulations numériques stationnaires, instationnaires chorochroniques et 360°, convergées avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS.À la vitesse de croisière, l’élargissement du jeu en tête d’aubage de 6% à 10% (taille du jeu au niveau du bord de fuite des aubes rapportée à la hauteur de veine en sortie de rouet) génère une hausse des débits de jeu, sensiblement proportionnelle à l’augmentation de l’espace fonctionnel. L’accroissement des débits de jeu ne modifie pas la position du sillage de la structure jet-sillage qui reste localisé autour de l’aube intercalaire. Le sillage devient néanmoins plus large. La modification de géométrie engendre principalement une dégradation du taux de pression de l’étage (~3%), imputable aux pertes non-visqueuses dans le rouet, c’est-à-dire une sous-déviation de l’écoulement imposée par le jet issu du jeu. L’élargissement de la hauteur de l’espace fonctionnel provoque une baisse du débit de blocage, conséquence de la réduction de la pression statique au niveau du col du diffuseur. Le rendement de l’étage subit expérimentalement une dégradation de 1%, au point de fonctionnement rendement maximum et aucune évolution proche pompage. La modification du rendement est soumise à deux effets opposés. D’une part, l’augmentation des débits de jeu provoque plus de pertes visqueuses au sein de l’ensemble des écoulements de jeu. Mais d’autre part, le sillage étant plus large, les structures tourbillonnaires sont moins confinées ; en résulte une diminution de la vorticité. L’accumulation d’entropie dans le sillage est ainsi plus faible. Quelles que soient la vitesse de rotation et la configuration de jeu, le pompage est initié de manière brutale dans le diffuseur aubé par un décollement de couches limites sur la face en dépression des aubages, proche du moyeu. Cette séparation résulte de l’interaction entre la couche limite de coin et l’onde de choc détachée du bord d’attaque des aubes du diffuseur. À faible vitesse de rotation et petit débit, une instabilité aérodynamique affecte l’inducteur du rouet (zone située entre le bord d’attaque des aubes principales et le bord d’attaque des aubes intercalaires). Elle peut être associée à une « instabilité tournante du tourbillon de jeu » qui est induite par une surincidence de l’écoulement sur les aubes principales du rouet. Il s’agit d’un phénomène de mild-stall précurseur d’un décollement tournant progressif dans le rouet. Ce dernier n’est cependant pas enregistré car le diffuseur induit le pompage à débit plus important. Des systèmes de contrôle d’écoulement dans le diffuseur et dans le rouet sont alors proposés, afin d’élargir la plage de fonctionnement du compresseur
This present study is focused on the effect of the impeller blades tip clearance increase on the overall performance and aerodynamic instabilities in high-pressure centrifugal compressor. The test case is a centrifugal compressor stage (TM-Pi9) designed and built by Turbomeca which is used in a helicopter engine. The compressor stage is mounted on the 1 MW test rig of the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon in France. Experimental investigations consist in the overall performance acquisitions, LASER Doppler Anemometry measurements and unsteady pressure measurements up to 150 KHz for two tip clearance configurations from the nominal rotation speed to 60% of the nominal rotation speed. Steady and unsteady (phase-lagged and full simulations) simulations are also performed using the elsA code developed by the ONERA and CERFACS. Two tip clearances are tested. In the first case used as reference, the tip gap represents 6% of the section height at the impeller exit. In the second case, the impeller is moved axially, which results in an increased tip gap essentially in the radial part of the impeller. Thus in the second case, the tip clearance at the impeller exit corresponds to 10% of the section height. At the cruise rotation speed, from the reference to the increased tip clearance configurations, the tip leakage mass flows are increased. The tip leakage mass flow increase is quasi-proportional to the tip clearance height enlargement. But the position of the wake of the jet-wake flow pattern is not affected by the modification of the tip leakage mass flows. However the wake becomes wider. The tip clearance modification mainly deteriorates the total-to-static pressure ratio (~3%),which is due to inviscid losses in the impeller (under-deviation of the flow near the blades tip). A lower choking mass flow is reached in the increased tip clearance case compared with the reference configuration, due to the static pressure drop at the diffuser throat. The isentropic stage efficiency is experimentally decreased by 1% at the peak efficiency operating point. Near surge, no change in the stage efficiency is measured. From the reference to the increased tip clearance configurations, the stage efficiency is, in fact, subject to two opposite effects. On the one hand, higher tip leakage mass flows cause more viscous losses in the tip leakages and vortices. On the other hand, the wake of the jet-wake flow pattern being wider, the vortices are less confined, resulting in a decrease of the vorticity. The accumulation of entropy in the wake is thus weaker. Whatever the tip clearance configuration and the rotation speed, the surge is triggered by a boundary layer separation near the hub on the suction side of the diffuser vanes. This separation is due to the interaction between the corner boundary layer and the shock wave detached from the leading edge of diffuser vanes. At low rotation speed, disturbances in the inducer (between the leading edge of the main blade and the leading edge of the splitter blade) were recorded. These disturbances can be associated to “rotating tip clearance disturbances” which are generated by the over-flow-incidence on the impeller main blades. This phenomenon is a mild-stall precursor of a rotating stall in the impeller. The rotating stall in the impeller is not recorded because the surge occurs in the diffuser at higher mass flow. Active and passive flow control systems in the diffuser and the impeller are proposed in order to increase the operating range of the TM-Pi9 compressor

L'objectif de ce travail est de faire ressortir l'influence de l'aérodynamique du sillage d'un obstacle sur les mécanismes de stabilisation de la flamme non prémélangée. Cette aérodynamique est régie non seulement par la dynamique des écoulements mais aussi et surtout par la géométrie de l'accroche-flamme. Elle a été étudiée sur une configuration expérimentale non confinée de deux écoulements (combustible et air) séparés, concentriques, et dans le cas de deux stabilisateurs simplifiés (disque et tulipe). Des visualisations directes ont été réalisées et complétées par des mesures quantitatives des champs de vitesses en écoulements isotherme et réactif grâce à un système d'Anémométrie Doppler Laser à deux composantes. Les champs thermiques ont été obtenus au moyen d'un couple thermoélectrique à fil fin. Une caractérisation fine de la zone de recirculation a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants: (i) Le disque, provoquant une divergence importante dans l'écoulement annulaire, engendre une zone de recirculation plus longue, plus large et plus intense que celle observée dans le cas de la tulipe et pour laquelle l'effet du développement de couches limites est prépondérant, (ii) La compétition en terme de débit de quantité de mouvement "jet central/écoulement de retour" permet de distinguer le régime "jet dominant" de celui "écoulement dominant", (iii) En écoulement réactif, c'est la diminution de la masse volumique dans l'environnement proche du jet central qui facilite sa pénétration, (iv) L'effet de la forme du stabilisateur s'évalue en écoulement réactif de façon comparable au cas isotherme: l'aérodynamique de l'écoulement de retour engendré par le disque est plus perturbatrice que celle créée par la tulipe. L'analyse du développement et de la structure de la flamme a mis en évidence trois régimes de stabilisation principaux (développement, anneau, renfermement), deux régimes de transition et un domaine d'extinction. En complément de cette analyse, l'étude plus approfondie du régime "flamme avec anneau" a fait ressortir que l'anneau est une flamme triple obtenue à l'interface de deux écoulements: un prémélange de combustible, d'air et de produits de combustion et un écoulement d'air
The objective of this work was to point out the influence of the aerodynamic behind a bluff-body on the mechanisms of stabilisation of a non premixed flame. This aerodynamic behaviour is controlled not only by the dynamics of the flows but also, and particularly, by the geometry of the stabiliser. This analysis has been developed on a non-confined experimental set-up consisting of two separated and concentric flows (fuel and air), and for two stabilisers, disk and tulip shape burners. Direct visualisations were performed and were completed with velocity field measurements for cold and reacting flows by means of a two-component laser Doppler Anemometer. Temperature fields were also obtained by using a thermocouple. The characterisation of the recirculation zone allowed to bring to light several interesting phenomena: (i) The disk burner induces an important deviation of the annular flow and creates a larger, wider and more intense recirculation zone than the one observed with the tulip burner, for whiçh the effect of the boundary-layer development is predominant, (ii) The competition between the central jet and the recirculating flow, in terms of momentum flux, allows to differentiate the "dominant jet regime" from the "dominant flow regime", (iii) For the reacting flow, the decrease of the density in the zone surrounding the central jet facilitates its penetration, (iv) The effect of the burner shape for the reacting flow can be evaluated in a similar way as for the cold flow: the aerodynamic of the recirculating flow due to the disk enhances stronger perturbations than those generated by the tulip. The analysis of the development of the flame and of its structure has emphasised three main stabilisation regimes (development, ring flame, recirculating flame), two transition regimes and a domain of extinction. To complete this analysis, a study of the "ring flame" regime has been developed. It pointed out that the ring is a triple flame formed at the interface of two flows: a premixed fuel-air-combustion products flow and an air flow

Le diagnostic par des méthodes optiques basées sur l'anémométrie Doppler laser ou phase Doppler permet une meilleure connaissance des écoulements diphasiques. Cependant, l'encombrement de tels systèmes optiques limite leur utilisation. Grâce à la théorie de Lorenz-Mie généralisée, la dimension finie des faisceaux peut être prise en compte, ainsi, deux sondes laser Doppler miniatures ont pu être réalisées. Le développement d'une sonde phase Doppler miniature en rétrodiffusion est au centre de la première partie de cette thèse. L'originalité d'une telle sonde réside dans l'utilisation d'une seule lentille pour la focalisation des faisceaux incidents et la collection de la lumière diffusée. Différentes géométries correspondant a plusieurs modes de diffusion sont présentées. Pour chacune de ces configurations, un traitement de signal spécifique a été développé. La méconnaissance des mécanismes liés à la resuspension nécessite de nouveaux systèmes de mesures. La seconde partie de ce travail décrit donc la conception et la réalisation d'une sonde couplée ADL (Anémométrie Doppler Laser) et DCW (Dual Cylindrical Waves) permettant la mesure simultanée de la vitesse et de la hauteur de particules dans une couche limite turbulente. Cette technique repose sur la superposition de deux volumes de mesures optiques de longueurs d'onde différentes, le premier à franges parallèles (ADL) et le second à franges en éventail (DCW). Un code d'acquisition et de traitement a été développé pour faciliter les mesures, en particulier il indique la vitesse et la hauteur des particules traversant le volume de mesure en fonction du temps de mesure.

Mesure des champs de vitesses moyennes et de fluctuations de vitesse par anémométrie laser Doppler. Les comparaisons entre gradient de vitesse et contraintes de Reynolds montrent l'inadaptation des modèles classiques de type Boussinesq et de type longueur de mélange pour analyser un écoulement complexe. Détermination des termes de production d'énergie turbulente et de transfert par diffusion turbulente. Analyse des relations entre mouvement moyen et champ turbulent. Mise en évidence de zones de "production négative" de turbulence au sein de l'écoulement

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique à l'École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca et l'ONERA. Le sujet de recherche porte sur l'interaction rouet-diffuseur et sur l'entrée en régime de pompage d'un étage de compresseur centrifuge transsonique à fort taux de compression étudié à vitesse de rotation de croisière (0,927Nn). L'alimentation des analyses est réalisée par trois méthodes de mesures et deux types de simulations numériques. Le module d'essai est installé sur le banc d'essai 1 MW du LMFA. La caractérisation expérimentale du compresseur TM est réalisée par le biais de mesures de pression et température auxquelles sont adjointes des mesures du débit et de la vitesse de rotation de la roue mobile. La description de l'écoulement interne au compresseur s'appuie sur les résultats de sondages par Anémométrie Laser à effet Doppler (LDA) et de mesures de pression à haute fréquence. Les simulations numériques sont réalisées par l'intermédiaire du code de calcul elsA développé par l'ONERA, qui permet de résoudre le système d'équations de Navier-Stokes couplé à un modèle de turbulence k-l de Smith. Deux modélisations de l'interaction rouet-diffuseur permettent de générer des champs aérodynamiques stationnaires (modèle plan de mélange) et instationnaires (modèle chorochronique). La comparaison entre les données expérimentales et numériques est très satisfaisante et permet alors de profiter pleinement de la richesse des informations numériques. L'examen détaillé de l'écoulement interne au rouet pour trois points de fonctionnement (à débit bloqué, à rendement maximum et à proximité du pompage) révèle que, du blocage vers le pompage, l'évolution de l'intensité et de la taille du tourbillon de jeu est le point de départ d'un enchaînement de mécanismes conduisant à la dilatation du sillage de la structure jet-sillage. Pour l'écoulement en amont du diffuseur, ceci ce traduit en moyenne temporelle par une augmentation de l'incidence principalement au voisinage du moyeu. L'onde de choc en amont des aubes du diffuseur remonte à mesure que le débit du compresseur diminue. La trajectoire de l'écoulement principal bascule du côté de la face en dépression vers le côté de la face en pression du canal inter-aubes du diffuseur. La cartographie des nombreux décollements de couches limites est également modifiée à l'approche du pompage. Les structures instationnaires majeures sont produites par l'interaction de l'onde de choc en amont des aubes du diffuseur avec les pales du rouet. Des ondes de pression progressives et des poches à faible nombre de Mach sont ainsi générées. Les ondes pression impriment d'intenses fluctuations au champ de vitesse qui favorisent le processus de mélange. En conséquence, les couches limites sont plus robustes vis-à-vis des décollements (en moyenne temporelle). Le défilement instationnaire des poches à faible nombre de Mach engendre une dissymétrie marquée des conditions d'alimentation du diffuseur dans la direction azimutale. Au cours du changement de point de fonctionnement en allant du débit bloqué vers le pompage, les ondes de pression se renforcent et la taille des poches à faible nombre de Mach diminue. De ce fait, les conditions sont plutôt favorables à retarder l'entrée en pompage du compresseur qui est localement initié en amont du diffuseur aubé. Le pompage du compresseur est provoqué par un changement rapide de la structure supersonique de l'écoulement en entrée de diffuseur qui est alors déstabilisée par les fluctuations de pression des ondes progressives
The present work is in line with a collaboration between the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique at École Centrale de Lyon (LMFA-ECL), Turbomeca and ONERA. The subject is focused on impeller-diffuser interaction and phenomena occurring during surge ignition of a transonic centrifugal stage with high-compression ratio at cruise rotation speed (0,927Nn). The analysed data come from three measurement devices and two kinds of numerical simulations. The 1MW LMFA-ECL test rig was used for carrying out the experiments on the centrifugal compressor stage. The global performances were obtained by pressure, temperature, mass flow rate and rotation speed measurements. The internal flow field properties were probed by Laser Doppler Anemometry (LDA) and high frequency pressure measurements. The computations were performed with the elsA software developed at ONERA. The code solves the compressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations associated with the two-equations (k-l) turbulence model of Smith. Two models of impeller-diffuser interaction were used to simulate the flow within the compressor. The first model is based on the Averaged Passage equations, gives a stationary description of the internal flow fields. The second model is based on the phase lagged approach and allows access to the unsteady phenomena. A good agreement between experiments and simulations was obtained, which justifies the use of the CFD results for the flow field analysis. Analysis of the flow development within the impeller were carried out for three operating points (choke, peak efficiency and close to surge). This study shows that, from choke to near surge, the development of the tip clearance vortex is the starting point of a sequence of physical mechanisms which lead to an extend of the wake of the jet-wake structure. The change in flow field at impeller exit tends to increase the upstream incidence of the vaned diffuser, especially close to the hub. The vane bow shock wave progresses in the impeller passages when the operating point moves from choke to near surge. The location of the main flow moves from suction side to pressure side of the vaned diffuser passage. The topology of the boundary layer separations within the diffuser passage is deeply affected when approaching surge. The main unsteady structures are generated by the interaction between the bow shock wave and the impeller blades. Progressive pressure waves and low Mach number flow bubbles are generated by this locally time-spaced interaction phenomenon. The pressure waves lead to strong fluctuations of the velocity field. As a consequence, the boundary layer becomes more resistant in relation to the separations (in term of time-averaged point of view). In time-averaged point of view, the low Mach number flow bubbles lead to inhomogeneous conditions at the vaned diffuser inlet along the azimuthal direction . From choke to near surge operating point, the strength of the pressure wave increases whereas the size of the low Mach number flow bubbles decreases. These conditions are quite favourable to push back the surge limit which is locally initiated in the inlet part of the vaned diffuser. The surge of the compressor is produced by a rapid change in supersonic flow structure at diffuser inlet. The pressure fluctuations due to the progressive waves lead to destabilise the new supersonic flow configuration and degenerate in the global instability of the compressor flow

Les dispositifs d’isolation galvanique intégrés au sein des systèmes de commande d’interrupteurs de puissance doivent répondre à une demande accrue en performance, facilité d’intégration et efficacité énergétique. Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer), capables d’émettre et de recevoir des ondes ultrasonores, semblent une alternative tout à fait nouvelle à la fonction d’isolation galvanique. Ces travaux de thèse ont pour objectif de démontrer la faisabilité d’un dispositif basé sur la technologie cMUT. Le principe de fonctionnement consiste à transmettre une information grâce à une communication par onde acoustique de volume entre deux réseaux de cMUT placés de part et d’autre d’un substrat. Nous focalisons, en premier lieu, ces travaux sur le processus de fabrication par micro-usinage de surface des cMUT ainsi que les techniques de réalisation des dispositifs en structure double face sur substrat de silicium. L’étude permet d’identifier le collage de substrat comme une solution de fabrication industrialisable. Suite à la réalisation des dispositifs, la caractérisation électro-mécanique des cMUT est une étapeessentielle à la validation de leur fonctionnalité en tant que dispositifs émetteurs. L’étude débute par uneévaluation des propriétés mécaniques du matériau constituant la membrane et qui impactent directementle comportement global des cMUT. Puis, la caractérisation du comportement statique et dynamique descMUT permet d’extraire les paramètres tels que la fréquence de résonance, la tension de collapse etl’efficacité électro-mécanique qui définissent le mode de pilotage d’un tel système.Finalement, la validation du concept de transmission et de détection d’ondes ultrasonores est réaliséegrâce à des mesures de vibrométrie laser Doppler. Les résultats apportent des éléments de réponse quantau mode de propagation des ondes et permettent d’identifier les topologies de meilleure efficacité entransmission acoustique. Enfin, l’intégration du prototype dans l’application de commanded’interrupteur de puissance démontre la faisabilité du concept de transformateur acoustique basé sur latechnologie cMUT
Galvanic isolation devices integrated into switch command systems must be able to answer all of the increasing demand for performance, energetic efficiency and integration easiness. The capacitive micro machined ultrasonic transducers (cMUT), able to emit and receive ultrasounds, could be an entirely new alternative to the function of galvanic isolation. This work aims to demonstrate the feasibility of a cMUT-based device. The operating principle consists in transmitting information thanks to a bulk acoustic wave between two cMUT arrays located on both sides of a substrate. We first focus on cMUT surface micromachining fabrication process and techniques of double-side device manufacturing. Our study allows us to identify wafer bonding as a realistic industrial solution. After device fabrication, electro-mechanical of cMUT is an essential step to validate their functionality as ultrasonic emitters. The study starts with the mechanical properties evaluation of the membrane material. These properties directly impact the global behavior of cMUT. Then, the characterization of cMUT static and dynamic behavior allows extracting parameters as resonance frequency, collapsing voltage and electro-mechanical efficiency which define the actuation mode of such a system. Finally, the validation of transmission and reception of ultrasonic waves is evaluated by vibrometer laser Doppler measurements. Results bring elements concerning the waves propagation modes and allow identifying the best acoustical efficiency in regard to the topology. In conclusion, the prototype integration in the application of power switch command demonstrates the feasibility of acoustic transformer concept based on cMUT technology