L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR D'UN PROFIL D'AILE A FORTE INCIDENCE A ETE ETUDIE POUR UN FLUIDE INCOMPRESSIBLE. LA CONFIGURATION DU PROFIL D'AILE A ETE PLACEE DANS UN ECOULEMENT UNIFORME STATIONNAIRE OU OSCILLANT EN TAMIS. LA MISE EN UVRE D'UN LOGICIEL DE CALCUL EST EFFECTUEE EN MAILLAGE CURVILIGNE DE TYPE H, PRECIS AU SECOND ORDRE TEMPOREL ET SPATIAL, PERMETTANT LA RESOLUTION DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES COMPLETES POUR UN SILLAGE DE GEOMETRIE COMPLEXE, AFIN DE PREDETERMINER LA NAISSANCE D'INSTABILITES, DU DECOLLEMENT INSTATIONNAIRE ET DES STRUCTURES ORGANISEES DU SILLAGE A DES NOMBRES DE REYNOLDS MODERES. DANS CE CONTEXTE, UNE ANALYSE PHYSIQUE DES PROPRIETES DE L'ECOULEMENT A LA SORTIE DU DOMAINE A PERMIS DE DEVELOPPER DES CONDITIONS LIMITES NON-REFLECTIVES, EN ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE ET INSTATIONNAIRE, DANS LE SYSTEME DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES. CE TYPE DE CONDITIONS LIMITES A PERMIS D'UTILISER UNE DISTANCE RAISONNABLE A L'AVAL ET D'EFFECTUER DES ECONOMIES NOTABLES SUR LE TEMPS DE CALCUL. AINSI IL MINIMISE LES EFFETS DE RETROACTION ET DE CONFINEMENT ARTIFICIEL. LE DEVELOPPEMENT DU MODELE DE TURBULENCE INSTATIONNAIRE A DEUX EQUATIONS EST EFFECTUE SUR LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES EN MOYENNE DE PHASE POUR LES NOMBRES DE REYNOLDS ELEVES. CETTE METHODOLOGIE PERMET DE CALCULER LES EFFETS FORTEMENT INSTATIONNAIRES (ECOULEMENT TURBULENT EN TAMIS) POUR UNE GEOMETRIE COMPLEXE. UN TRAITEMENT DE MODELE A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS EST INCLUS. UNE MODELISATION POUR LE TERME DE PRODUCTION D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE, EN FONCTION DU ROTATIONNEL LOCAL, EST PROPOSEE D'APRES DES CONSIDERATIONS PHYSIQUES, AFIN DE SURMONTER LE PROBLEME DE LA SURPRODUCTION D'ENERGIE TURBULENTE DANS LA REGION AU VOISINAGE DU POINT D'ARRET. L'ENSEMBLE DES RESULTATS OBTENUS MONTRENT L'EFFICACITE DE CETTE APPROCHE POUR LA PREDETERMINATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES, DECOLLES EN SITUATION NATURELLE ET FORCEE

L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR DU PROFIL D'AILE A FORTE INCIDENCE EST ETUDIE PAR L'ANALYSE PHYSIQUE, SIMULATION NUMERIQUE, AINSI QUE PAR LA COMPARAISON AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES. L'APPROCHE DE MACROSIMULATION DE STRUCTURES ORGANISEES (OES, ORGANIZED EDDY SIMULATION ) EST ADOPTEE EN COUPLAGE AVEC LE MODELE DE TURBULENCE A DEUX EQUATIONS, DANS LE PRESENT TRAVAIL. UNE ETUDE DU CHOIX DU TRAITEMENT PARIETAL APPROPRIE EST EFFECTUEE AU SEIN DU MODELE DE TURBULENCE. UNE ANALYSE DETAILLEE DE LA DEPENDANCE DE LA SOLUTION VIS-A-VIS DE PARAMETRES NUMERIQUES, ET NOTAMMENT DE MAILLAGES EST PRESENTEE. L'ECOULEMENT INSTATIONNAIRE TURBULENT AUTOUR DU PROFIL D'AILE IMMOBILE A DES INCIDENCES DE 12, 14 ET 20 EST ETUDIE. L'INSTATIONNARITE NATURELLE DE L'ECOULEMENT EST PRISE EN COMPTE PAR L'APPROCHE DE MODELISATION DES STRUCTURES ORGANISEES. LE MODELE A DEUX EQUATIONS INCLUANT LE TRAITEMENT PARIETAL A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS BASE SUR LA FONCTION D'AMORTISSEMENT CHOISIE EST IMPLEMENTE SUR LE MAILLAGE APPROPRIE. L'AUGMENTATION DISCRETE DE L'INCIDENCE PERMET L'OBSERVATION DE L'EVOLUTION DU DECOLLEMENT DE LA COUCHE LIMITE, AINSI QUE L'APPARITION DE L'ALLEE TOURBILLONNAIRE ALTERNEE DE VON KARMAN ET DES TOURBILLONS DE KELVIN-HELMHOLTZ. L'ETUDE DU PROFIL OSCILLANT AUTOUR DE L'INCIDENCE MOYENNE DE 12 PERMET D'ESTIMER L'IMPACT DE L'INSTATIONNARITE FORCEE SUR L'ECOULEMENT AUTOUR DU PROFIL, AINSI QUE SON INTERACTION AVEC L'INSTATIONNARITE NATURELLE. DEUX TYPES D'OSCILLATIONS SONT CONSIDERES : LE MOUVEMENT DE TYPE TANGAGE ET LE MOUVEMENT COMBINE DE TAMIS/TANGAGE. L'APPARITION DU TOURBILLON DE DECROCHAGE ET LE PHENOMENE DE RELAMINARISATION SONT OBSERVES. CE DERNIER SE MANIFESTE PAR L'APPARITION DE BOUCLES D'HYSTERESIS SUR LES COURBES DES PARAMETRES AERODYNAMIQUES. LE MODELE DU PREMIER ORDRE A DEUX EQUATIONS PERMET UNE PREDICTION CORRECTE DES PHENOMENES PROPRES AUX ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES AUTOUR DE PROFILS D'AILE ET UN RELATIVEMENT BON ACCORD AVEC L'EXPERIENCE.

L'objectif de cette étude est de qualifier la capacité des méthodes numériques à réaliser la simulation d'écoulements instationnaires turbulents, dans un contexte dit "d'aérodynamique externe". L'application industrielle visée est la prédiction du phénomène de tremblement en régime transsonique, dont les principales caractéristiques sont tout d'abord rappelées, afin de déterminer les points délicats à traiter d'un point de vue du numérique et de la modélisation. Différents types de modélisation de la turbulence sont alors passés en revue : leurs points forts et leurs faiblesses, exposés relativement aux applications visées, nous ont conduit à utiliser le modèle de Spalart et Allmaras en instationnaire (USA), la "Detached-Eddy Simulation" (DES) et la simulation des grandes échelles (LES). On sélectionne ensuite parmi les méthodes numériques présentes dans le code de calcul celles qui semblent les plus adaptées à traiter les problèmes relatifs à l'aérodynamique instationnaire transsonique. Ceci nous a conduit à implémenter et à valider une condition aux limites de sortie instationnaire subsonique, et à élaborer un schéma de discrétisation spatiale centré d'ordre quatre. Le comportement des modèles USA, DES est alors qualifié sur deux cas "académiques" (couche limite turbulente attachée se développant temporellement, couche limite décollée sous l'influence d'un gradient de pression adverse) en comparaison avec des simulations LES de référence. Des simulations du phénomène de tremblement sont finalement réalisées avec les modèles USA et DES sur des configurations de plus en plus complexes (profil bidimensionnel, tranche d'aile périodique, puis géométrie complète fuselage / voilure), et comparées aux résultats expérimentaux.

DANS CETTE ETUDE, UNE METHODE NUMERIQUE DE HAUTE PRECISION EST MISE AU POINT POUR LA SIMULATION D'ECOULEMENTS COMPRESSIBLES INSTATIONNAIRES TURBULENTS EN AERODYNAMIQUE. UN SCHEMA CENTRE A CINQ POINTS, PRECIS A L'ORDRE TROIS POUR LES EQUATIONS D'EULER, A ETE CONSTRUIT EN CORRIGEANT L'ERREUR DISPERSIVE DU SCHEMA CLASSIQUE D'ORDRE DEUX DE JAMESON. CE SCHEMA A ETE ENSUITE ETENDU AUX MAILLAGES CURVILIGNES BI- ET TRIDIMENSIONNELS PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS DE HAUTE PRECISION. LE FLUX NUMERIQUE EST CONSTRUIT A L'AIDE D'OPERATEURS DE DISCRETISATION PONDERES, QUI PERMETTENT DE TENIR COMPTE DES DEFORMATIONS DU MAILLAGE. LE SCHEMA OBTENU EST PRECIS A L'ORDRE TROIS SUR DES MAILLAGES MOYENNEMENT DEFORMES ET A L'ORDRE DEUX SUR DES MAILLAGES TRES DEFORMES. LA METHODE DEVELOPPEE A ETE ETENDUE AUX EQUATIONS DE NAVIER-STOKES EN TRAITANT LES TERMES VISQUEUX DE FACON SIMPLE. LE SCHEMA PROPOSE A ETE PROGRAMME DANS UN CODE INDUSTRIEL ET IL A ETE VALIDE PAR DES COMPARAISONS SYSTEMATIQUES AVEC LE SCHEMA DE JAMESON, PROGRAMME DANS LE MEME CODE : LE SCHEMA DE HAUTE PRECISION PERMET DE REDUIRE DE FACON SIGNIFICATIVE L'ERREUR NUMERIQUE AU BORD D'ATTAQUE DE PROFILS ET D'AILES. ENSUITE, LE NOUVEAU SCHEMA A ETE APPLIQUE A L'ETUDE D'ECOULEMENTS AUTOUR DE PROFILS OSCILLANTS, MODELISANT UNE SECTION DE PALE DE ROTOR D'HELICOPTERE EN VOL D'AVANCEMENT. UN PROBLEME DIFFICILE DE DECROCHAGE DU A L'INTERACTION CHOC/COUCHE LIMITE SUR UN PROFIL OSCILLANT EN REGIME TRANSSONIQUE VIENT DEMONTRER LA NECESSITE DE SCHEMAS DE HAUTE PRECISION POUR LA SIMULATION D'ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES COMPLEXES. IN FINE, LE NOUVEAU SCHEMA EST APPLIQUE A L'ETUDE DU DECROCHAGE DYNAMIQUE PROFOND D'UN PROFIL OSCILLANT A TRES GRANDE INCIDENCE. POUR CHAQUE APPLICATION, LES INFLUENCES DU MODELE DE TURBULENCE, DU MAILLAGE DE CALCUL ET DE L'ORDRE DE PRECISION DU SCHEMA SONT DISCUTEES.

L'ETUDE NUMERIQUE D'ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES, EXTERNES, DECOLLES, DE FLUIDE VISQUEUX INCOMPRESSIBLE AUTOUR D'UN PROFIL D'AILE A GRANDE INCIDENCE A ETE EFFECTUE PAR LA TECHNIQUE DES DIFFERENCES FINIES ET LA SIMULATION DES GRANDES ECHELLES. LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES SONT RESOLUES EN FORMULATION VITESSE-TOURBILLON (3D) ET FONCTION DE COURANT-TOURBILLON (2D) SUR DES MAILLAGES CURVILIGNES ORTHOGONAUX. LES METHODES NUMERIQUES ONT ETE EVALUEES POUR UN FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS PAR COMPARAISON AVEC L'EXPERIENCE. DIFFERENTS MODELES DE SOUS-MAILLE ONT ETE TESTES EN DEUX DIMENSIONS ET A GRAND NOMBRE DE REYNOLDS. UN NOUVEAU MODELE APPELE GRADIENT DU TOURBILLON EST PROPOSE DANS LE CAS D'ECOULEMENTS BI-DIMENSIONNELS. UN CALCUL 3D EST EFFECTUE A GRAND NOMBRE DE REYNOLDS ET ON COMPARE LES RESULTATS DES SIMULATIONS DES GRANDES ECHELLES 2D ET 3D AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.

DANS CE TRAVAIL, LES ECOULEMENTS AUTOUR DU PROFIL AS239 D'AEROSPATIALE A FORTE INCIDENCE ET SUR LA PLAQUE PLANE SANS GRADIENT DE PRESSION ONT ETE SIMULES. UNE ETUDE COMPARATIVE DE PLUSIEURS MODELES DE TURBULENCE EST PRESENTEE: LE MODELE K-EPSILON DE JONES-LAUNDER, LE MODELE ASM COMBINE AVEC K-EPSILON DE JONES-LAUNDER OU LE MODELE DE WOLFSHTEIN DANS LA REGION DE PROCHE PAROI, ET LE MODELE ASM A FAIBLE NOMBRE DE REYNOLDS DE H. IACOVIDES. CES MODELES ONT ETE ANALYSES D'APRES DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET THEORIQUES POUR COMPRENDRE LEURS PERFORMANCES SUR LES DEUX CONFIGURATIONS ETUDIEES. LES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES BIDIMENSIONNELLES SONT RESOLUES AVEC UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. ELLES SONT DISCRETISEES EN ESPACE AVEC LE SCHEMA DE MAC-CORMACK COMPRENANT DEUX ETAPES, PREDICTEUR ET CORRECTEUR. LA VERSION EXPLICITE-IMPLICITE DE L'INTEGRATION TEMPORELLE A ETE UTILISEE. LE MODELE ASM COMBINE AVEC K-EPSILON DANS LA REGION DE PROCHE PAROI FOURNIT LES MEILLEURS RESULTATS SUR LE PROFIL. EN EFFET, LE MODELE ASM TIENT COMPTE DU GRADIENT DE PRESSION ADVERSE. L'AMELIORATION DE LA MODELISATION DE LA ZONE DE PROCHE PAROI A ETE ENVISAGEE AVEC L'EXTENSION DU MODELE ASM DANS CETTE REGION, ET DANS UN PREMIER TEMPS AVEC LE MODELE DE H. IACOVIDES. LA SIMULATION DE L'ECOULEMENT SUR UNE PLAQUE PLANE SANS GRADIENT DE PRESSION, ET L'ANALYSE A PARTIR DES DEVELOPPEMENTS ASYMPTOTIQUES METTENT EN EVIDENCE LES FAIBLESSES DE CE MODELE. D'AUTRE PART, LA RESOLUTION NUMERIQUE EXIGE DES AMELIORATIONS, NOTAMMENT POUR LE CALCUL DES GRADIENTS DES QUANTITES TURBULENTES, ET POUR ACCELERER LA CONVERGENCE

LES TRAVAUX REALISES DANS CETTE ETUDE S'INSCRIVENT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES. ELLE CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT LES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES PULSES EN CANAL. LE CHOIX DE CETTE CONFIGURATION A ETE FAITE DANS LE BUT D'ETUDIER SEPAREMENT L'INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES QUI GERENT CE TYPE D'ECOULEMENT. LE TRAVAIL RAPPORTE CONCERNE: (I) LA VALIDATION D'UN CODE DE CALCUL ; (II) UNE ANALYSE PHYSIQUE: *TOUT D'ABORD, DANS LE CAS LAMINAIRE, *DANS LE CAS TRANSITIONNEL, PAR L'ETUDE DE L'INFLUENCE DE L'INSTATIONNARITE SUR LA TRANSITION DE LA COUCHE LIMITE, *ENFIN, DANS LE CAS PLUS COMPLEXE A SAVOIR L'ETAT TURBULENT OU UNE ETUDE PARAMETRIQUE S'AVERA UTILE DANS LA COMPREHENSION DES MECANISMES PHYSIQUES DE CE TYPE D'ECOULEMENT AINSI QUE DANS LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTS MODELES DE TURBULENCE ; (III) UNE EVALUATION DES MODELES DE FERMETURE A ZERO EQUATION, A DEUX EQUATIONS ET A FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS DE TURBULENCE AINSI QU'UN MODELE AUX CONTRAINTES DE REYNOLDS ; (IV) LE BUT ULTIME DE CETTE ANALYSE DEVRA NOUS CONDUIRE A UNE MEILLEURE MODELISATION DES ECOULEMENTS INSTATIONNAIRES