L’objet de ce travail a consisté en l’étude et la mise en oeuvre d.une méthodede calcul des dérivées des fonctions d’intérêt d’un problème d’optimisation de forme par rapport aux paramètres géométriques décrivant la forme solide, appelées de façon générique gradients.., pour un système aéroélastique soumis à un écoulement lointain stationnaire. Une méthodologie de calcul de l’équilibre aéroélastique statique a tout d.abord été développée dans le cadre de laquelle le comportement du fluide peut être modélisé par les équations d’Euler ou de Navier-Stokes moyennées (RANS), résolues numériquement par elsA, code de simulation numérique pour la mécanique des fluides développé à l’ONERA, et le comportement de la structure est prédit par la théorie des poutres (équations d’Euler-Bernoulli écrites en formulation matrice de lexibilité). Un cadre de calcul des gradients relatifs à ce système a ensuite pu être mis en place. Ceux-ci sont calculés de manière analytique en utilisant, soit la méthode de l’équation linéarisée discrète, soit la méthode du vecteur adjoint discret. Ces méthodes impliquent la résolution de systèmes linéaires couplés effectuée, dans le cadre de cette étude, par un processus itératif doublement retardé. Enfin, ces développements ont été appliqués au calcul des gradients des coefficients aérodynamiques de traînée et de portance par rapport à un ensemble de paramètres de forme pour trois configurations de complexité croissante, et validés par comparaison aux valeurs des gradients calculés par différences finies. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’évaluation des performances de quatre modèles réduits non physiques dans le cadre d’un processus d’optimisation de forme d’une configuration bidimensionnelle de turbomachine.

This book provides a comprehensive introduction to the mathematical and algorithmic methods for the Multidisciplinary Design Optimization (MDO) of complex mechanical systems such as aircraft or car engines. We have focused on the presentation of strategies efficiently and economically managing the different levels of complexity in coupled disciplines (e.g. structure, fluid, thermal, acoustics, etc.), ranging from Reduced Order Models (ROM) to full-scale Finite Element (FE) or Finite Volume (FV) simulations. Particular focus is given to the uncertainty quantification and its impact on the robustness of the optimal designs. A large collection of examples from academia, software editing and industry should also help the reader to develop a practical insight on MDO methods.

Multidisciplinary Design and Optimization of Aerospace Composite Materials is a collection of ten SAE technical papers focusing on the design analysis of aerospace composite structures from the perspective of various disciplines. The book concentrates on the following aspects: • Analytical methods for weight design of aircraft structures, including a parametric geometry model capable of generating dedicated models for both aerodynamic and structural solvers. • Methodologies for evaluating the structural performance of carbon/epoxy composite panels. • An aerodynamic design of flexible wings made of composite structures. • Thermal design and analysis of composite enclosures. • Methodologies for analyzing the acoustic performance of composite structures, including the design optimization method to evaluate the acoustic performance in terms of transmission loss (TL) of various composite panels. • The lightening effect on composites, presenting a theoretical method to compute the electrical current propagating through composite structures due to lightning strikes. • The issue of fire resistance as most polymer resins are flammable once the respective ignition temperatures are reached. • A probabilistic-based reliability analysis of the composite structures. The method is demonstrated on a graphite/epoxy composite space habitat subjected to the debris attacks. • A sustainability analysis of aircraft composite materials, including improved durability, less maintenance, and lower energy consumption.

L’objectif de cet ouvrage est de décrire les fondements théoriques de la méthode des volumes finis qui est aujourd’hui reconnue, à bien des égards, comme étant la méthode de choix pour la simulation numérique en mécanique des fluides. En effet, elle est intensivement utilisée dans la plupart des codes de calcul commerciaux ou «open source» qui traitent les problèmes de mécanique des fluides, de transferts thermiques ou de transport d’espèces. Cet ouvrage s’adresse principalement aux étudiants de master ou d’écoles d’ingénieurs qui souhaitent s’initier aux principes de la simulation numérique en mécanique des fluides basée sur la méthode des volumes finis. Après une introduction sur l’essor et les enjeux de la simulation numérique en mécanique des fluides, les équations de conservation en mécanique des fluides sont rappelées. L’ouvrage introduit ensuite les concepts de base de la méthode des volumes finis et aborde la notion de maillage (maillage structuré, multibloc, non-structuré, conforme,...) et de métriques, nécessaires à la discrétisation des équations. L’équation de transport d’une quantité scalaire est utilisée comme équation modèle et la discrétisation de chacun de ses termes (terme temporel, terme diffusif, terme convectif et terme source ou puits) est détaillée. Une attention particulière est portée sur les notions fondamentales comme l’ordre de précision et la stabilité des schémas numériques, la convergence, la diffusion et la dispersion numérique ainsi que sur les notions de conservativité, de transportivité et de bornement. La discrétisation des équations de Navier-Stokes incompressibles en variables primitives est ensuite détaillée. L’algorithme de couplage vitesse-pression SIMPLE et son implémentation sont abordés. Un chapitre spécifique est consacré à l’implémentation des différents types de conditions aux limites. La résolution des systèmes algébriques matriciels linéaires qui est une composante fondamentale lorsque l’on aborde la résolution numérique d’équations aux dérivées partielles est discutée. Différentes méthodes directes ou itératives sont décrites. Cet ouvrage, résolument axé sur la mise en œuvre pratique de la méthode des volumes finis est une introduction très didactique qui ouvrira le lecteur à des concepts plus avancés développés dans un autre ouvrage

Due to the computational cost of numerical simulations solving RANS equations, the range of possible optimization problems is limited. With respect of this constraint a new response surface based optimizer is presented and applied to various drag minimization problems. It enables to find a better solution than usual gradient based algorithms at an acceptable cost. It is also able to solve high dimensional problems by using gradient enhanced Kriging. Using another framework, response surfaces were also used as a data exchange tool to deal with multidisciplinary shape optimization problems. This way, a bi-level method was applied to find the optimal position of an engine on a civil transport aircraft.

Cet ouvrage présente un état de l'expérimentation dans le domaine de l'aérodynamique, l'importance de cette discipline restant primordiale pour la conception des véhicules aériens et terrestres, pour la production d'énergie, pour les moteurs, pour la tenue au vent des bâtiments et pour bien d'autres domaines. L'aérodynamique intéresse non seulement l'amélioration des performances des véhicules et leur confort mais aussi la réduction des nuisances qu'ils engendrent. L'ouvrage fournit une information actualisée sur les moyens expérimentaux et techniques mis en œuvre par les aérodynamiciens, ingénieurs et chercheurs. Les divers types de souffleries - du subsonique à l'hypersonique - sont décrits, en présentant les problèmes posés par leur conception et exploitation. Une large place est donnée à la métrologie qui a connu une véritable révolution en permettant d'accéder à une connaissance précise et locale des propriétés d'un écoulement. Cette avancée spectaculaire est à mettre en parallèle avec les progrès dans le domaine de la simulation numérique des écoulements (CFD). Les développements en cours pour bâtir une méthodologie associant expériences et simulations numériques sont présentés : il s'agit de la SAO ou soufflerie assistée par ordinateur. Enfin, on propose un bilan de la situation actuelle de l'aérodynamique expérimentale à partir d'une vision prospective de cette discipline et d'une définition des problèmes auxquels elle se trouvera confrontée dans les années à venir.

NOUS PRESENTONS DANS CETTE THESE UNE APPROCHE ORIGINALE DE LA CONSTRUCTION DU SILLAGE DERRIERE UN PROFIL D'AILE. CETTE METHODE PERMET D'EVALUER TOUS LES EFFORTS AERODYNAMIQUES S'EXERCANT SUR UN PROFIL DONNE. LE MODELE D'ECOULEMENT CONSIDERE EST CELUI DE L'ECOULEMENT POTENTIEL. LA METHODE DE RESOLUTION UTILISEE EST CELLE DES SINGULARITES : ON RAMENE AINSI LA RESOLUTION DU PROBLEME EXTERIEUR POSE DANS UN DOMAINE NON BORNE A LA RESOLUTION D'EQUATIONS INTEGRALES SINGULIERES POSEES SUR LA FRONTIERE, CE QUI VA SE TRADUIRE PAR UNE ECONOMIE IMPORTANTE DANS LE COUT ET LE TEMPS DE CALCUL. CETTE METHODE PERMET AUSSI D'EVITER LE PROBLEME DU REMAILLAGE LORS DE LA CONSTRUCTION DU SILLAGE. DES METHODES SPECIFIQUES POUR INTEGRER LES NOYAUX SINGULIERS ONT ETE DEVELOPPEES. AFIN DE CONSTRUIRE LE SILLAGE EN PRENANT EN COMPTE TOUTES SES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES, NOUS AVONS CHOISI DE METTRE EN UVRE UNE METHODE D'OPTIMISATION DE FORME. EN EFFET, LE SILLAGE EST, D'UNE PART, UNE LIGNE DE GLISSEMENT - CARACTERISTIQUE PRISE EN COMPTE DANS LES EQUATIONS INTEGRALES - ET, D'AUTRE PART, UNE LIGNE EN EQUILIBRE AERODYNAMIQUE, IE EN EQUILIBRE DE PRESSION. CETTE CARACTERISTIQUE EST REALISEE LORS DE L'OPTIMISATION DE FORME. LA MISE EN UVRE DE CETTE METHODE NECESSITE LE CALCUL DU GRADIENT ET D'UN ETAT ADJOINT. ENFIN NOUS NOUS SOMMES EGALEMENT INTERESSES A L'ETUDE DE CONDITIONS AUX LIMITES EQUIVALENTES POUR UN ECOULEMENT POTENTIEL LE LONG DE PAROIS RUGUEUSES. POUR CELA, NOUS AVONS UTILISE LES METHODES D'HOMOGENEISATION A L'AIDE DE DEVELOPPEMENTS ASYMPTOTIQUES A DEUX ECHELLES.