Le transport aérien est à ce jour responsable de 2 à 3 % des émissions mondiales de CO2, ainsi que d'autres impacts climatiques et environnementaux. Les nouveaux concepts d'architectures pouvant contribuer à la réduction de l’impact environnemental de l'aviation suscitent donc un grand intérêt. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’une approche holistique, allant de la modélisation et du dimensionnement de nouvelles architectures avion à la simulation de scénarios prospectifs durables pour le transport aérien. Cette approche permet ainsi de relier les enjeux de la conception avion à ceux de l’analyse de scénarios prospectifs pour l’aviation.Dans une première partie, des modèles d'estimation pour différents systèmes avion sont présentés dans le cadre d’un avion plus électrique. Des méthodes variées sont appliquées, par exemple basées sur l’utilisation de modèles énergétiques ou de modèles de régression. Les systèmes de conditionnement d’air et de protection contre le givre sont étudiés, tout comme les systèmes induits par l’électrification des avions (génération et distribution de puissance électrique, management thermique).Dans une deuxième partie, une architecture avion déployable à court terme est dimensionnée à travers une approche basée sur l’utilisation de la plateforme de conception avion FAST-OAD. Cette architecture intègre les systèmes décrits précédemment, dont les performances sont préalablement évaluées individuellement via des modèles spécifiques, ainsi que des améliorations propulsives et aéro-structurelles. Les caractéristiques de l'architecture complète sont alors analysées, notamment concernant ses impacts environnementaux à partir d'un module d'analyse de cycle de vie développé pour FAST-OAD.Dans une dernière partie, l'outil CAST développé dans cette thèse est présenté. Il permet de simuler et d'évaluer des scénarios prospectifs pour le transport aérien. Des modèles sont détaillés pour les différents leviers d’action permettant de réduire l'impact environnemental du transport aérien. Une attention particulière est portée sur l’introduction d’architectures plus efficaces dans la flotte. Pour évaluer la durabilité des scénarios, des méthodologies spécifiques sont proposées pour les enjeux climatiques et énergétiques, en s'appuyant par exemple sur la notion de budget carbone. Plusieurs applications montrent alors le bénéfice des nouvelles technologies mais aussi le besoin d’un arbitrage entre le niveau de trafic aérien et la part du budget carbone mondial allouée au secteur aérien.

L’influence de la rugosité de surface sur la transition laminaire/turbulente d’une couche limite 2D incompressible est examinée de manière expérimentale en soufflerie. En particulier, l’effet de la rugosité sur la réceptivité, et surtout l’amplification des ondes de Tollmien-Schlichting (ondes T-S) est analysée. Une expérience dont la rugosité de surface peut être partiellement changée est conçue est usinant une plaque plane pour que trois inserts rectangulaires amovibles y soient placés. Ces inserts sont soit lisses (usinés en métal) soit rugueux, fabriqués par une imprimante 3D à stéréolithographie. La plupart des résultats sont obtenus par l’anémométrie à fil chaud.Si les premiers résultats ont permis de mettre en lumière un potentiel effet de la rugosité de surface sur la réceptivité des ondes de Tollmien-Schlichting, l’essentiel de ce manuscrit est consacré à l’étude de la suramplification de ces instabilités en présence de rugosité de surface. L’accent est dans un premier temps mis sur l’étude des phénomènes par lesquels la rugosité de surface suramplifie les ondes T-S. Aucune déformation du profil moyen n’est constatée mis à part une légère inflexion à proximité immédiate de la rugosité, mais les études effectuées montrent la limite de l’anémométrie à fil chaud pour les études dans les régions aussi proches de la paroi. La possibilité que la rugosité de surface génère des stries est étudiée et confirmée, mais dans certains cas seulement. Cette génération de stries semble en effet n'avoir lieu que lorsque la rugosité de surface possède les longueurs d’ondes adaptées, au sens de la théorie des perturbations optimales, pour déclencher ce type d’instabilités.L’avancée de la position de transition est ensuite étudiée de manière quantitative en fonction des paramètres de hauteur moyenne, de position et de longueur de la zone rugueuse. Des positions de transition obtenues dans les cas avec rugosité sont déduits des $Delta N$, représentant un surcroît d'amplification des ondes T-S. Pour une longueur de rugosité donnée, la hauteur moyenne adimensionnée par l’épaisseur de déplacement ($R_a/delta_1)$ semble être un paramètre majeur et l'évolution $Delta N$ induit par la rugosité en fonction de ce paramètre est proche d'une loi linéaire. Aucune influence de la position le long de la plaque plane n’est observée tant que la réceptivité n’est pas modifiée. La longueur de la zone rugueuse se révèle également être un paramètre fondamental, et donner lieu là encore à une évolution proche d'une loi linéaire de $Delta N$.Basées sur ces résultats expérimentaux, deux modélisations, dites par $Delta N$ et $Delta N$ réparti inspirées des modèles en $Delta N$ utilisés dans le cadre des rugosités 2D localisées ont été mises au point pour calculer le Delta N induit par une surface rugueuse. La première est une approche globale quand la seconde propose une formulation locale.

Le refroidissement par impact constitue une des méthodes les plus efficaces pour extraire de la chaleur d'un matériau. C'est pourquoi l'utilisation de jets impactant une surface est largement répandue dans les systèmes industriels, que ce soit dans les domaines des transports, en électronique ou bien pour la fabrication de certains matériaux. Une bonne modélisation de la turbulence et des échanges de chaleur par impact de jet est donc nécessaire afin de dimensionner au mieux les systèmes. À ce titre, la modélisation au second ordre de la turbulence (RSM) est privilégiée dans cette étude car elle permet de capter la physique complexe de la région d'impact contrairement aux modèles au premier ordre. Toutefois, les mécanismes à l'origine de l'évolution des tensions de Reynolds dans cette zone restent mal connus et les prévisions aérothermiques surestiment largement le niveau de turbulence et les échanges de chaleur pariétaux. Cette thèse vise à contribuer à l'amélioration de cette prévision. Pour cela, une simulation des grandes échelles de la turbulence est réalisée afin de mettre en lumière les termes dominant le bilan des équations de transport des tensions de Reynolds dans la région d'impact. Il est ainsi montré que le terme de diffusion par la pression est responsable des flux d'énergie cinétique turbulente, en particulier loin de la paroi. Ce résultat nouveau remet notamment en cause les hypothèses classiques de la modélisation des flux diffusifs. Un équilibre entre les termes de pression (redistribution, diffusion par la pression), la convection et la production est également mis en évidence. Une correction simple imposant cet équilibre est alors proposée pour les modèles au second ordre à pondération elliptique. D'autre part, une modélisation de la diffusion par la pression est aussi proposée. Celle-ci est associée à une modification de la redistribution pariétale afin d'absorber le flux d'énergie qui en découle. La prise en compte du terme de diffusion par la pression permet de reproduire plus fidèlement les mécanismes physiques de la région d'impact, et ainsi d'améliorer de manière significative les prévisions aérothermiques.

Dans un contexte de changement climatique, le secteur de l’aéronautique doit réduire ses émissions de CO2. Le gain technologique est l’un des leviers sur lequel peut jouer le secteur pour maitriser ses émissions. Les motoristes ont fortement été impactés par ces contraintes et doivent faire face à des défis importants. Pour remplir ces objectifs, une des pistes potentielles d’amélioration se situe en sommet de roue mobile de la turbine basse pression des turbofans double corps/doubles flux actuels. En effet, il est possible d’ajouter une pièce mécanique en tête de pale de rotor, appelée talon, afin de supprimer l’écoulement de jeu, générateur de pertes, qui prend naissance dans le jeu radial d’une configuration classique de pale. Cela a des conséquences bénéfiques sur le rendement des étages de turbines basse pression, mais ces aménagements entraînent l’apparition de nouveaux phénomènes physiques, eux aussi générateurs de pertes, dont il faut améliorer la compréhension. On retrouve dans la littérature deux principaux phénomènes générateurs de pertes associés à ces géométries. Le premier entraine des pertes de charge lorsque le fluide traverse le talon. Cette physique se déroule en dehors de la veine et n’est donc pas au cœur de l’étude menée au cours de cette thèse. Le second est l’interaction entre le débit dans la veine et celui sortant du talon. Les deux fluides ont des propriétés de vitesse différentes et cela engendre des pertes de mélange. Ce mécanisme est important car il modifie également les conditions d’alimentation des aubages en aval. On retrouve aussi, en marge mais bien présent, des interactions entre le fluide présent dans la veine et celui dans les cavités de la géométrie de talon.Ces conclusions sont principalement issues d’une analyse stationnaire du problème à l’aide de bancs d’essais ou de simulations numériques. Aussi, on ne retrouve que des études pour des points de fonctionnement adaptés. Cette thèse a pour objectifs d’apporter une analyse instationnaire de ces écoulements et d’observer le comportement de ces géométries à des conditions hors-adaptation qui sont susceptibles de modifier les différents mécanismes. Pour cela, deux configurations de turbine basse pression avec pales talonnées, de complexité différentes, ont été utilisées. Des calculs stationnaires et instationnaires ont été réalisés afin de comparer ces deux méthodes. De plus, les géométries réelles ont été comparées à des cas idéaux où le jeu en tête de pale de rotor est considéré comme nul. Cela permet d’isoler l’influence de l’effet technologique sur l’écoulement principal. Ces simulations numériques ont été réalisées à l’aide du code de calcul elsA développé par l’ONERA.Les résultats de ces simulations ont permis de retrouver certaines conclusions de la littérature comme le fait que pour une configuration mono-étage les prédictions de performance faite par un calcul stationnaire sont très proches de celles faites par un calcul instationnaire. Ce n’est plus forcément le cas pour une configuration multi-étage ou bien à des conditions de fonctionnement hors-adaptation comme observé au cours de ces travaux. D’autres résultats sont nouveaux pour la littérature associée à cette problématique. Notamment la mise en évidence d’instabilité dans les cavités du talon. Ces dernières étaient plus ou moins attendues car les géométries rencontrées sont semblables à celles des configurations de cavités de purge dans lesquelles des instabilités peuvent prendre naissance.

Le givrage est un des phénomènes atmosphériques les plus sévères pour les aéronefs et les moteurs. Les évolutions récentes des exigences réglementaires ont étendu le domaine atmosphérique aux cristaux de glace. Pour ces conditions les moteurs d’avion doivent démontrer un fonctionnement robuste en vol. Contrairement aux gouttes en surfusion rencontrées en givrage standard, l’accrétion des cristaux de glace se produit jusqu’à très haute altitude et à température positive à l’intérieur du moteur. Les mécanismes associés sont complexes car ils font intervenir des couplages forts entre les cristaux et les champs aérodynamiques dans l’écoulement ainsi qu’à la paroi. L'objectif de cette thèse est de développer et valider des moyens de simulation et d’analyse permettant de prédire les accrétions générées par l’ingestion en vol de ces cristaux. Il s’agira notamment de développer les modèles pour la croissance de glace en 3D en étendant les modèles d’impact aux parois chaudes, en implémentant un modèle d’accrétion dans un code de film d’eau en paroi, et en tenant compte des effets d’érosion et de détachement. Dans un second temps, ces développements seront implémentés dans la chaine de givrage de l’ONERA. Les améliorations seront validées sur des bases d’essais académiques et moteurs en atmosphère de cristaux de glace

Afin d’atteindre les objectifs ambitieux fixés par l’ACARE pour 2050, les industriels de l’aéronautique songent à des technologies en rupture de celles actuelles. La modification du cycle thermodynamique de la turbine à gaz est une des solutions envisagées. En vue d’augmenter sensiblement le rendement thermique théorique d’une turbine à gaz, la traditionnelle combustion isobare (cycle de Joule-Brayton) peut être remplacée par une combustion effectuée de façon isochore (cycle de Humphrey). La difficulté majeure de cette technologie est de passer d’éléments alimentés par un flux continu à un flux pulsé. Dans une telle configuration,la turbine est sujette à une forte instationnarité de ces conditions d’entrée. Ainsi, le bénéfice théorique des systèmes isochores ne peut être envisagé que si les performances de la turbine,sous ces conditions d’alimentation si particulières, sont maîtrisées. Les écoulements pulsés dans les turbines sont étudiés depuis de nombreuses années dans le domaine automobile sur des géométries radiales. Cependant, l’influence de ces écoulements sur les performances d’une turbine reste toujours très difficile à appréhender en raison de la complexité de la physique de l’écoulement et des géométries. Un approfondissement de la connaissance de ces phénomènes physiques impose de revenir à des situations académiques sur lesquelles la compréhension de l’écoulement est plus aisée. C’est dans cette problématique que s’inscrivent les travaux de thèse qui visent à clarifier, grâce à la simulation numérique, le comportement d’une turbine soumise à de fortes variations de ces conditions d’entrée.L’approche proposée dans ce manuscrit s’articule alors autour de trois parties. La première partie débute par la caractérisation des phénomènes physiques, en absence de viscosité, lors de régimes transitoires violents au sein de géométrie de complexité croissante qui tendent à s’approcher d’une cascade d’aube linéaire. Cette inspection est suivie par l’investigation du comportement transitoire d’une grille d’aube simplifiée grâce à des simulations fluide parfait.L’analyse instationnaire des efforts aérodynamiques ainsi que celle du flux d’énergie permet d’entrevoir les bénéfices des échanges de puissance instationnaires dans un rotor. La seconde partie cherche à préciser l’influence des effets de viscosité et des couches limites lors d’un régime transitoire. Des simulations aux grandes échelles de propagations d’ondes dans un canal plan sont réalisées afin de détailler l’interaction d’un front d’onde instationnaire et d’une couche limite. Deux configurations sont examinées, l’accélération d’une couche limite transitionnelle par la propagation d’une onde de choc et la décélération de cette couche limite par le biais d’une onde de détente. Enfin, des simulations aux grandes échelles de régimes transitoires dans une grille d’aube sont présentées et comparées avec des simulations fluide parfait équivalentes.L’effet des décollements et recollements intermittents de la couche limite sur la prédiction de l’effort aérodynamique est ainsi spécifié. Finalement, des recommandations préliminaires de conception d’une turbine alimentée par un écoulement pulsé sont données dans la dernière partie du manuscrit grâce à l’exécution de plans d’expériences.

Les travaux menés durant cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement d'instruments de métrologie pour la mécanique des fluides, notamment dans le domaine de la visualisation des écoulements.La BOS3D (pour Background Oriented Schlieren 3D) est une technique capable de fournir des champs 3D instantanés de densité ou de température. Développée à l'ONERA au cours des thèses de V. Todoroff et F. Nicolas, cette technique se base sur l’exploitation de la déviation des rayons lumineux à travers un milieu d'indice optique non homogène.Elle consiste ainsi comparer l’image d’un motif texturé placé derrière un écoulement avec l’image de ce même motif en absence d’écoulement. Les variations de l'indice optique au sein de ce dernier dues aux fluctuations de masse volumique (induites par des variations de température et/ou de pression) courbent le trajet des rayons lumineux. Un déplacement apparent de la texture de l'arrière-plan est observé et calculé par des techniques de corrélation d'images numériques telles que celles couramment utilisées en PIV. En faisant une acquisition simultanée suivant différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé en résolvant un problème inverse régularisé.Afin de poursuivre le développement de cette technique, nous avons étudié différentes solutions techniques permettant l’amélioration de la résolution spatiale sans dégrader la sensibilité de la mesure. Parmi les solutions étudiées figurent les fonds rétroréfléchissants, les objectifs télécentriques et l'utilisation du speckle pour la génération des fonds texturés utilisés en BOS.Une première campagne expérimentale sur un jet supersonique sous-étendu a, dans un premier temps, validée les améliorations apportées par les solutions proposées sur la résolution spatiale. D’autre part, l’application de la technique BOS3D sur ce type d’écoulement, nous a permis de détailler une partie de la dynamique du phénomène aéroacoustique de screech qui lui est associé. Ainsi, grâce à des acquisitions BOS3D couplées à des mesures acoustiques, nous avons reconstitués la dynamique de deux modes caractéristiques.Une deuxième campagne effectuée dans la soufflerie F2 de l'ONERA, avait pour objet l’étude d’un jet chaud débouchant dans un écoulement transverse. L’utilisation de la méthode BOS3D dans ce cadre a montré les limites actuelles de la technique pour le traitement d’écoulements complexes en soufflerie, comme par exemple les contraintes imposées sur la disposition des caméras. Néanmoins, à partir de l’étude de la reconstruction tomographique sur une simulation numérique de l’écoulement, nous discutons de différentes voies d’amélioration permettant à l’avenir l’utilisation pratique de la technique BOS3D en soufflerie.

La méthode des paraboles, contrairement aux critères de transition classiques, permet une analyse fine du phénomène de transition. Elle repose sur l'utilisation d'une base de données,résultant d'études de stabilité de profils de couches limites génériques et constitue une méthode robuste et précise pour déterminer la position de la transition. A l'heure actuelle, elle est limitée au cas d'écoulements non décollés sur parois adiabatiques. La thèse visera donc à étendre cette méthode aux cas réalistes de parois chauffées. Cette extension consistera, dans le cas des parois chauffées par exemple, à étendre la base de donnée en réalisant des études de stabilité de profils de couche limite se développant sur parois chaudes et de modéliser ensuite les taux d'amplification des instabilités en introduisant un (des) nouveau(x) paramètre(s) comme par exemple le rapport de températures (Tp/Tf). Dans un second temps, cette extension sera introduite dans le solver RANS du logiciel elsA. La validation et la mise en œuvre de ce nouveau modèle s'effectuera sur des cas représentatifs, à savoir une aile laminaire 2D puis 3D soumise dans la région du bord d'attaque à un chauffage de paroi représentatif d'un système de dégivrage

Dans le contexte de la propulsion aéronautique hybride/électrique, le coût de masse lié aux moteurs [Anderson et al. 2018] impose la distribution de la propulsion sur de multiples modules propulsifs. Ces modules présentent des rotors faiblement chargés, tournant à haute vitesse, et de diamètre assez faible pour assurer un régime subsonique sur les pales. La bibliographie présentée dans cette thèse démontre que l’ajout d’une carène permettrait d’atteindre le double objectif de compacité et de diminution de la charge des rotors. La carène peut en effet servir à diminuer la charge du rotor sans augmenter le diamètre du système, à l’aide d’une géométrie spécifique appelée tuyère de Kort (convergente en entrée et divergente en sortie) [Black et al. 1968]. Les modèles simplifiés habituels de rotors carénés capturent mal le couplage aérodynamique fort entre les deux éléments (rotor et carène) [Sacks and Burnell 1959] et négligent donc l’apport de la carène aux performances du système [Pereira 2008]. Toutefois, il existe des modèles spécifiquement adaptés aux rotors carénés donnant des résultats assez précis pour le vol d’avance, avec ou sans incidence [Ohanian et al. 2012, Jardin et al. 2015]. Ces modèles restent descriptifs car contiennent des variables non fermées qui restent à déterminer à l’aide de simulations numériques. Une fermeture de ces variables est proposée dans cette thèse, afin de pouvoir utiliser ces modèles dans une approche de design. Un travail préliminaire sur la représentation des performances des rotors carénés est nécessaire afin de proposer la fermeture des modèles. En effet, le recours direct au diagramme de l’hélicier ne permet pas la mise en évidence des spécificités du rotor caréné telles la contribution de la carène aux performances du système et ses interactions avec le rotor. De manière plus générale, cela revient à remettre en question le positionnement du rotor caréné dans le continuum de classification des turbomachines [Japikse and Baines 1997], qui se situe entre les machines à écoulement interne et externe. Les rotors carénés doivent être considérés comme une famille de turbomachine à part entière telles les machines à écoulement interne et externe [Dixon and Hall 2014, Rebu_et 1969]. Une proposition sur ce dernier point est présentée dans ce manuscrit, ainsi que dans le papier Turbo Expo 2019.Une méthodologie de design des rotors carénés est développée dans cette thèse. Cette approche de design nécessite l’utilisation de divers outils numériques dans lesquels des développements spécifiques ont été implémentés : le solver d’écoulement potentiel DFDC [Drela and Youngren 2005] est associé à la suite de logiciel FINE/Turbo10.2TMde Numeca pour la simulation des effets de viscosité. A partir de cela, un banc d’essai a été entièrement développé (design, conception, fabrication, montage, instrumentation). L’instrumentation embarquée a permis la caractérisation du rotor caréné dans le nouveau champ caractéristique proposé, à travers les différentes campagnes d’essai menées (performance, écoulement interne via sonde 5-trous, écoulement externe via PIV).Les résultats numériques et expérimentaux permettent une large exploration de l’espace des paramètres du problème. Cette exploration démontre la pertinence du formalisme proposé qui permet l’analyse des contributions isolées du rotor et de la carène aux performances du système, et permet ainsi l’amélioration des modèles derotors carénés. Enfin, un traitement analytique du nouveau champ caractéristique proposé permet de prédire l’évolution des performances du système avec la variation de l’angle de calage des pales du rotor. Cette approche est par la suite généralisée aux différents types de turbomachines axiales (cf. papier ISAIF 13).

L’objectif de cette thèse est d’analyser le potentiel de croissance transitoire des perturbationsbidimensionnelles et tridimensionnelles dans les jets ronds inhomogènes, depuis leurphase initiale quasi-parallèle jusqu’à l’enroulement non linéaire induit par l’instabilitéprimaire axisymétrique de Kelvin–Helmholtz (KH). Une analyse linéaire de stabiliténon-modale est effectuée sur la base d’une approche directe-adjointe afin d’identifierles mécanismes physiques de croissance aux temps courts et l’émergence d’instabilitéssecondaires. La recherche de perturbations optimales par adoption d’une approchenon-modale est justifiée par la non-normalité de l’opérateur linéaire de Navier–Stokeset le caractère instationnaire de l’écoulement de base. La première partie concerne lesperturbations optimales qui se développent sur des jets ronds homogènes. Nous examinonsl’influence du nombre d’onde azimutal m, de l’intervalle d’optimisation, du nombre deReynolds Re et du rapport d’aspect du profil de vitesse initial. La deuxième partieest consacrée à l’analyse de stabilité non-modale pour les jets ronds à masse volumiquevariable, avec une attention particulière à l’influence du nombre d’Atwood At sur lesinstabilités secondaires qui peuvent déclencher les "jets latéraux".