Progress is reported on the modelling, via RANS closures, of two swirling turbulent flows important in aeronautics: the trailing wing-tip vortex and the flow in rotor-stator cavities. For the former the decay of the vortex is only well captured at second-moment level while, for the latter, an unsteady flow computation brings out large-scale organized structures, with the number of structures varying with cavity aspect ratio and Reynolds number, a result qualitatively in accord with experiment.

Direct numerical simulation (DNS) is applied to investigate properties of katabatic and anabatic flows along thermally perturbed (in terms of surface buoyancy flux) sloping surfaces in the absence of rotation. Numerical experiments are conducted for homogeneous surface forcings over infinite planar slopes. The simulated flows are the turbulent analogs of the Prandtl (1942) one-dimensional laminar slope flow. The simulated flows achieve quasi-steady periodic regimes at large times, with turbulent fluctuations being modified by persistent low-frequency oscillatory motions with frequency equal to the product of the ambient buoyancy frequency and the sine of the slope angle. These oscillatory wave-type motions result from interactions between turbulence and ambient stable stratification despite the temporal constancy of the surface buoyant forcing. The structure of the mean-flow fields and turbulence statistics in simulated slope flows is analyzed. An integral dynamic similarity constraint for steady slope/wall flows forced by surface buoyancy flux is proposed and quantitatively verified against the DNS data.

In the case of dense and homogeneous canopies, it is well-known that canopy flows are similar to mixing layer flows (so-called mixing layer analogy). When the canopy becomes sparser, a transition between the mixing layer and the boundary layer perturbed by interactions between element wakes occurs. This transition has still to be fully understood and characterized. An experimental work has been developed in order to study this transition for various density canopies.

The instability of a fluid inside a precessing cylinder is studied theoretically and experimentally. This study is motivated by aeronautics and geophysics applications. Precessional motion forces hydrodynamics waves called Kelvin modes whose structure and amplitude are predicted by a linear inviscid theory. When a forced Kelvin mode is resonant, a viscous and weakly nonlinear theory has been developed to predict its saturated amplitude. We show that this amplitude scales as Re1/2 for low Reynolds numbers and as θ1/3 (where θ is the precessing angle) for high Reynolds numbers. These scalings are confirmed by PIV measurements. For Reynolds numbers sufficiently large, this forced flow becomes unstable. A linear stability analysis based on a triadic resonance between a forced Kelvin mode and two free modes has been carried out. The precessing angle for which the flow becomes unstable is predicted and compared successfully to experimental measurements. A weakly nonlinear theory was developed and allowed to show that the bifurcation of the instability of precession is subcritical. It also showed that, depending on the Reynolds number, the unstable flow can be steady or intermittent. Finally, this weakly nonlinear theory allowed to predict, with a good agreement with experiments, the mean flow in the cylinder; even if it is turbulent.

The present work considers the turbulent air flow inside an annular high speed rotor-stator cavity opened to the atmosphere at the periphery, where the pre-swirl ratio of the fluid is low. The interdisk spacing is sufficiently large so that the boundary layers developed on each disk are separated and the flow belongs to the regime IV of Daily and Nece (ASME J. Basic Eng. 82 (1960) 217–232). In such a system, the solid body rotation of the core predicted by Batchelor (J. Mech. Appl. Math. 4 (1951) 29–41) in case of infinite disks is not always observed: the flow behaviour in the whole interdisk spacing is governed by the level of the pre-swirl velocity of the fluid which is closely linked to the peripheral geometry (Debuchy et al., Int. J. Rotating Machinery, (2007)). In the first part of the paper, experimental results performed by hot-wire probes introduced through the stator including mean radial and tangential velocity components, as well as three turbulent correlations, are presented for several peripheral boundary conditions leading to the same value of the pre-swirl ratio. In the second part, comparisons between experiments, numerical and analytical results are provided. The numerical approach is based on the Reynolds Stress Modeling (RSM) developed by Elena and Schiestel (Int. J. Heat Fluid Flow 17 (1996) 283–289). A good agreement between the different approaches is obtained for the mean and turbulent fields and especially for the distribution of the core swirl ratio.

Cette étude traite des effets du vent latéral sur un modèle simplifié de voiture, appelé le modèle de Willy. Ce modèle sans arête sur la partie avant et avec un culot droit est plus adapté pour l'analyse des séparations instationnaires qui sont limitées au côté sous le vent et au culot. Les simulations sont réalisées à l'aide du code de calcul ISIS-CFD par une approche DES et les résultats sont comparés à des données expérimentales ainsi qu'à des résultats obtenus par une simulation RANSE. Les comparaisons portent sur la pression pariétale, la pression totale ainsi que sur les efforts et moment de lacet.

La technique de simulation des grandes échelles (SGE) est utilisée pour simuler l'écoulement dans un aspirateur de centrale hydraulique à différents points de fonctionnement. La complexité de la géométrie et le haut nombre de Reynolds de l'écoulement nécessitent l'utilisation de méthodes spécifiques. Ainsi, nous avons développé un traitement à la paroi tenant compte à la fois du frottement pariétal mais aussi du gradient de pression. La technique utilisée pour permettre de générer des conditions d'entrée instationnaires réalistes, à partir de données expérimentales, est également détaillée. Les différents régimes d'écoulements résultant de cette configuration sont alors présentés.

De nombreuses courbes de percée, obtenues en particulier en milieu poreux insaturé avec des traceurs passifs, décroissent comme des puissances du temps. Ce comportement est incompatible avec les lois de Fourier et Fick, par contre il correspond aux solutions d'une vaste classe d'équations aux dérivées partielles, incluant des opérateurs non-locaux en temps. De plus, ces équations représentent la limite macroscopique d'un grand nombre de modèles à petite échelle. Ce résultat, qui a été démontré à l'aide d'une méthode probabiliste dans le cas de paramètres uniformes et constants, est illustré par des simulations numériques dépassant ce cadre.

Although boiling process has been a major subject of research for several decades, its physics still remain unclear and require further investigation. This study aims at highlighting the effects of surface wettability on pool boiling heat transfer. Nanocoating techniques were used to vary the water contact angle from 20 to 110° by modifying nanoscale surface topography and chemistry. The experimental results obtained disagree with the predictions of the classical models. A new approach of nucleation mechanism is established to clarify the nexus between the surface wettability and the nucleate boiling heat transfer. In this approach, we introduce the concept of macro- and micro- contact angles to explain the observed phenomenon.

Cet article décrit la stratégie expérimentale développée afin d'améliorer la modélisation des écoulements diphasiques liquide-vapeur présents lors de la mise en froid de moteurs-fusée par des fluides cryogéniques en micro pesanteur. Une analyse de similitude est faite afin de déterminer les nombres adimensionnels pertinents pour le dimensionnement d'une expérience similaire à ces écoulements. Une analyse bibliographique sur les expériences menées en micro pesanteur, la température de remouillage et le flux lors de l'ébullition en film montre le manque de modèles adaptés à la micro gravité. Des résultats de "quenching" d'un tube de pyrex par du FC72 lors de vols paraboliques sont présentés, en particulier l'impact du niveau de gravité et du sous refroidissement sur la température de remouillage et le flux lors de l'ébullition en film. Les résultats montrent une baisse du transfert thermique en micro pesanteur et une augmentation de la température de remouillage.

We consider binary mixtures of fluids with components having different temperatures. A new dynamical pressure term is associated with the difference of temperatures between components even if bulk viscosities are null. The non-equilibrium dynamical pressure can be measured and may be convenient in several physical situations as for example in cosmological circumstances where a dynamical pressure played a major role in the evolution of the early universe.

Le travail présenté dans ce document s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche français de 3 ans dédié à l'utilisation de matériaux composites dans la construction navale. Dans ce projet, il est prévu d'utiliser le code CFD FDS-5 avec un modèle de pyrolyse pour tenir compte de la contribution de cloisons en matériau composite sur le développement du feu, dans le cadre de la simulation de scénarios incendies à bord d'un navire. Pour garantir la qualité de ces simulations, une méthode de validation progressive des modèles utilisés a été suivie. Cette méthode est basée sur une approche combinée expérience-simulation à échelle croissante. Pour illustrer la démarche, on présente ici les résultats d'une étude expérimentale du comportement au feu d'un échantillon de matériau composite, sur un banc d'essais à petite échelle, puis la simulation des essais correspondants.

La rhéologie sanguine est complexe et non-linéaire. Elle présente, dans les plus petits vaisseaux, des variations de viscosité effective importantes liées au confinement des globules rouges dans les capillaires et des dissymétries de répartition des globules rouges aux bifurcations. Ces deux effets, appelés effet Fåhræus-Lindquist et ségrégation de phase, conduisent à une modélisation non-linéaire du flux sanguin en réponse à une différence de pression imposée. Le calcul numérique complet de différents modèles non-linéaires de rhéologie sanguine, dans des géométries réelles tridimensionnelles de micro-réseaux vasculaires, permet d'exhiber certaines propriétés remarquables de ces écoulements et de ces modèles. D'une part, nous constatons que différents modèles conduisent à des répartitions de la pression sanguine très proches, pour une gamme d'hématocrite systémique imposée physiologique. D'autre part, différents modèles de ségrégation de phase conduisent à des répartitions d'hématocrite très différentes. Toutefois, la répartition de l'hématocrite n'affecte que très faiblement la répartition de la pression. Ce constat nous montre que c'est la micro-structure vasculaire qui impose la distribution de pression, alors que les variations de viscosité sanguine avec l'hématocrite impactent finalement faiblement sur cette distribution.

Sous compression cyclique, les mousses polymériques montrent une perte progressive de résistance lorsque le nombre de cycles augmente. Le recouvrement de résistance après une période de repos suggère que ce comportement puisse être décrit par un effet de mémoire à long terme. On propose un modèle viscoélastique fondé sur la coexistence d'une énergie élastique non convexe et d'une dissipation de type visqueux. Des essais expérimentaux montrent la bonne correspondance entre le modèle et le comportement observé.

L'objectif de cette étude est de faire dialoguer la simulation numérique et l'expérience pour étudier le comportement en traction d'un multicristal en alliage à mémoire de forme de type CuAlBe. Ce dialogue permet de comparer qualitativement les distributions de transformation martensitique, observée à travers un microscope à grande distance frontale, avec celle obtenue par simulation numérique en utilisant une loi de comportement thermomécanique. Cette loi est basée sur la description de la transformation martensitique à l'échelle du réseau cristallin, elle est implantée dans le code Abaqus®. Les conditions aux limites appliquées lors de la modélisation correspondent aux déplacements mesurés sur les sections frontières par une technique de corrélation d'images. Les propriétés géométriques et cristallographiques des différents grains du multicristal sont quantifiées expérimentalement. L'essai de traction est réalisé à température ambiante où l'alliage a un comportement superélastique. Une bonne corrélation entre les observations expérimentales et les résultats numériques est observée.

The transient dynamics of evacuated and fluid-filled circular elastic shells, submerged in an infinite fluid medium and subjected to an external weak shock wave, is considered in this paper. This circular shell/acoustic medium interaction problem has already been tackled with simplified thin shell models, based on the Love-Kirchhoff hypotheses for the structural dynamics. In this case, the resulting radiated pressure field displays some discrepancies related to the A0/S0 waves when compared to the experimental data available in the literature for the evacuated case. These drawbacks are overcome here by the use of an isotropic elastic model for the structural dynamics and an inviscid acoustic flow for the fluid dynamics, in a two-dimensional framework. The approach is based on the methods of Laplace transform in time, Fourier series expansions and separation of variables in space. For the fluid-filled case, the transient thick shell-weak shock wave interaction problem is explored and the radiated acoustic field described.

Ces travaux montrent la pertinence et l'utilité de la modélisation du cytosquelette des cellules par systèmes mécaniques précontraints. Ces recherches s'inscrivent dans le champ de la biomécanique cellulaire et tissulaire et deux applications sont proposées. On présente tout d'abord la recherche de forme d'une cellule isolée par modèles de tenségrité non réguliers, puis on propose une combinaison entre les modèles granulaires et l'analogie de tenségrité. L'extension prospective aux assemblages multicellulaires avec notion d'autocontrainte partagée, par modèles de grilles de tenségrité est ensuite présentée.

Nanocomposites with platelet reinforcements are emergent materials whose deformation mechanisms still need to be carefully investigated. In this study, we first present the studied class of nanocomposites (Polypropylene reinforced by Montmorillonite clay nanoplatelets). From uniaxial tensile tests, it is shown that some mechanical characteristics of the nanocomposite (Young's modulus, yield stress) significantly increase compared to the matrix even for very low volume fraction of reinforcements (maximum of 7% mass fraction for our tested specimen). The Ponte Castañeda and Willis [6] bound is adopted to account for the evolution of the elastic behavior of the material [7]. Adapting the Hill-type incremental method [13] allows the simulation of the non linear behaviour of the material. However, it is shown that this scheme requires careful choice of the aspect ratio, in the plastic domain, to provide good predictions of plasticity.

La caractérisation non destructive des structures en béton par propagation d'ondes ultrasonores permet d'accéder aux vitesses voire atténuations et spectres fréquentiels pour diagnostiquer une pathologie ou un état du matériau. La forte hétérogénéité du béton au regard des longueurs d'ondes conduit à des phénomènes de diffusion et de non linéarité acoustique. Les conséquences sur les paramètres ultrasonores sont analysées tant sur l'aspect propagation que rétrodiffusion.