[d2] Soutenance de thèse – Thomas Larrieu – Mardi 7 juin à 13h30

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’IFS pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. 

Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins. 

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Fluid-structure interactions (FSI) are nowadays highly studied phenomena because they are involved in a large number of applications. In the maritime and fluvial domains, energy recovery devices, shoreline protection systems or flood control systems are based on these FSI with artificial or natural structures. The work presented in this manuscript aims to evaluate the consequences of the presence of flexible structures on turbulent flow in different configurations. The flexible elements used are circular cylinders whose mechanical characteristics are inspired by the properties of aquatic plant structures. When these structures are placed in a flow, they undergo large deformations whose observable phenomena are characterized by the Fluid-Structure Interaction for which the major parameter is the Cauchy number. Three main studies compose this work, with first the fundamental case of an isolated structure in a flow, second the study of head losses caused by a bundle of structures and finally an application on a hydraulic device of a flexible structure canopy on the apron of a vertical slots fishway. Each of these studies was conducted experimentally and led to the creation of a numerical model on the one hand and on the other hand to the study of a 1D model based on the phenomena involved. 

The experiments carried out required the implementation of measurements of water heights by acoustic probes, of local three-dimensional velocities with ADV probe (Acoustic Doppler Velocimetry), of 2D velocity with two components by PIV method (Particle Image Velocimetry) and measurements of deformations of flexible structures by shadowgraphy. The 3D unsteady LES free surface numerical simulations with FSI by two ways coupling have been performed and validated from the experimental results. These simulation results complemented the experimental observations by providing additional information on the flow quantities and behaviours of the flexible structures. In general, for a flexible structure isolated in the flow, its dynamic behaviour (longitudinal and transverse displacements) and the flow velocities in its wake depend on the characteristics of the flow regimes and the stiffness of the structure. In particular, the frequencies of the vortex release in the wake of the structure have been studied. When these structures are implemented in bundles of different densities, their bending capacity reduces the flow resistance and thus the head losses compared to rigid structures. In the case where a canopy of flexible structures is implanted on the apron of a fishway, then the flow is modified with a reduction of velocities and turbulent kinetic energy in the canopy and an increase of the velocity above. The hydraulic behaviour is modified with a decrease in flow coefficients and very unsteady topologies in the pools. 


Soutenance de Thèse de Mlle Michelle NASSAR

Les dispositifs électriques, notamment embarqués, sont de plus en plus compacts et nécessitent toujours plus de puissance. Or, tous ces composants électriques produisent de la chaleur qu’il faut absolument évacuer pour maintenir un fonctionnement optimal. Dans cet objectif, l’équipe électrofluidodynamique de l’institut Pprime développe des systèmes électrohydrodynamiques (EHD) qui ont déjà montré de nombreux avantages pour les applications aussi bien spatiales que terrestres.

Pour fonctionner de façon optimale, les systèmes EHD utilisent des liquides diélectriques avec un impact écologique faible comme les Hydrofluoroethers (HFE) dont le comportement électrique est mal connu. L’objectif du travail réalisé dans cette thèse est de caractériser la variation des propriétés électriques des HFE 7000 et 7100 en fonction de la température. Plusieurs méthodes ont été employées pour analyser le comportement électrique en basse tension ; une première méthode conforme aux directives de la normes CEI 61620 puis une seconde basée sur la spectroscopie diélectrique. L’étude est ensuite élargie au comportement thermique sous haute tension. L’analyse des caractéristiques couranttension permet de mettre en évidence les trois zones typiques de comportement : ohmique, quasiohmique et d’injection et ainsi de définir les limites des régimes de conduction et d’injection.

Cette partie haute tension aborde également, dans le respect la norme CEI 60156, le problème de la rigidité diélectrique des deux HFE à différentes températures en phase gazeuse et en phase liquide.

Enfin, une étude préliminaire novatrice sur l’effet Kerr dans le HFE7100 est réalisée. Elle montre que cet effet électrooptique peut être utilisé pour l’étude du développement des couches chargées aux

interfaces HFE/électrodes. En conclusion, les résultats obtenus dans ce travail apportent une contribution à la compréhension du comportement électrique des HFE. Ceci est nécessaire pour améliorer et optimiser les performances des systèmes EHD fonctionnant avec ces liquides.

Soutenance de thèse – KUMAR Nishant

Abstract:

High-fidelity models used for solving Turbulent flows are intractable in applications where repeated realizations are required, such as for optimization or flow control. Model order reduction aims to construct low-dimensional reduced-order models (ROMs) to accurately approximate the underlying high-fidelity dynamics. The traditional Galerkin projection model reduction is intrusive since it requires the knowledge of the governing equations and/or to have access to the source code describing the physical model. Intrusive model reduction is therefore not suited for problems with no or limited knowledge of the physical system. In these cases, an alternative is offered by nonintrusive ROMs or pure data-driven modelling where reduced models are learnt from time-series data obtained from simulations or experiments. In this thesis, intrusive and nonintrusive data-driven approaches of reduced- order modelling are presented for the dynamical prediction of fluid flows.

 

For the intrusive approach, Proper Orthogonal Decomposition (POD) based ROM (POD-ROM) is considered. The POD method offers the advantage of preserving the nonlinear dynamics by projecting the governing equations onto low-dimensional optimal modes. First, sparse regression methods issued from statistical learning are used to identify the linear unknowns of the ROM. A bootstrap method is then proposed to quantify in a probabilistic framework the uncertainties associated with the regres- sion methods. Subsequently, the POD-ROM is augmented with a nonlinear eddy viscosity model that provides an interpretable physics-based closed-form representation of the flow dynamics. Finally, the closure term parameters are estimated with a Dual Ensemble Kalman filter approach (Dual EnKF) which integrates the model outputs and measurements while taking into account the respective uncer- tainties.

For the nonintrusive approach, regression models based on Neural Networks (NN-ROM) are con- sidered as an alternative to the POD-ROM. This method addresses the limitations of POD-ROM – the lack of an a priori guarantee of stability, and requirement of closure to account for the unresolved modes – at the cost of interpretability of the resulting surrogate model. The derived NN-ROM serves as a time-stepping method for the POD projection coefficients. A novel multistep, residual-based, parametrized neural network is proposed. This framework is augmented with Data Assimilation (DA) to provide accurate long-term dynamical predictions.

The proposed intrusive and nonintrusive approaches have been applied on a canonical dynamical system (Lorenz), on numerical data from low Reynolds number simulations of a cylinder wake flow and a low Mach number jet, and finally on experimental data of a wake flow.

Soutenance de Thèse de Anh VO TRAN, le Mercredi 23 juin 2021 à 16h30 dans la Salle de Communication

Behavior of scratched hydrodynamic journal bearings: A finite volume numerical analysis

Résumé
Les paliers lisses hydrodynamiques sont des éléments de machine importants utilisés pour supporter les machines tournantes à hautes vitesses telles que les turbines et les compresseurs, en raison
de leur durabilité et de leur capacité de charge élevée. Sous des conditions sévères de fonctionnement, ils peuvent s’endommager par une perte de matière qui peut prendre différentes formes, entraînant une
chute de la capacité de charge et donc une réduction significative de l’épaisseur du film d’huile. Les rayures sont un type majeur de dommage de surface dans les paliers ; elles peuvent apparaître aussi bien sur la surface du coussinet que sur la surface de l’arbre, induisant de fortes discontinuités géométriques.
Peu de travaux existent dans la littérature mais tous montrent que la présence de rayures a une forte influence sur les performances des paliers. Pour simuler plus précisément et étudier le comportement
des paliers lisses rayés, il est donc nécessaire de disposer d’un modèle précis. L’analyse théorique est basée sur la résolution simultanée des équations de Reynolds, d’énergie et de transfert de chaleur dans les solides et dans les fluides. Le modèle thermohydrodynamique développé au moyen de la méthode des volumes finis est écrit en langage FORTRAN. Afin de valider et de compléter la modélisation élaborée, les résultats de la simulation ont été comparés à des données expérimentales de la littérature. Les résultats ont montré de bons accords pour la pression, les profils de température et les paramètres de performance globale du palier. En outre, des études numériques ont également été réalisées pour une large gamme de configurations avec différents nombres de rayures (une, deux et plusieurs), des profondeurs de rayures, des positions de rayures et différents fonctionnements. Les résultats obtenus ont permis d’approfondir les connaissances sur le comportement des paliers lisses rayés.

Mots-clés : Endommagements de paliers, rayures, lubrification hydrodynamique, paliers, simulations thermohydrodynamiques.

Abstract
Hydrodynamic plain bearings are important machine components used to support high-speed rotating machinery such as turbines and compressors, due to their durability and high load carrying
capacity. Under severe operating conditions, they can be damaged by material loss that can take many forms, resulting in a drop in load capacity and thus a significant reduction in oil film thickness. Scratches are a major type of surface damage in bearings; they can appear on both the bearing surface and the shaft surface, inducing strong geometric discontinuities.
Few works exist in the literature but all show that the presence of scratches has a strong influence on the performance of bearings. In order to simulate more precisely and study the behavior of
scratched plain bearings, it is therefore necessary to have an accurate model. The theoretical analysis is based on the simultaneous resolution of Reynolds, energy and heat transfer equations in solids and fluids. The thermohydrodynamic model developed using the finite volume method is written in FORTRAN language. In order to validate and complete the developed model, the simulation results were compared
with experimental data from the literature. The results showed good agreement for pressure, temperature profiles and overall bearing performance parameters. In addition, numerical studies were also performed
for a wide range of configurations with different numbers of scratches (one, two and many), scratch depths, scratch positions and different operation. The results obtained have provided further insight into the behavior of scratched plain bearings.

Keywords: bearing damages, surface scratches, hydrodynamic lubrication, journal bearings, thermohydrodynamic simulations.