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International audience; The onset of pitch-oscillations of a NACA0012 airfoil mounted on a torsion-spring is investigated by the means of a global stability analysis. Experimental studies from literature have shown this configuration undergoing on a flutter behaviour for a close range of Reynolds. This phenomenon is attributed to the laminar character of the boundary layer and to its detachment, transition and subsequent reattachment on the airfoil surface. In this regard, we carried out a linear stability analysis of the mean flow field, issued from a RANS simulation, using a Spalart-Allmaras model. A careful choice of the inlet conditions revealed to be necessary to capture a laminar separation and, as the incidence increases, a laminar separation bubble (LSB).; L'apparition d'oscillations en tangage d'un profil aérodynamique NACA0012 monté sur un ressort en torsion est étudié à l'aide d'une analyse de stabilité globale. Des études expérimentales issues de la littérature ont montré que cette configuration subissait un comportement de flottement pour une plage de Reynolds entre 45 000 et 130 000. Ce phénomène est attribué au caractère laminaire de la couche limite et à son détachement, sa transition et son rattachement ultérieur sur la surface de l'aile. Nous avons réalisé une analyse de stabilité linéaire de champ moyen, issue d'une simulation RANS, en utilisant un modèle de turbulence Spalart—Allmaras. Le choix des conditions d'entrée s'est révélé important pour capturer une séparation laminaire et, lorsque l'incidence augmente, une bulle de séparation laminaire (LSB).

Shock wave-boundary layer interactions in over-expanded rocket nozzles are responsible for large detached regions resulting in non-axisymetric forces called side-loads. The mechanism at stake is self-sustained and involves separation, shear layers and Mach disks. In such cases, an hybrid approach for turbulence is required. This thesis aims at investigating the potentially globally unstable nature of this unsteadiness by means of a Delayed Detached Eddy Simulations (DDES) on an over-expanded nozzle and comparing it with a fully-3D linear stability analysis. The geometry considered is a TIC nozzle, experiencing a FSS unsteadiness and operating at 3 different jet Mach number M_j=[1.83, 2.09, 2.27]. Nonlinear calculations confirm the experimental outcomes: energy in PSD spectra for wall perturbations is distributed over 2 peaks at intermediate frequency (St=0.2-0.3) and two humps at low-frequency $left(St

Shock wave-boundary layer interactions in over-expanded rocket nozzles are responsible for large detached regions resulting in non-axisymetric forces called side-loads. The mechanism at stake is self-sustained and involves separation, shear layers and Mach disks. In such cases, an hybrid approach for turbulence is required. This thesis aims at investigating the potentially globally unstable nature of this unsteadiness by means of a Delayed Detached Eddy Simulations (DDES) on an over-expanded nozzle and comparing it with a fully-3D linear stability analysis. The geometry considered is a TIC nozzle, experiencing a FSS unsteadiness and operating at 3 different jet Mach number M_j=[1.83, 2.09, 2.27]. Nonlinear calculations confirm the experimental outcomes: energy in PSD spectra for wall perturbations is distributed over 2 peaks at intermediate frequency (St=0.2-0.3) and two humps at low-frequency $left(St

The flight envelope of civil aircraft is bounded by several aerodynamic phenomena, of which the stall and the transonic buffet. Stall is defined as a loss of lift caused by flow separation, while the transonic buffet is an unsteady phenomenon resulting from the interaction between a shock wave and a separated boundary layer. In both cases, three-dimensional features named respectively stall cells and buffet cells are observed experimentally and numerically. In buffet condition they are linked to a higher frequency in 3D than in 2D.This thesis aims to improve the knowledge of these phenomena. First, Unsteady Reynolds Navier-Stokes simulations and Zonal Detached Eddy Simulations are used to characterize the three-dimensional stall and buffet over infinite swept wings. These analyses show the occurrence of cellular patterns which are stationary for unswept wings and convected when the wing is swept. Then, global stability analyses are used to study the transition between a two-dimensional flow and the three-dimensional condition with cells. These analyses exhibit a similar unstable mode between the two flow regimes, thus explaining the occurrence of the cells. At last, a low order model relying on a lifting surface model is used to explain the stall cells. This model exhibits an instability which causes the flow to become three-dimensional when the lift slopes are negative. Together these results lead to think that the buffet cells are caused by an instability akin to the stall cell one and to question the usual interpretation of the 3D buffet.; L’enveloppe de vol des aéronefs civils est limitée par plusieurs phénomènes aérodynamiques. Parmi ceux-ci figurent le décrochage et le tremblement transsonique. Le décrochage est une perte de portance causée par la séparation de l’écoulement à forte incidence, alors que le tremblement est une instationnarité de l’interaction entre une onde de choc et la couche limite séparée. Dans ces deux conditions, des effets tridimensionnels appelés respectivement cellules de décrochage et cellules de tremblement sont observés. En condition transsonique, ces dernières sont associées à des fréquences de tremblement plus élevées en3D qu’en 2D. Le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension de ces phénomènes. Des simulations des équations Reynolds-Averaged Navier-Stokes et des Zonal Detached Eddy Simulations sont utilisées pour caractériser ces phénomènes sur des ailes en flèche infinie. Ces analyses montrent des cellules statiques pour les ailes sans flèche, et leur convection lorsque l’aile est en flèche. Par la suite, des analyses de la stabilité globale sont utilisées pour étudier la transition entre l’état 2D et 3D. Un mode instable similaire est observé entre les deux régimes d’écoulement, expliquant ainsi la présence de ces cellules. Finalement, un modèle basse-fidélité basé sur la théorie des surfaces portantes est utilisé. Ce dernier prédit les cellules de décrochage lorsque la pente du coefficient de portance est négative. Ces résultats indiquent que les cellules de tremblement sont causées par une instabilité analogue à celle causant les cellules de décrochage. On peut ainsi remettre en question l’interprétation classique du tremblement 3D.

The transonic buffet is a complex aerodynamic instability which appears on wings and aerofoils in high subsonic regime for certain values of Mach number and angle of attack. The aim of the present study is to improve the understanding of the flow physics behind the instability and, in particular, to explain the evolution of the transonic buffet phenomenon from two-dimensional aerofoils to three-dimensional swept wings.First the work by Crouch et al. (2007, 2009) has been reproduced. Then, the two-dimensional transonic buffet is analysed to highlight the zones of the flow necessary for the persistence of the instability. The study has been conducted numerically through the coupling between two techniques based on different approaches: linear stability analysis and numerical simulations. The two different approaches give the same results: the shock foot is identified as the core of the instability, the shock and the detached boundary layer are also necessary zones. In order to outline the differences between two-dimensional and three-dimensional buffet, the analysis and comparison of four different experimental databases of three-dimensional wings is performed. The experimental analysis identifies the characteristic values of the buffet phenomenon such as Strouhal numbers, convection velocities, buffet onset etc. Three-dimensional buffet exhibits different characteristics in comparison with the two-dimensional one: higher Strouhal number, bump instead of peak in the power spectral density, lower shock amplitude oscillation and three-dimensional patterns in the detached boundary layer which are convected outboard. These differences suggest different physical mechanisms.Finally a three-dimensional global stability analysis of a wing is performed. The two and three-dimensional buffet phenomena appear as two different unstable modes in the spectrum. The phenomenon called in the literature three-dimensional transonic buffet corresponds to a "detached boundary" cells convection phenomenon with a zero-frequency unstable global mode, which becomes unsteady with the addition of sweep.; Le tremblement transsonique est une instabilité aérodynamique complexe qui apparaît sur les ailes et les profils en régime haut-subsonique pour certaines valeurs du nombre de Mach et de l’angle d’attaque. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de la physique de ce phénomène et, en particulier, d'expliquer l'évolution de ces caractéristiques (fréquence, amplitude d’oscillation) des profils bidimensionnels aux ailes tridimensionnelles en flèche. L’étude commence par la reproduction du travail de Crouch et al. (2007, 2009). Ensuite, le tremblement transsonique bidimensionnel est analysé pour mettre en évidence les zones de l’écoulement nécessaires à l’existence de l’instabilité. Cette étude a été menée numériquement en couplant deux techniques basées sur des approches différentes : l’analyse de stabilité linéaire et la simulation numérique. Ces deux approches aboutissent aux mêmes résultats : le pied du choc est identifié comme le cœur de l'instabilité, le choc et la couche limite détachée sont également des zones nécessaires à l’existence de l’instabilité. Afin de souligner les différences entre le tremblement bidimensionnel et tridimensionnel, une analyse de quatre bases des données expérimentales d’ailes tridimensionnelles est accomplie. L'analyse expérimentale identifie les valeurs caractéristiques du phénomène, telles que les nombres de Strouhal, les vitesses de convection, le seuil d’apparition du tremblement etc. Le tremblement tridimensionnel possède des caractéristiques différentes du tremblement bidimensionnel : nombre de Strouhal supérieur, bosses au lieu de pics sur la densité de puissance spectrale, amplitude d’oscillation du choc plus faible et motifs tridimensionnels dans la couche limite détachée qui sont convectés en envergure. Ces différences suggèrent des mécanismes physiques distincts. Enfin, une analyse de la stabilité globale en trois dimensions d'une aile est effectuée. Le tremblement bi et tridimensionnel apparai comme deux modes instables différents dans le spectre. Le phénomène appelé dans la littérature tremblement transsonique tridimensionnel correspond en fait à un phénomène de convection de cellules de "couche limite détachée" avec un mode global instable à fréquence nulle devenant instationnaire avec l’augmentation de l’angle de flèche.

The transonic buffet is a complex aerodynamic instability which appears on wings and aerofoils in high subsonic regime for certain values of Mach number and angle of attack. The aim of the present study is to improve the understanding of the flow physics behind the instability and, in particular, to explain the evolution of the transonic buffet phenomenon from two-dimensional aerofoils to three-dimensional swept wings.First the work by Crouch et al. (2007, 2009) has been reproduced. Then, the two-dimensional transonic buffet is analysed to highlight the zones of the flow necessary for the persistence of the instability. The study has been conducted numerically through the coupling between two techniques based on different approaches: linear stability analysis and numerical simulations. The two different approaches give the same results: the shock foot is identified as the core of the instability, the shock and the detached boundary layer are also necessary zones. In order to outline the differences between two-dimensional and three-dimensional buffet, the analysis and comparison of four different experimental databases of three-dimensional wings is performed. The experimental analysis identifies the characteristic values of the buffet phenomenon such as Strouhal numbers, convection velocities, buffet onset etc. Three-dimensional buffet exhibits different characteristics in comparison with the two-dimensional one: higher Strouhal number, bump instead of peak in the power spectral density, lower shock amplitude oscillation and three-dimensional patterns in the detached boundary layer which are convected outboard. These differences suggest different physical mechanisms.Finally a three-dimensional global stability analysis of a wing is performed. The two and three-dimensional buffet phenomena appear as two different unstable modes in the spectrum. The phenomenon called in the literature three-dimensional transonic buffet corresponds to a "detached boundary" cells convection phenomenon with a zero-frequency unstable global mode, which becomes unsteady with the addition of sweep.; Le tremblement transsonique est une instabilité aérodynamique complexe qui apparaît sur les ailes et les profils en régime haut-subsonique pour certaines valeurs du nombre de Mach et de l’angle d’attaque. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension de la physique de ce phénomène et, en particulier, d'expliquer l'évolution de ces caractéristiques (fréquence, amplitude d’oscillation) des profils bidimensionnels aux ailes tridimensionnelles en flèche. L’étude commence par la reproduction du travail de Crouch et al. (2007, 2009). Ensuite, le tremblement transsonique bidimensionnel est analysé pour mettre en évidence les zones de l’écoulement nécessaires à l’existence de l’instabilité. Cette étude a été menée numériquement en couplant deux techniques basées sur des approches différentes : l’analyse de stabilité linéaire et la simulation numérique. Ces deux approches aboutissent aux mêmes résultats : le pied du choc est identifié comme le cœur de l'instabilité, le choc et la couche limite détachée sont également des zones nécessaires à l’existence de l’instabilité. Afin de souligner les différences entre le tremblement bidimensionnel et tridimensionnel, une analyse de quatre bases des données expérimentales d’ailes tridimensionnelles est accomplie. L'analyse expérimentale identifie les valeurs caractéristiques du phénomène, telles que les nombres de Strouhal, les vitesses de convection, le seuil d’apparition du tremblement etc. Le tremblement tridimensionnel possède des caractéristiques différentes du tremblement bidimensionnel : nombre de Strouhal supérieur, bosses au lieu de pics sur la densité de puissance spectrale, amplitude d’oscillation du choc plus faible et motifs tridimensionnels dans la couche limite détachée qui sont convectés en envergure. Ces différences suggèrent des mécanismes physiques distincts. Enfin, une analyse de la stabilité globale en trois dimensions d'une aile est effectuée. Le tremblement bi et tridimensionnel apparai comme deux modes instables différents dans le spectre. Le phénomène appelé dans la littérature tremblement transsonique tridimensionnel correspond en fait à un phénomène de convection de cellules de "couche limite détachée" avec un mode global instable à fréquence nulle devenant instationnaire avec l’augmentation de l’angle de flèche.

Experiments on transonic flow over an airfoil have revealed a characteristic oscillatory motion of the transonic shock location. This shock buffeting causes oscillatory wing loads that are detrimental to both lift generation and material fatigue. The description of this low-frequency shock oscillation shall be the subject of this thesis where special emphasis shall be directed at explaining the physical mechanisms underlying this phenomenon as well as efficient means in manipulating it. Iterative techniques, applied to direct numerical simulations and resulting in global modes, are expected to shed light on the dominant features that cause shock buffeting. So this memory will include a variety of techniques ranging from global stability analysis to direct numerical simulations of transonic flow subjected shock buffeting. In particular, the approach of this thesis will take as a starting point the work carried out by the team of Crouch. In this context, the objective of this thesis is the development of a digital tool making it possible to study the global stability of transonic flow for unspecified geometries. In this work, we will implement in the software elsA of ONERA, to obtain the basic flow and the achievement of the extraction of the Jacobin matrix of the RANS equations linearized. The purpose of this objective is to prove that we are able to find the actors responsible for the phenomenon of buffeting that appears on the upper surface of a bi-dimensional wing., En configuration croisière d'un avion de transport civil, où les conditions de l'écoulement sont transsoniques, une augmentation de la vitesse ou de l'incidence, nécessaire par exemple lors d'un virage ou d'un changement d'altitude, peut générer des décollements sur l'extrados de l'aile par la recompression de l'écoulement ou par l'interaction onde de choc/couche limite plus forte. Ces décollements modifient la répartition de charge sur la voilure, donc la portance, et deviennent instables par les échappées tourbillonnaires dans le sillage lorsqu'ils sont étendus jusqu'au bord de fuite. Ces instabilités aérodynamiques, correspondent à la répartition spatiale et temporelle des décollements et de la position du choc. Elles modifient la charge de la voilure et par couplage excitent la structure sur ces modes propres, tremblement. Par conséquent, il apparaît intéressant d'approfondir l'étude des instabilités qu'on vient d'identifier à travers d'une nouvelle approche. De ce fait, ce mémoire s'orientera vers une analyse de stabilité linéaire globale d'un écoulement compressible turbulent soumis au phénomène de tremblement. En particulier, la démarche de cette thèse s'inspirera des travaux effectués par l'équipe de Crouch. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est le développement d'un outil numérique permettant d'étudier la stabilité globale d'un écoulement compressible turbulent pour des géométries quelconques. Ce travail est essentiellement numérique, il mettra en oeuvre l'implémentation du code dans le logiciel elsA de l'ONERA, pour calculer le champ de base et réaliser l'extraction explicite de la jacobienne des équations RANS linéarisées. Cet objectif, a pour but de prouver qu'on est capable de retrouver les acteurs responsables du phénomène de tremblement qui apparaît à l'extrados d'une voilure bidimensionnelle. En vue de l'étude de la stabilité de l'écoulement, l'implémentation des méthodes numériques ainsi que leurs validations au sein du logiciel elsA, ont été réalisé avec succès. Une fois ce résultat est acquis, on s'intéressera, en particulier, à déterminer le spectre des modes propres, grâce aux techniques spécifiques fournies par la théorie de stabilité.