https://hdl.handle.net/11264/2 Theses repository 2026-05-13T15:31:11Z https://hdl.handle.net/11264/2823 Title: AERODYNAMIC AND AEROELASTIC RESPONSES OF A NACA0012 WING IN STALL CONDITIONS TO EXTERNAL HARMONIC FLOW EXCITATION Authors: Xiaoyang, Zhang Abstract: This thesis investigates the aerodynamic and aeroelastic responses of an airfoil to harmonic gusts at transitional Reynolds numbers (Rec ≈ 105). Combining low-speed wind tunnel experiments with high-fidelity numerical simulations and reduced-order modeling, the study characterizes the interaction between unsteady flows and wing response across three distinct configurations. First, the aerodynamic response of a stationary wing to harmonic transverse gusts is examined, with a focus on gust-induced dynamic stall. In the pre-stall regime, the measured lift aligns with linear predictions from Küssner’s and Sears functions. However, around static stall, transverse gusts drive the wing into deep post-stall, inducing pronounced nonlinear effects including lift enhancement and hysteresis. By defining an effective angle of attack that incorporates the gust angle, the study demonstrates a strong analogy between gust-induced and classical pitch-induced dynamic stall, attributed to the alternating upwash and downwash inherent in the gust field. Concurrent numerical simulations provide flow structure evolution of the dynamic stall process, which aids in a deeper understanding of the phenomenon. Subsequently, the research extends to aeroelastic interactions, examining a one-degreeof- freedom (one-DOF) pitch oscillator undergoing stall flutter under transverse gust excitation. Two distinct response regimes are documented: quasi-periodic beating out of synchronization, and a finite 1:1 lock-in band in which the pitch frequency synchronizes with the gust. A forced van der Pol (F-VdP) oscillator is employed to model this behavior. The model successfully reproduces essential experimental features, including the synchronization window and the qualitative dependence on forcing and oscillation amplitude levels, consistent with the system behaving as a limit-cycle oscillator under external forcing. Finally, the study addresses the less-explored domain of harmonic longitudinal (streamwise) gusts. In contrast to the transverse case, the response to longitudinal gusts exhibits features of a parametric modulation mechanism: a 2:1 lock-in band and a distinct spectral peak of beating. The system is modeled using a minimal Mathieu-type van der Pol (MVdP) oscillator featuring stiffness modulation, whose numerical solutions are validated by experimental observations. The minimal model also predicts behavior beyond the experimental constraints, on a sound theoretical basis. Collectively, this work advances the understanding of underexplored gust-induced nonlinear aerodynamics and aeroelastic phenomena. It provides new physical insights into gust-airfoil coupling, which are relevant to the design of rotorcraft, unmanned aerial vehicles (UAVs), and wind-turbine blades operating in unsteady inflow conditions.; Cette thèse étudie les réponses aérodynamiques et aéroélastiques d’un profil d’aile soumis à des rafales harmoniques à des nombres de Reynolds de transition (Rec ≈ 105). En combinant des expériences en soufflerie à basse vitesse avec des simulations numériques de haute fidélité et une modélisation d’ordre réduit, l’étude caractérise l’interaction entre les écoulements instationnaires et la réponse de l’aile à travers trois configurations distinctes. Premièrement, la réponse aérodynamique d’une aile fixe à des rafales transversales harmoniques est examinée, avec un accent particulier sur le décrochage dynamique induit par la rafale. Dans le régime de pré-décrochage, la portance mesurée concorde avec les prédictions linéaires des fonctions de Küssner et de Sears. Cependant, au voisinage du décrochage statique, les rafales transversales entraînent l’aile dans un régime de décrochage profond, induisant des effets non linéaires marqués, notamment une augmentation de la portance et de l’hystérésis. En définissant un angle d’attaque effectif qui intègre l’angle de la rafale, l’étude démontre une forte analogie entre le décrochage dynamique induit par la rafale et le décrochage dynamique classique induit par le tangage, attribuée à l’alternance des courants ascendants et descendants inhérents au champ de rafales. Des simulations numériques concomitantes permettent de suivre l’évolution de la structure de l’écoulement lors du processus de décrochage dynamique, facilitant ainsi une compréhension approfondie du phénomène. Par la suite, la recherche s’étend aux interactions aéroélastiques en examinant un oscillateur de tangage à un degré de liberté (1-DDL) subissant un flottement de décrochage sous l’excitation d’une rafale transversale. Deux régimes de réponse distincts sont documentés : un battement quasi-périodique hors synchronisation, et une bande de synchronisation finie 1:1 dans laquelle la fréquence de tangage se synchronise avec la rafale. Un oscillateur de van der Pol forcé (F-VdP) est employé pour modéliser ce comportement. Le modèle reproduit avec succès les caractéristiques expérimentales essentielles, notamment la fenêtre de synchronisation et la dépendance qualitative vis-à-vis des niveaux de forçage et d’amplitude d’oscillation, confirmant que le système se comporte comme un oscillateur à cycle limite sous forçage externe. Enfin, l’étude aborde le domaine moins exploré des rafales longitudinales (sens de l’écoulement) harmoniques. Contrairement au cas transversal, la réponse aux rafales longitudinales présente les caractéristiques d’un mécanisme de modulation paramétrique : une bande de synchronisation 2:1 et un pic spectral de battement distinct. Le système est modélisé à l’aide d’un oscillateur de van der Pol de type Mathieu (M-VdP) minimal présentant une modulation de raideur, dont les solutions numériques sont validées par les observations expérimentales. Ce modèle minimal prédit également des comportements au-delà des contraintes expérimentales, sur une base théorique solide. Collectivement, ce travail fait progresser la compréhension des phénomènes aérodynamiques non linéaires et aéroélastiques induits par les rafales. Il apporte de nouveaux éclairages physiques sur le couplage rafale-profil d’aile, particulièrement pertinents pour la conception de giravions, de drones (UAV) et de pales d’éoliennes opérant dans des conditions d’écoulement instationnaires. 2026-03-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/11264/2803 Title: JOINDRE LA RÉPONSE À L’ATTAQUE POUR DÉTERMINER L’IMPACT SUR LE PROTOCOLE J1939 Authors: Fujioka, Michael Abstract: Les réseaux informatiques peuvent être protégés à l’aide de la combinaison d’un système de détection d’intrusion (IDS) et d’un système de prévention d’intrusion (IPS). L’IDS permet d’identifier des attaques ou des anomalies survenus sur le réseau; l’IPS peut ainsi appliquer une mesure de sécurité afin de bloquer ou de corriger les attaques identifiées. Lorsque l’IPS tente de bloquer ou de corriger l’attaque, il peut affecter le flux de l’information dans le réseau qui peut avoir un impact sur son opération. Dans le contexte des technologies de l’information, l’impact principal touche l’accès à l’information ou à l’interruption de services. Lorsqu’il est question de la protection d’un réseau véhiculaire, tel que le protocole « Society Automotive Engineers (SAE) » J1939, l’impact devient plus important. Les messages de ce réseau peuvent contenir des commandes de contrôles assujettis aux attaques qui peuvent affecter le comportement du véhicule et conséquemment son environnent. Le but de cette recherche est de concevoir un modèle afin de considérer les impacts des attaques et des réponses à celles-ci sur un réseau SAE J1939. Nous avons développé un modèle, basé sur la simulation, pour déterminer l’impact d’une attaque survenue sur un réseau véhiculaire SAE J1939 ainsi que celui d’une réponse à cette attaque afin de déterminer l’impact résultant du réseau. Nous avons simulé deux cas d’utilisation. Le premier est la comparaison des états de la matrice de confusion qui représentent les différents impacts possibles du système en présence ou absence d’attaque, et le deuxième est l’implémentation de deux réponses similaires pour la même attaque. Lors de nos simulations, nous avons remarqué que l’impact résultant (tous impacts identifiés, y compris ceux qui sont temporaires) ne sont pas nécessairement représentatif de l’impact final subit par le système. La transition entre l’ajout de l’attaque ou celle de la réponse peut créer une instabilité momentanément. Nous avons conclu que notre modèle permet de déterminer l’impact résultant du système.; Computer networks can be protected by combining an Intrusion Detection System (IDS) with an Intrusion Prevention System (IPS). The IDS can identify attacks or anomalies that occurred on the network. The IPS can then apply a security countermeasure in the hopes of blocking or correcting the identified attack. When the IPS attempts to block or correct the attack, it can also affect the flow of information within the network which can have an impact on its operations. In the realm of the Information Technologies, the impact is primarily on the access of the information or the interruption of the services. For the protection of vehicule networks, such as the Society Automotive Engineer (SAE) J1939, the impact have greater concerns. The messages exchanged in those networks may contain commands to control that can affect its behaviour and its environment. The aim of this research is to design a framework that considers the impacts of attacks and their responses on a SAE J1939 network. We have developed a framework, based on simulation, to determine the impact of an attack on a vehicle network SAE J1939 and the response to that attack in order to determine the resulting impact. We have simulated two test cases. The first is the comparison between all the various states in the confusion matrix which represent all the possible impacts on the system in the presence or absence of an attack, and the second is the implementation of two similar responses for the same attack. Following the simulations, we have observed that the resulting impact (meaning all identified impacts including temporary impacts) are not necessarily the impact in the end state. The transition between the addition of the attack or the response can create a temporary instability. We have concluded that the framework allows to determine the resulting impact of the system. 2026-05-06T00:00:00Z https://hdl.handle.net/11264/2766 Title: STATE-AWARE INTRUSION DETECTION FOR J1939 VEHICULAR NETWORKS Authors: Allain-Fortier, Louis-Philippe Abstract: Modern medium and heavy-duty vehicles are increasingly connected, yet their in-vehicle networks continue to rely on legacy protocols that provide little inherent protection against cyberthreats. This thesis develops and evaluates a state-aware intrusion detection system for Society of Automotive Engineers J1939 networks that treats the vehicle as a Cyber Physical System, enabling detections based on physically and operationally improbable states rather than analyzing traffic primarily as an independent stream of messages. We represent the physical state as a multivariate time series of Suspect Parameter Numbers and train a cross-Parameter Group Number Long Short-Term Memory predictor to perform one-step-ahead forecasting. Anomalies are flagged when the feature-wise prediction error exceeds an empirically derived threshold with post-processing to suppress isolated error spikes. Using a publicly available dataset, the compact predictor achieved a low one-step-ahead prediction error (0.00038 Mean Absolute Error), indicating a strong ability to learn the temporal dependencies of underlying signals. We then evaluated the model on released traces of real attacks against a vehicle, including Denial-of-Service, fuzzing, address claiming, and engine command spoofing. Across these scenarios, the detector generally identified disruptive events and, in particular, successfully identified the start of attacks. However, conventional message-level precision and recall sometimes underrepresented practical performance when malicious frames were not directly observable. Furthermore, the performance was impaired by post-attack instability as residual anomalies were still being flagged while the attack itself had stopped. Overall, the results support state-aware anomaly detection as a practical complement to protocol and timing-based approaches for J1939 security monitoring.; Les véhicules moyens et lourds sont de plus en plus connectés, pourtant leurs réseaux embarqués continuent de s’appuyer sur des protocoles offrant peu de protection intrinsèque contre les cybermenaces. Ce travail développe et évalue un système de détection d’intrusion sensible à l’état pour les réseaux SAE J1939 traitant le véhicule comme un système cyber-physique, permettant des détections basées sur des états physiquement et opérationnellement improbables plutôt que d’analyser le trafic principalement comme un flux de messages indépendant. Nous représentons l’état physique comme une série temporelle multivariée de numéros de paramètres suspects et entraînons un prédicteur à mémoire court et long terme inter-PGN (cross-Parameter Group Number) pour effectuer une prévision à un pas d’avance. Les anomalies sont signalées lorsque l’erreur de prédiction de l’une des caractéristiques dépasse un seuil dérivé empiriquement, avec un post-traitement pour supprimer les pics d’erreur isolés. À l’aide d’un ensemble de données publiquement disponible, le prédicteur compact a atteint une faible erreur de prédiction (0,00038 d’erreur moyenne absolue), ce qui indique une forte capacité à apprendre les dépendances temporelles des signaux sous-jacents. Nous avons ensuite évalué le modèle sur des traces d’attaques réelles contre un véhicule, notamment le déni de service, le fuzzing, l’usurpation d’adresse et l’injection de commande moteur. Dans ces scénarios, le détecteur a généralement identifié les événements perturbateurs et a réussi à identifier le début des attaques. Cependant, la précision et le rappel conventionnels au niveau des messages ont parfois sous-représenté la performance pratique lorsque les trames malveillantes n’étaient pas directement observables. De plus, les performances ont été altérées par l’instabilité post-attaque, car des anomalies résiduelles étaient toujours signalées alors que l’attaque elle-même avait cessé. Dans l’ensemble, les résultats confirment la détection d’anomalies sensible à l’état comme un complément pratique aux approches basées sur le protocole et la synchronisation pour la surveillance de la sécurité J1939. 2026-04-27T00:00:00Z https://hdl.handle.net/11264/2764 Title: A COMPARISON OF SHIPBORNE RADAR ARCHITECTURES FOR SMALL-UAV DETECTION Authors: Sanga, Nick Abstract: Detecting small Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs) from a naval radar platform is challenging because their weak, aspect-dependent radar cross section (RCS) and low-altitude flight occur in the presence of strong maritime interference mechanisms, including grazing-angle sea clutter, precipitation effects, and near-surface multipath. This thesis develops a simulation-based comparison framework for a ship-installable counter-UAV radar, evaluating pulsed Active Electronically Scanned Array (AESA) and Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) AESA candidates under a common set of naval constraints (frequency band, aperture/gain, average and peak power limits, range resolution, search volume, and refresh requirements). A MATLAB-based virtual maritime environment is used to generate repeatable scenarios and to model target RCS fluctuation alongside sea state and rain conditions, enabling controlled experiments with identical resource allocation. Detection performance is assessed using a consistent processing chain (range–Doppler formation, receiver dynamic-range control, Constant False Alarm Rate (CFAR) thresholding at fixed false-alarm probability, and probability-of-detection estimation) and is summarized using decision-oriented figures of merit such as high-confidence detection range, detection latency, and time-to-confirm. Monte Carlo evaluation across representative UAV mission profiles provides statistically defensible performance curves and sensitivity trends, which are then weighted to reflect risk-averse shipboard priorities, robustness in heavy sea states and precipitation. This thesis makes three main contributions: first, it develops a common-constraint simulation framework for fair comparison of ship-installable pulsed AESA and FMCW AESA counter-UAV radars; second, it provides a Monte Carlo evaluation method that links waveform performance to operationally meaningful detection and confirmation metrics in maritime environments; and third, it shows that FMCW is the preferred architecture within the tested constraint set, achieving 11 of 18 case wins and the strongest worst-case robustness, while also identifying the modelling assumptions that bound this recommendation.; La détection de petits véhicules aériens sans équipage (UAV) à partir d’une plateforme radar navale constitue un défi important, car leur faible surface équivalente radar (SER), fortement dépendante de l’aspect, et leur vol à basse altitude s’inscrivent dans un environnement maritime dominé par de forts mécanismes d’interférence, notamment le fouillis de mer à faible angle de site, les effets des précipitations et le multitrajet près de la surface. Cette thèse propose un cadre de comparaison fondé sur la simulation pour l’évaluation d’un radar anti-UAV installable à bord d’un navire, en comparant des architectures AESA impulsionnelles et AESA à onde continue modulée en fréquence (FMCW) sous un ensemble commun de contraintes navales, incluant la bande de fréquences, l’ouverture et le gain, les limites de puissance moyenne et de puissance de crête, la résolution en portée, le volume de recherche et les exigences de rafraîchissement. Un environnement maritime virtuel développé sous MATLAB est utilisé afin de générer des scénarios répétables et de modéliser à la fois les fluctuations de la SER des cibles, l’état de la mer et les conditions de pluie, de manière à permettre des expériences contrôlées avec une allocation identique des ressources. La performance de détection est évaluée au moyen d’une chaîne de traitement cohérente comprenant la formation distance-Doppler, le contrôle de la dynamique du récepteur, le seuillage à taux constant de fausses alarmes (CFAR) à probabilité de fausse alarme fixée, ainsi que l’estimation de la probabilité de détection. Les résultats sont ensuite résumés à l’aide de figures de mérite orientées vers la décision, telles que la portée de détection à haute confiance, la latence de détection et le temps de confirmation. Une évaluation de type Monte Carlo, appliquée à des profils de mission UAV représentatifs, permet d’obtenir des courbes de performance et des tendances de sensibilité statistiquement défendables. Ces résultats sont ensuite pondérés de façon à refléter des priorités navales prudentes, axées sur la robustesse en conditions de mer forte et de précipitations importantes. Cette thèse apporte trois contributions principales. Premièrement, elle développe un cadre de simulation à contraintes communes permettant une comparaison équitable entre des radars anti-UAV navals AESA impulsionnels et AESA FMCW installables à bord d’un navire. Deuxièmement, elle propose une méthode d’évaluation de type Monte Carlo qui relie les performances des formes d’onde à des métriques de détection et de confirmation ayant une signification opérationnelle en environnement maritime. Troisièmement, elle montre que l’architecture FMCW constitue l’option privilégiée dans l’ensemble des contraintes étudiées, avec 11 gains sur 18 cas et la meilleure robustesse dans le pire cas, tout en mettant en évidence les hypothèses de modélisation qui encadrent cette recommandation. 2026-04-30T00:00:00Z