Des travaux importants sont conduits depuis plus de 15 ans pour réduire la traînée aérodynamique des véhicules automobiles et améliorer la sécurité lors des phases transitoires. Ces travaux nécessitent d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques complexes associés aux écoulements tridimensionnels décollés instationnaires et s'effectuent sur des géométries simplifiées à partir d'approches analytiques, expérimentales et/ou numériques. Dans une première partie, des solutions récentes de contrôle passif et actif développées pour réduire la traînée aérodynamique sont présentées pour fournir des ordres de grandeur. La seconde partie traite de l'influence des lois horaires de transport des structures tourbillonnaires de sillage, des processus de formation des structures tourbillonnaires longitudinales de lunette arrière puis de l'analyse des écoulements autour des disques de jantes utilisés comme ventilateur axial. Une troisième partie s'intéresse enfin à l'influence des effets aérodynamiques transitoires sur le comportement dynamique des véhicules automobiles. Les résultats montrent sans ambiguïté l'intérêt de poursuivre la recherche pour mieux comprendre la complexité des phénomènes physiques et mettre au point des systèmes efficaces de contrôle aérodynamique pour réduire la traînée et améliorer la sécurité.

Le développement de machines à forte vitesse spécifique et de taille réduite en régime subsonique suscite actuellement une forte demande dans de nombreux domaines industriels. Les machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant de nombreux avantages : réduction de la vitesse de rotation, de l'encombrement radial et une grande flexibilité d'utilisation. Cependant, leur utilisation dans des applications subsoniques courantes nécessite une meilleure compréhension de leur fonctionnement et notamment de l'interaction inter-rotors pour mieux les concevoir. Ce travail a pour objectif d'étudier et de caractériser expérimentalement un étage contrarotatif fonctionnant en conduit, conçu avec le code de conception et d'analyse pour rotor et rotor-stator, MFT auquel on a implémenté une méthode de conception simple et rapide pour dessiner le rotor aval. On analyse en particulier l'effet de la distance axiale entre les rotors et l'effet du rapport de leur vitesse. Il met en évidence une nette amélioration des caractéristiques et du rendement global par rapport à une machine conventionnelle. Par ailleurs, plusieurs aspects de l'interaction entre les rotors sont constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales.

L'usage de gouttes comme microréacteurs movite le développement rapide de la microfluidique de gouttes. En effet, une goutte peut être utilisée pour collecter, transporter et analyser du matériel chimique, biologique ou génétique. Ainsi, la microfluidique de goutte porte la promesse d'une miniaturisation et d'une automatisation sur puce des process actuellement mis oeuvre sur microplaques. Toutefois, l'architecture des dispositifs reste essentiellement sérielle et en opposition avec le format intrinsèquement 2D des microplaques. Ce travail de thèse fournit une nouvelle stratégie de gestion de gouttes sur puce qui permet d'implémenter des procédés de microfluidiques de goutte au sein de chambres bidimensionnelles. Les méthodes mises au point emploient des gradients de confinement pour agir sur les gouttes.

Dans le contexte actuel, l'accroissement des tensions liées à l'utilisation de la ressource en eau impose une meilleure gestion de cette ressource pour la poursuite d'une croissance économique durable. Cette problématique liée à la ressource en eau s'inscrit également dans des préoccupations sociales et environnementales importantes. En Europe, l'irrigation par aspersion représente une large part de la consommation en eau. Or l'irrigation des champs par aspersion est parfois mal adaptée et engendre de fortes pertes, dues à l'évaporation ou à la dispersion due au vent. Ces apports nécessitent d'être optimisés, ce qui passe par une meilleure maîtrise de la taille et de la dispersion des gouttes produites durant l'aspersion. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation des gouttes produites pendant l'atomisation d'un jet d'eau utilisé en irrigation par aspersion et la modélisation de l'atomisation de ce jet. Une technique d'ombroscopie est mise en place pour analyser le coeur liquide et pour caractériser la population de gouttes d'eau produites en terme de tailles et de vitesses moyennes et fluctuantes de la phase liquide. Une attention particulière a été portée sur la calibration de la technique et sur l'estimation des tailles de gouttes produites durant l'atomisation. L'approche employée pour la modélisation de l'atomisation repose sur une description eulérienne de l'écoulement diphasique, où celui-ci est représenté comme un écoulement turbulent d'un seul fluide dont la masse volumique varie selon la composition du mélange diphasique, entre la masse volumique du gaz et celle du liquide. La dispersion du liquide dans son environnement gazeux est prise en compte par la résolution d'une équation de transport de la fraction massique moyenne du liquide. De plus, une équation de transport de la densité moyenne d'interface liquide/ gaz permet de modéliser les phénomènes de fragmentation et de coalescence des gouttes et in fine d'estimer la taille des gouttes.

En milieu stratifié-tournant, les ondes supportées par un tourbillon colonnaire vertical peuvent être instables en raison d'un rayonnement d'ondes, un phénomène connu sous le nom d'instabilité radiative. Dans la première partie de cette thèse, on étudie numériquement et analytiquement l'effet d'une rotation planétaire sur cette instabilité. En présence de rotation cyclonique, le rayonnement d'ondes diminue et le taux de croissance maximum de l'instabilité radiative décroît exponentiellement quand la rotation augmente. Il devient negligeable quand le nombre Rossby est inférieur à l'unité. En présence de rotation anticyclonique avec un nombre de Rossby supérieur à -1, l'instabilité centrifuge est stable mais on montre que l'instabilité radiative se produit également si le nombre d'onde azimutal est plus grand que 2 et le profil de vorticité est suffisamment raide. Le taux de croissance dans ce régime fortement anticyclonique est comparable à celui dans le régime cyclonique. La principale conclusion est donc qu'un tourbillon colonnaire en milieu stratifié-tournant peut être instable pour n'importe quel nombre de Rossby. Le mécanisme et les propriétés de l'instabilité radiative sont expliqués par une analyse WKBJ pour grands nombres d'ondes. Dans la deuxième partie de cette thèse, la stabilité de l'écoulement de Taylor-Couette stratifié est analysée quand la vitesse angulaire augmente radialement, une régime encore jamais exploré. On montre que cet écoulement est instable vis à vis d'une instabilité stratorotationelle. Cette instabilité est similaire à l'instabilité radiative d'un tourbillon en régime fortement anticyclonique. Ces résultats révèlent que l'écoulement de Taylor-Couette stratifié est toujours instable sauf dans la limite d'une rotation solide.

A new microrheology set-up is described, which allows us to quantitatively measure the transient rheological properties and microstructure of a variety of solvent-responsive complex fluids. The device was constructed by integrating particle tracking microrheology and microfluidics and offers unique experimental capabilities for performing solvent-response measurements on soft fragile materials without applying external shear forces. Transient analysis methods to quantitatively obtain rheological properties were also constructed, and guidelines for the trade-off between statistical validity and temporal resolution were developed to accurately capture physical transitions. With the new device and methodology, we successfully quantified the transient rheological and microstructural responses during gel formation and break-up, and viscosity changes of solvent-responsive complex fluids. The analysis method was expanded for heterogeneous samples, incorporating methods to quantify the microrheology of samples with broad distributions of individual particle dynamics. Transient microrheology measurements of fragile, heterogeneous, self-assembled block copolypeptide hydrogels revealed that solvent exchange via convective mixing and dialysis can lead to significantly different gel properties and that commonly applied sample preparation protocols for the characterization of soft biomaterials could lead to erroneous conclusions about microstructural dynamics. Systematic investigations by varying key parameters, like molecular structure, gel concentration, salt concentration, and tracer particle size for microrheology, revealed that subtle variations in molecular architecture can cause major structural and microrheological changes in response dynamics. Moreover, the results showed that the method can be applied for studying gel formation and breakup kinetics. The research in this thesis facilitates the design of solvent-responsive soft materials with appropriate microstructural dynamics for in vivo applications like tissue engineering and drug delivery, and can also be applied to study the effect of solvents on self-assembly mechanisms in other responsive soft materials, such as polymer solutions and colloidal dispersions.

Nous étudions ici expérimentalement l'écoulement de von Karman, produit dans un cylindre entre deux turbines coaxiales. Nous nous plaçons plus particulièrement en régime de turbulence pleinement développée, pour un écoulement contrarotatif forcé inertiellement. Nous étudions dans un premier temps la transition à la turbulence de cet écoulement fermé, depuis les régimes laminaires. Nous insistons sur le rôle des grandes échelles lentement variables de la couche de mélange. Nous étudions alors la stabilité de l'écoulement moyen et mettons en évidence une bifurcation des grandes échelles en régime turbulent. Nous étudions statistiquement le rôle des fluctuations sur le déclenchement des transitions. Ces transitions peuvent également avoir une dynamique intermittente à temps long. Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité d'un effet dynamo pour le champ de vitesse moyenné dans le temps. L'effet dynamo est une instabilité du champ magnétique dans un fluide conducteur en écoulement. Nous définissons ainsi la configuration de l'expérience VKS2, en sodium liquide, et discutons enfin les premiers résultats de l'expérience. Nous y retrouvons la trace des instationnarités des grandes échelles de l'écoulement.

Thesis: S.B., Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering, 1965 / "September 1965." / Includes bibliographical references (leaf 65). / by Eduardo Jose Barragan Schenone. / S.B. / S.B. Massachusetts Institute of Technology, Department of Electrical Engineering

We develop a viscoelastic version of the volume of fluid algorithm for tracking deformable interfaces. The code uses the piecewise linear interface calculation method to reconstruct the interface, the continuous surface force formulation to model interfacial tension forces and utilizes the semi-implicit Stokes solver (enabling computations at low Reynolds numbers). The algorithm is primarily designed to simulate the flow of superposed fluids and the drop in a flow problem in 2D shear flows of viscoelastic and/or Newtonian fluids. The code is validated against linear stability theory for the two-layer flow case and against experimental and other documented numerical investigations for the droplet-matrix case. / Ph. D.

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