Cette thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension de la dynamique d'une interaction entre une onde de choc droite ou oblique et une couche limite laminaire ou turbulente. En particulier, nous nous sommes intéressés aux mécanismes responsables de l'apparition d'oscillations auto-entretenues basses fréquences. Ce phénomène survient dans de nombreux cas applicatifs comme dans des entrées d'air d'avions supersoniques, autour d'un profil d'aile en régime transsonique et au sein de tuyère en régime de sur-détente. La première partie de ce mémoire traite des différentes études réalisées pour déterminer la phénoménologie de ce type de dynamique. Dans un deuxième temps, nous expliquons la stratégie retenue pour effectuer notre étude qui consiste à développer un outil d'étude des instabilités, adapté à des écoulements turbulents présentant une interaction entre une onde de choc et une couche limite. Le développement d'un outil CFD linéarisé couplé à une méthode de résolution d'un problème aux valeurs propres par une approche dite sans matrice ou de « time-stepping », a permis la réalisation d'une telle étude. Après une étape de validation de notre outil, nous avons étudié des cas d'écoulements présentant une interaction entre une onde de choc et une couche limite. Trois cas en particulier ont été traités. Le premier cas correspond à une interaction entre une onde de choc oblique impactant une couche limite laminaire se développant sur une plaque plane. Ce cas est généralement qualifié dans la littérature de cas de « réflexion de choc ». Nous montrons qu'un tel écoulement est globalement stable et que sa dynamique peut être caractérisée par des mécanismes de réceptivité et par la réponse de l'écoulement vis-à-vis de perturbations extérieures. Les deux autres cas abordés dans ce travail ont été le cas d'un écoulement transsonique autour d'un profil d'aile de type NACA0012 en régime d'entrée en tremblement aérodynamique et un cas de tuyère transsonique plane de type Sajben en régime de sur-détente. Dans le premier cas, l'analyse de stabilité nous permet de mettre en évidence le phénomène de « buffet » sur le profil NACA0012, ce qui montre que le phénomène est lié à une instabilité globale linéaire . Dans le second cas, l'analyse de stabilité ne permet pas d'expliquer le phénomène auto-entretenues basses fréquences, et montre que l'écoulement est linéairement globalement stable. Dans ce cas, la dynamique est convective, transitoire et pilotée par des mécanismes de réceptivité. / The general purpose of this study is to provide a better understanding of the dynamics of an interaction between a shock wave and a laminar or turbulent boundary layer. In particular, we were interested in mechanisms responsible for the emergence of low-frequency self-sustained oscillations. This phenomenon arises in numerous industrial cases as in air inlets of supersonic aircrafts, around a profile of wing in transonic regime and within over-extended nozzle. The first part of this report handles various studies carried out to determine the phenomenology of this kind of dynamics. Secondly, we explain the strategy adopted to make our study which consists in developing a tool of study of the instabilities adapted to turbulent flows including an interaction between a shock wave and a boundary layer. The development of a linearized CFD tool coupled with a method of resolution of a eigenvalue problem by a free-matrix approach ( " time-stepping " approach), allowed the realization of such a study. After a stage of validation of our tool, we studied cases of flows including an interaction between a shock wave and a boundary layer. Three cases in particular were handled. The first case corresponds to an interaction enter an oblique shock wave impacting on a laminar boundary layer developing on a flat plate. This case is generally qualified in the literature of case as " reflected shock wave". We show that such a flow is globally stable and that the dynamics of such a flow behaves as a selective noise amplifier, the dynamic is mainly driven by receptivity mechanisms and by the response of upstream white nose disturbance. Two other cases have been studied on this work, the case of a transonic flow around a profile wing of NACA0012 type around the onset of buffet phenomenon and the case of transonic nozzle of Sajben type on over-extended regime. In the first case, the global stability analysis allows us to highlight the buffet phenomenon of on the profile NACA0012, what shows that the phenomenon is linked to a linear global instability. In the second case, the analysis of stability does not allow to explain the self-sustained low frequencies phenomenon, and shows that the flow is linearly globally stable. In this case, the dynamics is convective, passing and piloted by receptivity mechanisms.

Dans le cadre de l'étude des écoulements ouverts, deux types de dynamiques coexistent. Les écoulements de type oscillateur qui présentent une fréquence propre d'oscillation indépendante des perturbations extérieures (dynamique intrinsèque), ainsi que les écoulements de type amplificateur sélectif de bruit comme les écoulements de jets ou de couches limites décollées, caractérisés par une plus large gamme de fréquences dépendantes essentiellement de bruit extérieur (dynamique extrinsèque). Les études de couches limites décollées en régime incompressible ont montré un lien entre le phénomène auto-entretenu de basse fréquence qui apparaît et l'interaction non normale des modes globaux instables existants pour ce type de configuration. L'objectif de ce travail consiste à étendre cette interprétation lorsque l'écoulement est en régime subsonique. Dans ce but, un travail d'adaptation des conditions aux limites non-réfléchissantes aux problèmes de stabilité globale a été réalisé. Une méthode de zone absorbante de type Perfectly Matched Layer a été implémentée dans un code de simulation numérique utilisant des méthodes de collocation spectrale. Une méthode de décomposition de domaine adaptée aux calculs des solutions stationnaires ainsi qu'aux problèmes de stabilité globale a également été utilisée pour permettre la validation des conditions aux limites implémentées sur un cas d'écoulement rayonnant de cavité ouverte. Enfin, les études de stabilité d'un écoulement de couche limite décollée derrière une géométrie de type bosse ont été réalisées. L'étude des instabilités bidimensionnelles, responsables du phénomène basse fréquence (flapping), et réalisées en régime subsonique montre que le mécanisme observé en régime incompressible est aussi observé en régime subsonique. La stabilité de cet écoulement vis-à-vis de perturbations tri-dimensionnelles, et plus particulièrement les instabilités centrifuges ont aussi été étudiées en fonction du nombre de Mach. / In open flows context, there are generally two types of dynamic : oscillators, such as cylinder flow, exhibit a well defined frequency insensitive to external perturbations (intrinsic dynamics) and noise amplifiers, such as boundary layers, jets or in some cases the separated flows, which are characterized by wider spectrum bands that depend essentially on the external noise (dynamic extrinsic). Previous studies have shown that separated flows are subject to self-induced oscillations of low frequency in incompressible regime. These studies have revealed links between the interaction of non-normal modes and low oscillations in an incompressible boundary-layer separation and it will be to establish the validity of this interpretation in a compressible regime. In this regard, non-reflecting boundary conditions have been developed to solve the eigenvalue problem formed by linearised Navier-Stokes equations. An absorbing region known as Perfectly Matched Layer has been implemented in order to damp acoustic perturbations which are generated when the compressibility of the flow is considered. A multi-domain approach using spectral collocation discretisation has also been developed in order to study the influence of this absorbing region on the stability analysis of an open cavity flow which is known to generate acoustic perturbations. Finally, we focused on separated boundary layer induced by a bump geometry in order to understand what are the effects of compressibility on the bidimensional low frequency phenomenon and also on transverse instabilities which are known to be unstable for a lots of separated flows.

Cette thèse a pour objectif d'améliorer la compréhension des effets d'un gradient sur une couche limite turbulente à l'équilibre. On s'intéresse en particulier aux effets d'un gradient de pression sur la partie aérodynamique de l'écoulement, ainsi que sur le bruit émis par la couche limite turbulente. En effet, une couche limite turbulente est une source de bruit omniprésente en aéronautique, automobile ou encore en ferroviaire. Cette source provient de la pression fluctuante produite par la couche limite turbulente se développant à la surface de la paroi extérieure du véhicule. Deux contributions au bruit de couche limite turbulente à l'intérieur de l'habitacle d'un véhicule peuvent être observées. La première contribution est une contribution de type aéroacoustique et est appelée contribution directe. Elle est due à la génération d'ondes acoustiques par les fluctuations de pressions générées par la couche limite turbulente. La deuxième contribution est due à des mécanismes de vibro-acoustique et est appelée contribution indirecte. Elle est due à l'excitation structurale engendrée par les fluctuations de pression sur la paroi du véhicule. Les fluctuations de pression d'une couche limite turbulente sont de plus responsables de la génération d'un rayonnement acoustique qui est de même nature que celui de la contribution directe mais qui est dirigé vers l'extérieur du véhicule. Dans le cadre de cette thèse, des calculs directs à l'aide d'un solveur numérique permettant la résolution des équations de Navier-Stokes en régime compressible sont réalisées pour des cas de couches limites avec gradients de pression adverses et favorables. L'étude de ces résultats nous permet de mettre en évidence l'augmentation des niveaux du rayonnement acoustique avec un gradient adverse et leur diminution avec un gradient favorable en comparaison du cas sans gradient de pression. De plus, l'étude des spectres de la pression fluctuante sous les différentes couches limites étudiées, a également permis d'observer l'augmentation des deux contributions au bruit de couche limite, à savoir les contributions directe et indirecte avec un gradient de pression adverse et leur diminution avec un gradient de pression favorable. On observe de plus que ces effets sont amplifiés avec l'augmentation de l'intensité du gradient. / The aim of this study is to provide a better understanding of the effects of a pressure gradient on an equilibrium turbulent boundary layer. In particular, the effects on the aerodynamic part and on the turbulent boundary layer noise are studied here. In fact, in the framework of transport industry, boundary layers constitute a fundamental source of aerodynamic noise. A turbulent boundary layer over a wall can provide a direct and an indirect contribution to the noise felt inside a vehicle. The indirect contribution corresponds to the structural excitation of the structure below and the direct contribution consists in the propagation of pressure waves. Wall pressure fluctuations are also responsible for the propagation of pressure waves outside the turbulent boundary layer. In this regard, simulations of turbulent boundary layers in presence of adverse and favorable pressure gradients are carried out using direct noise computation by solving the compressible Navier-Stokes equations. This method provides the direct contribution and the wall pressure fluctuations, which are responsible for the indirect contribution to the aerodynamic noise. Results show that an adverse pressure gradient leads to higher levels of the direct acoustic emission whereas lower levels are obtained in presence of a favorable pressure gradient in comparison to the zero gradient case. The study of the spectra of the wall pressure fluctuations for the different gradients cases we present, yield to the same hierarchy of levels. We further observed that these effects are amplified with the increase in the intensity of the gradient.

We develop and analyse explicit in time schemes for the computation of compressible flows, based on staggered in space. Upwinding is performed equation by equation only with respect to the velocity. The pressure gradient is built as the transpose of the natural divergence. For the barotropic Euler equations, the velocity convection is built to obtain a discrete kinetic energy balance, with residual terms which are non-negative under a CFL condition. We then show that, in 1D, if a sequence of discrete solutions converges to some limit, then this limit is the weak entropy solution. For the full Euler equations, we choose to solve the internal energy balance since a discretization of the total energy is rather unnatural on staggered meshes. Under CFL-like conditions, the density and internal energy are kept positive, and the total energy cannot grow. To obtain correct weak solutions with shocks satisfying the Rankine-Hugoniot conditions, we establish a kinetic energy identity at the discrete level, then choose the source term of the internal energy equation to recover the total energy balance at the limit. More precisely speaking, we prove that in 1D, if we assume the L∞ and BV-stability and the convergence of the scheme, passing to the limit in the discrete kinetic and internal energy equations, we show that the limit of the sequence of solutions is a weak solution. Finally, we consider the computation of radial flows, governed by Euler equations in axisymetrical (2D) or spherical (3D) coordinates, and obtain similar results to the previous sections. In all chapters, we show numerical tests to illustrate for theoretical results. / We develop and analyse explicit in time schemes for the computation of compressible flows, based on staggered in space. Upwinding is performed equation by equation only with respect to the velocity. The pressure gradient is built as the transpose of the natural divergence. For the barotropic Euler equations, the velocity convection is built to obtain a discrete kinetic energy balance, with residual terms which are non-negative under a CFL condition. We then show that, in 1D, if a sequence of discrete solutions converges to some limit, then this limit is the weak entropy solution. For the full Euler equations, we choose to solve the internal energy balance since a discretization of the total energy is rather unnatural on staggered meshes. Under CFL-like conditions, the density and internal energy are kept positive, and the total energy cannot grow. To obtain correct weak solutions with shocks satisfying the Rankine-Hugoniot conditions, we establish a kinetic energy identity at the discrete level, then choose the source term of the internal energy equation to recover the total energy balance at the limit. More precisely speaking, we prove that in 1D, if we assume the L∞ and BV-stability and the convergence of the scheme, passing to the limit in the discrete kinetic and internal energy equations, we show that the limit of the sequence of solutions is a weak solution. Finally, we consider the computation of radial flows, governed by Euler equations in axisymetrical (2D) or spherical (3D) coordinates, and obtain similar results to the previous sections. In all chapters, we show numerical tests to illustrate for theoretical results.

Lors de la phase de rentrée atmosphérique d'une sonde spatiale, la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes. Nous nous intéressons dans cette thèse au cas où le matériau solide de l'objet de vol comporte plusieurs constituants s'ablatant de façon différentielle. En particulier, l'un de ces constituants subit un changement de phase donnant lieu à l'apparition d'une phase liquide. Nous sommes en présence de trois phases : solide, liquide et gaz. Les travaux effectués dans cette thèse correspondent au développement de méthodes numériques en 2D capables de modéliser les différentes interfaces en présence ainsi que l'évolution des fluides ou des matériaux séparés par celle-ci. L'enjeu principal de la thèse est de proposer des méthodes et des algorithmes de couplage pour l'écoulement diphasique, la thermique multimatériaux et les changements de phase (fusion et sublimation) / During atmospheric reentry phase of a spacecraft, its body surface is the seat of complex physico-chemical phenomena. We focus in this thesis on the case where the wall of the flying object has several components ablating differentially. In particular, one of those components undergoes a phase change giving the rise to the introduction of a liquid phase. We have three phases in the domain: solid, liquid and gas phases.The work done in this thesis corresponds to the development of 2D numerical methods which can modelize the different interfaces. The main issue of this thesis is to propose methods and algorithms for coupling the two-phase flow, multi-material heat problems and phase changes (melting and sublimation).

La compacité des matériaux granulaires est une grandeur qui intéresse un grand nombre de secteurs, notamment les bétons hydrauliques. Lorsque les fractions granulaires ne possèdent pas des rapports de tailles infinis, deux interactions géométriques se développent : l’effet de paroi et l’effet de desserrement. La première peut se décrire ainsi : une grosse particule isolée constitue un « intrus » contre lequel viennent se ranger les petites particules, créant un supplément de vides à l’interface. La seconde se produit lorsque les petits grains sont insuffisamment fins pour se glisser entre les gros. Nous analysons comment elles sont prises en compte dans un certain nombre de modèles d’empilement en nous fixant finalement sur celui de de Larrard et al. : le modèle d’empilement compressible (MEC), l’un des plus efficaces. Dans celui-ci, les effets de paroi et de desserrement sont quantifiés par l’intermédiaire de deux coefficients dont les expressions sont obtenues par lissage de données expérimentales en fonction du rapport des diamètres fins/gros. Cependant, il n’existe aucune théorie pleinement satisfaisante permettant de les obtenir. Cette thèse vise à combler ce chaînon manquant. Nous avons conduit notre étude dans le cadre des empilements ordonnés et compacts de particules afin d’être en adéquation avec les hypothèses de constitution du MEC qui propose, comme préalable à l’obtention de la compacité réelle, la détermination d’une compacité virtuelle définie comme la compacité maximale susceptible d’être atteinte si l’on pouvait déposer, un à un, chaque grain à son emplacement idéal. Cette façon de procéder permet la création de cellules élémentaires juxtaposées. Dans ce cadre, l’interaction exercée par une espèce granulaire sur une autre de taille différente est menée à partir d’une étude localisée autour d’une particule « intruse » de la classe dominée, entourée de particules de la classe dominante. La simulation numérique apporte une confirmation de la validité du modèle. En plus de fournir des coefficients d’effets de paroi et de desserrement très proches de ceux prédits théoriquement, elle a permis l’étude d’empilements désordonnés de compacité maximale pour des billes bidispersées sans frottement dont les rapports de tailles valent 0,2 et 0,4. Le concept de « pressions partielles », qui tient compte à la fois des aspects géométrique et mécanique, a permis d’affiner la notion de classe dominante et de mieux appréhender la constitution du squelette porteur de l’édifice granulaire. En plus des zones constituées par les « fins dominants » et par les « gros dominants », il existe une zone mixte que nous avons dénommée « zone de synergie du squelette porteur » où les « pressions partielles » fines-grosses sont les plus importantes. En tenant compte de la nouvelle théorie développée pour les interactions géométriques, le modèle d’empilement compressible (MEC) subit une évolution et devient le MEC 4-paramètres, qui sont : les coefficients d’effet de paroi et d’effet de desserrement, le rapport de tailles de caverne critique et l’indice de compaction du mélange. Ce dernier ayant subi un nouvel étalonnage, le MEC 4-paramètres montre son efficacité quant à la prédiction de compacités sur mélanges binaires à partir de l’analyse de 780 résultats obtenus sur différents types de matériaux. Enfin, un modèle visant à prédire la viscosité d’une suspension concentrée de particules sphériques multidimensionnelles suspendues dans un fluide visqueux est présenté. Compatible avec la relation d’Einstein, il fait appel au concept de changement d’échelle de Farris et à une loi de viscosité de type Krieger-Dougherty. Lorsque la fraction volumique de solide atteint sa valeur critique, la suspension devient empilement et le mélange atteint la compacité du squelette solide déterminée par le MEC 4-paramètres / Packing density of granular materials is a quantity which interests many sectors, in particular hydraulic concrete. When two monodimensional grain classes have no very different sizes, two geometrical interactions develop : the wall effect and the loosening effect. The first one express the perturbation of the packing of the small grains at the interface between large and small grains. The second one occurs when small grains are not enough fine to insert into small cavities created by the touching larger grains. We analyze how they are taken into account in existing packing models. We select finally the compressible packing model (CPM) of de Larrard et al., one of the most effective. In this one, wall effect and loosening effect are quantified by two coefficients. They can, of course, be calculated from experimental results on binary mixtures, as a function of fine/coarse diameter ratios. However, there is no satisfactory theory allowing to calculate them. This doctoral thesis is done to fill this missing link. Ordered and very packed piles of particles are used as a reference frame to be in adequation with the CPM assumptions which require, before the calculation of the real packing density, the determination of a virtual packing density. The latter is defined as the maximum packing density attainable if each particle could be positioned in its ideal location. This approach allows the creation of elementary juxtaposed cells. In that context, the effect of a smaller grain (loosening effect) or a larger grain (wall effect) on the packed class is based on the study of a foreign sphere surrounded by dominant class neighbours. The numerical simulation confirms the validity of the model. In addition to predict wall effect and loosening effect coefficients close to those determined theoretically, numerical simulation was used to predict the solid fraction of maximally dense disordered packings of bidisperse spherical frictionless particles with 0,2 and 0,4 size ratios. The « partial pressures » concept, that includes both geometrical and mechanical aspects, allows to complete and improve the notion of dominant class and to better understand the build-up of the granular skeleton. In addition with « small grains packed » and « large grains packed » zones, the numerical simulation has highlighted a joint zone, called « synergism zone of the granular skeleton » where « partial pressures » fine-large particles are the most important. With this new theory developed for geometrical interactions, the compressible packing model (CPM) is evolving to the new 4-parameter CPM which are : the wall effect coefficient, the loosening effect coefficient, the critical cavity size ratio and the compaction index of the mixing, which requires a new recalibration. The 4-parameter CPM demonstrates its efficiency to predict the packing density of binary mixtures from the analysis of 780 results obtained on different types of materials. Finally, a model intended to predict the viscosity of a multimodal concentrated suspension with spherical particles suspended in a viscous fluid is presented. We resort to the iterative approach advocated by Farris and to a power-law relation (Krieger-Dougherty type) for the relative viscosity, compatible with the Einstein relation appropriate for a dilute suspension. When the solid volume fraction reaches its critical value, the suspension is jammed and the mixture reaches the packing density of the solid skeleton calculated with the 4-parameter CPM

Parmi les différents plasmas spatiaux, le vent solaire et les magnétogaines planétaires représentent les meilleurs laboratoires pour l’étude des propriétés de la turbulence. Les fluctuations de densité dans le vent solaire étant faibles, à basses fréquences ces dernières sont généralement décrites par la théorie de la MHD incompressible. Malgré son incompressibilité, l’effet de la compressibilité dans le vent solaire a fait l’objet de nombreux travaux depuis des décennies, à la fois théoriques,numériques et observationnels.Le but de ma thèse est d’étudier le rôle de la compressibilité dans les magnétogaines planétaires(de la Terre et de Saturne) en comparaison avec un milieu beaucoup plus étudié et moins compressible (quasi incompressible), le vent solaire. Ce travail a été réalisé en utilisant des données in-situ de trois sondes spatiales, Cassini, Cluster et THEMIS B/ARTEMIS P1.La première partie de mon travail a été consacrée à l’étude des propriétés de la turbulence dans la magnétogaine de Saturne aux échelles MHD et sub-ionique, en comparaison avec celle de la Terre en utilisant les données Cassini et Cluster respectivement. Ensuite j’ai appliqué la loiexacte de la turbulence isotherme et compressible dans le vent rapide et lent en utilisant les données THEMIS B/ARTEMIS P1, afin d’étudier l’effet et le rôle de la compressibilité sur le taux de transfert de l’énergie dans la zone inertielle. Enfin, une première application de ce modèle dans la magnétogaine de la Terre est présentée en utilisant les données Cluster. / Among the different astrophysical plasmas, the solar wind and the planetary magnetosheathsrepresent the best laboratories for studying the properties of fully developed plasma turbulence.Because of the relatively weak density fluctuations (∼ 10%) in the solar wind, the low frequencyfluctuations are usually described using the incompressible MHD theory. Nevertheless, the effectof the compressibility (in particular in the fast wind) has been a subject of active research withinthe space physics community over the last three decades.My thesis is essentially dedicated to the study of compressible turbulence in different plasma environments,the planetary magnetosheaths (of Saturn and Earth) and the fast and slow solar wind.This was done using in-situ spacecraft data from the Cassini, Cluster and THEMIS/ARTEMISsatellites.I first investigated the properties of MHD and kinetic scale turbulence in the magnetosheathof Saturn using Cassini data at the MHD scales and compared them to known features of thesolar wind turbulence. This work was completed with a more detailed analysis performed in themagnetosheath of Earth using the Cluster data. Then, by applying the recently derived exactlaw of compressible isothermal MHD turbulence to the in-situ observations from THEMIS andCLUSTER spacecrafts, a detailed study regarding the effect of the compressibility on the energycascade (dissipation) rate in the fast and the slow wind is presented. Several new empirical lawsare obtained, which include the power-law scaling of the energy cascade rate as function of theturbulent Mach number. Eventually, an application of this exact model to a more compressiblemedium, the magnetosheath of Earth, using the Cluster data provides the first estimation of theenergy dissipation rate in the magnetosheath, which is found to be up to two orders of magnitudehigher than that observed in the solar wind.

Ma thèse a pour but de comprendre le rôle de la compressibilité dans la turbulence aux basses fréquences dans les plasmas spatiaux (le vent solaire, les plasmas magnétosphériques etc.) et astrophysiques (nuage moléculaire interstellaire, le cœur d'une étoile etc.). Trois nouvelles relations exactes ont été déduites dans le cadre de la turbulence compressible dans un fluide isotherme et polytrope et dans un plasma MHD isotherme afin de comprendre différentes propriétés universelles de la turbulence compressible. De plausibles phénoménologies ont été proposées aussi en vue d'une compréhension de différentes lois de spectre obtenues grâce aux simulations numériques de la turbulence compressible. Une distinction qualitative entre la turbulence sous-sonique et supersonique est ainsi décrite.Une analyse utilisant des données d'observation des sondes spatiales THEMIS est également réalisée dans le but d'expliquer l'effet de la compressibilité dans la turbulence du vent solaire rapide. Une amélioration remarquable par rapport a "incompressible scaling" est observée avec la nouvelle "compressible scaling". Le flux d'énergie correspondant ainsi trouve est estime suffisant pour expliquer le chauffage anormal du vent solaire rapide. / My thesis work is principally dedicated in understanding the role of compressibility in lowfrequency turbulence of space plasmas (the solar wind, magnetospheric plasma etc.) and astrophysical plasmas (interstellar molecular cloud, the core of a star etc.). Three new exact relations have been derived analytically in the framework of isothermal and polytropic hydrodynamic turbulence and also for an isothermal MHD plasma. By using these relations, various universal scalingproperties of compressible turbulence have been investigated. In addition, plausible phenomenologieshave been proposed in order to theoretically reproduce different power laws for energy power spectra which had been obtained in previous numerical simulations of compressible turbulence. A semi-qualitativedistinction between sub-sonic and supersonic regime of turbulence is hence concluded. In the second part, an analysis using THEMIS spacecraft data is also performed in a view to explainingthe effect of the compressibility in the turbulence of the fast solar wind. A remarkable smooth scalingin comparison with incompressible law is obtained for several intervals of fast solar wind. The corresponding turbulent energy flux is also found to be sufficient to explain the anomalous heating of fast solar wind.

Dans certaines simulations numériques exigeantes de mécanique des fluides, ilest nécessaire de simuler des écoulements multiphasiques impliquant de nombreuses contraintes simultanées : nombre de fluides important, évolutions compressibles à la fois isentropes et fortement choquées, équations d’états variables et contrastées, déformations importantes et transport surdes longues distances. Afin de remplir ces objectifs de manière robuste, il est nécessaire que la cohérence thermodynamique du schéma numérique soit vérifiée.Dans le premier chapitre, un schéma de type Lagrange plus projection est proposé pour la simulation d’écoulements diphasiques avec un modèle squelette à six équations et sans termes de dissipation. L’importance de la propriété de préservation des écoulements isentropiques est mise en évidence à l’aide d’une comparaison avec des résultats issus de la littérature pour le test deRansom. Ce chapitre souligne aussi certaines limitations de l’approche Lagrange plus projection pour simuler des modèles multiphasiques.Afin de pallier à ces limitations, une nouvelle procédure de dérivation est proposée afin de construire un schéma mimétique pour la simulation d’écoulements instationnaires compressibles dans un formalisme ALE direct (Arbitrary Lagrangian–Eulerian). La possibilité de choisir a prioriles degrés de liberté permet de s’inscrire dans une continuité avec les schémas historiques décalés, tout en imposant les conservations au niveau discret. L’équation de quantité de mouvement discrèteest obtenue par application d’un principe variationnel, assurant par construction la cohérence thermodynamique des efforts de pression. Cette approche est appliquée au cas d’écoulements monofluides comme preuve de concept au Chapitre 3, puis elle est étendue au cas d’écoulements à Nphasescompressibles au Chapitre 4. Des tests mono et multiphasiques montrent un comportement satisfaisant en terme de conservativité, versatilité aux mouvements de grilles et robustesse. / In some highly demanding fluid dynamics simulations, it appears necessary tosimulate multiphase flows involving numerous constraints at the same time : large numbers of fluids, both isentropic and strongly shocked compressible evolution, highly variable and contrasted equations of state, large deformations, and transport over large distances. Fulfilling such a challengein a robust and tractable way demands that thermodynamic consistency of the numerical scheme be carefully ensured.In the first chapter, a Lagrange plus remap scheme is proposed for the simulation of two-phase flows with a dissipation-free six-equation bakcbone model. The importance of the property of isentropic flow preservation is highlighted with a comparison with Ransom test results fromthe literature. This chapter also also point out certain limitations of the Lagrange plus remap approach for multiphase simulations.In order to overcome these limitations, a novel derivation procedure is proposed to construct a mimetic scheme for the simulation of unsteady and compressible flows in a direct ALE (ArbitraryLagrangian-Eulerian) formalism. The possibility to choose a priori the degrees of freedom allows to obtain a continuity with historical staggered scheme, while imposing conservativity at discretelevel. The discrete momentum evolution equation is obtained by application of a variational principle, thus natively ensuring the thermodynamic consistency of pressure efforts. This approach is applied to single-fluid flows as a proof of concept in Chapter 3, then it is extended to N-phasecompressible flows in Chapter 4. Single- and multi-phase tests show satisfactory behavior in terms on conservation, versatility to grid motions, and robustness.

Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des études actuellement menées au CEA/DAM concernant des schémas numériques ALE (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian)de type « Lagrange + Projection », dans le contexte des simulations hydrodynamiques mutli-matériaux en grandes déformations. Ces schémas doivent respecter les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie totale.Les schémas décalés en temps et en espace sont très utilisés dans les codes industriels. Ils sont robustes et permettent une bonne approximation des comportements complexes, mais sont connus pour ne pas conserver exactement l’énergie totale. Cela pose un problème dans le traitement des chocs, sur maillages raffinés ou dans la simulation des milieux réactifs.En 2016, des travaux originaux on été proposés par A. Llor et. al. pour rendre conservatif ce type de schéma dans un contexte lagrangien (sans projection), notamment en proposant une correction pour retrouver la conservation de l’énergie totale.Le travail de cette thèse a été d’étendre ce schéma lagrangien dans un contexte ALE multi-matériaux (avec interface), en garantissant la conservation de toutes les quantités, le respect du second principe de la thermodynamique et la robustesse. De nombreux cas tests ont été menés (en 2D plan et en 2D axisymétrique) et comparés aux méthodes existantes afin de montrer la pertinence de cette approche. / This PhD subject comes within actual studies managed by CEA/DAM about ALE (Arbitrary-Lagrangian-Eulerian) schemes (with a splitting of Lagrangian and Remapping steps) in the context of hydrodynamic simulations. These numerical schemes have to respect mass, momentum and total energy conservation, which are the fundamental equations of the studied systems.Space- and Time-Staggered are widely used in industrial codes for their simplicity androbustness despite their known lack of exact energy conservation. This is a major drawbackin presence of strong shocks. Among all existing schemes, none of them meet the expectations of robustness, conservation,thermodynamic consistency (both shocks and relaxations capture), accuracy andadaptibility to complex behaviors. Recently, some novel works have been proposed by A.Llor et. al. in order to make conservative this type of scheme in a Lagrangian context (without remapping step). Current remap methods, necessary in large deformations, donot guarantee simultaneously total energy conservation and thermodynamic consistency.This work aims at extending this conservative Lagrangian space- and time-staggeredscheme to a multi-material ALE methodology, keeping its good properties (conservation,accuracy, thermodynamic consistency, robustness) intact. Classical, but demanding, test cases have been performed (both in plane and axisymmetric 2D geometries) and have been compared to existing numerical methods in order to assess the relevance of our approach.