Dans l'industrie d'extraction pétrolière, l'efficacité des séparateurs eau-huile pour la production offshore est cruciale. L'objet de ce travail est de mettre en place les outils numériques nécessaires à la modélisation du fonctionnement de ces systèmes. Les phénomènes physiques entrant en jeu sont principalement : la présence d'interfaces entre des fluides non miscibles, la viscosité de ces fluides, et les effets de tension superficielle. Les modèles physiques et numériques correspondants ont été implémentés dans le cadre de la méthode numérique SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) développée au L.M.F.. Cette méthode numérique appartient à la classe des méthodes particulaires (sans maillage), suivant une approche d'écoulement compressible et avec une résolution explicite. Pour modéliser au mieux les écoulements bifluides, la formulation historique de la SPH a été enrichie par deux approches différentes, développées simultanément. Chacune d'entre elles a été validée séparément. La physique supplémentaire a été rajoutée par des modèles communs qui ont été validés sur différents cas tests tels que l'écoulement de Poiseuille, les instabilités de Rayleigh-Taylor, des cas d'envahissement ou l'évolution de bulles dans un liquide. Ce dernier cas a permis la comparaison aux outils de conception utilisés dans le procédé d'ingénierie de SAIPEM S.A., par l'intermédiaire d'une validation sur la loi de Stokes. Finalement, les capacités de la méthode sont illustrées sur la séparation eau-huile dans un séparateur de géométrie simplifiée.

L'efficacité énergétique des groupes de production d'eau glacée est caractérisée en Europe par un point de fonctionnement nominal, non représentatif du comportement saisonnier. Afin d'élaborer un index des performances saisonnières, il faut déterminer les performances des groupes de production d'eau glacée à charge partielle, ainsi qu'une représentation des conditions de fonctionnement rencontrées au cours d'une saison. Les performances de plusieurs groupes à puissance étagée sont étudiées en régime stationnaire. Les résultats de deux campagnes expérimentales montrent que l'absence de caractérisation des différents régimes de puissance conduit à des erreurs de conception des équipements qui dégradent leur efficacité énergétique à puissance réduite. Un modèle de comportement des performances des groupes à taux de charge et température d'entrée d'air au d'eau variable est réalisé. Une boucle d'essais permettant la caractérisation des performances dans des conditions de fonctionnement dynamique a été mise au point. Cette boucle permet d'étudier la dégradation des performances en cyclage (fonctionnement du type tout ou rien), essentiellement liée à la puissance électrique de veille de l‘alimentation électrique des équipements. De plus, des essais réalisés sur des groupes à puissance étagée montrent l'existence de défauts de régulation qui dégradent l'efficacité énergétique des équipements. Le couplage du modèle de groupe et des courbes de besoins thermiques simulées pour un bâtiment de bureau permet de calculer les performances saisonnières des groupes pour différents climats et systèmes. Il est mis en évidence que l'efficacité nominale ne permet pas de caractériser l'efficacité énergétique moyenne d'un équipement. Une méthode de réduction des besoins thermiques horaires est mise au point. Elle permet de définir un index de calcul des performances saisonnières des groupes de production d'eau glacée européens.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes de mélange et dispersion d'un jet d'hélium dans une cavité semi-confinée remplie d'air. Ce phénomène est ici pris comme un cas mdèle de l'injection d'un gaz léger dans un fluide plus lourd, produisant ainsi un panache. Ce thème est en lien avec la sécurité des systèmes basés sur l'hydrogène. Un modèle numérique a été développé combinant les conditions limites adéquates avec les équations de conservation de la masse du mélange, d'une espèce, de la quantité de mouvement, ainsi que la loi d'état et la variation des propriétes physiques. En premier lieu, le panache d'un mélange eau glycérol est considéré comme cas de validation par comparaison avec des résultats expérimentaux [Rogers & Morris 09]. Le développement d'un panache axisymétrique est modélisé pour de grands nombres de Grashof et petit nombres de Reynolds d'injection. Un bon accord est obtenu pour la vitesse d'ascension du panache ainsi que le type et la forme de la tête. Un loi d'échelle modifiée est proposée. Dans le cas du mélange hélium-air, une cavité 2D est tout d'abord considérée. Les lois d'échelle auto-similaires pour des panaches plans stationnaires en milieu infini [Gebhart et al. 88] ont été reproduites numériquement pour les profils de vitesse verticale et de masse volumique sur l'axe, pour les temps avant l'impact du panache sur le plafond. Puis une cavité cylindrique a été considérée pour modéliser une expérience menée au CEA [Cariteau & Tkatschenko 12]. Les résultats numériques sont comparés aux données des expériences et d'un benchmark numérique. L'effet de l'hypothèse d'axisymétrie a été mis en évidence.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des prévisions aérothermiques qui suscite un intérêt croissant de la part des industriels aéronautiques. Elle consiste à évaluer l'apport des méthodes URANS avancées de type SAS dans la prévision des flux de chaleur turbulents et pariétaux pour des écoulements turbulents chauffés. Elle vise également à situer ces approches par rapport à des modèles URANS classiques de type DRSM et à des méthodes hybrides RANS/LES comme la ZDES. Nous avons dans un premier temps proposé une extension de l'approche SAS à un modèle DRSM afin d'obtenir une meilleure restitution des tensions de Reynolds résolues et modélisées. Ce nouveau modèle SAS-DRSM a été implanté dans le code Navier-Stokes elsA de l'ONERA. Nous avons ensuite évalué l'ensemble des approches SAS disponibles avec ce code sur la prévision de deux écoulements aérothermiques rencontrés sur avion dans un compartiment de moteur. Ces études numériques ont montré que les approches SAS améliorent la représentation des écoulements par rapport aux modèles URANS classiques. Elles aboutissent à des écoulements fortement tridimensionnels présentant de nombreuses structures turbulentes. Ces structures induisent un mélange turbulent plus important et permettent alors une meilleure prévision du flux de chaleur pariétal. Par ailleurs, nos travaux ont permis de situer plus clairement les approches de type SAS comme des méthodes plus précises que les méthodes URANS classiques sans augmentation importante de mise en œuvre ou de coût de calcul. Les modèles SAS ne permettent pas de résoudre les plus petites structures caractéristiques du mouvement turbulent par rapport à la ZDES qui montre ici des prévisions supérieures. Le modèle SAS-DRSM offre néanmoins la meilleure alternative de type SAS. Enfin, l'étude du flux de chaleur turbulent semble retrouver le fait que l'hypothèse de nombre de Prandtl turbulent constant classique des modèles URANS n'est pas valable dans toutes les zones de l'écoulement.

Cette thèse consiste à mettre en place un dispositif scientifique expérimental BOS3D (Background Oriented Schlieren 3D) à l'ONERA permettant la reconstruction du champ de masse volumique instantané d'un écoulement ainsi qu'à développer un algorithme robuste de reconstruction permettant une mise à disposition rapide des résultats considérant un nombre faible de points de vue. Dans un premier temps, nous avons développé un algorithme de reconstruction BOS3D applicable à toutes les configurations expérimentales. Pour cela, le problème direct, c'est-à-dire l'équation de la déviation des rayons lumineux à travers un milieu d'indice optique non homogène, a été reformulé sous forme algébrique. Un critère régularisé permettant la prise en compte explicite du bruit associé à l'expérimentation a ensuite été défini. Cette formulation ainsi que les équations issues des méthodes d'optimisation nécessaires à la minimisation du critère ont été parallélisées pour permettre une implantation sur GPU. Cet algorithme a ensuite été testé sur des cas de références issus de calcul numérique afin de vérifier si le champ reconstruit par l'algorithme était en accord avec celui fourni. Dans ce cadre, nous avons développé un outil permettant de simuler une BOS3D virtuelle afin d'obtenir les champs de déviation associés aux écoulements numériques. Ces champs de déviation ont ensuite été fournis comme entrée au code de reconstruction et nous ont permis d'étudier la sensibilité de notre algorithme à de nombreux paramètres tels que le bruit sur les données, la discrétisation du maillage, le type de régularisation et le positionnement des caméras. En parallèle de l'étude de la méthode de reconstruction par simulation, nous avons acquis de l'expérience sur la mise en œuvre effective de la mesure BOS dans des installations expérimentales, en participant à plusieurs campagnes d'essais. Cela nous a permis de contribuer à la conception et à la réalisation de bancs de mesures dédiés à la technique BOS. Le principal résultat de ce travail est la réalisation du banc de mesure BOS3D du DMAE, qui permet d'accéder à la reconstruction de champs de masse volumique instantanés. Ces développements expérimentaux nous autorisent finalement à obtenir des reconstructions 3D de champs de masse volumiques moyens et instantanés sur données réelles. De plus, l'analyse du comportement de la méthode numérique BOS3D est proposée en fonction de la nature des écoulements observés et de la configuration d'acquisition.

Un nouveau modèle de turbulence adapté aux écoulements turbulents soumis à la flottabilité a été développé en utilisant comme référence la configuration du canal plan vertical différentiellement chauffé. L'étude des DNS disponibles pour chacun des régimes de convection a montré les défauts des relations constitutives classiques conduisant à la mauvaise représentation des écoulements de convection naturelle. Ces modèles ne prennent en compte ni le couplage des champs thermique et dynamique ni l'anisotropie de l'écoulement, tous deux induits par la flottabilité. Une approche algébrique a donc été utilisée. L'hypothèse d'équilibre local a été validée dans une large partie du canal sauf dans la région de paroi et au voisinage d'un gradient de vitesse nul, quel que soit le régime de convection. Les modèles homogènes et pariétaux pour les corrélations de pression ont été étudiés et sélectionnés. Deux modèles EARSM et EAHFM prenant en compte les termes de flottabilité ont été développés. Ces modèles intègrent aussi des traitements spécifiques à la paroi reposant sur la pondération elliptique. Ils sont couplés à un modèle k-ω-kθ-r corrigé pour mieux représenter le pic d'énergie cinétique turbulente près de la paroi. Le modèle complet a été confronté aux DNS sur la configuration du canal pour chacun des régimes de convection à travers des tests a priori. Des calculs complets montrent des résultats très encourageants et de meilleures prévisions que les modèles classiques.

Dans le cadre de certaines applications militaires ou métrologiques, on peut chercher à rendre un objet "invisible" vis-à-vis des ondes acoustiques. Différentes méthodes passives ont été proposées ces dernières années pour éviter ou atténuer la diffraction d'ondes acoustiques sur des obstacles rigides. Ces techniques reposent sur des phénomènes purement acoustiques, avec par exemple la présence de multiples résonateurs ou d'objets diffractants. L'étude présentée ici s'intéresse pour sa part aux effets que l'on pourrait obtenir au moyen d'un revêtement multicouche élastique fixé à un cylindre que l'on souhaite rendre indétectable. Le comportement vibro-acoustique d'un tel revêtement est d'abord modélisé. Par optimisation, on détermine les caractéristiques mécaniques et dimensionnelles des couches permettant une atténuation omnidirectionnelle de la diffraction. Des configurations réalistes de revêtements composés d'une couche orthotrope et d'une couche isotrope sont dégagées dans le cas d'un milieu extérieur constitué d'air. On montre que de tels dispositifs permettent d'atténuer la diffraction à une fréquence donnée ou sur une bande de fréquence. Le problème de la caractérisation expérimentale de ces revêtements est également abordé. Dans un second temps, le cas d'un milieu extérieur constitué d'eau est étudié. On met alors en évidence une réduction de la diffraction avec des revêtements composés de deux couches isotropes. L'influence des différents paramètres de la couche intérieure est analysée. Enfin, des exemples montrent que la bande de fréquence sur laquelle a lieu l'atténuation de la diffraction peut être élargie en augmentant le nombre de couches.

Dans cette étude nous considérons l'interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente dans un écoulement transsonique sur une bosse d'un point de vue expérimentale et théorique, ainsi que dans un écoulement autour d'un profil d'aile. Dans le premier cas, des mesures ont permis de montrer que l'interaction est caractérisée par la coexistence de deux fréquences distinctes, mais l'origine des oscillations basse fréquence est controversée. Des simulations numériques s'appuyant sur les équations RANS permettent une description de l'écoulement moyen, mais ne sont pas capables de reproduire le comportement instationnaire de l'interaction. Nous proposons une étude de stabilité globale : une décomposition en valeurs propres de l'opérateur de Navier-Stokes linéarisé au tour d'un champ de base RANS indique que l'interaction est un phénomène stable, et la dynamique de l'écoulement ne peut pas être décrite par un mode global instable. Nous considérons ensuite une approche linéarisée, où la réceptivité de l'écoulement à un forçage externe est analysée à travers une décomposition en valeurs singulières du Résolvant Global. Cette approche est proposée afin d'expliquer la sélection de fréquence dans cet écoulement, et montre que l'interaction filtre et amplifie le bruit résiduel existant : certaines perturbations sont plus amplifiées dans la couche de mélange, tandis que le choc semble se comporter comme un filtre passe-bas. La même approche est enfin appliquée sur un cas d'écoulement transsonique autour d'un profil d'aile, qui peut présenter des oscillations périodiques de l'onde de choc. La décomposition en valeurs propres de l'opérateur de Navier-Stokes linéarisé est capable de décrire la dynamique instationnaire quand un mode instable est présent. Cependant, la décomposition en valeurs singulières du Résolvant Global peut indiquer la présence des instabilités convectives qui sont responsables du comportement instationnaire à moyenne fréquence de l'écoulement.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique des forces fluides s'exerçant sur un cylindre ou un faisceau de cylindres oscillant latéralement en écoulement axial. Les paramètres de ce système sont l'amplitude, la fréquence d'oscillation, la vitesse de l'écoulement axial, le confinement et le rapport entre la longueur et le diamètre du cylindre. L'objectif de la thèse est de déterminer l'amortissement fluide, c'est-à-dire la force dissipative, créé par l'écoulement axial. Les résultats des travaux de thèse ont pour application industrielle la détermination de l'amortissement fluide des assemblages combustibles dans le cœur des centrales nucléaire lors d'un séisme. On s'intéresse dans le cadre de la thèse uniquement aux configurations pour lesquelles la vitesse d'oscillation latérale est faible devant la vitesse d'écoulement axial. Dans une première partie, on étudie le cas d'un cylindre non confiné oscillant en écoulement axial. Deux méthodes différentes sont utilisées : une dynamique et une quasi-statique. En dynamique, l'amortissement fluide est mesuré par la décroissance des oscillations pour un cylindre en oscillations libres. Dans l'approche quasi-statique, l'amortissement se déduit de la force normale mesurée sur un cylindre incliné. La gamme des faibles ratios entre la vitesse latérale et la vitesse axiale correspond, en statique, à une gamme de faibles inclinaisons où le cylindre est en écoulement quasi-axial. Le cas de l'approche quasi-statique a été traité expérimentalement dans des expériences en soufflerie et numériquement avec des calculs CFD. L'analyse des forces fluides montre que pour des inclinaisons inférieures à 5°, une portance linéaire avec l'angle contribue majoritairement à l'amortissement. L'origine de la force de portance est discutée à partir des mesures de pression à la paroi et de vitesses fluides. Les résultats de l'approche quasi-statique sont comparés aux résultats donnés par les expériences dynamiques. Dans une seconde partie, une étude expérimentale d'un faisceau confiné de 40 cylindres oscillant dans un écoulement axial d'eau est réalisée. La force et le déplacement sont mesurés simultanément. Les coefficients de masse ajoutée et d'amortissement sont évalués et leur variation en fonction de l'amplitude, la fréquence d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial est caractérisée. On montre ainsi que le coefficient d'amortissement dépend d'un unique paramètre : le rapport entre l'amplitude de la vitesse d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial.

Ce travail de thèse expérimental porte sur les dynamiques d'imbibition en milieu confiné. Cette situation survient lorsque un fluide mouillant les parois d'un solide vient déplacer un second fluides non-miscible. La divergence des contraintes visqueuses au niveau de la ligne de contact avec le solide complexifie la description de la forme et de la dynamique d'invasion du ménisque qui ne peut se résumer, même aux échelles macroscopique du confinement solide, à l'avancement d'un front liquide homogène. L'absence de longueur caractéristique intrinsèque aux fluides nécessite de tenir compte des couplages entre écoulement et forme des interfaces à toutes les échelles, depuis le nanomètre (interactions moléculaires) jusqu'à l'échelle du confinement (une centaine de micromètres dans nos expériences). Ce caractère multi-échelle est au centre des travaux effectués durant cette thèse. A l'aide du développement de nouveaux outils micro-fluidiques, nous étudions quantitativement l'imbibition dans une géométrie de type Hele-Shaw. Une étude à la fois expérimentale et numérique nous permet de mettre en évidence l'existence d'une nouvelle transition d'entrainement. Une étude complète du modèle numérique nous permet ensuite d'unifier ce nouveau mode avec celui reporté jusqu'à présent dans la littérature. Nous nous intéressons aussi à l'imbibition dans des réseaux poreux modèle. Nous identifions alors expérimentalement un nouveau mode d'invasion généralisant l'entrainement obtenu précédemment. Ce scénario est piloté par l'écoulement en film de coin autour des obstacles constituant le poreux. Nous proposons alors un critère géométrique simple pour discriminer les différents modes d'invasions.