En périmètre irrigué, les flux de remontée capillaires à partir de nappes peu profondes peuvent conduire à la salinisation des sols. Lorsque le drainage naturel du sol est insuffisant, la mise en place d'un drainage artificiel est souvent indispensable pour évacuer une fraction de la dose d'irrigation (fraction de lessivage) pour maintenir un équilibre des sels dans le sol. Le fonctionnement du drainage dans ces conditions est fortement influencé par les flux de remontée capillaires qui alimentent l'évapotranspiration et qui participent aussi au tarissement de la nappe. Cependant, les règles de conception classique du drainage, héritées des régions à climat tempéré, négligent les interactions entre drainage et évapotranspiration. L'objectif de ce travail est d'apporter des éléments de compréhension sur les interactions des flux de remontée capillaire avec le fonctionnement hydraulique du drainage, afin d'en améliorer les règles de conception. Les mécanismes de prélèvement par évaporation dans une nappe peu profonde sont tout d'abord étudiés en cuve lysimétrique. Cette étude fait apparaître les conséquences des variations journalières de la demande évaporatoire sur les intensités de prélèvement dans la nappe ; elle révèle également la difficulté d'utiliser le concept de porosité de drainage en phase de prélèvement par évaporation dans la nappe. Le fonctionnement de la zone saturée est ensuite modélisé par l'équation de Boussinesq intégrée à l'échelle du système drainant ; l'influence de l'imposition d'une condition à la limite (pluie ou prélèvement par évaporation) au toit de la nappe sur les débits et les hauteurs de nappe à l'interdrain simulés par le modèle est étudiée ; la variabilité de la forme de la nappe et ses conséquences sur les débits drainés sont mis en évidence. Le modèle permet d'entrevoir une nouvelle approche de conception basée sur le calcul de la restitution des réseaux et sur la vérification du critère de fraction de lessivage.

Dans cette thèse, une formulation pour l'extraction du couple " champ lointain " d'un rotor d'hélicoptère en vol stationnaire est présentée. Cette formulation est dérivée de la méthode d'extraction de la traînée " champ lointain " d'un avion, basée sur les travaux de van der Vooren et Destarac [?, ?, ?]. Un outil développé à l'Onera à partir de cette théorie permet de donner une analyse complète de la traînée aérodynamique d'un avion. Il est basé sur l'analyse physique et locale de l'écoulement calculé autour de l'aéronef, et décompose la traînée totale, aussi appelée traînée mécanique, en composantes physiques. Ces composantes physiques peuvent être définies comme suit : 1) la traînée d'onde, 2) la traînée visqueuse, 3) la traînée induite. L'adaptation de la méthode d'extraction de la traînée d'un avion à un rotor en vol stationnaire nécessite l'utilisation du couple rotor à la place de la traînée de l'avion, ce qui donne la décomposition suivante : 1) le couple d'onde, 2) le couple visqueux, 3) le couple induit. Les simulations de rotor diffèrent de celles de l'avion dans la mesure où les équations d'Euler (ou RANS) ne sont pas écrites dans le même repère de référence : les simulations d'avion utilisent généralement une formulation en vitesse relative tandis que les simulations d'un rotor d'hélicoptère utilisent la vitesse absolue projetée dans le repère relatif. Cette différence conduit à deux formulations différentes des équations de l'écoulement, et nécessairement deux formulations différentes de l'extraction de la traînée ou du couple. Ce changement de repère implique aussi des changements dans les quantités thermodynamiques utilisées, en particulier l'utilisation de la rothalpie à la place de l'enthalpie d'arrêt pour déterminer le couple dû aux phénomènes irréversibles. Une application de cette méthode est présentée sur un rotor quadripale créé pour cette étude et montre comment cette nouvelle approche peut améliorer la précision de l'extraction des performances d'un rotor à partir de résultat issu de la simulation numérique.

Cette thèse s'intéresse à la mise en œuvre d'une technique de contrôle d'écoulements, d'un point de vue à la fois numérique et expérimental. L'objectif de cette technique est la réduction de perturbations au sein d'écoulements dominés par la convection. Dans ce but, trois aspects sont développés au sein d'un première partie. On observe tout d'abord que dans de tels systèmes l'information voyage essentiellement vers l'aval. Pour cette raison les perturbations doivent être mesurées le plus tôt possible, en plaçant les capteurs en amont. Cette idée intuitive est étudiée quantitativement en introduisant le concept de " longueur de visibilité ". Ensuite, une description de l'écoulement est obtenue à l'aide de technique d'identification de systèmes. Ces outils présentent l'avantage de construire des modèles en se fondant uniquement sur des données accessibles au sein d'une expérience. Enfin, une approche de contrôle du type feed-forward étant particulièrement appropriée pour ces écoulements, une comparaison théorique et numérique avec la théorie classique LQG (Linear Quadratic Gaussian) est menée. Dans une seconde partie, ces trois aspects sont pris en compte dans une procédure d'identification et de contrôle qui est simplifiée de manière à faciliter une mise en place expérimentale. En particulier, les réponses impulsionnelles du système sont identifiées puis utilisées directement dans le calcul de la loi de contrôle. Cette technique repose alors uniquement sur de simples minimisations par moindres carrés et présente l'avantage d'être fondée sur des quantités aux interprétations physiques claires, telles que des vitesses de convection ou des fréquences caractéristiques. Enfin, dans une dernière partie, la procédure est appliquée expérimentalement au contrôle de perturbations dans une écoulement de Poiseuille à Re =870. Dans cette expérience, l'amplitude du signal mesuré par un capteur objectif a pu être réduite de 45%.

La présente étude a permis de mettre au point une méthode itérative de calcul non-linéaire des structures super-cavitantes. Le coefficient de pression au bord d'attaque de la structure est obtenu avec une grande précision, ce qui est essentiel pour la prévision du domaine de cavitation. En écoulement 2D le cas de l'aile super-cavitante à extrados mouillé est traité et la méthode permet de déterminer le point de décollement de la cavité à l'extrados. Le calcul de l'aile à extrados complètement dénoyé est rendu ainsi possible. Le cas des cavités très courtes est obtenu avec une grande précision. Ces trois problèmes n'avaient jamais été résolus auparavant. En écoulement 3D, pour des ailes à envergure finie, une méthode de résolution matricielle spécifique a été mise au point. C'est une méthode de Gauss Seidel par blocs, chaque bloc étant inversé par la méthode de Householder (orthogonalisation de Schmidt). La méthode nécessite des temps de calcul importants mais la richesse des indications qu'elle fournit pourra la faire préférer à d'autres méthodes moins onéreuses sur le plan informatique mais ne permettant pas d'avoir une description de l'écoulement aussi précise. Un champ d'application particulièrement intéressant a été celui des structures sub-cavitantes fonctionnant avec une cavité partiellement développée à partir du bord d'attaque. Les résultats sont très précis et comparés à certaines valeurs expérimentales.

Une méthode de calcul non-linéaire d'écoulement autour de structures minces par la méthode des singularités est présentée. Le concept de minimisation est développé et appliqué à des configurations sub-cavitantes, partiellement cavitantes et super-cavitantes. Ce concept est relatif aux erreurs numériques commises sur les débits de fuite. Le calcul non-linéaire de la géométrie de la poche de cavitation est obtenu par une procédure itérative. La méthode est validée par différentes comparaisons des résultats avec les résultats de référence issus de la littérature. Le cas de la grille d'aubes a été traité, les résultats comparés à ceux obtenus avec une méthode d'éléments finis. La comparaison est excellente. Le code de calcul a été étendu au calcul 3D de l'écoulement autour d'une aile partiellement cavitante et super-cavitante en présence d'une surface libre ainsi qu'au calcul 3D d'une hélice sub-cavitante, suivie de son sillage, en écoulement tournant. Les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux.

Lors du traitement en poche de l'acier liquide, les inclusions sont transportées vers l'interface métal liquide/laitier où elles sont capturées. Près de l'interface, le mouvement des inclusions est ralenti sous l'effet des interactions hydrodynamiques avec celle-ci. Afin d'étudier ces interactions, deux maquettes froides ont été mises en œuvre, où les inclusions sont modélisées par des billes millimétriques de densité intermédiaire entre celles de deux liquides transparents. Ces dispositifs nous ont permis de mesurer les variations du coefficient de frottement fen fonction de d/R (d est la distance du centre de la bille à l'interface non déformée et R est le rayon de la bille) pour différentes valeurs du nombre de Bond particulaire Bop, du rapport de différences de densités β et du rapport de viscosités λ. Lorsque d⁄(R>2), les points expérimentaux sont en accord avec le modèle de Bart pour une interface indéformable. fdépend fortement de λ et faiblement de  et Bop.Lorsque d⁄(R≤2), on distingue deux modes de relaxation vers l'équilibre. Lorsque 〖Bo〗_p≪1, la déformation reste faible et le régime de Bart est suivi par le régime de Taylor où (f~R)⁄h (h est l'épaisseur du film de liquide séparant la particule de l'interface). Lorsque 〖Bo〗_p≳1, l'interface se déforme significativement pour atteindre localement la courbure de la bille et le drainage du film s'effectue en régime de Reynolds où f~(R⁄h)^3. Les variations de 1/f en fonction de l'écart à l'équilibre présentent une inflexion que nous attribuons à la transition vers le régime de Reynolds et qui apparaît d'autant plus tôt lors de la relaxation vers l'équilibre que λ est élevé. Dans le régime de transition, fne dépend que de l'écart à la position d'équilibre et de λ. En régime de Reynolds, fest une fonction croissante de λ, 〖Bo〗_p et β, en accord avec le modèle de drainage de Hartland.

Le groupe de recherche CAMUS de l'Université de Sherbrooke a conceptualisé et breveté en 2011 une nouvelle architecture de turbine à gaz nommé SRGT (Supersonic Rim-Rotor Gas Turbine). Aucune démonstration expérimentale n’a encore permis d’évaluer ses performances. Ce projet de maitrise consiste donc à l’analyse de la dynamique des gaz d’une turbomachine de type SRGT afin d’évaluer la possibilité de générer de la puissance nette positive en régime permanent. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir les composantes aérodynamiques d’une turbine à gaz SRGT en mode supersonique et de caractériser l’écoulement sur toute la plage d’opération du moteur. Ainsi, on pourra évaluer le potentiel de cette technologie et la pertinence de continuer le développement vers un produit futur. L’évaluation des performances aérodynamiques des composantes du moteur a été effectuée selon un modèle analytique 1D généralisé des écoulements compressibles et selon l’analyse des triangles des vitesses. Des simulations numériques par la méthode de la mécanique des fluides numérique (CFD) ont permis de valider le modèle analytique du moteur. Le point d’opération du moteur (vitesse du moteur de 125 000 rpm, débit massique d’air de 130 g/s, rapport de pression du compresseur de 2.75 et température maximum à l’entrée de la turbine de 1000 K) a été sélectionné afin de produire une puissance nette de plus de 1 kW. Un prototype a été fabriqué et mis en fonction sur un banc de test développé spécialement pour le moteur. L’expérimentation a démontré que le compresseur peut fournir un rapport de pression de plus de 1.35 à 100 krpm pour un débit massique d’air supérieur à 50 g/s. La carte de performance du compresseur a été obtenue expérimentalement ainsi que ses limites d’opérations (limite de blocage et de pompage) pour des vitesses jusqu’à 90 krpm. Des tests d’allumage ont démontré que le moteur avait un gain de puissance de plus de 1 kW durant sa phase d’accélération, bien que la puissance nette du moteur reste négative. La caractérisation de la turbine n’a pas pu révéler si sa conception était adéquate en mode supersonique. L’expérimentation du prototype n’a pas permis de valider si le moteur peut produire une puissance nette positive en régime permanent.

Aujourd'hui divers systèmes de propulsion marins existent dont les systèmes de propulsion à jet. De nombreuses études ont été réalisées au cours des vingt dernières années et plus particulièrement par le biais de la simulation numérique ( Computational Fluid Dynamics , ( CFD )). Un modèle numérique simulant l'écoulement au travers un système de propulsion avec une pompe en rotation est développé dans ce projet. Il est également validé avec des résultats expérimentaux obtenus par d'autres chercheurs. Pour se [i.e. ce] faire, différentes étapes sont réalisées. En premier lieu, des paramètres tels que le maillage, le modèle de turbulence ou la modélisation de la rotation du rotor sont validés numériquement sur deux géométries. Le premier cas, bien documenté, correspond à un écoulement au travers une conduite en forme de"S" de section divergente et validé expérimentalement. Le second cas est une pompe où le rotor est en mouvement dans l'écoulement. Un modèle à multiple systèmes de référence ( Multiple Reference Frame,MFR ) est utilisé pour simuler la rotation de la pompe. Les paramètres numériques sont alors fixés pour la suite de l'étude. Ensuite un inodéle numérique d'un système de propulsion à jet d'une motomarine est développé dans un volume de contrôle réduit. Il prend en compte l'ensemble de la géométrie de la propulsion : la pompe en rotation, le venturi et une partie de la coque réelle du véhicule. Les conditions aux frontières sous la coque sont imposées grâce aux données d'une simulation complète du véhicule entier. Ce modèle est validé expérimentalement à deux vitesses (25 mph et 69 mph). Le comportement de l'écoulement est ensuite analysé. Finalement diverses variations géométriques sont effectuées telles que la supression [i.e. suppression] d'appendices dans la conduite ou le déplacement latéral de la lèvre de l'entrée d'eau à divers IVR, Inlet Velocity Ratio (rapport entre la vitesse du véhicule et celle de la pompe). Une augmentation des performances du système est observée à un certain IVR pour une supression [i.e. suppression] d'appendice donnée. La présence d'une plaque permettant le redressement de l'écoulement au niveau de la grille est néfaste à la poussée de même que la présence de l'arbre ou d'ailettes situées à l'entrée de la pompe. Le déplacement de la lèvre a pour objectif de déterminer la position optimale qui permet d'obtenir la meilleure augmentation de performance pour un IVR .

Depuis une vingtaine d’années, l’engouement pour les propulsions hydrojets n’a fait que croître et elles s’imposent aujourd’hui comme la propulsion marine incontournable pour les hautes vitesses. Dans un même temps, un outil permettant un gain considérable de temps et d’argent s’est lui aussi développé considérablement. En effet, la CFD (Computational Fluid Dynamics) est devenue une pratique courante lorsqu’il s’agit de prévoir le comportement d’un écoulement sans avoir à passer par un modèle réel. Elle sera utilisée tout au long du projet pour simuler le flux au travers de la propulsion. Le design d’une entrée d’eau est capital : une entrée d’eau mal conçue engendrera des zones de cavitation, de la recirculation sur la lèvre ou la rampe, des pertes importantes et un champ de vitesse non uniforme à la face de la pompe. Il en résultera une diminution du rendement de l’entrée, mais aussi une diminution du rendement de la pompe, puisqu’optmisée pour un flux uniforme. L’objectif de ce projet sera d’optimiser l’entrée d’eau pour augmenter le rendement global de la propulsion et ainsi réduire la consommation d’essence de 6 % sur un cycle donné. Actuellement, les conduites d’entrées sont conçues pour optimiser une vitesse de croisière moyenne. Dans ce projet, le but sera d’éviter d’avoir un compromis à faire entre les basses vitesses, la vitesse de croisière et la vitesse de pointe, et d’optimiser la géométrie de l’entrée pour une large plage de fonctionnement. Cela passe par une géométrie variable et donc un mécanisme asservi. Afin de concevoir un tel système, il sera nécessaire de trouver les géométries optimales pour les différents régimes de fonctionnement. Une étude CFD 2D paramétrable permettra de trouver les lignes directrices de ces géométries. Un modèle 3D devra ensuite être validé, puis utilisé pour pouvoir affiner les géométries optimales. Un système sera alors conçu puis testé sur le modèle CFD. Des tests expérimentaux viendront finaliser l’étude.

<p align="justify">This work is a theoretical contribution to the study of thermo-hydrodynamic instabilities in fluids submitted to surface-tension (Marangoni) and buoyancy (Rayleigh) effects in layered (Benard) configurations. The driving constraint consists in a thermal (or a concentrational) gradient orthogonal to the plane of the layer(s).</p> <p align="justify">Linear, weakly nonlinear as well as strongly nonlinear analyses are carried out, with emphasis on high Prandtl (or Schmidt) number fluids, although some results are also given for low-Prandtl number liquid metals. Attention is mostly devoted to the mechanisms responsible for the onset of complex spatio-temporal behaviours in these systems, as well as to the theoretical explanation of some existing experimental results. </p> <p align="justify">As far as linear stability analyses (of the diffusive reference state) are concerned, a number of different effects are studied, such as Benard convection in two layers coupled at an interface (for which a general classification of instability modes is proposed), surface deformation effects and phase-change effects (non-equilibrium evaporation). Moreover, a number of different monotonous and oscillatory instability modes (leading respectively to patterns and waves in the nonlinear regime) are identified. In the case of oscillatory modes in a liquid layer with deformable interface heated from above, our analysis generalises and clarifies earlier works on the subject. A new Rayleigh-Marangoni oscillatory mode is also described for a liquid layer with an undeformable interface heated from above (coupling between internal and surface waves).</p> <p align="justify">Weakly nonlinear analyses are then presented, first for monotonous modes in a 3D system. Emphasis is placed on the derivation of amplitude (Ginzburg-Landau) equations, with universal structure determined by the general symmetry properties of the physical system considered. These equations are thus valid outside the context of hydrodynamic instabilities, although they generally depend on a certain number of numerical coefficients which are calculated for the specific convective systems studied. The nonlinear competitions of patterns such as convective rolls, hexagons and squares is studied, showing the preference for hexagons with upflow at the centre in the surface-tension-driven case (and moderate Prandtl number), and of rolls in the buoyancy-induced case.</p> <p align="justify">A transition to square patterns recently observed in experiments is also explained by amplitude equation analysis. The role of several fluid properties and of heat transfer conditions at the free interface is examined, for one-layer and two-layer systems. We also analyse modulation effects (spatial variation of the envelope of the patterns) in hexagonal patterns, leading to the description of secondary instabilities of supercritical hexagons (Busse balloon) in terms of phase diffusion equations, and of pentagon-heptagon defects in the hexagonal structures. In the frame of a general non-variational system of amplitude equations, we show that the pentagon-heptagon defects are generally not motionless, and may even lead to complex spatio-temporal dynamics (via a process of multiplication of defects in hexagonal structures).</p> <p align="justify">The onset of waves is also studied in weakly nonlinear 2D situations. The competition between travelling and standing waves is first analysed in a two-layer Rayleigh-Benard system (competition between thermal and mechanical coupling of the layers), in the vicinity of special values of the parameters for which a multiple (Takens-Bogdanov) bifurcation occurs. The behaviours in the vicinity of this point are numerically explored. Then, the interaction between waves and steady patterns with different wavenumbers is analysed. Spatially quasiperiodic (mixed) states are found to be stable in some range when the interaction between waves and patterns is non-resonant, while several transitions to chaotic dynamics (among which an infinite sequence of homoclinic bifurcations) occur when it is resonant. Some of these results have quite general validity, because they are shown to be entirely determined by quadratic interactions in amplitude equations.</p> <p align="justify">Finally, models of strongly nonlinear surface-tension-driven convection are derived and analysed, which are thought to be representative of the transitions to thermal turbulence occurring at very high driving gradient. The role of the fastest growing modes (intrinsic length scale) is discussed, as well as scalings of steady regimes and their secondary instabilities (due to instability of the thermal boundary layer), leading to chaotic spatio-temporal dynamics whose preliminary analysis (energy spectrum) reveals features characteristic of hydrodynamic turbulence. Some of the (2D and 3D) results presented are in qualitative agreement with experiments (interfacial turbulence).</p>