La compréhension de l'effet des petites échelles turbulentes sur l'organisation des grandes échelles des écoulements océaniques est un problème important, tant pour la description des courants de surface que pour la structure verticale des océans. Ces écoulements sont caractérisés par un nombre de degrés de liberté très élevé qui rend illusoire toute approche déterministe. Les outils de mécanique statistique permettent en revanche de réduire ces problèmes à l'étude de quelques paramètres. Dans la première partie, nous appliquons la mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels à l'étude de modèles simples d'océan. Il s'agit de comprendre les phénomènes d'organisation des courants à grande échelle. La seconde partie est une approche phénoménologique du mélange turbulent dans les fluides stratifiés. Il s'agit de décrire l'évolution temporelle de la probabilité de mesurer une certaine densité de fluide à une profondeur donnée.

Cette thèse porte sur l'utilisation de modèles hyperboliques pour la simulation des écoulements diphasiques compressibles, pour trouver des alternatives au modèle bifluide classique. Nous établissons tout d'abord une hiérarchie des modèles diphasiques, obtenue selon des hypothèses d'équilibres des variables physiques entre chaque phase. L'utilisation de développements de Chapman-Enskog permet de relier entre eux les différents modèles existants. De plus, des modèles prenant en compte de petits déséquilibres physiques sont obtenus par des développements à l'ordre un. La deuxième partie de cette thèse porte sur la simulation des écoulements caractérisés par des déséquilibres de vitesses et des équilibres de pression, que nous modélisons de deux manières différentes. Tout d'abord, un modèle à deux vitesses et deux pressions est utilisé, avec l'application de relaxations des vitesses et pressions à temps finis afin d'obtenir un retour à l'équilibre de ces grandeurs. On propose ensuite un nouveau modèle dissipatif à une vitesse et une pression, où l'apparition de termes du second ordre permet de prendre en compte les déséquilibres de vitesse entre les phases. Une méthode numérique basée sur une approche par pas fractionnaires est développée pour ce modèle.

Le comportement d'une particule sphérique rigide<br />immergée dans un fluide newtonien est étudié au<br />moyen d'une méthode de Simulation Numérique Directe.<br />Dans une première partie, un modèle de type '1-Fluide'<br />assorti d'une technique de pénalisation de la viscosité<br />est décrit, puis différentes méthodologies numériques<br />sont associées pour résoudre les difficultés inhérentes<br />aux fortes contraintes physiques. Par la suite, la<br />pertinence du modèle est prouvée par une série<br />de validations fondées sur une bibliographie <br />exhaustive des écoulements bi ou tri-dimensionnels,<br />et pour des régimes d'écoulement faiblement inertiels.<br />Avec l'appui de résultats expérimentaux et numériques<br />originaux obtenus à la suite d'une collaboration scientifique, <br />nos expériences numériques sont alors<br />systématiquement validées sur la base de champs PIV<br />pour des régimes inertiels. Notre investigation se<br />focalise ensuite sur des écoulements dont la<br />dynamique est plus importante, pour aboutir à la mise<br />en évidence d'instabilités attestant de la transition<br />vers des écoulements et des trajectoires chaotiques.

Le but de ce travail est d'établir les lois de comportement régissant l'écoulement de fluides magnétiques dans des capillaires et des milieux poreux et d'étudier les mécanismes de contrôle de ces écoulements par l'application d'un champ magnétique. Deux types de fluides magnétiques sont utilisés à cet effet: les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques (MR).<br />Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.<br />On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.<br />On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.<br />Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.

Le but de cette étude est la génération de conditions d'entrée réalistes pour des simulations numériques instationnaires d'écoulements turbulents. La stratégie retenue consiste à générer, à partir de données expérimentales sous-résolues temporellement et d'une approche de type système dynamique d'ordre bas, des conditions d'entrée représentatives de la dynamique des structures à grande échelle de l'écoulement dans la section de mesure. Trois phases sont nécessaires à la réalisation d'un tel couplage : constitution d'une base de données expérimentale par mesures par Vélocimétrie par Imagerie de Particules Stéréoscopique deux plans décalés en temps (DT-SPIV), construction d'un modèle d'ordre bas (LODS) à partir de la base de données, adaptation du maillage expérimental au maillage de la face d'entrée de la simulation. La méthode de couplage proposée est testée dans deux configurations d'écoulement de couche de mélange plane turbulente se développant en aval d'une plaque au bord de fuite de type biseauté ou de type culot. La qualification de ces deux écoulements est réalisée à l'aide de mesures en deux points par anémométrie à fils chauds, permettant, entre autres, une analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Pour chaque écoulement, une base de données est constituée par DT-SPIV afin de pouvoir construire, par une méthode originale d'identification polynomiale de système dynamique, un modèle reproduisant la dynamique temporelle des structures cohérentes de l'écoulement. Finalement, les données instationnaires obtenues sont utilisées comme conditions d'entrée d'une simulation de type simulation aux grandes échelles d'une couche de mélange turbulente.

Le but de ce travail expérimental est de caractériser les écoulements inhomogènes <br />dans deux systèmes distincts : une solution de micelles géantes et des émulsions concentrées. <br />Une étude rhéologique " classique " ne suffit pas car elle ne renseigne en <br />rien sur la structuration spatiale de l'écoulement. <br />Grâce à deux techniques de vélocimétrie locale <br />(la diffusion de lumière en mode hétérodyne et un dispositif de vélocimétrie ultrasonore <br />mis en place au cours de cette thèse), <br />nous sommes capables de mettre en évidence des écoulements inhomogènes <br />dans les deux systèmes, et également de résoudre la dynamique <br />spatiale et temporelle des champs de vitesse.<br />L'existence d'une dynamique<br />rapide de l'écoulement dans la solution de micelles géantes<br />est ainsi mise en évidence. Des expériences transitoires révèlent en outre<br />une mise à l'équilibre extrêmement lente de ce système associée à la croissance d'une<br />bande fortement cisaillée.<br />Cette étude nous permet également d'accéder au comportement rhéologique local de différentes<br />émulsions concentrées. Il apparaît alors que la formulation des émulsions, et en particulier les interactions entre <br />gouttelettes, ont une influence notable sur le comportement en écoulement de ces systèmes.

Ce travail de thèse est dédié à l'étude des liens génétiques existant entre les plis et les fractures formés dans la croûte terrestre superficielle, i.e., dans le domaine élastique/fragile. Ce problème est abordé à la fois d'un point de vue académique et dans la perspective d'une amélioration de l'exploration et de la production des réservoirs naturels (eau et hydrocarbures). <br />Les principaux résultats de ce travail sont les suivants :<br />- Une classification originale des relations entre plis et fractures est établie sur la base d'études comparatives de terrain. La cinématique et les origines mécaniques des différentes associations observées sont discutées, ainsi que de possibles implications au niveau de la dynamique dans les réservoirs plissés fracturés sont proposées.<br />- Le rôle prédominant de zones de fractures appelées articulations sur l'accommodation de la courbure des plis est démontré par de nombreuses études de terrain. Une typologie de ces zones de fractures est proposée sur la base d'exemples naturels et leur origine mécanique est discutée. L'origine mécanique de ces articulations est précisée dans une étude expérimentale. On utilise des multicouches de paraffine cassante, sollicités dans un dispositif de chargement original. Ce dispositif permet une étude paramétrique des conditions de chargement et de la structure du multicouche, tout en autorisant l'observation en continu de la déformation. Les paramètres les plus importants contrôlant la distribution des articulations et leur évolution géométrique sont la pression de confinement et la friction interfaciale dans le multicouche.<br />- On présente en outre une étude de cas intégrant l'ensemble des résultats et des concepts. Il s'agit de l'anticlinal de la Montagna della Majella (Italie), qui représente un analogue de réservoir plissé/fracturé.<br />- Des implications des résultats précédents aux problèmes des écoulements dans les réservoirs sont discutées.

Le but de cette thèse est d'optimiser un modèle aux tensions de Reynolds. Des contraintes lui sont appliquées pour reproduire l'influence d'un gradient de pression sur la structure de la couche limite. Ceci a conduit à revoir le comportement des modèles de turbulence au voisinage d'une frontière libre. On obtient un comportement différent de celui classiquement supposé : la solution en puissance attendue est incluse dans une solution plus complexe. Les contraintes pour la frontière libre sont alors incompatibles avec les autres contraintes. Le caractère intermittent de la frontière libre a dû être pris en compte afin de découpler le comportement du modèle au voisinage d'une frontière libre de son comportement dans une région pleinement turbulente, ceci dans le but de satisfaire toutes les contraintes. Le modèle construit est optimisé sur les écoulements libres et la couche limite pour laquelle les contraintes imposées apportent une amélioration sensible.

Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.

L'étude des mécanismes de formation d'un spray à partir d'un écoulement liquide-gaz est un sujet de recherche fondamental, et dont les applications industrielles sont nombreuses, notamment dans le domaine de la combustion et de la propulsion. La simulation numérique de tels écoulements apparaît comme un complément indispensable aux expériences et aux théories pour aboutir à une compréhension et à une prédiction fine de tels phénomènes physiques. Durant cette étude nous avons développé une technique numérique de suivi d'interface couplée à un solveur des équations de Navier-Stokes afin d'étudier précisément la dynamique de l'interface qui sépare la phase liquide de la phase gazeuse. Nous décrivons en détail la méthode Level Set qui a été utilisée durant cette étude pour suivre le mouvement de l'interface, ainsi que les techniques numériques utilisées pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Notamment différents schémas numériques sont testés pour que la précision du code de calcul développé soit optimal. Le couplage entre les équations du mouvement et le suivi d'interface peut être effectué par différentes techniques. L'utilisation de la Ghost Fluid Method pour réaliser ce couplage permet de préserver numériquement le caractère discontinu de l'interface liquide-gaz tout en proposant une discrétisation des équations précises et robustes. Les codes développés (2D, 3D parallélisation MPI) sont ensuite utilisés pour étudier des collisions de gouttes. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques sont très probantes et mettent en valeur la prédictibilité des calculs effectués. D'autres configurations plus complexes sont étudiées dans le cadre d'une étude de faisabilité. L'étude de l'atomisation primaire d'un jet liquide continu en un spray de gouttelettes semble notamment être un domaine d'investigation particulièrement prometteur pour ce type de simulations. Enfin l'étude d'interfaces dites « réactives » comme la vaporisation d'un liquide et la propagation de flammes prémalangées a également été abordé en utilisant la Ghost Fluid Method pour imposer les conditions de saut spécifiques à ce type de phénomènes.