Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale. / Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation.

La présente étude se fonde sur la méthode du volume de fluide (en anglais VOF pour Volume-of-Fluid), proposée à l'origine par Hirt et Nicols. L'objectif de la première partie de ce travail est l'étude hydrodynamique de la cavitation isotherme dans les grands nuages de bulles. Cette étude s'inscrit plus généralement dans un large effort de recherche en micro--écaillage mené par le CEA. Une méthode capable de traiter la présence de cavités de vapeur de volume variable ou encore de pores a été formulée et implémentée dans un code existant, PARIS. L'écoulement est idéalisé en supposant un liquide parfait, des effets thermiques négligeables et une pression de vapeur nulle. Une étude innovante est présentée, traitant de l'interaction du nuage de bulles dans un liquide en expansion par simulation numérique directe. Les résultats des simulations révèlent l'existence d'un concours de cavités dans un certain régime caractérisé par le nombre de Weber.Dans la deuxième partie de l'étude, le système d'équations à résoudre est modifié et généralisé afin de décrire l'écoulement incompressible d'un fluide diphasique tout en incluant la possibilité d'un changement de phase à l'interface. Une nouvelle méthode VOF est proposée, dans laquelle une nouvelle technique d'advection de la fonction VOF permet de traiter à la fois la conservation de la masse et de l'énergie sous une forme conservative. Les expériences numériques démontrent la précision, la robustesse et la généralité de la méthode proposée, et témoignent d'un développement fondamental important pour l'application des méthodes VOF à la modélisation des changements de phase. / Direct numerical simulation of two-phase ow is used extensively for engineering research and fundamental fluid physics studies [54, 81]. This study is based on the Volume-Of-Fluid (VOF) method, originally created by Hirt and Nicols [30]. This method has gained increased popularity, especially when geometric advection techniques are used coupled with a planar reconstruction of the interface [14, 89]. The focus of the first part of this work is to investigate the hydrodynamics of isothermal cavitation in large bubble clouds, which originated from a larger study of micro-spalling [61], conducted by the French CEA. A method to deal with volume-changing vapour cavities, or pores, was formulated and implemented in an existing code, PARIS . The ow is idealized by assuming an inviscid liquid, negligible thermal effects and vanishing vapour pressure. A novel investigation of bubble cloud interaction in an expanding liquid using direct or detailed numerical simulation is presented. The simulation results reveal a pore competition, which is characterised by the Weber number in the ow. In the second part of the study the governing equations are extended to describe incompressible ow with phase change [79]. The description of the work commences with the derivation of the governing equations. Following this, a novel, geometric based, VOF solution method is proposed. In this method a novel way of advecting the VOF function is invented, which treats both mass and energy conservation in conservative form. New techniques include the advection of the interface in a discontinuous velocity field. The proposed algorithms are consistent and elegant, requiring minimal modifications to the existing code. Numerical experiments demonstrate accuracy, robustness and generality. This is viewed as a significant fundamental development in the use of VOF methods to model phase change.

Cette thèse traite de deux projets en rapport avec la microfluidique. Le premier est consacré à la réalisation d'actionneurs à base d'hydrogel thermosensible. Avec une approche technologique basée sur le greffage et la structuration d'un hydrogel thermosensible sur des surfaces en verre, nous montrons comment un matériau capable de subir de fortes variations de volume peut être utilisé comme actionneur microfluidique dans les milieux aqueux. D'abord, en tant que vanne, nous démontrons que la stratégie de greffage des structures permet d'obtenir des actionneurs robustes et durables capables de réguler la circulation de fluides en micro-canaux avec une réponse rapide en miniaturisant la stimulation thermique. Ensuite, une autre configuration, dite de compartimentation libre, est mise en oeuvre et appliquée en biologies moléculaire et cellulaire. Le second est quant à lui dédié à l'étude du glissement par nanovélocimétrie en utilisant la technique de microscopie de fluorescence par réflexion totale interne. Cette technique permet de suivre les écoulement de nanoparticules à proximité immédiate de la paroi d'un micro-canal (dans les premiers 800nm de fluide). En utilisant les modèles de Langevin, nous avons été en mesure de prendre en compte différents artéfacts expérimentaux et les corriger. Nous confirmons l'absence de glissement de l'eau pure sur surface hydrophile et l'existence du glissement sur surface hydrophobe. Cette partie est traitée sous la forme d'une brève introduction, suivie d'un article publié dans Journal of Fluid Mechanics. / In this work, we have addressed two projects related to microfluidics.The first one is dedicated to the integration of hydrogel-based actuators in microsystems. Thanks toa technological approach based on the grafting and patterning of a thermosensitive hydrogel on glasssubstrates, we show how a material that can undergo large volume changes can be embedded as anactuator for aqueous solutions. First as a valve, we prove that the strategy consisting in grafting patternsof hydrogel enables us to obtain robust actuators able to regulate flows in micro-channels, and with afast response by miniaturising the thermal stimulation. Then we report another configuration called freecompartmentalization, applied to molecular and cellular biology. The second part of this manuscript deals with the study of slippage by nanovelocimetry using the totalinternal reflection fluorescence microscopy technique. This method enables us to follow fluorescent nanoparticlesflowing near the wall of a microchannel (within the first 800nm ). Using Langevin simulations,we have been able to take several experimental biases into account and correct them. We can confirmthe no-slip condition of water on hydrophilic surfaces and the actual slippage over hydrophobic surfaces.This part is made of a brief introduction followed by an publication in Journal of Fluid Mechanics.

Des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour étudier le rôle sur le ralentissement de la dynamique dans certaines dispersions colloïdales des caractéristiques des potentiels d’interaction à courte portée entre solutés. La variation avec les paramètres physiques du coefficient de diffusion utilisé comme indicateur du ralentissement de la dynamique est comparée avec celle du temps de vie des paires afin de tester l’interprétation généralement avancée de la gélification par la formation de liaisons à longue durée de vie entre les colloïdes. Deux modèles simples ont d’abord été considérés : un potentiel standard constitué d’une répulsion et d’une attraction à courte portée et un potentiel avec une barrière répulsive après le premier puits. Pour les modèles standard, sans barrière, un comportement universel de la dynamique, déterminé par le second coefficient du viriel a été montré. Ceci est observé aussi bien sur la diffusivité que sur la durée de vie des paires de particules, à condition qu’une définition commune de la distance de liaison soit prise lors de la comparaison des différents potentiels. En présence de barrière, la diffusivité dépend également d’autres caractéristiques de l’interaction comme le rapport des amplitudes du puits et de la barrière. L’effet de celle-ci renforce à la fois le piégeage dans le puits et l’effet stérique à une distance supérieure au diamètre du coeur. En doublant sa hauteur, la durée de vie augmente presque par un ordre de grandeur. Dans tous les cas, la durée de vie des liaisons dépend peu de la densité, contrairement au coefficient de diffusion. Ce comportement différent du temps de vie des liaisons et de la diffusivité montre les limites d’une interprétation littérale du ralentissement de la dynamique à faible ou moyenne densité, en terme de liaison de paires à longue durée de vie entre les particules. Les prédictions tirées de ces potentiels génériques ont ensuite été testées sur des potentiels effectifs calculés à partir des équations intégrales pour des mélanges binaires dissymétriques. La complexité du comportement dynamique résultant du caractère oscillatoire du potentiel est alors illustrée notamment par le comportement du nombre de paires en fonction de l’intervalle de "liaison" considéré. Le rôle au niveau de la dynamique d’interactions résiduelles a ensuite été étudié à partir du potentiel de Yukawa attractif, souvent utilisé pour modéliser une force attractive de courte portée résultant des recouvrements des couches superficielles des solutés, et du potentiel de Yukawa répulsif, pouvant correspondre à des interactions coulombiennes à très courte longueur d’écran. Nous avons alors montré l’impact important de ces interactions sur les lignes de transitions de non-ergodicité. L’analyse des situations où le ralentissement de la dynamique concerne les deux composants du mélange, avec les développements méthodologiques requis, est finalement soulignée comme une voie possible de poursuite de ce travail. / Molecular dynamics simulations are used to investigate the role on the slowing down of the dynamics in certain colloidal dispersions of some characteristics of the short-range interaction potentials between the solutes. The variation with the physical parameters of the diffusion coefficient used as an indicator of the slowing down of the dynamics is compared with that of the bond lifetime of particle pairs in order to test the usual interpretation of gelation by par the formation of long-lived bonds between the colloidal particles. Two simple models were first considered: a standard potential with a repulsive part and a short-range attraction, and a model with a repulsive barrier after the well. For standard models, without barrier, a universal behaviour of the dynamics, governed by the second virial coefficient has been shown. This has been observed both for the diffusivity and the bond lifetime of particle pairs, provided that a common definition of the bonding length is used when comparing different potentials. In the presence of barriers, the diffusivity depends also on other characteristics of the interaction, such as the ratio of the well and barrier amplitudes. The effect of the barrier reinforces both the bonding in the well and the steric effect at a separation larger than the core diameter. Doubling its height increases the lifetime almost by an order of magnitude. In all cases the bond lifetime depends weakly on density in contrast with the diffusion coefficient. This different behaviours of diffusivity and bond lifetime shows the limits of a literal interpretation of the slowing down of the dynamics by the formation of long-lived bonds between particle pairs. The predictions relative to these generic potentials were next tested on the effective potentials computed from the integral equations for asymmetric binary mixtures. The complexity of the dynamics arising from the oscillatory nature of the potential is then illustrated by the behaviour of the number of pairs, depending on the bonding range being considered. The influence on the dynamics of residual interactions was next investigated from the attractive Yukawa potential, often used to model an attractive interaction arising from the overlap of the surface layers of the solutes potential and the repulsive Yukawa one, possibly modelling Coulomb interactions with very short screening length. We so showed the importance of such residual interactions on the non-ergodicity transition lines. The analysis of the situations in which the slowing down of the dynamics involves both components of the mixture, with the required methodological developments, is finally pointed out as a possible continuation of this work.

Les émulsions concentrées sont des empilements compacts désordonnés de gouttes d'huile dans de l'eau. A l'instar des suspensions colloïdales ou des mousses, leur comportement rhéologique est celui d'un liquide d'Herschel-Bulkley. A l'échelle microscopique, l'écoulement s'explique par des réarrangements plastiques et localisés des gouttes d'huile. L'objectif de cette thèse est de caractériser et comprendre ces dynamiques microscopiques.En adaptant la technique de Diffusing Wave Spectroscopy (DWS), nous avons mis au point une technique de détection résolue dans le temps et dans l'espace des réarrangements plastiques de gouttes. Nous avons élaboré des émulsions concentrés désordonnées et non Brownienne par émulsification membranaire. Un dispositif osmotique nous permet de contrôler in situ la pression de confinement de nos échantillons. Nous avons sondé les réarrangements de gouttes déclenchés en appliquant à nos échantillons des déformations uniaxiales d'amplitudes contrôlées. Nous avons observé la présence de réarrangements plastiques même aux plus petites amplitudes de déformations. / The concentrated emulsions are disordered compact packing of droplets of oil in water. As in the case of colloidal suspensions or foams, their rheological behavior is that of a Herschel-Bulkley liquid. On the microscopic scale, the flow is explained by plastic and localized rearrangements of the oil droplets. The objective of this thesis is to characterize and understand these microscopic dynamics. By adapting the Diffusing Wave Spectroscopy (DWS) technique, we have developed a time and space resolved detection technique for the plastic rearrangement of droplets . Concentrated, non-Brownian emulsions were developed by membrane emulsification. An osmotic device allows us to monitor in situ the confinement pressure of our samples. We have probed the rearrangements of droples triggered by applying to our samples uniaxial deformations of controlled amplitudes. We have observed the presence of plastic rearrangements even at the smallest amplitudes of deformations.

L'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) est notamment rencontrée lors des expériences de Fusion par Confinement Inertiel, et son développement est un obstacle à la réussite de ces expériences. L'objet de cette thèse est d'étudier la croissance de l'IRT pour différents régimes de compressibilité, au moyen de simulations numériques directes réalisées à l'aide d'un code pseudo-spectral multidomaine de type Chebyshev-Fourier-Fourier.La méthode du développement asymptotique permet d'établir des modèles à bas nombre de Mach pour lesquels la contribution acoustique est éliminée. L'implantation dans le code de simulation du modèle anélastique, qui met en jeu des fluides stratifiés et capture les effets thermiques, est améliorée. Le modèle de Boussinesq est ajouté au code. La précision de la méthode numérique est étudiée pour différents découpages en sous-domaines. Plusieurs éléments de validation sont présentés, dont la comparaison avec une expérience.La première simulation présentée, réalisée avec le modèle de Boussinesq, s'intéresse à la croissance auto-semblable de l'IRT. Les lois d'échelle de la vorticité et de la dissipation sont dégagées. La structure de la turbulence et du mélange entre les deux fluides est discutée. Certaines propriétés de la turbulence homogène et isotrope sont retrouvées, mais on note la persistance d'anisotropie aux petites échelles. Les premières simulations 3D de l'IRT avec le modèle anélastique sont présentées. L'influence des effets de compressibilité sur les premières phases de la croissance est étudiée. En outre, une couche de mélange anélastique en faible stratification est analysée et présente des effets de compressibilité non négligeables. / The Rayleigh-Taylor instability (RTI) is especially observed in inertial confinement fusion experiments, and its development prevents the success of these experiments. The purpose of this work is to study the growth of the RTI for different compressibility regimes by using a multidomain pseudospectral Chebyshev-Fourier-Fourier simulation code. The asymptotic expansion method allows to establish several low Mach number models which do not contains acoustics. The implantation of the anelastic model, which deals with stratified fluids and captures thermal effects, has been improved. Moreover, the Boussinesq model is added to the simulation code. The accuracy of the entire numerical method is studied, as a function of the subdomain separation, and several validation elements are shown, including a comparison with an experimental study. The first simulation to be analyzed is achieved with the Boussinesq model. We focus on the self-similarity of the RTI growth. The temporal scalings of vorticity and dissipation are displayed, and the structures of turbulence and mixing are discussed. Some properties of isotropic and homogeneous turbulence are observed, however some anisotropy remains at small scales. The first three-dimensional anelastic simulations are presented. The influence of compressibility effects on the first stages of the growth is studied. Finally, a developed anelastic mixing layer involving weakly stratified fluids is described and was found to display non-negligible compressibility effects.

Dans cette thèse, on utilise des outils mathématiques et numériques pour modéliser les écoulements tridimensionnels incompressibles à surface libre instationnaires. L'application industrielle visée est l'étude de la phase de remplissage des moules dans une fonderie. On développe un algorithme pour le transport de l'interface par la vitesse du fluide pour un fluide diphasique incompressible visqueux non-miscible de rapport de densité important en utilisant la méthode de caractéristiques pour traiter le problème de convection. Il y a des défis majeurs dans le contexte de la modélisation des fluides diphasiques. Tout d'abord, on doit prendre en considération l'évolution de l'interface et de ses changements topologiques. Deuxièmement, on doit traiter la non-linéarité convective de l'interface et de l'écoulement. Troisièmement, les équations de Navier-Stokes et du transport doivent être munies des conditions aux bords appropriées. En outre, il faut traiter soigneusement les singularités géométriques et topologiques à travers l'interface en particulier dans le cas de rapport de densité et viscosité important. On doit également maintenir la résolution d'une interface d'épaisseur nulle durant les cas du pliage, la rupture et la fusion de l'interface. Quatrièmement, on doit respecter les propriétés physiques telles que la conservation de la masse pour tout écoulement d'un fluide incompressible. Cinquièmement, il faut toujours penser aux limitations du temps de calcul et de mémoire pour résoudre ce genre de problème dans les cas pratiques. Notre but est de trouver un schéma fiable capable de modéliser le remplissage des moules tridimensionnelles industrielles. La première partie de cette thèse est dédiée à la description mathématique du schéma de transport de l'interface par la vitesse du fluide. Le mouvement des fluides est décrit par les équations de Navier-Stokes. L'interface est capturée par la fonction Level-Set. Le problème est discrétisée en espace par la méthode des éléments finis et en temps par la méthode de caractéristiques.Des conditions aux bords appropriées pour le problème du remplissage d'un moule sont introduites et un algorithme de calcul de la solution est présentée. Finalement,des résultats numériques montrent et valident l'efficacité duschéma proposé. Dans la deuxième partie de cette thèse, on introduit une méthode de décomposition de domaine qui correspond à la discrétisation par la méthode des caractéristiques dans le but d'améliorer la performance de l'algorithme proposé lors de la modélisation du remplissage des moules industrielles à moyennes séries. Des résultats numériques de comparaison valident la précision du code parallèle. / In this thesis, we use mathematical and numerical tools to model three dimensional incompressible laminar flows with free surface. The described industrial application is the study of the mould filling phase in a foundry. We develop an algorithm for the transport of the interface by the fluid velocity for a viscous incompressible immiscible fluids of high density ratio in two-phase flow using the method of characteristics for the convection problem.There are, however, major challenges in the context of two-phase flow modeling.First, we have to take into account the evolution of the interface and its topological changes. Second, we have to deal with the non-linearity for the convection of the flow and the interface. Third, we must assign appropriate boundary conditions to the flow and transport equations.In addition, care must be taken in treating the geometrical and topological singularities across the interface.We also have to maintain a sharp interface resolution, including the cases of interface folding, breaking and merging.Furthermore, we should respect the physical properties such as the mass conservation for any incompressible fluid flows.Finally, we have to keep in mind the limitations in the time of computation and memory to solve this kind of problem in practical cases. Our purpose is to find a reliable scheme able to model the filling of three dimensional industrial moulds.The first part of the thesis is devoted to the mathematical description of the interface transport scheme by the fluid velocity. The fluids motion is described by the Navier-Stokes equations. The interface is captured by the Level-Set function. The problem isdiscretized by the characteristics method in time and finiteelements method in space. The interface is captured by the Level-Setfunction. Appropriate boundary conditions for the problem ofmould filling are investigated, a new natural boundary conditionunder pressure effect for the transport equation is proposed andan algorithm for computing the solution is presented. Finally,numerical experiments show and validate the effectiveness of theproposed scheme.In the second part of the thesis, we introduce a domain decomposition method that suits the discretization by the method of characteristics in order to improve the performance of the proposed algorithm to model the filling phase for moulds of medium series. Numerical results of comparison validate the precision of the parallel code.

Au sein des opérations de retraitement du combustible usé, la colonne pulsée à garnissage est l'appareil d'extraction liquide-liquide principalement utilisé. Dans un contexte de compétitivité économique et de raréfaction des ressources, l'efficacité de ces appareils est devenue un enjeu pour l'industriel. Afin d'améliorer leur rendement à travers un meilleur dimensionnement, la connaissance de la vitesse de glissement entre les phases de l'émulsion est nécessaire.Les travaux menés et présentés dans ce manuscrit s'articulent autour de la modélisation physique et numérique de l'hydrodynamique de l'émulsion ainsi que de sa caractérisation expérimentale.Dans ce travail, une modélisation d'approche eulérienne, inspirée des travaux de D. Lhuillier, permet l'obtention d'un modèle bi-fluide couplé à une équation d'évolution de la surface d'échange (aire interfaciale). La résolution du modèle s'effectue par éléments finis sous le logiciel CAST3M. A l'issue des calculs, le modèle montre sa capacité à restituer le comportement de l'émulsion et permet l'obtention des vitesses de glissement. Dans une optique de validation expérimentale du modèle, des expérimentations sur deux installations sont menées. Celles-ci font notamment intervenir un couplage entre les méthodes de vélocimétrie par image de particules et de fluorescence induite par laser afin d'obtenir les vitesses de chaque phases et le taux de rétention de la phase dispersée. Un algorithme de détection et de suivi de gouttes est développé afin d'obtenir la vitesse de la phase dispersée et sa fraction volumique. La confrontation de ces aux résultats numériques permet une première qualification encourageante du modèle. / In the core of spent fuel reprocessing operations, the pulsed columns with packing are the liquid-liquid extraction apparati mainly used. The context of economical competiveness and scarce resources, industrials are driven to improve the efficiency of these processes. Pulsed column efficiency is bound to the amount of available exchange surface, which depends on geometrical parameters of the column and the operating conditions. A better design would improve the efficiency. In this aim the knowledge of the interphase slip velocity is necessary. The work presented in this thesis revolves around physical and numerical modelling of the hydrodynamics of the emulsion and its experimental characterization.In this work, a eulerian approach, based on the work of D.Lhuillier, allows to obtain a two-fluid model coupled with an evolution equation of the exchange surface (interfacial area). We use finite elements method to solve this model along with CAST3M software. Numerical simulations have shown the model abilities to correctly reproduce the emulsion behaviour and to obtain the slip velocity.In order to experimentally validate the model, we carried out two types of experimentation. Particles images velocimetry coupled to laser induced fluorescence are involved to obtain velocities of each phases and the dispersed phase volume fraction. We developed a tracking algorithm to obtain the dispersed phase velocity and the hold up. These results, such as velocities and strain rate tensor, have been used in a first validation of the model.

Le phénomène d'instabilité de la structure de fluide se produit fréquemment dans le système d'écoulement polyphasé des régimes sous-critiques de Reynolds, et le phénomène de vibrations de câbles de sustentation de ponts provoquées par la pluie (sigle RWIV en anglais) est considéré comme un exemple en génie civil pour caractériser l'instabilité causée par les interactions fluide-structure. Le RWIV est supposée être un nouveau type de vibrations; régulièrement accompagné de deux phénomènes significatifs: le ruisseau supérieur vibre circonférentiellement et la fréquence du vortex de Von Karman se déplace vers une valeur beaucoup plus faible par rapport à la fréquence attendue. Les phénomène est observé habituellement sur les haubans du pont à hauban immobilisé. En raison des mécanismes de couplage complexes, le mécanisme de RWIV n'a pas été complètement décrit par les chercheurs précédents. La plupart ont mis l'accent sur les observations sur le terrain et les aspects expérimentaux en soufflerie, mais rarement sur la simulation numérique. Pour élaborer un cadre numérique systématique, nous abordons le modèle non couplé, le modèle faiblement couplé, le modèle couplé, et le modèle multiphasique multi-échelle (MMM). L'objectif est de mettre en place un modèle numérique avec une grande exactitude et précision pour RWIV, et de reconnaître et clarifier le mécanisme de RWIV, diverses enquêtes numériques ont été réalisés dans cette thèse.Pour simuler les effets de la pluie/l’eau pluviale (eng. rainwater) comme un ruisseau artificiel (fixé / solide mobile attaché / oscillé le long de la circonférence de hauban immobilisé) lorsque RWIV se produit, la méthode séparée est mise en œuvre sur la base des équations incompressibles de Navier-Stokes en combinaison avec la simulation monotone intégré des grandes échelles (MILES) pour évaluer les sous-grille termes de pression. Les effets des ruisseaux artificiels de différentes positions le long de la circonférence de hauban immobilisé sur la structure de formation de tourbillons derrière le hauban, la distribution de pression à travers le hauban, et la force aérodynamique fréquence dominante du hauban sont analysés. Cependant, les enquêtes indiquent les positions de ruisseau artificiel le long de la circonférence du hauban affectent très faiblement la fréquence du vortex de Von Karman proche le sillage du hauban.Pour capturer l'évolution dynamique de la morphologie de l’eau pluviale , le modèle semi-couplé simplifie les équations incompressibles de Navier-Stokes avec la théorie de lubrification sur l'hypothèse qu'un mince film d'eau environnante autour du hauban. Les enquêtes indiquent que l’eau pluviale rassemble aux endroits près des points de séparation, et forme deux ruisseaux symétriques le long de la circonférence du hauban. Cependant, la vibration circonférentielle du ruisseau supérieur et les phénomènes de décalage de fréquence accompagnant RWIV ne peuvent être résolus et expliqués clairement.Afin d'améliorer le modèle de semi-couplé à suivre l'évolution de la morphologie de l’eau pluviale, la méthode du Volume-de-Fluide (VOF) combinée avec les équations incompressibles de Navier-Stokes est utilisée dans le modèle couplé. L ‘évolution hautement non linéaire du ruisseau de la pluie le long de la circonférence du hauban immobilisé et les caractéristiques aérodynamiques du hauban de séjour peuvent être obtenus et analysés. Les résultats indiquent que le ruisseau de la pluie est formé près des points de séparation le long de la circonférence du hauban; la zone de pression négative le long de la circonférence du hauban est pré-requise pour la formation de ruisseau supérieur. / A fluid structure instability phenomenon frequently occurs in the subcritical Reynolds regimes multiphase flow system, and rain--wind-induced vibration (RWIV) is taken as an example in civil engineering to characterize the aeroelastic instability caused by fluid-structure interactions. RWIV is hypothesized to be a new type of vibration; regularly accompanied by two significant phenomena: the circumferentially vibrating upper rivulet and the Von Karman vortex shedding frequency shift to a much lower value compared with the convectional evaluation; and customarily observed from the stay cables of cable--stayed bridge. Due to the complicated interactions mechanisms in the liquid-gas-solid system, the mechanism of RWIV has not been thoroughly solved and recognized by the previous researchers. Most have focused on the research topic from the field observation, the analytical dynamic model, and the wind tunnel experiment aspects, but rarely on numerical investigation aspect. To develop a systematic numerical framework, including the separated model, the semi-coupled model, the coupled model, and the multiphase multi-scale model (MMM) distinguished by different ways to simulate the rain effects when RWIV occurs, to establish highly accurate and precise numerical model for RWIV, and to recognize and clarify the mechanism of RWIV, various numerical investigations have been made in this thesis.To simulate the rain effects as an artificial rivulet (fixed/moving solid attaching/oscillating along the circumference of stay cable) when RWIV occurs, the separated method is implemented based on the incompressible Navier-Stokes equations in combination with the monotone integrated large eddy simulation (MILES) to evaluate the sub-grid stress terms. The effects of various artificial rivulet positions along the circumference of stay cable on the vortex shedding structure behind the cable, pressure distribution around the cable, and the aerodynamic force of the cable are analyzed. However, investigations indicate the positions of artificial rivulet along the circumference of cable extremely weakly affect Von Karman vortex shedding frequency near the wake of the cable.To capture the dynamic rainwater morphology evolution, the semi-coupled model simplifies the incompressible Navier-Stokes equations with the lubrication theory on the assumption that a thin water film surrounding around the cable. The investigations indicate the rainwater gathers at the locations near the separation points, and forms two symmetrical rivulets along the circumference of cable. However, both the circumferentially vibrating upper rivulet and the frequency shift phenomena accompanying RWIV cannot be solved and explained detailedly and clearly. To improve the semi-coupled model on tracking the rainwater morphology evolution, volume-of-fluid (VOF) method combined with incompressible Navier-Stokes equations is employed in the coupled model. Both the high-nonlinear rainwater rivulets evolution along the circumference of cable and the aerodynamic characteristics of stay cable can be obtained and analyzed. The results indicate rainwater rivulet are formed near the separation points along the circumference of cable; the negative pressure zone along the circumference of cable provides a prerequisite for the formation of upper rivulet. However, the computational efficiency is reduced due to the smaller droplets scatter in the surrounding air, furthermore, the assumptions, surrounding the stay cable with the constant volume of rainwater, cannot reflect the real physical conditions (i.e., rain infall process) and cannot obtain the real aerodynamic force from physical aspect.