Cette étude fondamentale présente des résultats expérimentaux et numériques concernant la dynamique et la stabilité de tourbillons avec écoulement axial, pour des nombres de Reynolds modérés. La première partie de la thèse s'attache à étudier l'instabilité elliptique dans des paires de tourbillons co- et contrarotatifs, avec écoulement axial. L'étude de stabilité de deux tourbillons corotatifs de Batchelor, réalisée avec un code à éléments spectraux, a permis d'identifier clairement des modes de l'instabilité elliptique à structure spatiale complexe, pour différentes valeurs de l'écoulement axial et du nombre d'onde axial. Expérimentalement, l'instabilité elliptique a été mise en évidence dans des paires de tourbillons co- et contra-rotatifs, générées au moyen de deux demi-ailes placées dans un canal hydrodynamique. L'analyse POD (Proper Orthogonal Decomposition) d'images acquises par une caméra rapide a mené à une caractérisation précise du mode de l'instabilité observé, qui implique des perturbations avec des nombres azimutaux m=0 et m=2, remplissant la condition de résonance de l'instabilité elliptique. L'analyse numérique de stabilité des vortex expérimentaux, caractérisés par une méthode de Vélocimétrie Stéréoscopique par Images de Particules, a montré le même mode instable. Les longueurs d'onde et taux de croissance expérimentaux et numériques sont en bon accord. La deuxième partie de l'étude porte sur le "vortex meandering", abord expérimentalement en générant un vortex de bout d'aile. Une analyse détaillée des perturbations du tourbillon permet de mettre ce phénomène en relation avec la théorie de croissance transitoire des perturbations d'un vortex isolé.

Les simulations numériques RANS, utilisées en aérodynamique pour évaluer la performance d'une forme, sont coûteuses en temps de calcul. Comme une optimisation nécessite l'étude de plusieurs dizaines de formes différentes, ce coût limite le champ des problèmes envisageables. <br />Un nouvel optimiseur basé sur des surfaces de réponse construites par une méthode de Krigeage est proposé. A un surcout modéré, la solution obtenue est meilleure. De plus, cet optimiseur semble aussi capable de traiter des problèmes de grande dimension en interpolant le vecteur gradient aux points de construction du Krigeage. <br />En optimisation multidisciplinaire, les surfaces de réponse sont largement employées pour échanger facilement des données entre différentes disciplines. Ainsi, une approche d'optimisation bi-niveau avec couplage fluide/structure par surface de réponse est étudiée. L'application considérée traite de l'intégration d'une installation motrice (positionnement) sur un avion de transport civil.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de drones d'envergure inférieure à 15 cm, susceptibles de réaliser des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. La possibilité de vol en présence d'obstacles ou en espace fermé nécessite une grande agilité à basse vitesse et des capacités de déplacement silencieux, pour lesquelles un concept à ailes battantes – inspiré du vol des insectes et du colibri – semble être le plus prometteur. Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc développé un modèle de simulation de type mécanique du vol d'un tel engin, à partir de résultats antérieurs concernant l'aérodynamique du vol des insectes. Nous avons ensuite déterminé les cinématiques de battement optimales à l'aide d'algorithmes heuristiques, avant de chercher à commander en boucle fermée ce système non linéaire naturellement instable. Une technique inspirée du backstepping a permis d'obtenir de très bonnes performances, en statique comme en dynamique.

La recherche expérimentale, présentée dans cette thèse, a pour objectif l'étude de l'influence d'un écoulement amont turbulent ou non sur les tourbillons coniques (primaire et secondaire) engendrés à partir d'une configuration de montant de baie. Cette configuration d'écoulement est rencontrée sur les véhicules terrestres et l'interaction des tourbillons avec les vitres latérales du véhicule est le principal responsable du bruit aérodynamique transmis dans le véhicule. Une maquette du type dièdre a été conçue et testée en soufflerie afin de générer et d'étudier ces tourbillons coniques. Les propriétés spatiales et temporelles des champs de vitesse et de pression pariétale ont été étudiées en associant simultanément la mesure de la vitesse par PIV ou Stéréo-PIV à la mesure de pression pariétale fluctuante par capteurs déportés. Nous avons montré qu'un niveau modéré de turbulence amont (intensité : 4%) se traduit par une modification très importante de la dynamique du tourbillon et de la pression pariétale fluctuante associée (Cp'). Notre conjecture - basée sur l'étude des moments statistiques et des corrélations spatio-temporelles - est qu'en l'absence de turbulence externe, la contribution principale au Cp' est liée à l'empreinte du coeur tourbillonnaire et du décollement secondaire induit. Au contraire, en présence de turbulence amont, la forte augmentation du Cp' semble associée à une réponse globale de la structure tourbillonnaire et à la modification associée de l'aérodynamique autour du corps. L'inclusion de dispositifs géométriques simples de contrôle passif sur la maquette a fait objet d'essais supplémentaires. Nous avons montré que ces dispositifs permettent de modifier très significativement le développement de la structure tourbillonnaire et son empreinte en terme de pression pariétale fluctuante.

Les diaphragmes utilisés comme organes de perte de charge à l'intérieur des tuyauteries de centrales électriques ont été mis en cause dans la création de sifflement. Les conséquences de ces phénomènes sont des niveaux de bruit et de vibration pouvant dépasser les valeurs admissibles. L'objectif de la thèse est d'étudier le sifflement sur la base d'expérimentations et de calculs numériques afin de proposer des outils de compréhension et de prédiction. Un résultat de la thèse correspond à l'identification expérimentale et numérique des conditions d'amplification acoustique au niveau de diaphragmes, phénomène nécessaire au sifflement. Les expériences montrent que les plages de sifflement, exprimées sous la forme d'un nombre de Strouhal fonction de l'épaisseur du diaphragme et de la vitesse dans l'orifice, s'étendent de 0,2 à 0,4 et de 0,7 à 0,9 et sont indépendantes du nombre de Reynolds. Le potentiel de sifflement de diaphragmes est également caractérisé à l'aide de simulations numériques. Deux approches sont utilisées avec des calculs U-RANS incompressibles et des simulations LES compressibles. Il apparaît que la simulation numérique permet de reproduire l'effet d'amplification acoustique à l'origine du sifflement, pour des pas de discrétisation spatial au coin amont de l'orifice suffisamment petit. Un autre résultat de la thèse est la définition des paramètres contrôlant les caractéristiques du sifflement en présence de réflexions acoustiques. Une analyse de stabilité linéaire prédit l'apparition d'un sifflement et sa fréquence. L'amplitude de sifflement est maximum pour un nombre de Strouhal autour de 0,25 et augmente avec le taux de réflexion autour du diaphragme.

Les décollements d'écoulement induits par choc et leur éventuel réattachement sur paroi sont observés dans de nombreuses configurations d'intérêt pratique, incluant les entrées d'air, les profils transsoniques ou les tuy`eres de lanceurs spatiaux. Ces phénom`enes mettent en jeu des interactions complexes entre couches limites et ondes de choc ou de détente conduisant à des instationnarités à basses fréquences dont l'origine reste aujourd'hui à élucider. Cette étude vise d'une part à proposer une stratégie numérique permettant de prévoir plus précisément ces phénom`enes de décollement et d'autre part d'identifier les principaux mécanismes physiques qui pilotent l'évolution de leur structure globale. L'étude porte plus particuli`erement sur les configurations de décollements libres ou séparés apparaissant en tuy`ere optimisée en poussée opérant en régime surdétendu. Différents mod`eles phénoménologiques sont ainsi testées pour décrire l'évolution du champ de pression instationnaire et dissymétrique en fonction du niveau de surdétente. La stratégie numérique proposée repose sur la combinaison de schémas à capture de choc d'ordre élevé (WENO 5), d'algorithmes d'intégration implicite en temps et d'une modélisation de la turbulence étendant l'approche Detached Eddy Simulation via l'ajout de corrections de réalisabilité. Une large plage de niveaux de surdétente est considérée, à la fois en condition d'entrée stabilisée et transitoire, afin de clarifier les conditions d'existence des différents régimes de décollements libres et restreints, ainsi que l'évolution temporelle de la morphologie globale de l'écoulement transitant entre ces deux régimes. L'évolution instationnaire de l'écoulement est simulée sur des temps suffisamment longs pour permettre une analyse spectrale des contributions des premiers modes azimutaux à la dynamique basse fréquence du champ de pression pariétale.

Les ventilateurs centrifuges à action dits « à cage d'écureuil » sont largement utilisés dans diverses applications. Ces machines sont caractérisées par des écoulements complexes fortement décollés et présentent des rendements aérodynamiques assez médiocres. Cette thèse concerne la prédiction numérique, la mise en oeuvre et l'analyse expérimentale du comportement aérodynamique instationnaire et aéroacoustique des ventilateurs centrifuges à action. Les travaux réalisés ont consisté en la simulation numérique des écoulements internes fortement tridimensionnels observés dans ces ventilateurs. Ces simulations numériques de type URANS effectuées sur différents débits de fonctionnement ont été validées expérimentalement. La validation expérimentale a concerné les grandeurs globales de l'écoulement (performances aérodynamiques), les grandeurs locales (fluctuations de pression pariétale) et les grandeurs acoustiques obtenues en champ libre et lointain. D'autre part, les essais expérimentaux ont contribué à valider une récente modélisation de la turbulence basée sur l'approche SAS. Outre la validation des modèles numériques utilisés dans les simulations, l'étude expérimentale couplée à d'autres calculs numériques appliqués à plusieurs prototypes de ventilateurs a permis de contribuer à l'optimisation des performances aérodynamiques et aéroacoustiques de ce type de machine. Ainsi, d'une géométrie à une autre, l'influence d'un certain nombre de paramètres géométriques constructifs a été évaluée.

Une étude aérodynamique, fibroscopique, acoustique et perceptive a été menée sur les voyelles nasales du français. Les résultats aérodynamiques montrent que la propagation du débit d'air nasal est plutôt progressive que régressive, cette tendance s'amenuise en parole "spontanée". Les résultats fibroscopiques confirment que les mouvements vélaires commencent avant le début de la voyelle. Ils peuvent se terminer avant la voyelle nasale, notamment en parole "spontanée". Les données aérodynamiques couplées aux données fibroscopiques suggèrent qu'il n'existe pas une ouverture vélaire précise pour laquelle l'air va passer dans le conduit nasal. Les données acoustiques montrent qu'il existe une corrélation entre le débit d'air nasal et le signal acoustique pour les voyelles [2A] et [2E], la corrélation entre le signal acoustique et les mouvements vélaires n'existe pas. Les résultats des tests de perception suggèrent que le débit d'air nasal n'est pas l'indice principal pour discriminer la voyelle nasale.

A bas nombre de Reynolds, le concept de voilure battante est récemment apparu comme une alternative aux concepts conventionnels de voilure fixe et voilure tournante. Dans le cadre d'une application pratique (micro-drones ou MAVs), l'évaluation de l'adaptabilité d'un tel mode de sustentation requiert la compréhension fine des principaux mécanismes aérodynamiques mis en jeu et de leur impact sur les efforts résultants. Ces derniers se caractérisent par une instationnarité forte et des comportements complexes. Le travail réalisé s'articule autour de trois points. Dans un premier temps, l'établissement d'une corrélation précise entre comportement spatio-temporel des structures cohérentes et effort résultant passe par la définition de méthodes d'investigation adaptées à l'étude d'écoulements bi et tridimensionnels résolus en temps. En ce sens, l'analyse repose d'une part sur une approche numérique DNS par maillage mobile, et d'autre part sur les approches expérimentales TRPIV- 2D2C/3D3C conduisant à la mesure non-intrusive des efforts aérodynamiques par application du bilan de quantité de mouvement. Les difficultés associées à ces techniques novatrices sont ici mises en exergue. En second lieu, nous abordons deux types de configurations bidimensionnelles caractérisées par des cinématiques de battement respectivement symétriques et asymétriques. Nous nous limitons à l'étude du vol stationnaire ou sur place pour lequel les effets instationnaires sont prépondérants vis- à-vis des effets quasi-stationnaires. D'abord, l'analyse détaillée d'un cas de référence permet d'affiner les résultats reportés dans la littérature. Ensuite, la confrontation systématique de cas asymétriques rév`ele l'occurrence de phénom`enes aérodynamiques particuliers contribuant favorablement à l'efficacité de l'aile. L'approximation bidimensionnelle occulte toutefois l'influence du tourbillon marginal ou du gradient transverse de vitesse incidente établi le long de l'envergure d'une aile en révolution autour de son emplanture. L'une des spécificités des configurations tridimensionnelles provient effectivement du caract`ere stabilisateur de certains mécanismes aérodynamiques. Ainsi, nous présentons les effets tridimensionnels et leur dépendance vis-à-vis de l'allongement dans le cas de mouvements de battement en translation rectiligne et en rotation autour d'un axe vertical.

Des travaux importants sont conduits depuis plus de 15 ans pour réduire la traînée aérodynamique des véhicules automobiles et améliorer la sécurité lors des phases transitoires. Ces travaux nécessitent d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques complexes associés aux écoulements tridimensionnels décollés instationnaires et s'effectuent sur des géométries simplifiées à partir d'approches analytiques, expérimentales et/ou numériques. Dans une première partie, des solutions récentes de contrôle passif et actif développées pour réduire la traînée aérodynamique sont présentées pour fournir des ordres de grandeur. La seconde partie traite de l'influence des lois horaires de transport des structures tourbillonnaires de sillage, des processus de formation des structures tourbillonnaires longitudinales de lunette arrière puis de l'analyse des écoulements autour des disques de jantes utilisés comme ventilateur axial. Une troisième partie s'intéresse enfin à l'influence des effets aérodynamiques transitoires sur le comportement dynamique des véhicules automobiles. Les résultats montrent sans ambiguïté l'intérêt de poursuivre la recherche pour mieux comprendre la complexité des phénomènes physiques et mettre au point des systèmes efficaces de contrôle aérodynamique pour réduire la traînée et améliorer la sécurité.