Aujourd’hui, la politique européenne incite les industriels de l’automobile à concevoir des véhicules “propres”, ainsi des normes de plus en plus contraignantes visant notamment à réduire les émissions de gaz à effet de serre ont vu le jour. Les ingénieurs sont donc amenés à envisager des solutions innovantes basées sur le contrôle des écoulements, en particulier celui des décollements puisqu’ils ont généralement des effets délétères sur les performances aérodynamiques. En effet, les phénomènes de décollement, inhérent aux corps épais, sont à l’origine de l’augmentation de la traînée et par conséquent de la consommation de carburant. Les travaux présentés dans ce mémoire sont dédiés au contrôle d’écoulement en vue de la réduction de traînée sur un modèle générique de véhicule automobile appelé “Corps de Ahmed” par une combinaison d’actionneur de type jets ynthétiques. Le mémoire s’articule autour de deux axes principaux. Le premier a permis la caractérisation d’actionneurs de type jets synthétiques, les fréquences et amplitudes optimales au regard de différents critères ont ainsi été identifiées et analysées. Le second a été consacré à étudier la réponse des structures décollés à des perturbations périodiques localisées afin de poursuivre la compréhension de la physique impliquée dans le contrôle de la traînée aérodynamique. / Nowadays, the car manufacturers are forced by the european policy to follow more and more strict rules concerning the design of “clean” automotives, in order to reduce the gas emissions responsible for the greenhouse effect. The engineers have to consider innovative solutions based on flow control, particularly for flow separation which generally has deleterious effects on aerodynamic performance. Indeed, the separation phenomena, inherent to the bluff bodies, are at the origin of thedrag increase and consequently of the fuel consumption. The work presented in this thesis is dedicated to combinated flow separation control from simplified hatchback geometry (Ahmed body) by a synthetic jet. The thesis focuses on two main axes. The first axis has allowed the characterization of synthetic jets actuators, the frequencies and the optimal amplitudes with regard to various criteria were so identified and analyzed. The second axis was dedicated to study the separation flow structures response from local periodic disturbances in order to pursuing the physics knowledge involved in the aerodynamic drag control.

De nouvelles connaissances sur les écoulements autour des véhicules automobiles doivent aujourd'hui être apportées pour envisager une amélioration de leurs performances aérodynamiques. Ce travail de thèse repose sur des études expérimentales, réalisées en soufflerie, permettant l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques associés aux écoulements décollés tridimensionnels et instationnaires se développant à l'arrière des véhicules automobiles. Il se concentre plus particulièrement sur la géométrie générique du corps de Ahmed permettant de reproduire les écoulements à l'arrière de véhicule de type bicorps (lunette arrière et culot). L'étude compare deux maquettes de géométrie différente dont l'une permet d'obtenir une zone de recirculation tridimensionnelle sur la lunette arrière et l'autre de conserver l'écoulement attaché. L'analyse et la comparaison des topologies moyennes des écoulements permettent d'évaluer les interactions entre la recirculation 3D et les autres structures en présence. On montre plus particulièrement que l'absence du décollement sur la lunette arrière modifie la topologie de l'écoulement à l'arrière du culot avec une réduction de traînée de l'ordre de 10%. Les résultats montrent que les effets de la recirculation ne sont pas assez importants pour modifier la position des structures tourbillonnaires longitudinales se développant sur les arêtes latérales de la lunette, mais modifient légèrement leur intensité. L'analyse spectrale des fluctuations de vitesse et de pression indique que la recirculation est le siège d'activités instationnaires pseudopériodiques. La Décomposition Orthogonale Propre des champs de vitesse et de pression montre finalement que ces activités sont associées à un mécanisme de battement de la recirculation passant d'une configuration décollée à une configuration attachée et à une émission de structures tourbillonnaires formées par la couche cisaillée de la recirculation. / More and more knowledge related to flows behind road vehicles must be provided to improve their aerodynamic performances. This PhD thesis deals with experimental studies carried out in a wind tunnel, and enables analysis and understanding of physical mechanisms related to three-dimensionnal and unsteady separated flows that develop behind road vehicles. More specifically, it focuses on the generic model of Ahmed body that recreates flows behind common fastback cars (rear window and rear part). This study compares two models with different shape, the first one having a sharped edge between the roof and the rear window enabling the development of a separated region, and the second one having a rounded edge preventing separation. Analysis and understanding of the time averaged topology of both flow configurations are performed to characterize interactions between the three-dimensionnal separation and the other structures. More specifically, it is observed that suppressing separated region over the rear window changes the flow topology behind the rear base with a drag reduction of approximately 10%. Results show that the influence of the separated region is not strong enough to modify the location of the longitudinal vortical structures, which develop at each side of the model, but is strong enough to slightly modify their intensity. Spectral analysis of the velocity and pressure fluctuations indicates that the separated region is characterized by pseudo-periodic unsteady activities. Proper Orthogonal Decomposition of instantaneous velocity and pressure fields shows that these activities are respectively related to a flapping mechanism of the separated zone moving between a shrinked state and an enlarged state, and a large scale vortices emmission resulting from the shear layer of the separated region.

La réduction de la résistance à l’avancement par des techniques de contrôle active sera une nécessité d’importance croissante dans les années à venir pour le secteur des transports. Cette thèse fait partie d’une nouvelle voie de recherche consistant à utiliser des décharges plasmas à pression atmosphérique pour modifier les écoulements en vue d’améliorer les performances aérodynamiques (diminution de la traînée et augmentation de la portance). L’actionneur retenu est une décharge à barrière diélectrique surfacique avec un diélectrique composé d’une combinaison de deux matériaux polymères souples. L’écoulement induit par l’actionneur plasma, appelé vent ionique, est d’abord étudié expérimentalement dans l’air au repos en fonction du régime de la décharge. Une loi empirique liant la vitesse du vent ionique à la tension et à la fréquence de l’alimentation est proposée. De cette loi se dégagent une vitesse et une longueur caractéristiques utilisées pour prédire les principales propriétés du jet de paroi induit en aval de la décharge (lois d’échelle). L’efficacité de l’actionneur est ensuite testée en soufflerie subsonique pour trois configurations aérodynamiques de complexité croissante : couche limite laminaire non décollée (plaque plane), couche limite turbulente décollée (profil épais) et couche limite décollée 3D (corps de Ahmed, lunette inclinée à 25°). Des résultats significatifs tant sur le plan de la modification de la topologie de l’écoulement que de l’amélioration des efforts aérodynamiques sont obtenus pour des nombres de Reynolds jusqu’à 1,7.106 (35 m/s). / Active flow control is a key issue to meet the environmental requirements for the next generations of aircrafts and cars. The aim of this work is to study subsonic airflows control by plasma actuators in order to improve aerodynamic performances (drag reduction and lift enhancement). The actuator consists in using a surface dielectric barrier discharge with a thin dielectric made by a combination of two polymer materials. The first part of this work is dedicated to the experimental study of the flow induced by the actuator in quiescent air according to the regime of the discharge. An empirical law is proposed in order to determine the velocity of the ionic wind as a function of the high voltage and the frequency of the actuator. From this law the main properties of the wall jet induced by the discharge are predicted. In the second part of the study the actuator is used for wind tunnel experiments for three configurations of increasing complexity: laminar boundary layer (flat plane), separated turbulent boundary layer (wing profile) and 3D separated boundary layer (Ahmed body with rear window tilted at 25°). Significant results are obtained for Reynolds numbers up to 1.7.106 (35 m/s).

Testing done on the flat-back Ahmed Body and other bluff bodies has shown the existence of a bi-stable reflectional symmetry-breaking wake at Reynolds numbers ranging from 340 to 2.41 x 106. Several methods of flow control, both active and passive, have been used to improve the efficiency of the Ahmed body but their effect on the bi-stable nature of the wake has not been investigated. This work details the experimental investigation done to determine if piezoelectrically driven synthetic jet actuators are capable of suppressing the bi-stable wake effects observed behind the Ahmed Body. The synthetic jets were designed and manufactured to have a maximum total coefficient of momentum of 1.0E-3 with a frequency range up to 2000 Hz or F+ = 17.25. The piezoelectric actuators used were bimorph bending disks with no center shim and were driven by a square waveform. Pressure data was collected from 25 pressure ports on the rear of the model at 625 Hz for 600 seconds per run and filtered using a lowpass filter at 35 Hz to remove interference. Center of Pressure probability distributions and Principle Component Analysis were used to identify wake shapes and modes. Results with no jet actuation showed good agreement with previously published work on the Ahmed Body. It was found that the actuation frequency had an effect on the ability of the synthetic jets to affect the wake. Actuating at F+ = 1 (116 Hz) showed a bi-stable wake with an even distribution between wake modes. Higher actuation frequencies showed either a skewed distribution with a weakening of the bi-stable effects (4 < F+ < 8) or a complete removal of the bi-stable distribution (8 < F+ < 12). Frequencies higher than F+ = 12 did not show any effect on the bi-stable distribution. There was a negative correlation between actuation frequency and average wake pressure; it is theorized that the synthetic jets enhance mixing in the shear layer around the recirculation bubble in the wake to decrease average pressure.

This thesis presents the experimental results on the formation of flow separation from a rigid wall with a salient edge. In the case of automotive vehicles or aircrafts with rear cargo compartment doors, such salient edges are at the origin of separated wake flows resulting in increased drag and other disturbing effects. Recent studies of Ahmed et al. (1984) on simplified geometries showed the strong influence of the slant angle on the flow separations. In this study, the geometry is further simplified to examine the flow separation under two-dimensional conditions. The experimental configuration consists of a fixed horizontal front panel and an attached rear panel with variable slant angle. The experiments were carried out in a low speed water channel to analyze the flow structure by flow visualization techniques. The hydrogen bubble technique nd PIV measurements are used to obtain both qualitative and quantitative information on the flow structure. The electrolytic precipitation technique is used to analyze the flow separation in more detail. The slant angle varied between 0 and 35 degrees while the Reynolds numbers of the model was fixed to 24800 and 50500. As a function of slant angle and Reynolds number, two different types of flow separation were observed: boundary layer separation due to adverse pressure gradient and the so called &ldquo / inertial separation&rdquo / at the edge singularity. Future strategies to control the formation of the wake flow highly depend on the very different flow structure of these two types of separation.

La thèse a pour but de développer une méthodologie de calcul instationnaire permettant une étude qualitative et quantitative de l’aérodynamique externe d’une automobile. La première partie de l’étude est consacrée au développement de la méthodologie numérique sur les différents corps d’Ahmed à 25°, géométries simplifiées d’une automobile réelle, afin de valider les choix stratégiques de maillages et de méthodes numériques ainsi que s’assurer de la bonne résolution de l’écoulement. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales obtenues au cours d’essais réalisés à la soufflerie La Ferté Vidame lors de travaux de thèse précédents. A l’issue de ce travail, la méthode hybride Delayed Detached Eddy Simulation Shear-Stress Transport (DDES SST) est sélectionnée pour la suite de l’étude au vu des meilleures performances obtenues (torseur aérodynamique, coefficient de pression, topologie d’écoulement) par rapport aux méthodes Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) et Stress-Blended Eddy Simulation (SBES). La seconde phase de l’étude consiste à adapter la méthodologie précédemment développée sur un véhicule réel, la Peugeot 308 SW. Au préalable, une base de données expérimentales conséquente a été réalisée au sein du Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) au cours de ces travaux. La géométrie est tout d’abord simplifiée afin de faciliter la mise en place de la méthodologie numérique : entrées d’air fermées, soubassement lissé, roues remplacées par des carénages. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent globalement la supériorité de la DDES par rapport aux méthodes RANS classiques. La topologie d’écoulement est mieux prédite (soubassement et sillage), même si la prédiction du coefficient de portance reste une difficulté majeure pour ce type de méthode hybride. / The main goal of this PhD is to develop an unsteady numerical method to study the external aerodynamic flow around real vehicles. The first part of the study focuses on the flow around simplified geometries, such as 25° Ahmed bodies (with sharp and rounded edges on the back of the body), in order to determine the optimal turbulence model, mesh setup and numerical parameters. Computational Fluid Dynamics (CFD) results are compared to experimental data reported in literature conducted in the La Ferté Vidame wind tunnel. Based on this study, Shear-Stress Transport Delayed Detached Eddy Simulation (SST DDES) demonstrates superiority over Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) and Stress Blended Eddy Simulation (SBES) turbulence models, regarding both drag and lift coefficients predictions, and flow topology.Secondly, the numerical procedure is adapted for a real vehicle, the Peugeot 308 SW estate car. A substantial experimental campaign was carried out in the Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) wind tunnel to provide data against which the numerical results are compared. Given the geometric complexity of a real vehicle, the car is simplified for this study as follows: the front air inlets are closed, the underbody is smoothed with additional panels and the wheels are replaced by fairings. DDES computations show encouraging results. A significant improvement of the flow topology is obtained with DDES compared to RANS models. However, the prediction of the lift coefficient remains a major difficulty with these hybrid methods.

L’objectif de ce travail de thèse consiste à analyser les solutions de contrôle permettant de réduire la traînée aérodynamique et donc de diminuer la consommation d’un véhicule. Les véhicules ciblés dans cette étude sont ceux se rapprochant d’une géométrie à culot droit telles que les versions break, monospace, SUV, utilitaires, ou même les remorques de camions. Pour s’affranchir des variantes de style, ces travaux sont concentrés sur la géométrie académique du corps de Ahmed à culot droit. La vitesse de l’écoulement est de 30m/s afin de retrouver des caractéristiques d’un écoulement de sillage fortement turbulent, proche des vitesses d’un véhicule sur autoroute. Ce travail à dominante numérique se décompose en deux parties : la première a pour objectif de valider les résultats de calculs avec et sans solution de contrôle avec des mesures expérimentales identiques, la seconde d’explorer numériquement des configurations de contrôle mixant des solutions de jets périodiques et de déflecteurs agissant sur le sillage du corps de Ahmed à culot droit. Les solutions les plus efficaces apportent des réductions de la traînée de l’ordre de 10%. / This present work is focused on the analysis of control solutions that reduce the aerodynamic drag and therefore the fuel consumption of vehicles. The selected vehicle geometries are closed to a bluff body such as Estate, van, SUV, commercial vehicles or even truck trailers. This work is then focused on the academic geometry of Ahmed body with square back in order to avoid style diversity. The reference velocity flow is equal to 30m/s, which is closed to a vehicle speed on a highway, and induces a highly turbulent wake flow. This work mainly numerical is divided in two parts. The first one is dedicated to the validation of the numerical model with experimental wind tunnel measurements. The second part looks for numerical configurations of flow control solution, mixing periodic jet and deflector both acting on the wake. Most effective solutions lead to drag reduction of about 10%.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer. / Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore.

Dans cette thèse, l’étude des interactions entre des particules ultrafines émises par les pots d’échappement et l’écoulement de sillage créé par le véhicule émetteur a été réalisée principalement selon une approche numérique. Une campagne expérimentale a été conduite à des fins de validation. L’objet de la thèse vise à comprendre l’impact des particules issues des pots d’échappement sur l’environnement proche tant du côté piéton que du côté des passagers des véhicules suiveurs. Pour cela, l’écoulement du fluide a été traité avec une approche eulérienne type URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combinée à un suivi lagrangien pour les nanoparticules. En effet, cette thèse est conduite en parallèle d’un projet collaboratif financé par l’ADEME (CAPTIHV) dont le but est d’évaluer la qualité de l’air des habitacles des véhicules automobiles, et en particulier de l’infiltration des particules ultrafines issues du trafic environnant. L’étude de la dispersion des particules fines en écoulements turbulents nécessite une analyse fine des structures turbulentes qui s’y développent. Notre étude numérique a donc consisté, en premier lieu, à analyser cette dispersion dans le cas d’un écoulement de sillage classique à l’aval d’un cylindre. Cela nous a permis de caractériser la dynamique d’interactions de nanoparticules solides de carbone avec les structures tourbillonnaires en considérant l’impact de la turbulence et de la diffusion brownienne. Cela a permis d’évaluer l’influence des principaux mécanismes influençant la dispersion. Les résultats de ces simulations nous ont permis de sélectionner les mécanismes/forces importants pouvant influencer la dispersion de telles particules dans le sillage d’un véhicule automobile ; Cela nous a facilité la mise en place et l’analyse des simulations relativement plus complexes de l’aérodynamique du corps d’Ahmed à culot droit en présence des nanoparticules simulant les suies des gaz d’échappement. Les interactions des particules ultrafines avec les structures tourbillonnaires se créant dans le sillage des véhicules ont été évaluées à partir de profils de concentrations et les coefficients de dispersions transversales. La dernière étape a consisté en une campagne d’essais en soufflerie qui nous a permis de caractériser les champs de vitesses moyens et turbulents ainsi que les champs de concentrations particulaires à l’aval du véhicule pour valider les résultats numériques / In this thesis, the study of the interactions between ultrafine particles emitted by the exhaust pipes and the wake flow generated by the emitting vehicle was carried out mainly using a numerical approach. An experimental campaign was conducted for validation purpose. The goal of the thesis is to understand the impact of exhaust particles on the surrounding environment on both the pedestrian and the passengers of the following vehicles. For this purpose, the fluid flow was resolved with an Eulerian type URANS model (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) combined to the Lagrangian approach for the nanoparticles trajectories calculation. This thesis is conducted simultaneously with a collaborative project funded by ADEME (CAPTIHV) whose purpose is to assess the air quality of automotive car cabins, and particulate infiltration from the surrounding traffic in particular of ultrafine particles. The study of the dispersion of fine particles in turbulent flows requires a fine analysis of the turbulent structures that develop in such flows. Our numerical study therefore consisted, first, in analyzing this dispersion in the case of a classic wake flow downstream of a cylinder. This enabled us to characterize the interaction of solid carbon nanoparticles with vortical structures evaluating at the same time the impact of turbulence and Brownian diffusion. This allowed determining the influence of the main mechanisms influencing nanoparticles dispersion. In a second step, we replaced the cylinder configuration by a simplified geometry of a motor vehicle, Ahmed body configuration. Therefore, simulations with and without of particles presence have been conducted and have allowed to highlight the swirls structures and to characterize the particles dispersion through particle concentration profiles and the particles dispersion coefficients. The results of these simulations allowed us determining the important mechanisms / forces that can influence the dispersion of such particles in the wake of a ground vehicle; this facilitated the implementation and analysis of relatively more complex simulations of the aerodynamics of the square back Ahmed body in the presence of nanoparticles simulating soot from the exhaust gases. The interactions of ultrafine particles with vortical structures appearing in the wake of vehicles were evaluated from concentration profiles and transverse dispersion coefficients. The final step was a wind tunnel experimental campaign that allowed us to characterize the average and turbulent velocity fields as well as the particle concentration fields downstream of the vehicle to validate the numerical results

La thèse est une contribution à l’étude des tourbillons longitudinaux qui se développent sur la lunette arrière des véhicules automobiles, dans l’idée de provoquer leur éclatement afin de réduire la traînée aérodynamique. On conçoit tout d’abord un système d’acquisition dénommé A-SPIV, permettant de reconstruire le champ moyen de vitesse 3D d’un sillage turbulent à partir de plans stéréo-PIV acquis par translation du système caméras-laser, sans qu’il soit nécessaire de le recalibrer. En complément, on propose une méthode de reconstruction de la pression moyenne reposant sur les données A-SPIV et sur une mesure de la pression pariétale. L’ensemble forme un nouveau protocole expérimental, validé dans le sillage d’un corps d’Ahmed 25° et dont les résultats à haut Reynolds sont comparés à la littérature existante. L'analyse topologique des tourbillons longitudinaux suggère l’existence d’un éclatement tourbillonnaire spontané dans le sillage proche, malgré l’absence de point de stagnation. On démontre formellement l’existence de cet éclatement par deux critères théoriques qui considèrent ce phénomène, soit comme la conséquence d’une réorganisation de la vorticité, soit comme la résultante d’une accumulation, en un point critique, d’ondes inertielles se propageant le long du tourbillon. Les analyses sous-jacentes sont menées dans un repère cylindrique attaché à l’axe tourbillonnaire et prédisent une même position d’éclatement, en bon accord avec la position singulière issue des mesures A-SPIV. La thèse se conclut par une analyse de stabilité globale de l'écoulement moyen qui suggère un lien possible entre l’éclatement et une instabilité globale de l’écoulement tourbillonnaire. / This thesis is a contribution to the study of the longitudinal vortices developing in the near wake of ground vehicles, with the general purpose of reducing the aerodynamic drag by triggering the vortex breakdown phenomenon. We present a new data acquisition system called A-SPIV, allowing to reconstruct a 3D turbulent time-averaged velocity field from stereo-PIV planes measured by translation of the whole cameras-laser system, with no need to recalibrate. We also propose a method to reconstruct the mean pressure in the bulk from the A-SPIV data and from a dedicated wall static pressure measurement. This new overall experimental protocol is applied to a standard aerodynamic test-case, the 25° Ahmed body, all results being compared and validated at high turbulent Reynolds number against existing data from the literature. A thorough analysis of the longitudinal vortices suggests the occurrence of a spontaneous vortex breakdown in the near-wake, although there exist no stagnation point in the experimental data. Such vortex breakdown is therefore evidenced using two different theoretical criteria considering the phenomenon as the consequence of either a reorganization of the vorticity, or an accumulation of inertial waves propagating along the vortex core. The underlying analyses are carried out in a cylindrical system attached to the vortex axis and predict a single breakdown position, in good agreement with the singular position initially inferred from the A-SPIV data. The thesis ends with a global stability analysis of the turbulent mean flow suggesting a possible connection between the occurrence of vortex breakdown and a global instability of the longitudinal vortex.