Cette étude est consacrée à la possibilité d'identification des sources acoustiques (les structures cohérentes en particulier) dans la zone de mélange de jets turbulents en utilisant la Décomposition Orthogonales aux Valeurs Propres (POD) appliquée aux fluctuations de pression en champ proche. Lors d'une première expérience, on mesure le champ de pression proche d'un jet transsonique et d'un jet supersonique. Dans les deux cas, les deux premiers modes POD, qui à eux seuls captent l'essentiel de l'organisation spatiale et spectrale, possèdent des comportements similaires à ceux observés dans les éléments bibliographiques. Cependant, la seule connaissance du champ de pression ne suffit pas à l'interprétation physique des modes POD en terme d'organisation turbulente de l'écoulement. Une seconde expérience est alors menée dans une configuration plus simple d'un jet à faible vitesse d'éjection. On mesure simultanément la distribution longitudinale des fluctuations de pression en champ proche et les fluctuations de deux composantes de vitesse dans plusieurs tranches de l'écoulement. On accède ainsi aux corrélations spatiales pression-vitesses sur le domaine bidimensionnel de mesure. A partir de ces corrélations et en utilisant l'Estimation Stochastique Linéaire (LSE), on reconstruit la dynamique des grosses structures dans le domaine de mesure à partir seulement de la distribution longitudinale des fluctuations de pression. On montre que l'estimation du champ tourbillonnaire obtenue est en très bon accord avec la physique des phénomènes aux grandes échelles et on l'utilise pour donner une interprétation physique des modes POD de pression : les quatre premiers modes représentent la partie organisée du champ de pression. Enfin, on effectue une évaluation du rayonnement acoustique en champ lointain de l'estimation du champ tourbillonnaire qui s'avère être conforme à ce qui est attendu.

Cette synthèse porte sur plusieurs thématiques de mécanique des fluides et s'articule autour d'une approche par des méthodes expérimentales instationnaires. Les domaines successivement abordés sont la turbulence, l'aérodynamique compressible, les machines tournantes, l'hydrodynamique et les instabilités, tandis que les techniques expérimentales mises en œuvre comprennent les sondes directionnelles de pression, l'anémométrie fil/film chaud, la vélocimétrie laser Doppler, la visualisation par injection de traceur et la vélocimétrie par images de particules. Dans la plupart des cas, on développe des techniques multi-composantes, afin d'obtenir les trois composantes du champ de vitesse. Lorsqu'un phénomène périodique est présent dans l'écoulement, des traitements par moyennes de phase permettent de reconstruire, à partir d'un maillage de mesures ponctuelles, une information globale dans un plan ou dans un volume, et son évolution temporelle moyenne. Il est aussi possible de reconstituer une dynamique en fonction du temps à partir d'une mesure dans un plan, non résolue en temps, synchronisée avec une mesure ponctuelle, résolue en temps. L'ensemble des configurations étudiées par ces méthodes expérimentales constitue des bases de données, utiles notamment pour une comparaison avec des résultats de simulations numériques.

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s'ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s'adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l'existence d'un front d'ébullition est le plus probable.

Les recherches sur les instationnarités des Interactions Ondes de Choc Couches Limites (IOCCL) turbulentes ont permis une description détaillée de celles-ci tant expérimentalement que numériquement . Ceci a conduit à plusieurs schémas susceptibles d'expliquer les respirations à basses fréquences observées dans de tels écoulements. Les configurations avec des conditions amont laminaires ou transitionnelles ont été moins étudiées.Dans le cadre du programme Européen TFAST, un important effort a été mené afin de développer des dispositifs expérimentaux, conjointement à des simulations numériques, permettant une étude détaillée de ces configurations. Dans le cadre de cette thèse, on a mis en place une configuration de réflexion d'onde de choc sur une couche limite laminaire pour un nombre de Mach de 1.68. L'utilisation des métrologies classiques (Anémométrie Laser Doppler, Anémométrie Fil Chaud), adaptées à ces conditions expérimentales particulières, a permis de décrire les propriétés spatio-temporelles de ces écoulements. Le champ moyen a été caractérisé et comparé aux théories classique et aux résultats obtenus dans différentes souffleries.Un schéma décrivant le mécanisme de transition à la turbulence au sein de l'interaction a été développé. Sa sensibilité aux conditions amont a été étudiée en plaçant des perturbations en amont de l'interaction. Dans tous les cas, des instationnarités convectives (haute fréquence) et stationnaires (basse fréquence) ont été observées et comparées à celles existantes pour les configurations amont turbulentes. Une gamme intermédiaire d'instationnarités convectives (moyenne fréquence) a été mise en évidence et caractérisée. / Research dedicated to the study of the unsteadiness of turbulent Shock Wave Boundary Layer Interaction (SWBLI) has allowed a detailed description of this kind of interaction both experimentally and numerically. Several scenario were proposed to explain the low frequency unsteadiness observed in separated SWBLI. Nevertheless, the literature on this kind of flow involving either upstream laminar or transitional conditions is quite reduce. Within the framework of the European TFAST program, an important effort was made to develop experimental devices, in conjunction with numerical simulations, allowing a detailed study of these laminar or transitional configurations. In particular, within the framework of this thesis, a shock wave reflection configuration on a laminar boundary layer was set-up, with a nominal free stream Mach number of 1.68. Using classical metrology (Laser Doppler Anemometry, Hot WireAnemometry) that have been adapted to these particular experimental conditions, we have been able to describe the spatio-temporal properties of the interaction. The mean field has been characterized and compared with the classical theories and the results obtained in other configurations.A model describing the transition mechanisms to turbulence within the interaction has been developed. Its sensitivity to upstream conditions was studied by placing perturbations upstream of the interaction. In all cases, convective (high frequency) and stationary (low frequency) unsteadiness were observed and compared with those existing for upstream turbulent configurations. An intermediate range of convective unsteadiness (medium frequency) has been demonstrated and characterized.

L'utilisation de l'hélium a basse température en turbulence développée s'avère décisive pour l'étude des propriétés statistiques des champs de vitesse et de traceur passif, grâce a une gamme de nombres de Reynolds inégalée et a d'excellentes conditions de stabilité. Les expériences présentées dans cette thèse sont effectuées en géométrie confinée, entre deux disques en rotation. <br /><br />Nous décrivons dans un premier temps les transferts d'énergie a travers les échelles, et en particulier l'existence d'une tendance algébrique vers un régime asymptotique (loi des 4/5 de Kolmogorov) dans la limite des très grands nombres de Reynolds. Nous discutons en détail la validité de l'équation de Kolmogorov dans différentes configurations d'écoulement, et caractérisons en particulier l'influence des grandes échelles sur un tel régime asymptotique. <br /><br />Nous présentons dans un second temps de nouveaux résultats concernant des mesures de fluctuations de température, réalisées pour la première fois dans l'hélium a basse température. Nous caractérisons notamment l'intermittence du scalaire passif sous l'aspect des lois d'échelles anormales. Nous montrons que l'évolution des exposants de fonction de structure suggère la présence d'une saturation aux ordres élevés, signature de statistiques dominées par la présence de fronts intenses. Nous étudions les propriétés statistiques de ces fronts, et mettons en évidence leur répartition auto-similaire. <br /><br />Enfin, nous présentons de nouveaux résultats concernant les fluctuations de pression en turbulence, a partir d'une expérience originale de cavitation dans l'eau. Nous menons une étude qualitative des structures cohérentes de basse pression dans l'écoulement en contrarotation. Nous nous penchons ensuite sur leur contribution aux distributions de pression exponentielles, mesurées en volume, soulignant l'importance des grandes échelles dans la description des fluctuations de pression.

L'anémométrie laser à effet Doppler (ALD), dont l'utilisation est très répandue en mécanique des fluides, peut aussi être utilisée pour la mesure de vitesse particulaire acoustique. La nature vectorielle de cette grandeur permet de caractériser les champs à structure complexe ce qui autorise, par exemple, l'étude de phénomènes acoustiques au voisinage de parois vibrantes ou de discontinuités géométriques. L'ALD offre, pour ce type de problème, le double avantage de présenter une bonne résolution spatiale de la mesure et de ne perturber que faiblement le champ à explorer.<br />Le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine est équipé d'un banc de mesure conçu pour la mesure de vitesse acoustique. Depuis près de huit ans, les recherches se sont orientées vers la validation expérimentale de cette technique ainsi que vers l'élaboration de méthodes de traitement des signaux propres à extraire la vitesse particulaire dans un contexte de traitement différé et avec l'hypothèse d'un signal Doppler d'amplitude constante. Cependant, pour que l'ALD soit exploitable efficacement il est indispensable de concevoir un système de mesure, simple d'utilisation, permettant d'accéder rapidement à la vitesse acoustique et prenant en compte la nature variable de l'amplitude du signal Doppler.<br />L'objectif de cette étude est donc de proposer des méthodes de traitement du signal adaptées à l'estimation de la vitesse particulaire acoustique, dans le cas d'une excitation sinusoïdale, et de définir une architecture matérielle et logicielle indispensable à cette mesure. Celle-ci s'opère à partir des composantes en phase et en quadrature du signal Doppler ramenées en bande de base à l'aide d'un dispositif de démodulation analogique spécialement développé pour cette application. Trois estimateurs sont alors proposés : le premier est basé sur le calcul de la dérivée de la phase du signal Doppler. Sa principale vocation consiste à initialiser une deuxième méthode d'estimation basée sur la recherche du maximum de vraisemblance. Le filtrage de Kalman étendu constitue la troisième méthode explorée. Enfin, les formes analytiques, approchées mais précises, des bornes de Cramer-Rao montrent l'influence des paramètres du problème sur la qualité des estimations. Par la suite, des simulations statistiques de Monte-Carlo permettent d'évaluer la qualité des trois méthodes. Une estimation sommaire des complexités algorithmiques des estimateurs complète également cette phase d'évaluation.<br />Enfin, la validation expérimentale des techniques d'estimation s'articule autour de deux expériences. Dans un premier temps, la mesure de la vitesse de déplacement sinusoïdale d'une pointe d'aiguille montée dans un pot vibrant permet de confronter les résultats obtenus par ALD à ceux que donne un vibromètre laser. Dans un second temps, la mesure de vitesses particulaires acoustiques rayonnées par un haut-parleur électrodynamique, est proposée. Les valeurs issues de la mesure en champ libre par ALD sont alors comparées à celles des vitesses de référence obtenues à l'aide de la méthode du doublet microphonique.

Ce document d'HDR a pour but de démontrer ma capacité à diriger des recherches et à encadrer de jeunes chercheurs. On y trouve une synthèse de mes travaux situés à l'interface de la physique et des sciences de l'information : - les effts de résonance stochastique où le bruit joue un rôle utile dans le traitement non linéaire de l'information. Un point de vue original est en particulier développé en direction d'effets de bruit utile utilisant les nonlinéarités naturelles des capteurs de signaux ou d'images donnant lieu à des réalisations expérimentales sur des systèmes optiques; - l'analyse de signaux et d'images à travers les échelles par des outils d'analyse fractale et multifractale; - le projet de recherche que je développe actuellement en direction du traitement du signal et de l'imagerie appliqués aux sciences du vivant (biomédicale et végétale). Ce faisant, le document présente la démarche suivie à travers ces thématiques de recherche tour à tour guidées par le développement de paradigmes informationnels, le déploiement d'outils transversaux issus de la théorie de l'information, le lien avec mes activités d'enseignement également situées à l'interface de la physique et des sciences de l'information ou encore les richesses, contraintes et opportunités liées à mon environnement actuel de recherche.

Les instabilités aéroélastiques de bandes d’acier constituent aujourd’hui l’un des problèmes majeurs dans les sections de refroidissement par jets impactants des lignes de recuit continues.En effet, le traitement thermique des nouveaux aciers nécessite de très fortes pentes de température impliquant constamment des augmentations de vitesse de soufflage susceptibles de mettre en jeu des instabilités aéroélastiques. Des flottements ainsi que des divergences de bande ont déjà été constatées et identifiées. Ces deux instabilités impliquent dans la plupart des cas des chocs entre la bande et les buses de soufflage ce qui engendre des défauts de surface sur la bande.Un banc d’essai a été conçu et fabriqué dans le but d’analyser ces instabilités et d’anticiper leur apparition. A partir d’observations, la dynamique structurelle de la bande a été simplifiée à un mode de rotation rigide. Le banc comporte une plaque oscillante en mouvement forcé.Celle-ci est impactée par un dispositif de plusieurs jets axisymétriques turbulents ayant une disposition identique à celle des tours industrielles. Les efforts aérodynamiques stationnaires et instationnaires agissant sur la plaque sont mesurés au moyen de capteurs de pression.L’impact de plusieurs jets en interaction crée de très importants gradients de pression sur la plaque il est donc nécessaire que la grille de prises de pression soit très fine pour que l’estimation des efforts aérodynamiques soit correcte. La plaque est donc instrumentée de 91capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les ois directions de l’espace, ce qui permet d’obtenir la distribution des efforts instationnaires ainsi que des coefficients aéroélastiques sur une grande surface de plaque et à différentes distances d’impact.Les mesures de pression stationnaires ont permis d’établir les courbes d’évolution des efforts d’impact des jets sur la plaque en fonction de la distance jet-plaque ainsi que de la géométrie des buses. Les résultats ont permis de déterminer la stabilité statique de la plaque en mouvement de pompage. Les mesures de vitesses des jets libres ont été effectuées paranémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées surune seule géométrie de soufflage, pour différentes vitesses réduites. Les résultats mettent en évidence l’importance des effets de bords sur la stabilité de plaque. Des méthodes de post traitements ont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. (réf. [1]) et mettent en évidence des désaccords avec le cas réel. Des suggestions sont apportées afin d’améliorer la représentativité du banc vis-à-vis des bandes industrielles. / Aeroelastic instabilities of steel strips impinged by arrays of cooling gas jets have becomeone of the main issues in cooling sections of continuous annealing lines. Indeed, the new steeltreatments require very high temperature variation rates which involve increases in jetvelocities that are likely to onset some aeroelastic instabilities. Strip flutter and divergencehave already been observed and identified. These two aeroelastic instabilities imply a strongrisk of contact with the blowing boxes, which can seriously blemish the strip.An experimental test rig was designed and built in order to analyze and predict of theseinstabilities. From observations, the strip’s structural dynamics was simulated by a rigidrotation mode. The rig included a forced oscillating plate which is impinged by an array ofaxisymmetric jets having the exact industrial geometry. The plate was instrumented withpressure sensors to measure the steady and unsteady surface pressures. The impingement ofinteracting jets creates very large pressure gradients on the plate and therefore a tight mesh ofpressure taps (91 over an 18cm² jet impingement surface) was necessary to allow a goodestimation of the aerodynamic loads The plate could also be moved in the three coordinatedirections as to obtain surface mappings of the unsteady jet forces and aeroelastic coefficientscan be obtained over a wide area and different jet-to-plate distances.The variation of the impinging aerodynamic forces was established as a function of the jetto-plate distance for different nozzle geometries. These results were used to determine the jetstatic stability in plunging motion. Velocity and turbulence measurements in free jets werecarried out using hot wire anemometry in order to determine their statistical properties.Aeroelastic coefficient measurements were carried out on the oscillating plate with onlyone nozzle geometry and different reduced velocities. Results show that the plate’s stability ismainly dependent on the boundary effects. Post processing methods are suggested in order toapply the results to larger plates. Results are compared to the data of Regardin et al. (réf. [1])and emphasize some discrepancies with respect to the real case. Finally some improvementsto the test-rig are suggested for it to be more representative of the industrial situation.

Les instabilités aéroélastiques de bandes d’acier constituent aujourd’hui l’un des problèmes majeurs dans les sections de refroidissement par jets impactants des lignes de recuit continues.En effet, le traitement thermique des nouveaux aciers nécessite de très fortes pentes de température impliquant constamment des augmentations de vitesse de soufflage susceptibles de mettre en jeu des instabilités aéroélastiques. Des flottements ainsi que des divergences de bande ont déjà été constatées et identifiées. Ces deux instabilités impliquent dans la plupart des cas des chocs entre la bande et les buses de soufflage ce qui engendre des défauts de surface sur la bande.Un banc d’essai a été conçu et fabriqué dans le but d’analyser ces instabilités et d’anticiper leur apparition. A partir d’observations, la dynamique structurelle de la bande a été simplifiée à un mode de rotation rigide. Le banc comporte une plaque oscillante en mouvement forcé.Celle-ci est impactée par un dispositif de plusieurs jets axisymétriques turbulents ayant une disposition identique à celle des tours industrielles. Les efforts aérodynamiques stationnaires et instationnaires agissant sur la plaque sont mesurés au moyen de capteurs de pression.L’impact de plusieurs jets en interaction crée de très importants gradients de pression sur la plaque il est donc nécessaire que la grille de prises de pression soit très fine pour que l’estimation des efforts aérodynamiques soit correcte. La plaque est donc instrumentée de 91capteurs de pression sur une surface de 18 cm². Elle peut également être translatée dans les ois directions de l’espace, ce qui permet d’obtenir la distribution des efforts instationnaires ainsi que des coefficients aéroélastiques sur une grande surface de plaque et à différentes distances d’impact.Les mesures de pression stationnaires ont permis d’établir les courbes d’évolution des efforts d’impact des jets sur la plaque en fonction de la distance jet-plaque ainsi que de la géométrie des buses. Les résultats ont permis de déterminer la stabilité statique de la plaque en mouvement de pompage. Les mesures de vitesses des jets libres ont été effectuées paranémométrie à fil chaud et ont permis de déterminer leurs propriétés statistiques.Les mesures de coefficients aéroélastiques sur la plaque en rotation ont été effectuées surune seule géométrie de soufflage, pour différentes vitesses réduites. Les résultats mettent en évidence l’importance des effets de bords sur la stabilité de plaque. Des méthodes de post traitements ont proposées afin d’extrapoler les résultats à différentes largeurs de bande. Ils sont confrontés aux travaux de Regardin et al. (réf. [1]) et mettent en évidence des désaccords avec le cas réel. Des suggestions sont apportées afin d’améliorer la représentativité du banc vis-à-vis des bandes industrielles. / Aeroelastic instabilities of steel strips impinged by arrays of cooling gas jets have becomeone of the main issues in cooling sections of continuous annealing lines. Indeed, the new steeltreatments require very high temperature variation rates which involve increases in jetvelocities that are likely to onset some aeroelastic instabilities. Strip flutter and divergencehave already been observed and identified. These two aeroelastic instabilities imply a strongrisk of contact with the blowing boxes, which can seriously blemish the strip.An experimental test rig was designed and built in order to analyze and predict of theseinstabilities. From observations, the strip’s structural dynamics was simulated by a rigidrotation mode. The rig included a forced oscillating plate which is impinged by an array ofaxisymmetric jets having the exact industrial geometry. The plate was instrumented withpressure sensors to measure the steady and unsteady surface pressures. The impingement ofinteracting jets creates very large pressure gradients on the plate and therefore a tight mesh ofpressure taps (91 over an 18cm² jet impingement surface) was necessary to allow a goodestimation of the aerodynamic loads The plate could also be moved in the three coordinatedirections as to obtain surface mappings of the unsteady jet forces and aeroelastic coefficientscan be obtained over a wide area and different jet-to-plate distances.The variation of the impinging aerodynamic forces was established as a function of the jetto-plate distance for different nozzle geometries. These results were used to determine the jetstatic stability in plunging motion. Velocity and turbulence measurements in free jets werecarried out using hot wire anemometry in order to determine their statistical properties.Aeroelastic coefficient measurements were carried out on the oscillating plate with onlyone nozzle geometry and different reduced velocities. Results show that the plate’s stability ismainly dependent on the boundary effects. Post processing methods are suggested in order toapply the results to larger plates. Results are compared to the data of Regardin et al. (réf. [1])and emphasize some discrepancies with respect to the real case. Finally some improvementsto the test-rig are suggested for it to be more representative of the industrial situation.

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s’ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s’adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l’existence d’un front d’ébullition est le plus probable. / Depressurization (flashing) experiments through a ball valve were conducted with C6F14 for a large range of superheat. High-speed imaging shows a rapid and wide expansion of the jet, which evidences strong pressure gradients. Local measurements with phase detection optical probes and phase Doppler velocimetry were used to characterize size, speed, concentration and volumetric flux of drops as a function of superheat. The level of superheat has little influence on the vaporized fraction and on drop size and flux: this suggests that due to strong pressure gradients the liquid sees a much weaker level of superheat than the global superheat imposed on the system. Different scenarii are discussed to explain observations, in particular the fact that drop size remains approximately constant independent of the superheat. A scenario based on the existence of a boiling front seems to be the most consistent.