Les propriétés de l'écoulement turbulent confiné dans une cavité délimitée par deux disques parallèles coaxiaux dont l'un est en rotation sont très sensibles à la géométrie périphérique du système. De récentes études ont montré que l'écoulement en bloc prévu par la théorie de Batchelor n'est pas systématiquement observé lorsque la cavité est isolée, c'est à dire non soumise à un flux forcé. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ce phénomène et d'étendre le cadre de l'étude au cas d'un écoulement centripète forcé. La première partie du travail aborde l'aspect théorique du problème. Un premier bilan des échanges de fluide dans les couches limites est réalisé à partir des solutions stationnaires de l'écoulement sur un disque, développées par von Kármán et Bödewadt. Ces solutions sont couplées à de nouvelles hypothèses permettant de tenir compte des échanges de flux hors couches limites et du taux de pré-rotation du fluide. Nous obtenons ainsi des solutions analytiques originales pour les distributions radiales du coefficient d'entraînement du fluide dans le noyau central, de la pression statique pariétale et de la pression totale, que la cavité soit isolée ou soumise à un flux radial forcé. La seconde partie est consacrée aux moyens expérimentaux et numériques nécessaires à la validation de ces solutions théoriques. Elle inclut d'abord une description de l'installation expérimentale, des techniques de mesure, et du programme d'essais réalisé dans le cadre de cette thèse. Les simulations numériques sont réalisées à l'aide du code de calcul industriel FLUENT. Les détails concernant le choix du domaine de calcul, le maillage, les conditions aux limites et le modèle de turbulence retenus sont ensuite fournis. La validation des solutions théoriques fait l'objet des deux derniers chapitres, respectivement consacrés aux cas de la cavité isolée et soumise à un écoulement centripète forcé. L'accord obtenu entre l'expérience, les résultats numériques et la théorie est généralement très bon, ce qui nous conforte dans le choix de nos hypothèses. L'analyse des résultats permet en particulier de comprendre le mécanisme d'apparition de l'écoulement en bloc prévu par Batchelor. Toutefois, l'utilisation des modèles n'est pas universelle car elle nécessite l'ajustement de constantes, pour lesquelles nous tentons de dégager des relations empiriques les plus générales, dans la mesure du possible.

Les jets annulaires turbulents sont des écoulements soumis à de fortes instabilités qui peuvent devenir un handicap pour certaines applications industrielles (procédés de fibrage du verre, ventilation individuelle, ventilation opérationnelle, brûleurs, neige de culture ...). Ces écoulements particuliers de jets axisymétriques sont complexes puisqu'ils regroupent des phénomènes de sillage et de mélange. L'objectif de cette étude est de déterminer des méthodes de contrôle de la zone initiale des jets annulaires d'air de très grand rapport de diamètres (r=0,91), pour des nombres de Reynolds élevés (Ree=5130, Ree=2565, Ree=1368, e étant l'épaisseur de l'anneau de jet de 2,565mm), afin de répondre aux attentes des industriels mais aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans la formation de l'écoulement. Deux méthodes ont été étudiées. Une voie de contrôle passif par modification de géométrie de l'obstacle central a permis d'agir sur le sillage et de modifier la morphologie du jet. Les jets annulaires basique, conique et sphéroïdal ont été comparés pour obtenir des jets plus efficaces pour certaines applications. Un contrôle actif par forçage acoustique a été appliqué au jet annulaire basique afin de réduire le battement du jet autour de son axe sans modifier la géométrie de la buse. Différents paramètres de forçage (fréquence, position de l'excitation, phase de l'onde) ont été observés pour déterminer une configuration efficace de contrôle des instabilités de l'écoulement. Les méthodes de diagnostic utilisées sont intrusives (anémométrie par fil chaud) ou non intrusives (Tomographie rapide, Vélocimétrie par Images de Particules, Anémométrie Doppler Laser 2D et 3D) et sont complétées par un post-traitement de Décomposition Orthogonales en Modes Propres (P.O.D.) pour analyser les structures cohérentes de l'écoulement et déterminer l'influence du contrôle passif ou actif sur ces structures de différentes échelles. Une Simulation Numérique Directe (D.N.S.) est enfin proposée pour modéliser le contrôle passif des écoulements de jets annulaires turbulents de très grands rapports de diamètres.

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.