Cette étude expérimentale et numérique porte sur la caractérisation des écoulements de type rotor-stator soumis à un flux axial selon deux angles: turbulence et stabilité.<br /><br />De nouvelles mesures par LDA sont comparées aux prévisions d'un modèle avancé de transport des tensions de Reynolds essentiellement pour les écoulements turbulents à couches limites séparées. Cette confrontation a permis d'approfondir les propriétés des écoulements confinés soumis à une forte rotation. Dans le cas d'une cavité fermée ou lorsqu'un flux centripète est imposé, la structuration de l'écoulement est de type Batchelor: la couche limite du rotor et celle du stator sont séparées par un noyau central en rotation. La vitesse tangentielle dans le noyau est proportionnelle à la vitesse locale du disque avec un coefficient de proportionnalité K. Ce coefficient peut être déterminé à partir d'un coefficient local de débit selon une loi analytique dont les deux coefficients dépendent uniquement du taux de prérotation du fluide. Cette loi est indépendante de l'espace interdisque et de la géométrie. Pour de forts flux centrifuges, la structuration de l'écoulement devient de type Stewartson avec une couche limite unique sur le rotor. La transition entre ces deux structurations peut être caractérisée par un nombre de Rossby basé sur l'espace radial entre le rotor et le cylindre extérieur. Cette transition est continue et indépendante de la géométrie de la cavité. La turbulence est concentrée dans les couches limites et augmente du centre vers la périphérie du disque. Lorsqu'un flux est imposé, la zone relaminarisée proche de l'axe observée en cavité fermée, disparaît et la turbulence est maximale près des zones d'entrée et de sortie du fluide.<br /><br />L'influence d'un flux sur la stabilité des écoulements de type Couette de torsion à couches limites jointes, de type mixte et de type Batchelor a également été étudiée à partir de visualisations de l'écoulement. Les réseaux de cercles concentriques et de spirales mais aussi les ondes solitaires et les spots turbulents observés en cavité fermée subsistent en présence d'un flux mais les seuils d'apparition et de disparition sont décalés. De nouvelles instabilités essentiellement sous la forme de spirales apparaissent également. Une instabilité de type ``crossflow'', générique de ce type d'écoulement, a été observée. Elle se développe sous la forme de spirales positives, notées RSJ2, localisées en périphérie de la cavité. Elle est due au point d'inflexion dans le profil axial de la composante radiale de la vitesse.

Afin de satisfaire les exigences de sécurité requises dans l’aviation civile, la stratégie adoptée consiste à multiplier les chaînes de mesure pour une même information. Il est aujourd’hui recommandé d’introduire une chaîne de mesure dissemblable (reposant sur un principe physique différent) afin d’augmenter le niveau de sécurité. Dans cette optique, Thales mène des travaux sur le développement d’un anémomètre laser Doppler embarqué sur aéronef. Ce capteur, composé de quatre axes LiDAR (Light Detection And Ranging) répartis autour de l’avion, permet d’estimer la vitesse air par l’analyse de la réflexion de l’onde laser émise sur les particules présentes dans l’air.L’objectif de ces travaux est de concevoir une chaîne de traitement du signal LiDAR adaptée à un capteur sur avion. Cette chaîne, basée sur une représentation temps-fréquence, inclut des étapes de détection du signal utile optimisée pour les conditions de faible ensemencement en particules, de sélection des aérosols utiles dans un nuage et d’estimation robuste afin de contrôler la qualité de la mesure. Cette chaîne de traitement, évaluée lors d’une campagne d’essais réalisée à l’observatoire du Pic du Midi, apporte un gain de performances élevé dans les situations critiques. L’architecture du système a été le second axe d’étude. Une méthode d’estimation du vecteur vitesse à partir des estimations effectuées sur chaque axe LiDAR et d’un modèle aérodynamique de l’avion permet de compenser les perturbations observées à proximité de ce dernier. Puis, une procédure d’optimisation de l’architecture est proposée afin d’améliorer les performances du capteur. Les performances de la chaîne de traitement présentée devront être évaluées en conditions réelles, lors d’essais en vol, afin de sonder une grande variété de conditions atmosphériques et d’évaluer le gain apporté et les faiblesses éventuelles du traitement proposé en fonction de ces conditions. / The method use to respect security requirements in civil aviation consists in multiplying measuring chains for the same information. Now, it is recommended to add a dissimilar measuring chain, based on a different physical principle, in order to improve security level. Thus, Thales works on the development of a laser Doppler anemometer embedded on aircraft. This sensor is composed by four LiDAR (Light Detection And Ranging) axis distributed around the aircraft and air speed is estimated by the analysis of the reflection of the emitted laser wave on particles.This thesis objective is to design a LiDAR signal processing chain adapted to an aircraft sensor. The process is based on a time-frequency representation and it includes methods for signal detection in low concentrated air mass, useful particles selection in clouds and robust estimation to control measure reliability. The process has been evaluated during a test campaign realized at the Pic du Midi observatory. Its performances are greatly improved, especially in critical situations.The system architecture has also been studied. An estimation method designed from estimations performed on different LiDAR axis and an aerodynamic model of an aircraft is proposed in order to compensate for air mass perturbations close to the aircraft. Then, an optimization process is presented to improve sensor performances.The signal processing chain will have to be evaluated by flight tests, to explore a large atmospheric conditions variety and to quantify its strengths and weaknesses depending on conditions.

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 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.