Depuis les travaux pionniers de Brown et Roshko portant sur les effets des variations de masse volumique au sein de l’écoulement de couche de mélange, plusieurs autres études tant théoriques, expérimentales ou numériques se sont attelées à étudier finement cet écoulement. Les motivations sont d’ordre pratiques (industrie de la chimie, l’aérodynamique, la combustion . . .) ou alors purement théoriques (rôle des structures cohérentes, instabilités secondaires. . .). Ces études se sont intéressées, entre autres, aux effets de compressibilité et/ou de masse volumique variable. A notre connaissance, les effets des variations de viscosité dans la configuration de couche de mélange sont peu abordés dans la littérature. L’objectif de ces travaux de recherche est l’exploration théorique et numérique de l’écoulement de couche de mélange temporelle à viscosité variable, plus particulièrement durant sa phase initiale de développement. D’un point de vu numérique, les équations de Navier-Stokes sont résolues,en formulation faiblement compressible, au moyen du solveur CHOC-WAVES, basé sur le schéma WENO. L’approche DNS est justifiée par l’absence, dans la littérature, de modèles de sous-maille capables de prendre en compte les effets de la viscosité variable. Les équations de transport des différentes grandeurs moyennes et fluctuantes en un point et en chaque échelle (bilan d’énergie cinétique) sont réécrites en formulations incompressible et à viscosité variable. Des termes supplémentaires, engendrés par les variations spatio-temporelles de la viscosité, apparaissent dans ces équations. Celles-ci sont utilisées comme outil, afin d’explorer l’écoulement de couche de mélange et d’étudier le développement de la turbulence dans un milieu hétérogène. Les rapports de viscosité simulés sont Rv = [1−18]. Les résultats numériques montrent que l’épaisseur de la zone de mélange δθ évolue plus rapidement lorsque le rapport de viscosité Rv est élevé. De même, les gradients verticaux de la vitesse longitudinale sont amplifiés par les gradients de viscosité, un gain de près de 60%, par rapport aux valeurs initiales, est observé. La production de l’énergie cinétique turbulente est également amplifiée.L’évolution temporelle des fluctuations des vitesse est accélérée, celles-ci sont augmentées de près de 120% par rapport à l’écoulement à viscosité constante. Le régime autosimilaire du tenseur de Reynolds est atteint plus rapidement par l’écoulement à viscosité variable et l’isotropie des fluctuations de vitesse est améliorée. / Since the pioneering work of Brown and Roshko on the effects of density variations within the mixed layer flow, several other theoretical, experimental and numerical studies harnessed to finely investigate this flow. The motivations are of practical order (chemical industry, aerodynamics, combustion. . .) or purely theoretical (the role of coherent structures,secondary instabilities). These studies have focused on, among others, the effects of compressibility and/or variable density. To our knowledge, the effects of viscosity variations in the mixing layer configuration are not discussed in the literature. The objective of this researchis the theoretical and numerical exploration of the variable viscosity temporal mixedlayer flow, especially during its initial phase of development. From a numerical viewpoint, the Navier-Stokes equations are solved in weakly compressible formulation, using the solver CHOC-WAVES, based on WENO scheme. The DNS approach is justified by the absence in the literature of subgrid models that account for the effects of variable viscosity. The transport equations of different mean and fluctuating quantities at a point and each scale (scale-by-scale energy budget) are rewritten in incompressible and variable-viscosity formulation. Additional terms, generated by the spatial and temporal variations of viscosity occur in these equations. These are used as a tool to explore the mixed layer flow and study the development of turbulence in a heterogeneous environment. The simulated viscosity ratios are Rv = [1 − 18]. The numerical results show that the mixing layer thickness δθ growsfaster when the viscosity ratio Rv is high. The vertical gradients of the longitudinal mean velocity are amplified by the viscosity gradients, a gain of almost 60 %, compared to initial values was observed. The production of turbulent kinetic energy is also amplified. The temporal evolution of the velocity fluctuations is accelerated, they are increased to nearly 120 % with respect to the constant viscosity flow. The self-similar regime of the Reynolds tensor is reached more quickly by the variable viscosity flow and the isotropy of the velocity fluctuations is improved.

La gestion efficace de l'eau dans les régions arides et semi-arides est un problème majeur, principalement dans les zones irriguées. La conception d'outils fournissant des estimations régionales des composantes du bilan hydrique peut aider à la gestion durable de la ressource en eau dans ces régions. La télédétection multi-capteurs a démontré un très fort potentiel pour le suivi des ressources hydriques agricoles à différentes échelles. Cette thèse vise à développer des techniques et des méthodes efficaces pour estimer les variables hydrologiques (évapotranspiration et les volumes d'irrigation) afin d'évaluer, dans l'espace (résolutions "métrique" et "kilométrique"), les besoins en eau des cultures du couvert végétal de la plaine de Kairouan (Tunisie centrale) ainsi que les volumes d'irrigation extraits de son aquifère surexploité. L'approche adoptée combine l'expérimentation, la modélisation et l'utilisation de données de télédétection multi-capteurs / multi-résolutions. Les deux types d'outils utilisés sont le modèle de bilan hydrique SAMIR et le modèle de bilan d'énergie SPARSE. Les variables estimées par SAMIR et SPARSE sont évaluées à l'aide des mesures terrain (mesures d'un scintillomètre XLAS) et des enquêtes de terrain (volumes d'irrigation observés). Les volumes d'irrigation saisonniers estimés par SAMIR sont acceptables, même si les résultats à des échelles de temps plus fines (mensuelles) doivent être améliorés. Ainsi, les paramètres de SAMIR, en particulier les paramètres non calibrés, sont revisités afin d'améliorer les performances de simulation de l'ET et des volumes d'irrigation. Les estimations des flux de chaleur sensible et latente par SPARSE sont en étroit accord avec celles obtenues à partir du XLAS. Cependant, l'extrapolation de l'évapotranspiration instantanée au pas de temps journalier est moins évidente. / In arid and semi-arid regions, efficient agricultural water management is a major issue, mainly in irrigated areas. The design of tools that provide an estimate of water balance components at the regional scale may help sustainable management of limited water resources in the water scarce regions. Remotely sensed Earth observation has become a major research field for agricultural water resources management. The main objective of this thesis is to develop and test efficient techniques and methods to estimate hydrological variables (Evapotranspiration (ET) and irrigation volumes) in order to assess, at "metric" and "kilometric" resolution , the crop water requirements and the extracted irrigation volumes in the Kairouan plain (central Tunisia). The adopted approach combines field experimentation, modeling and the use of multi-sensor / multi-resolution remote sensing data. Two modeling tools are used: the soil water balance model SAMIR and the energy balance model, SPARSE. SAMIR and SPARSE estimates are assessed using field measurements (Scintillometer XLAS measurements) and field surveys (observed irrigation volumes). The seasonal irrigation volumes estimated by the SAMIR model are acceptable, even though results at finer timescales (monthly and below) needed to be improved. Hence, the SAMIR model parameters, especially the uncalibrated ones are revisited in order to improve the results. SPARSE estimates of sensible and latent heat ?uxes are in close agreement with those obtained from the XLAS. However, the extrapolation from instantaneous to daily ET is less obvious.

On trouve dans l'ionosphère des hautes latitudes deux sources majeures d'ionisation : les électrons créés par photo-ionisation solaire, et les électrons précipités. L'établissement de l'équation de transport, qui décrit leur évolution est rappelé, puis nous en discutons et testons un modèle de résolution. Utilisant ce programme, nous calculons la production secondaire diurne d'électrons pour divers flux solaires, et nous en proposons un modèle mathématique plus simple. Puis nous étudions le bilan énergétique des électrons thermiques, à partir de précipitations d'électrons. L'équation du bilan détermine la balance entre les termes de chauffage, de relaxation, et de conduction de la chaleur. Nous montrons, en utilisant des mesures de façon intensive (radar EISCAT, satellite VIKING), que dans l'état actuel des connaissances des sections efficaces, ce bilan est vérifié. L'effet des précipitations d'ions est mis en évidence lors d'une des orbites du satellite.

Le milieu urbain est à l'origine de processus radiatifs, thermiques, dynamiques et hydriques qui modifient le climat de la ville. La couche superficielle du sol, avec la présence plus ou moins importante de surfaces végétales ou d’eau, les activités humaines qui induisent des rejets de chaleur et de polluants, et la structure urbaine, avec des matériaux de construction et une certaine morphologie du cadre bâti, sont les principaux facteurs de cette modification. Le bilan d'énergie thermique permet d'appréhender la majorité des perturbations générées par la ville. A l'aide du schéma Town Energy Balance, développé par Météo-France pour paramétrer les échanges en énergie et en eau entre les surfaces bâties et l'atmosphère, nous avons effectué des tests de sensibilité du bilan d'énergie à différents facteurs. Ces facteurs appartiennent à cinq domaines d'actions : le bâtiment, l'espace public, l'organisation urbaine, les activités industrielles et les transports. Nos différentes simulations ont permis de confirmer le rôle prédominant des paramètres radiatifs dans le bilan d'énergie de la ville en été. Durant l'hiver, ce sont d’autres paramètres thermiques (isolation) qui ont la plus grande influence. Les collectivités territoriales françaises ont à leur disposition plusieurs outils et moyens pour agir en faveur de leur environnement climatique et intégrer des facteurs influant sur le climat urbain : leurs domaines de compétence directe (voirie, bâtiments communaux, espaces verts, etc.), les documents stratégiques d'orientation (SCOT et PLU), les procédures d'aménagement (ZAC et lotissement), l'incitation et l'information de leurs citoyens et de leurs services (Agenda 21 local, Plan Climat Territorial, Approche Environnementale de l'Urbanisme). Elles ne peuvent cependant pas agir avec une liberté suffisante, compte tenu des limites contraignantes entre droit de l’urbanisme et droit de la construction et de l’habitat / Urbanization, with artificial surfaces replacing natural land, more anthropogenic heat and urban geometry, modifies the micro and meso scale climate. Such modifications do alter the radiative, thermal, moisture and aerodynamics properties of the urban environment. The study of energy balance could help understanding most of these changes. In this thesis, we used the urban surface exchange parameterization of Météo-France: Town Energy Balance, which computes water and energy exchanges between urban surfaces and atmosphere. In order to study the significance of different factors, we made a sensivity study. Factors are filed in five fields: building, public space, land use, industrial activities and transports. Our simulations showed that radiative parameters are the most influential during the summer. During winter, other thermal parameters (insulation) are the most influential. French local authorities could use several tools and means to act in favor of their climatic environment: their fields of direct jurisdiction (roads, parks, buildings which are owned by the community, etc.), guidance documents (SCOT and PLU), development procedures (urban development zone and building plotting), and incitement and pieces of information for their citizens and their agencies (local Agenda 21, Plan Climat, Approche Environnementale de l'Urbanisme). They can not work completely freely because of the boundary between urban planning law and building and dwelling law

Les glaciers tropicaux sont des indicateurs climatiques très sensibles. Pour relier les fluctuations de leur bilan de masse aux changements climatiques, nous avons réalisé un bilan d'énergie à la surface du Glacier Zongo (16°S), en Bolivie, entre mars 96 et août 98. Cette thèse présente, d'une part les méthodes employées pour obtenir le cycle annuel du bilan d'énergie ponctuel, et d'autre part l'intérêt de cette étude pour la compréhension du fonctionnement du glacier et sa relation avec la climatologie locale. Dans la première partie, nous nous attachons à décrire les conditions climatiques régnant sur ce glacier, à partir des enregistrements des stations météorologiques installées sur le Glacier Zongo. Les glaciers tropicaux sont soumis à des températures et des radiations solaires incidentes peu variables au cours de l'année, alors que le débit du torrent émissaire est très saisonnier. Pour comprendre quels sont les flux d'énergie responsables de la saisonnalité de la fusion en surface du glacier, nous avons dressé le bilan d'énergie en un point du glacier, dans la zone d'ablation, à 5150 m d'altitude. Ce bilan d'énergie traduit un métabolisme propre aux glaciers tropicaux. L'albédo est le paramètre essentiel qui contrôle la quantité d'énergie disponible pour la fusion en surface du glacier. La particularité fondamentale de ces glaciers réside en la très forte consommation d'énergie sous forme de chaleur latente (ce qui se traduit par une sublimation élevée). En outre, le flux de chaleur latente présente une saisonnalité marquée à l'origine du régime hydrologique du torrent qui s'échappe du glacier. En effet, en saison sèche, la sublimation est maximale et il reste peu d'énergie pour la fusion d'où le faible débit du torrent émissaire. La situation opposée se produit en saison humide. À l'échelle de l'ensemble de la période étudiée, le bilan de masse nettement déficitaire de l'année El Nino 1997-98 s'explique surtout par un déficit de précipitations, responsable d'une chute de l'albédo moyen annuel. Le manteau neigeux réduit lors de la saison d'accumulation 1997-98 a disparu plus vite que celui de l'année précédente, laissant affleurer une surface de glace sale, d'albédo faible, pendant une période plus longue. De plus, la chaleur sensible plus élevée et la sublimation réduite ont aussi contribué à augmenter la fusion superficielle, diminuant ainsi le bilan de masse du glacier.

Les ondes internes jouent un rôle essentiel dans la dynamique de l'atmosphère et de l'océan. Elles sont entres autres invoquées pour expliquer le mélange irréversible de ce dernier. Dans des géométries particulières, ces ondes sont susceptibles de converger vers des trajectoires limites appelées attracteurs. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement ces attracteurs dans une cuve trapézoïdale. Dans un premier temps, nous nous intéressons à leur bilan énergétique, en mesurant les différentes dissipations ainsi que la puissance injectée par le générateur d'onde. Si cette puissance est suffisante, l'attracteur est susceptible de se déstabiliser par interactions triadiques. Nous quantifions la part de dissipation portée par ces ondes secondaires ainsi générées. La mesure de la puissance injectée en régime linéaire a montré qu'elle est plus importante pour les attracteurs. Cette résonance, observée jusqu'ici sous une excitation monochromatique, est ici observée en étudiant la réponse du système à une impulsion. Un développement théorique est proposé et permet de comparer quantitativement les deux méthodes. Enfin, nous étudions le régime non linéaire des attracteurs, qui présente des spectres temporel et spatial très riches. Après avoir caractérisé le régime non linéaire, nous exhibons deux comportements non linéaires très différents et apportons des pistes d'explication à leur existence / Internal waves are very important to atmospheric and oceanic dynamics. Among others, they might explain the irreversible mixing of the oceans. In particular geometries, these waves can focus on limit cycles called attractors. Firstly, we investigate the energy budget of these attractor by measuring the different dissipative terms and the injected power coming from the waves source. If this power is sufficient, the attractor destibilise throught triadic instabilities. We quantify how much these secondary are important to the global dissipation rate.The measurement of injected power in the linear regime has shown that it is bigger for the attractors. This resonance, which had been observed under a monochromatic excitation, is here study by analysing the response of the system to an impulse. A theoretical development is proposed to compare quantitatively these two methods. Finally, we study the non linear regime of attractors, which present some complex spatial and temporal spectrum. We caracterise this non linear regime and show that two very different non linear beahviors exist. We bring up some explanation to these behaviors

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L'objectif de la présente étude est d'analyser la modélisation de la turbulence de simulations en moyenne de Reynolds (RANS) dans le cadre d'écoulements de type turbomachines, en utilisant des simulations aux grandes échelles (SGE) comme référence. L'étude porte sur deux cas test: un décollement de coin dans une grille d'aubes rectiligne, et un écoulement de jeu pour un aubage isolé dans un jet. Deux lois de comportement, la loi de comportement de Boussinesq et la loi de comportement quadratique (quadratic constitutive relation ou QCR), sont analysées, avec deux versions du modèle de turbulence k-omega de Wilcox. Les lois de comportement étudiées reposent sur deux hypothèses: une hypothèse d'alignement entre le tenseur de Reynolds et un tenseur construit à partir de l'écoulement moyen, et une hypothèse sur la viscosité turbulente. L'hypothèse d'alignement est étudiée à partir de la SGE, pour laquelle les deux tenseurs sont indépendamment connus, en utilisant un indicateur construit sur le produit scalaire des tenseurs. Les résultats sont présentés sous forme d'une fonction de répartition de la valeur de l'indicateur pour le domaine complet, puis pour trois sous-domaines d'intérêt: l'entrée, une région où l'écoulement interagit fortement avec les parois, et une région où l'écoulement est fortement tourbillonnaire. L'hypothèse d'alignement n'est que rarement valide pour la loi de comportement de Boussinesq. Pour la QCR, les résultats sont meilleurs en entrée, comparé à la loi de Boussinesq. Il ne sont cependant pas meilleurs pour les régions où l'écoulement est plus tourbillonnaire. Une amélioration de la loi de comportement est nécessaire pour pouvoir faire progresser la modélisation turbulente en RANS. En revanche, l'utilisation de l'énergie cinétique turbulente et du taux de dissipation spécifique semble correcte pour estimer la valeur de la viscosité turbulente. L'analyse de la modélisation de l'équation d'énergie cinétique turbulente (ECT) est réalisée au travers d'une comparaison terme à terme avec l'équation d'ECT résolue par la SGE. Les résultats SGE présentent une turbulence qui n'est pas à l'équilibre : la production et la dissipation ne sont pas superposées, et le terme de transport est important. Pour le RANS, la turbulence est à l'équilibre : la production et la dissipation sont superposées, et le terme de transport est de faible intensité. Un modèle de turbulence qui prend en compte le déséquilibre est nécessaire pour améliorer ce point. En dernier lieu, une nouvelle formulation hybride RANS/SGE est proposée, fondée sur la distance à la paroi en unités de paroi. La formulation est validée dans un canal bi-périodique et un premier essai est réalisé sur le cas de décollement de coin, mais d'autres analyses sont nécessaires avant que cette formulation ne soit fonctionnelle. / The present study aims at analysing turbulence modelling in Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations, in the context of turbomachinery flows, using large-eddy simulations (LES) as references. Two test cases are considered: a corner separation (CS) flow in a linear compressor cascade, and a tip-leakage (TL) flow of a single blade in a jet. Two constitutive relations, the Boussinesq constitutive relation and the quadratic constitutive relation (QCR), are investigated, with two versions of Wilcox's $k-\omega$ turbulence model. The studied constitutive relations rely on two hypotheses: an alignment hypothesis between the Reynolds stress tensor and a mean flow tensor, and an hypothesis on the turbulent viscosity. The alignment hypothesis is investigated using LES, where both the tensors are known independently, with an indicator built on the inner product of the tensors. The results are presented as probability density functions of the indicator value for the entire domain first, and then for three specific areas of interest: the inlet area, similar to a boundary-layer flow, an area of strong interaction between the flow and the walls (CS: passage area, TL: tip clearance) and an area of highly vortical flow (CS: separation wake, TL: tip-leakage vortex). The alignment hypothesis is rarely verified in any area for the Boussinesq constitutive relation. For the QCR, the results are improved for the inlet areas compared to the Boussinesq constitutive relation, but no significant improvement is found in the highly vortical regions. An improvement of the constitutive relation is needed in order to improve the RANS turbulence modelling. In contrast, the use of the turbulent kinetic energy and the specific dissipation rate appears quite correct to estimate the turbulent viscosity. The modelling of the RANS turbulent kinetic energy (TKE) budget equation is investigated through a term to term comparison with the resolved LES TKE budget equation. The LES presents a turbulence that is not at equilibrium, with the production and the dissipation not superimposed, and an important amount of transport. This differs from the RANS models, at equilibrium: the production and the dissipation are superimposed, with a small amount of transport. The development of a non-equilibrium turbulence model for RANS simulations could improve this aspect of turbulence modelling. Finally, a new hybrid RANS-LES formulation, based on the wall distance in wall units, is also proposed. It is validated on a bi-periodical channel flow, and a first attempt is made on the corner separation case, but further investigations are still needed for the model to be fully operational.

La formation des Cyclones du Cap Vert met en jeu divers processus : les thalwegs, dorsales de l'onde d'Est africaine et l'anticyclone saharien en moyenne troposphère, les thalwegs des moyennes latitudes en moyenne et haute troposphère, le flux de mousson et les alizés au large de la côte Ouest africaine en basse troposphère, les systèmes convectifs. Ces processus sont étudiés à l'aide d'une climatologie sur cinq ans d'analyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme et d'images Meteosat. Deux cas particuliers sont ensuite modélisés avec Méso-NH : celui de la perturbation qui a donné naissance à l'ouragan Helene (2006) et celui de la « Perturbation D », un cas de non-cyclogénèse observé pendant la campagne AMMA / SOP-3 à Dakar en septembre 2006. Les évolutions des perturbations simulées sont quantifiées à l'aide de bilans d'énergie et de tourbillon. Le résultat principal de cette thèse est que l'ajustement géostrophique du champ de vent à une perturbation de pression d'origine convective dans la région des Îles du Cap Vert ne se produit que lorsqu'il y a un apport d'énergie cinétique tourbillonnaire par une conversion barotrope, ainsi qu'une advection horizontale de tourbillon cyclonique. Ceci confirme l'hypothèse bien connue selon laquelle la cyclogénèse tropicale est le résultat d'une interaction entre systèmes convectifs et un environnement favorable.

Une analyse du comportement thermomécanique du caoutchouc naturel est réalisée en combinant deux techniques d'imagerie quantitative. La corrélation d'images visibles sert à estimer les déformations puis l'énergie de déformation alors que des images infrarouges permettent d'estimer, via l'équation de diffusion, les quantités de chaleur mise en jeu. La construction de bilans d'énergie montre alors l'importance relative des mécanismes dissipatifs et de couplage thermomécanique. A basse fréquence pour de faibles déformations, les résultats permettent de retrouver le fameux effet d'inversion thermoélastique. A déformation plus importante, les résultats montrent une compétition sur le plan énergétique entre élasticité entropique et mécanismes de cristallisation/fusion sous contrainte. Aucun effet dissipatif significatif n'est détecté à basse comme en haute fréquence alors que dans chaque cas, sur le plan mécanique, une aire d'hystérésis caractérise la réponse cyclique du matériau.