L'injection d'un mélange carburant/comburant dans une chambre de combustion d'un turboréacteur ou d'un moteur-fusée fait intervenir un jet liquide, cisaillé par un gaz rapide. Le jet liquide peut être sous certaines conditions sujet à un phénomène de battement à grande échelle. Ce phénomène, dont les mécanismes de base sont aujourd'hui mal connus, peut avoir des conséquences importantes sur la combustion. Nous réalisons dans ce travail une étude numérique de jets liquides cisaillés par une phase rapide, en portant une attention particulière à l'étude de l'interaction entre les structures tourbillonnaires de la phase rapide et le jet liquide. Une nappe liquide plane cisaillée de part et d'autre par une phase rapide est analysée dans un premier temps . Les mécanismes de déstabilisation de cette nappe liquide sont étudiés, ainsi que le contrôle passif du phénomène de battement. Des jets liquides coaxiaux, cisaillés par une couronne de phase rapide, sont ensuite analysés. Les mécanismes de déstabilisation à grande échelle sont étudiés, ainsi que le contrôle passif et actif de cette déstabilisation. La simulation d'une configuration d'écoulement réaliste eau/air est enfin réalisée, en interaction avec les expérimentateurs du LEGI. Une attention particulière est portée à l'écoulement se produisant au sein de la buse d'injection. / Fuel injection in an aircraft engine or in a rocket engine involves a liquid jet sheared by a high-velocity gas. The liquid jet can display, under some specific conditions, a flapping motion. This flapping motion, the basic mechanisms of which are still poorly understood, can significantly impact the combustion process. We perform in this work a numerical study of liquid jets interacting with a high-speed stream and focus on the interactions between the vortical structures in this high-speed stream and the liquid jet. A plane liquid jet surrounded by two high-speed streams is first analysed. The mechanisms leading to the flapping motion are studied, as well as the passive control of this instability. A liquid coaxial jet, sheared by an annular high speed stream, is next analysed. The mechanisms leading to the flapping motion are also analysed, as well as passive and active strategies for controlling this instability. Finally, we perform simulations of an experimental set-up studied at LEGI, focusing on the flow inside the nozzle.

L'utilisation de systèmes légers non linéaires permet de réaliser le contrôle vibratoire de structures subissant des oscillations non acceptables en termes de confort pour l'usager ou de sécurité de l'ouvrage. L'étude des puits d'énergie non linéaires, ou « Nonlinear Energy Sinks » (NES), a notamment fait l'objet de nombreuses recherches depuis le début des années 2000. Sa non-linéarité lui confère des capacités de pompage énergétique large bande, c'est-à-dire pour un large intervalle de fréquences de sollicitation, ce qui représente un avantage significatif en comparaison des absorbeurs comme l'amortisseur à masse accordée. Le but de ce manuscrit est d'étudier le couplage de chaîne d'oscillateurs non linéaires à des systèmes dynamiques linéaires soumis à des sollicitations harmoniques et d'analyser d'une part le comportement global du système, et d'autre part les potentialités de contrôle passif de telles chaînes. Une méthodologie analytique générale est présentée, puis appliquée à des exemples où des absorbeurs à non-linéarités cubiques à un, puis à N degrés de liberté sont attachés à un oscillateur linéaire. Une variation de cette méthodologie adoptant une vision continue de la chaîne est ensuite proposée. Enfin, un dispositif expérimental étudie le comportement d'un modèle réduit de bâtiment à un étage couplé à une chaîne de huit oscillateurs non linéaires. / Nonlinear light oscillators can be used for performing vibratory passive control of structures undergoing unacceptable oscillations in terms of comfort and safety. The study of Nonlinear Energy Sinks (NES) has been especially subject to an important research effort since the beginning of the 2000s. Its essential nonlinearity enables it to achieve large-band energy pumping, which is a significant advantage in comparison with classical Tuned Mass Dampers. In this manuscript, nonlinear chains of oscillators coupled to linear systems under harmonic excitation are studied. The main goal is to understand the behavior of the whole system and find evidence of passive control abilities of such chains. First of all, a general analytical methodology is presented and applied to examples where single and multi-degree-of-freedom absorbers with cubic nonlinearities are linked to a linear oscillator. A modification of this approach by considering the chain in the form of a continuous approximation is then proposed. Finally, an experimental device composed of a single storey reduced-scale building coupled to a chain of eight nonlinear oscillators is investigated.

Le contrôle des vibrations à basse fréquence adapté aux structures légères est un défi scientifique ettechnologique en raison de contraintes économiques et écologiques de plus en plus strictes. De récentes études enacoustique ont portées sur l’absorption totale d’ondes basses fréquences à l’aide d’absorbeurs parfaits sublongueursd’onde. Ces métamatériaux sont obtenus en exploitant la condition de couplage critique. Unegénéralisation de cette méthode pour le domaine élastodynamique serait d’un grand intérêt pour répondre auxexigences du contrôle des vibrations de structures légères à basse fréquence.Cette thèse vise à adapter le problème d’absorption parfaite des ondes de flexion dans des systèmes 1D et 2D avecdes résonateurs locaux en utilisant la condition de couplage critique. Une étude préliminaire sur des systèmes 1D àgéométries simples sont d’abord proposée. Celle-ci propose une méthode de conception de résonateurs simplespour une absorption efficace des ondes de flexion. Une complexification du système 1D est ensuite considérée avecl’étude du couplage critique de Trou Noir Acoustique (TNA) 1D. Ceci a motivé l’interprétation de l’effet TNA à l’aidedu concept de couplage critique afin de présenter des outils clés à de futures procédures d’optimisation pour ce typede terminaisons. La condition de couplage critique est ensuite étendue aux systèmes 2D. L’absorption parfaite parle premier mode axisymétrique d’un résonateur circulaire inséré dans une plaque mince infinie est analysée. Ladiffusion multiple par une ligne de résonateurs circulaires insérés dans une plaque mince 2D infinie ou semi-infinie,appelée métaplaque, est aussi considérée dans l’optique de se rapprocher d’une application industrielle. A traverscette thèse, des modèles analytiques, des simulations numériques et des expériences sont présentés pour valider lecomportement physique des systèmes présentés. / The vibration control adapted to light structures is a scientific and technological challenge due toincreasingly stringent economic and ecological standards. Meanwhile, recent studies in audible acoustics havefocused on broadband wave absorption at low frequencies by means of subwavelength perfect absorbers. Suchmetamaterials can totally absorb the energy of an incident wave. The generalisation of this method for applicationsin elastodynamics could be of great interest for the vibration control of light structures.This thesis aims at adapting the perfect absorption problem for flexural waves in 1D and 2D systems with localresonators using the critical coupling condition. A study of 1D systems with simple geometries is first proposed. Thisprovides methods to design simple resonators for an effective absorption of flexural waves. The 1D systems thenbecome more complex by studying the critical coupling of 1D Acoustic Black Holes (ABH). The ABH effect is theninterpreted using the concept of critical coupling, and key features for future optimisation procedures of ABHs arepresented. The critical coupling condition is then extended to 2D systems. The perfect absorption by the firstaxisymmetric mode of a circular resonator inserted in a thin plate is analysed. Multiple scattering by an array ofcircular resonators inserted in an infinite or semi-infinite 2D thin plate, called metaplate, is also considered to getclose to practical applications. Through this thesis, analytical models, numerical simulations and experiments areshown to validate the physical behaviour of the systems presented.

Le présent manuscrit propose une synthèse des travaux de recherche de l'auteur de ces dix dernières années. Il est divisé en deux grandes parties. La première partie regroupe les modèles et techniques de résolution développés par l'auteur pour résoudre des problèmes de dynamique non linéaire des structures élastiques et piézoélectriques. Le fil conducteur de cette partie est celui de la résolution d'un problème de mécanique. La première étape est le choix d'un modèle adapté. Ainsi, on propose une synthèse des modèles non linéaires géométriques de milieux minces, classés et comparés à la fois en terme de formulation et d'hypothèses. Des modèles analytiques et numériques sont mis en regard, depuis leur fondement dans la mécanique des milieux continus non linéaire, jusqu'à leur écriture opérationnelle. Ensuite, des méthodes de résolution adaptées sont décrites : discrétisation des modèles analytiques par projection modale, réduction de modèles éléments finis par la même technique, modes non linéaires, méthodes numériques de continuation. Des techniques expérimentales spécifiques aux vibrations non linéaires sont aussi décrites. La seconde partie donne une vue d'ensemble des principaux résultats associés aux trois thèmes d'application des recherches de l'auteur : la dynamique non linéaire des plaques et des coques, avec des applications aux instruments de musique à percussion, la réduction de vibration de structures par shunts piézoélectriques et enfin les vibrations non linéaires de micro/nano systèmes électromécaniques. Cette seconde partie fait largement référence aux résultats généraux de la première et en donne ainsi des illustrations et des applications.

Afin de limiter les contraintes dans les matériaux pour accroître leur durée de vie et améliorer la sécurité des structures (par exemple dans les transports), ainsi que d’améliorer le confort des utilisateurs, le contrôle de vibrations mécaniques et leur amortissement a fait l’objet de nombreuses recherche scientifiques depuis de nombreuses décennies. De plus, la prolifération récente des matériaux dits « intelligents » couplant plusieurs disciplines de la physique telles que la mécanique et l’électricité a permis l’élaboration de techniques de contrôle de vibration fiables, robustes et performantes tout en étant très intégrables, permettant ainsi de disposer de méthodes totalement adaptées aux système embarqués ou aux structures où les contraintes d’encombrement sont relativement restrictives. Notamment, il a récemment été proposé l’utilisation de techniques non linéaires basées sur une commutation synchronisée d’éléments piézoélectriques sur une impédance afin d’amélioration la conversion d’énergie mécanique sous forme électrique et ainsi de disposer de systèmes de contrôle de vibrations très performants et intégrables. Néanmoins, du fait du principe de cette commutation synchronisée avec la déformation, le contrôle de vibrations large bande, très présents dans les environnements réels, conduit à une dégradation des performances de ces techniques. L’objectif des travaux rapportés dans cette thèse consiste à proposer et à étudier théoriquement et expérimentalement des approches dérivées de ces techniques mais totalement adaptées au large bande. Ainsi, après une introduction relatant l’état de l’art en termes de contrôle vibratoire, la première technique exposée dans cette thèse propose d’utiliser un filtrage spatial permettant de séparer les modes de vibrations pour ensuite connecter de manière appropriée des éléments piézoélectriques afin de pouvoir simultanément contrôler plusieurs modes de vibrations en flexion. La deuxième méthode pour disposer de systèmes de contrôle de vibrations efficaces se base sur la combinaison d’amortisseurs à masse accordée avec l’approche non-linéaire afin d’améliorer le pouvoir d’amortissement par un contrôle supplémentaire des transferts énergétiques via le couplage électromécanique, conduisant à une méthode efficace, robuste et pouvant être installée facilement. La troisième et dernière approche consiste à utiliser les propriétés remarquables des structures périodiques en les couplant avec l’approche non-linéaire, cette dernière permettant une augmentation de l’amortissement et un élargissement significatif des bandes fréquentielles réduisant significativement l’amplitude de l’onde. Enfin, une conclusion générale exposera les principaux résultats obtenus et proposera des pistes d’évolution des concepts exposés. / In order to protect structures, extend their lifespan and decrease the incomfort resulting from undesired vibrations, many works have been reported for reducing vibrations. Along with the development of smart materials such as piezoelectric materials which are extensively used for vibration control and noise reduction due to their unique features (high integrability, compactness, light weight and high bandwidth), control systems can be designed in a more compact and simple form. Additionally, due to the conversion between mechanical energy and electrical energy, vibrations can be effectively attenuated by electromechanical approaches. Synchronized Switch Damping on Inductor (SSDI) technique attracted lot of attentions as an effective semi-passive technique which can artificially increase the converted energy by nonlinear voltage inversion process, thus allowing superior control performance compared to passive technique with low power requirement and simple control algorithm. Based on this semi-passive control technique, the objectives of this work are threefold. The first aim is improving the multimodal/broadband control performance of SSDI. An enhanced strategy based on spatial filtering according to the mode shapes of the vibrating structure is proposed. In order to separate the uninterested modes and effectively damp the targeted modes, sum and different switches respectively based on the sum of the piezovoltages of two anti-symmetrically bonded patches and the voltage difference of the two symmetrically bonded piezoelectric elements are introduced. Since the vibration modes can be spatially filtered by these connections, multimodal vibrations can be damped significantly and simultaneously as the sum and difference switches are employed, with an increase of total inversion coefficient. Then, electromechanical TMD (tuned mass damper) featuring piezoelectric materials combined with the semi-passive nonlinear technique SSDI is presented. Using this electromechanical semi-passive nonlinear TMD, the mechanical energy is not only transferred between host structure and TMD device but also converted as electrical energy stored in the piezoelectric patches and/or dissipated in the connected circuit, which allows excellent damping performance for limiting the vibrations. The last investigated method consists in electromechanical periodic structures featuring the nonlinear switching interface. Such a structure can effectively attenuate the elastic waves and damp the vibration in a wider frequency band since it has the capability of filtering propagative waves within stop bands attributed to the structural periodicity and the superior damping ability which is attributed to the nonlinear voltage inversion process that increases the voltage amplitude and decreases the phase between voltage and speed. Finally, a conclusion proposes a summary of the main results obtained in this thesis, as well as new extensions and ways of the proposed techniques.

Afin de limiter les contraintes dans les matériaux pour accroître leur durée de vie et améliorer la sécurité des structures (par exemple dans les transports), ainsi que d'améliorer le confort des utilisateurs, le contrôle de vibrations mécaniques et leur amortissement a fait l'objet de nombreuses recherche scientifiques depuis de nombreuses décennies. De plus, la prolifération récente des matériaux dits " intelligents " couplant plusieurs disciplines de la physique telles que la mécanique et l'électricité a permis l'élaboration de techniques de contrôle de vibration fiables, robustes et performantes tout en étant très intégrables, permettant ainsi de disposer de méthodes totalement adaptées aux système embarqués ou aux structures où les contraintes d'encombrement sont relativement restrictives. Notamment, il a récemment été proposé l'utilisation de techniques non linéaires basées sur une commutation synchronisée d'éléments piézoélectriques sur une impédance afin d'amélioration la conversion d'énergie mécanique sous forme électrique et ainsi de disposer de systèmes de contrôle de vibrations très performants et intégrables. Néanmoins, du fait du principe de cette commutation synchronisée avec la déformation, le contrôle de vibrations large bande, très présents dans les environnements réels, conduit à une dégradation des performances de ces techniques. L'objectif des travaux rapportés dans cette thèse consiste à proposer et à étudier théoriquement et expérimentalement des approches dérivées de ces techniques mais totalement adaptées au large bande. Ainsi, après une introduction relatant l'état de l'art en termes de contrôle vibratoire, la première technique exposée dans cette thèse propose d'utiliser un filtrage spatial permettant de séparer les modes de vibrations pour ensuite connecter de manière appropriée des éléments piézoélectriques afin de pouvoir simultanément contrôler plusieurs modes de vibrations en flexion. La deuxième méthode pour disposer de systèmes de contrôle de vibrations efficaces se base sur la combinaison d'amortisseurs à masse accordée avec l'approche non-linéaire afin d'améliorer le pouvoir d'amortissement par un contrôle supplémentaire des transferts énergétiques via le couplage électromécanique, conduisant à une méthode efficace, robuste et pouvant être installée facilement. La troisième et dernière approche consiste à utiliser les propriétés remarquables des structures périodiques en les couplant avec l'approche non-linéaire, cette dernière permettant une augmentation de l'amortissement et un élargissement significatif des bandes fréquentielles réduisant significativement l'amplitude de l'onde. Enfin, une conclusion générale exposera les principaux résultats obtenus et proposera des pistes d'évolution des concepts exposés.