Ce travail est une étude expérimentale de l'influence du nombre de Reynolds sur les caractéristiques des tourbillons longitudinaux et transverses de la turbulence de paroi. Une campagne de mesure par PIV stéréoscopique est réalisée dans des plans longitudinaux/normaux à la paroi (XY), et dans des plans normaux/transversaux (YZ) des couches limites de la soufflerie du LML et du tunnel à eau du LTRAC, à six nombre de Reynolds compris entre Re_\theta=1300 et Re_\theta=18950. Les mesures ont une bonne résolution spatiale et une faible incertitude. La base de données est validée au travers de l'analyse de grandeurs statistiques de l'écoulement (moyenne et RMS de la vitesse, histogramme des fluctuations, spectres de puissance) , comparées à des profils de référence issus de la théorie, de mesures fils-chauds ou de données DNS. Une détection de tourbillon, basée sur le fit d'un tourbillon d'Oseen autour des maxima de "swirling strength", est ensuite entreprise sur les données stéréo-PIV ainsi que sur des données DNS à Re_\tau=950. L'évolution des caractéristiques des tourbillons (rayon, vorticité, circulation, vitesse de convection) avec la distance "y" à la paroi est ensuite analysée dans deux représentions adimensionnées: l'une en unités de paroi, et l'autre en unités de Kolmogorov. Une bonne universalité en nombre de Reynolds est obtenue en unités de paroi dans la zone tampon et la zone logarithmique, mais pas dans la zone externe de l'écoulement. Les unités de Kolmogorov permettent d'obtenir une bonne universalité dans les trois zones étudiées, à la fois en Reynolds et en "y". Finalement, les mécanismes responsables de la génération des tourbillons sont discutés

Ce travail présente une étude détaillée des caractéristiques et des variations journalières et saisonnières du vent obtenues à partir des données de deux radars UHF profileurs de vent installés à Bamako en 2005 et à Niamey en 2006. Les pics du jet nocturne observés atteignent 14 ms-1 à 500m d'altitude. Ce jet est aussi présent à 150m. On note la présence d'un important cisaillement de vent aux conséquences aéronautiques non négligeables. Le cycle du vent est caractérisé par un fort cycle diurne ainsi qu'un cycle saisonnier bien distinct. Une évaluation du potentiel éolien est faite suivant deux méthodes : celle s'appuyant sur les distributions de vent observées directement sur les sites et celle utilisant les distributions statistiques de Weibull. Les variations mensuelles du module du vent et les distributions statistiques des vitesses sont présentées, de même que les paramètres de Weibull correspondants et les puissances moyennes récupérables. Les valeurs des paramètres de Weibull du jour et de la nuit sont comparées. Les résultats montrent que le jet nocturne est une importante source d'énergie à condition que les aérogénérateurs soient placés à 150m d'altitude et que de larges capacités de stockage d'énergie soient installées pour que l'énergie produite et stockée la nuit puisse être utilisée pendant la journée. Les résultats de l'étude économique montrent que cette énergie est bon marché en comparaison avec les autres sources d'énergie renouvelables.

1 Contexte Le contexte général est celui du contrôle des écoulements et plus précisément du contrôle des couches limites clef de voute des écoulements. Ce domaine de la mécanique des uides consiste à manipuler un écoulement an de l'amener dans l'état désiré. Les applications les plus courantes en sont la minimisation de la force de trainée sur un véhicule ou encore l'augmentation de la portance d'une aile ou la réduction du bruit provoqué par un écoulement. Un moyen connu et usuel de manipuler les couches limites est d'utiliser des générateurs de vortex. Sous ce nom générique se cache une multitude de dispositifs dont la fonction primaire est d'introduire de la vorticité longitudinale au sein de la couche limite. Si chacun des triptyques application-écoulement-actuateur a mené à étude paramétrique par des départements d'ingénierie, il n'existait aucun consensus sur une méthode à même de prédire les paramètres optimaux à priori. Au cours des travaux présentés ici nous avons cherché à proposer et tester des outils capable de faciliter les études nécessaire à la mise en place ecace de générateurs de vortex génériques appliqué au contrôle sur un écoulement décollé en ayant une approche basée sur la physique de la couche limite. 2 Interaction entre des générateurs de vortex et une couche limite La première étape consista à observer l'interaction entre les structures engendrées par les générateurs de vortex et une couche limite sur une plaque plane. Dans les installations hydrodynamiques du laboratoire nous menons au moyen d'un protocole expérimental original, inspiré de l'imagerie par tomographie, à la reconstruction par imagerie par image de particules (ou PIV) des champs moyennés dans le temps et tridimensionnel des composantes longitudinales et transverse de la vitesse ce qui constitue à l'époque (2005) un petit exploit expérimental. Du point de vue du contrôle d'écoulements décollés cela nous a permis de quantier la modication moyenne de l'écoulement moyen. Sur ce concept nous introduisons une grandeur intégrale représentative de cette modication. Cette dernière nous aide à évaluer l'impact des générateurs de vortex sur la susceptibilité de la couche limite à subir un décollement. Une seconde analyse a permis de faire progresser les connaissances de la transition à la turbulence de la couche limite. En effet vorticité longitudinale et streaks apparaissent naturellement de façon transitoire à petite échelle lors de la transition. Un processus d'auto-entretien de ces deux structures avait été soupçonné et modélisé mais était dificilement observable expérimentalement. L'idée originale est donc ici de forcer de façon stationnaire la position des tourbillons et donc celle des streaks ce qui en rend l'étude plus aisée. En observant les énergies de ces structures à différents nombres de Reynolds nous détectons un seuil au delà duquel sont observés de nombreux indices de l'existence de ce processus selon le scénario modélisé. Il s'agit de la première démonstration expérimentale de l'existence d'un processus auto-entretenu entre tourbillons longitudinaux et streaks dans une couche limite en transition, ce qui a donné lieu à la publication de ces travaux dans Physical Review Letter. 3 Étude de l'écoulement décollé au dessus d'une rampe descendante Afin d'évaluer l'efficacité prédictive des grandeurs construites auparavant, l'écoulement au dessus d'une rampe descendante a été retenu cette géométrie étant proche de celles rencontrées dans les applications courantes (transport). Nous avons donc mené en canal hydrodynamique et en souerie des mesures PIV en fonction du nombre de Reynolds et ainsi fournit une première étude comportant une analyse de la longueur de recirculation en fonction du nombre de Reynolds, ainsi qu'une analyse détaillée des modes instables de la couche cisaillée et de la bulle de recirculation en employant une PIV résolue dans le temps dévellopée au cours de cette thèse et une méthodologie basée sur du filtrage fréquentiel qui a été crée pour l'occasion en s'inspirant des méthodes utilisé par les numériciens. Enfinnous avons confronté nos résultats à ceux obtenus sur une marche descendante. Il a été proposé et validé que le comportement de la bulle de recirculation pouvait être ramené à celui obtenu lors de l'écoulement sur une marche descendante de hauteur fixée par la position du point de décollement à un nombre de Reynolds dépendant de cette nouvelle hauteur. L'analyse fréquentielle de l'écoulement exhibe de nombreux points communs avec les écoulements de marche descendante correspondant. On y trouve fréquence dominante découlant de l'instabilité linéaire de la couche cisaillée, ses harmoniques et couplages avec les modes à basse fréquence de la bulle de recirculation. Cependant le fait que le point de décollement en plus de celui de rattachement soit laissé libres provoque une plus grande liberté de la bulle de recirculation ce qui a tendance à alimenter l'amplificateur de bruit qu'est la couche cisaillée et enrichit considérablement les spectres. Ceci rend une attribution sans équivoque des différents modes à leur source physique compliquée étant donné le nombre de sources possibles. Il s'agit à notre connaissance de l'étude expérimentale la plus complète sur cet écoulement. 4 Contrôle par générateurs de vortex de l'écoulement au dessus d'une rampe descendante. Il s'agissait enfin d'évaluer l'efficacité des outils construits lors de la première étape afin de contrôler le décollement ayant lieu dans l'écoulement étudié dans la seconde partie en combinant les méthodes expérimentales. A des nombres de Reynolds équivalents, une étude paramétrique a montré que la longueur d'onde optimale an d'accélérer la couche limite en moyenne (et donc donner plus d'énergie cinétique an de lutter contre le décollement) sur une plaque plane était également celle qui permettait de parvenir au décollement le plus tardif. Ce résultat valide l'emploi des outils construits au cours de la première phase de ces travaux . Nous montrons qu'en plus d'un décollement repoussé, nous modulons la couche cisaillée de la même manière que la couche limite incidente ce qui permet également de modifier le contenu fréquentiel de l'écoulement. Au cours du premier essai sur le sol européen de la V3V (pour Volumetric 3-component Velocimetry, TSI) qui permet d'acquérir les instantanés des 3 composantes de la vitesse dans un volume donné, nous avons pu démontrer que les structures tourbillonnaires transversales découlant de la déstabilisation de la couche cisaillée pouvaient être tuées par la modulation ainsi induite par le contrôle.

L'objet de ce travail de thèse est l'étude en soufflerie du sillage lointain des éoliennes à axe horizontal. La complexité phénoménologique du sillage des éoliennes fait que les mécanismes le régissant sont généralement traités d'un point de vue stationnaire : les principaux paramètres (déficit de vitesse, production de turbulence...) sont alors moyennés dans le temps. Néanmoins, considérer les instationnarités du sillage d'une éolienne placée en écoulement atmosphérique permet d'observer un phénomène appelé meandering, traduisant un battement aléatoire du sillage. Ce travail est construit en deux grandes parties : la vision stationnaire et la vision instationnaire du sillage d'un modèle simplifié d'éolienne, basé sur le principe du disque de Froude, placé dans une couche limite atmosphérique (CLA) modélisée en soufflerie à l'échelle 1/400. La première partie est composée de plusieurs études paramétriques sur l'influence du point de fonctionnement d'une éolienne, sur sa hauteur de mât ou encore sur le type de CLA. Une éolienne en situation de dérapage fait également l'objet d'études paramétriques. Celles-ci visent à étudier le comportement du sillage dans différentes situations et il est alors montré les limites des lois empiriques présentes dans la littérature, concernant notamment l'influence de la turbulence ambiante. La seconde partie se focalise sur la vision instationnaire, jusqu'ici rarement considérée. En utilisant l'anémométrie par fil chaud, les résultats montrent le rôle des grandes échelles de la turbulence atmosphérique sur l'apparition du meandering. L'amplitude du battement et les dimensions du sillage instantané sont ensuite appréhendées de façon quantitative par mesures PIV, montrant l'influence du point de fonctionnement de l'éolienne et de l'intensité de turbulence ambiante.

L'une des difficultés rencontrées dans les écoulements turbulents provient du fait que les statistiques dépendent très fortement de ce qui se passe à proximité des parois. La présence de ces derniers est pour la plupart du temps prise en compte par l'introduction de fonctions d'amortissement dans les équations des modèles. Cette approche particularise d'avantage les modèles et aussi ne favorise pas leur universalité. Le but de cette thèse est de développer des modèles Algébriques Explicites prenant en compte les effets de paroi par l'approche de la pondération elliptique développée par Manceau et Hanjalic, puis de procéder à la validation de ces modèles dans différentes configurations d'écoulements. La méthodologie de la modélisation algébrique explicite consiste à projeter l'équation du tenseur d'anisotropie sur une base convenablement choisie. La théorie des bases d'intégrité permet de déterminer le nombre de tenseurs devant constituer cette base afin d'éviter toute singularité dans les modèles. Dans cette circonstance de nombreux de modèles peuvent alors être développés. La prise en compte de la pondération elliptique à fait apparaître un tenseur supplémentaire M dans les équations en dehors des tenseurs S et W classiquement utilisés. Ce qui d'un côté rend plus complexe le cadre théorique, mais d'un autre côté offre de nombreuses possibilités de modèles approchés utilisables en pratique. Les modèles linéaire et non linéaire développés et testés pour une large gamme de Reynolds en canal, en écoulement de Couette-Poiseuille et en écoulement de couche limite sans cisaillement ont montrés leur capacité à reproduire convenablement l'anisotropie en proche paroi. La limite à deux composantes de la turbulence est préservée. L'extension de ces modèles en 3D a permis de montrer qu'il est possible de représenter correctement l'anisotropie dans un cas 3D en utilisant une base tronquée à trois tenseurs, à condition toutefois de prendre en compte l'intégralité des invariants apparaissant en 3D.

Le contrôle d'écoulement permet d'éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s'intéressent plus particulièrement au contrôle actif d'écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l'équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l'écoulement autour du modèle à l'aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l'écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d'une séparation sur le volet, un peu comme sur l'extrados d'une aile d'avion. L'utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d'étudier et d'optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi

La thèse s'est inscrite dans le développement du service d'observation PAES (Pollution Atmosphérique à l'Échelle Synoptique), réseau de stations d'altitude, dédié à la mesure à long terme de l'ozone et de ses principaux précurseurs gazeux. La représentativité spatiale et temporelle a été évaluée grâce à l'analyse des données de surface comparées à des mesures aéroportées (MOZAIC) et satellitaires (MOPITT) ; les stations d'altitude s'avèrent capables de suivre les changements globaux de la composition de l'atmosphère et, dans une certaine mesure, sont représentatives de la variabilité de la troposphère libre malgré l'influence de la surface. Un bilan de la qualité de l'air en Europe de l'Ouest, depuis les années 1990 a été dressé à partir des données d'ozone et de CO de PAES et de différents réseaux français et européens. Enfin, l'analyse couplée des données d'observation obtenues pendant la campagne de terrain PIC 2005 (13 juin - 7 juillet 2005 autour du Pic du Midi) et de simulations (Méso-NH) a permis notamment de comprendre le cycle diurne inversé de l'ozone observé dans des climatologies issues de certaines stations d'altitude. Le rôle du transport à l'échelle synoptique et des échanges entre couche limite et troposphère libre sur la mesure en altitude a été montrée dans l'étude détaillée de l'épisode de pollution du 23 juin 2005.

Thèse doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2004. / 176 réf.

Thèse doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2004. / Numéro national de thèse de l'original : 2004ECDL0004. Titre provenant de l'écran-titre. 176 réf.

Thèse doctorat : Mécanique : Villeurbanne, INSA : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 123-127. Index.