L'ecoulement de Hiemenz balaye lateralement est un modele fidele de l'ecoulement sur le bord d'attaque d'une aile en fleche. Pour des angles de fleche importants l'ecoulement de Hiemenz balaye lateralement est instable pour des perturbations de Gortler-Hammerlin (GH), qui sont de nature essentiellement bi-dimensionnelle. Obrist et Schmid (2003) ont montre que, meme a des angles de fleche moderes auxquels l'ecoulement est lineairement stable, des perturbations GH peuvent etre amplifiees considerablement sur un intervalle de temps court. Le but de cette these est de quantifier les phenomenes de croissance transitoire dans l'ecoulement de Hiemenz balaye et d'etudier les mecanismes physiques sous-jacents. Le modele de perturbations GH est utilise pour la mise au point et la validation d'un algorithme d'optimisation de type gradient. Des amplifications temporelles de trois ordres de grandeur ont ete observees pour des perturbations GH, dont l'origine physique est un analogue du mecanisme bidimensionnel d'Orr, connu pour les ecoulements cisailles bidimensionnels. L'amplification optimale de perturbations temporelles a ete observee pour des tourbillons contra-rotatifs paralleles a la ligne d'arret, qui ne sat-isfont pas l'hypothese de Gortler-Hammerlin; le mecanisme d'amplification est alors semblable au mecanisme classique de 'lift-up'. La croissance transitoire spatiale le long du bord d'attaque a aussi fait l'objet d'une etude. Il a ete montre que les perturbations spatiales optimales, leur taux d'amplification et le mecanisme physique responsable sont etroitement lies aux phenomenes de croissance transitoire induits par le mecanisme de lift-up dans une couche limite bidimensionnelle de Blasius.

La stabilité d'un écoulement de couche limite sur une paroi verticale et d'un écoulement de canal entre deux parois verticales est étudiée en présence d'une stratification en densité. Des analyses de stabilité modale et non-modale sont conduites.Pour l'écoulement de couche limite sur une paroi verticale, l'analyse de stabilité temporelle est réalisé pour un profil de vitesse en tanh. Les caractéristiques sont décrites en fonction du nombre de Reynolds (Re) et du nombre de Froude (F). Je montre que l'écoulement de couche limite est sujet à l'instabilité visqueuse et à l'instabilité radiative qui conduisent respectivement à la formation d'ondes de Tollmien-Schlichting (TS) et à la génération spontanée d'ondes internes. Je montre que l'instabilité radiative diminue le nombre de Reynolds critique et domine l'instabilité visqueuse pour des grands nombres de Reynolds. L'instabilité radiative devrait donc être observable dans les expériences et les écoulements géophysiques atmosphériques ou océaniques. Pour l'écoulement de canal, je réalise une étude de stabilité temporelle ainsi qu'une étude des perturbations optimales en utilisant le profil de vitesse de Poiseuille. Comme pour l'écoulement de couche limite, je montre que l'instabilité visqueuse est dominée par une instabilité 3D associée à la stratification. Cette dernière affecte également la croissance transitoire des perturbations. Les deux mécanismes fondamentaux de croissance transitoire que sont les mécanismes de Orr et de ``lift-up'' sont toujours présents mais le mécanisme de lift-up est fortement atténuée par la stratification et rapidement dominée par la présence des instabilités 3D. / The stability of a boundary layer on a vertical wall and a channel flow between two vertical walls is studied in the presence of density stratification. Both modal and non-modal analysis are conducted in these studies. For the boundary layer on a vertical wall, a temporal stability analysis is performed for a tanh velocity profile. The characteristics are analysed as functions of the Reynolds number (Re) and the Froude number (F). The boundary layer is found to be unstable to viscous instability and radiative instability. The viscous instability can lead to Tollmien–Schlichting (TS) waves, and the radiative instability may generate internal gravity waves spontaneously. The radiative instability reduces the critical Re for instability. And for large Reynolds numbers, it dominates the viscous instability. Consequently, radiative instability may develop in experiments and various geophysical situations in the ocean and atmosphere.For the channel flow, we choose plane Poiseuille flow as a prototype. Both the exponential instability and transient growth are analysed. There are also two kinds of exponential instabilities, viscous instability and a 3D instability. The 3D instability influences the behaviour of the transient growth. The fundamental mechanisms in transient growth are the inclination of upstream tilting waves and the growth of streamwise vortices, which are referred to as Orr mechanism and lift-up mechanism. In the presence of stratification, the Orr mechanism is not affected while the lift-up mechanism is weakened. The combination of these two mechanisms is amplified by the influence of the 3D instabilities.

LES MÉCANISMES DE CROISSANCE OPTIMALE DANS DES ÉCOULEMENTS DE CISAILLEMENT CONFINES, EN PARTICULIER LES ÉCOULEMENTS DE COUETTE PLAN ET POISEUILLE PLAN, LORSQU'ILS SONT SOUMIS OU NON À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT NORMAL À LA PAROI SONT ÉTUDIÉS EN DÉTAIL. DANS LE CAS D'UN FLUIDE DE BOUSSINESQ SOUMIS À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE TRANSVERSE, UNE ANALYSE EXHAUSTIVE DE STABILITÉ NON MODALE EST EFFECTUÉE POUR DIFFÉRENTS NOMBRES DE REYNOLDS, DE RAYLEIGH ET DE PRANDTL. ON MONTRE QUE LES LOIS D'ÉCHELLE RELATIVES À LA CROISSANCE TRANSITOIRE DANS DES ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS SONT ROBUSTES, Y COMPRIS EN PRÉSENCE D'UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT. L'EFFET DE ''LIFT-UP" RESTE LE MÉCANISME PRÉDOMINANT DE CROISSANCE TRANSITOIRE. LE MÉCANISME DE ''LIFT-UP" NON VISQUEUX CLASSIQUE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS COURTS ALORS QUE LE MODE PROPRE DE RAYLEIGH-BÉNARD SANS SA COMPOSANTE DE VITESSE LONGITUDINALE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS LONGS. LA COURBE DE GAIN OPTIMAL EST AINSI DÉCRITE ET INTERPRÉTÉE ENTIÈREMENT. DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS, LE RÔLE DE TRANSFORMATION DE SQUIRE EST ÉTENDUE À LA CROISSANCE TRANSITOIRE OPTIMALE D'UNE PERTURBATION ARBITRAIRE 3D DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PARALLÈLES D'EXTENSION TRANSVERSE FINIE. CELA PERMET AUSSI DE DÉMONTRER QUE LES CROISSANCES OPTIMALES AUX TEMPS LONGS POUR DES PERTURBATIONS DE NOMBRE D'ONDE ARBITRAIRES PEUVENT ÊTRE DÉCOMPOSÉES COMME UN PRODUIT DES GAINS RESPECTIFS RÉSULTANT DU MÉCANISME D'ORR 2D ET DU MÉCANISME DE " LIFT-UP ".

Cette thèse est dediée à l'étude des mécanismes d'instabilité non-modaux dans les écoulements cisaillés, principalement des couches de mélange. On se concentre sur les perturbations linéarisées qui ont la plus grande croissance d'énergie à un temps donné, les 'perturbations optimales', différentes du mode propre le plus instable pour les systémes non-normaux. Une description originale de la non-normalité et ses conséquences est donnée dans le chapitre 2. Le chapitre 3 traite du mécanisme de 'lift-up' dans le cas des perturbations longitudinales non-visqueuses sur un écoulement de base parallèle et arbitraire. On trouve une nouvelle équation 1D qui détermine l'ensemble des perturbations orthogonales, dont l'optimale, et permet de trouver des nouveaux résultats exacts et asymptotiques. Dans le chapitre 4 on s'intéresse aux instabilités secondaires d'une couche de mélange en utilisant comme état de base l'écoulement 2D instationnaire et non-linéaire pour calculer les perturbations optimales 3D. Selon le nombre d'onde et les temps d'optimisation (initial et final), on retrouve comme réponses optimales les perturbations de types 'elliptique' et 'hyperbolique'. Dans les chapitres 5 et 6 on considère une stratification en densité dans la direction orthogonale au plan de l'état de base, et on utilise une décomposition de 'Craya-Herring' pour analyser les perturbations en termes de leur contenu en ondes internes et vorticité verticale. Les équations d'évolution des perturbations linéarisées autour d'un état de base 2D général sont obtenues et analysées au niveau de l'énergie onde/tourbillon. Ces résultats sont appliqués dans le chapitre 6 pour analyser la génération et l'émission d'ondes dans les perturbations optimales sur une couche de cisaillement horizontale.

Cette thèse vise à mettre en évidence les limites du contrôle passif en utilisant des éléments de rugosité miniaturisés. La topologie des écoulements induite par la présence d’une rugosité cylindrique et des générateurs de tourbillons miniaturisés a été étudiée pour analyser la dynamique pour des temps court et long. Différentes bifurcations supercritiques ont été examinées au moyen d’une analyse de stabilité globale. La bifurcation souscritique est déclenchée par des mécanismes de croissance transitoire de l'énergie ou par la réceptivité de modes globaux stables. Des structures deforçage optimal 3D sont extraites pour comprendre la distribution spatiale liée à la fréquence de résonance du système. La simulation numérique directe perturbée révèle le rôle central du mode global le moins stable dans les instationnarités non-linéaires observées. Une analyse détaillée des structures tourbillonnaires montre qu’elles sont principalement liées aux mécanismes linéaires sous-jacents. La principale caractéristique globale du mode propre est liée à la présence d’une zone de séparation en aval de la rugosité cylindrique. En utilisant des générateurs de tourbillon miniaturisés, cette zone de séparation est fortement diminuée et aucun mode global isolé est alors présent. La dynamique de l’écoulement se révèle être conduit non seulement par le nombre de Reynolds de rugosité et par son rapport d'aspect géométrique, mais aussi par le rapport entre la hauteur de la rugosité et l’epaisseur de couche limite. / This thesis aims at highlighting the limits of passive control by usingminiaturized roughness elements. The flow topology induced by the presence ofcylindrical roughness and miniaturized vertex generators has been studied to uncover asymptotic and short time dynamics. Supercritical bifurcations has been investigated by means of global stability analysis. Subcritical bifurcation are induced by transient growth of the energy or receptivity of stable global modes. 3D optimal forcing structures are extracted to figure out the spatial distribution linked to the resonant pulsation. Perturbed direct numerical simulation reveals the pivotal role of the less steady global mode in the non-linear unsteadiness. A detailed analysis of the flowstructures is provided and linked to the involved linear mechanisms. Global feature of the eigenmode are linked to the presence of the separation zone behind the cylindrical roughness. By using miniaturized vortex generators the separation zone is suppressed and no isolated global modes are present. The flow dynamics turns out to be driven not only by roughness Reynolds number and geometrical aspect ratio but also by the ratio between the roughness height and the boundary layer thickens.

Quand on augmente le nombre de Reynolds d’un écoulement, il passe progressivement d’un état ordonné, laminaire, à un état chaotique, turbulent. Lors de cette transition, on voit apparaître des structures hydrodynamiques ordonnées qui se désordonnent sous l’effet de déstabilisations successives. Ces structures peuvent poser problème lorsqu’on souhaite par exemple homogénéiser des suspensions car des particules peuvent s’y retrouver piégées et générer des zones sur ou sous-concentrées. La plupart des fluides naturels et industriels sont non newtoniens. Pour mieux comprendre et contrôler l’apparition des structures hydrodynamiques dans de tels fluides, nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, aux mécanismes d’instabilités gouvernant la transition vers la turbulence de fluides complexes dans la configuration simplifiée de Taylor-Couette. Dans un premier volet théorique et numérique, les concepts d’instabilités hydrodynamiques ont été appliqués à l’écoulement de Taylor-Couette pour trois modèles rhéologiques : la loi de puissance, le modèle de Carreau et le modèle de Bingham. Deux rapports de rayons et différentes vitesses de rotation des deux cylindres ont été considérés. La déstabilisation de l’écoulement de Couette circulaire a été étudiée pour prédire l’apparition de structures telles que les rouleaux de Taylor-Couette aux temps longs. Une analyse aux temps courts a également été effectuée pour étudier les phénomènes de croissance transitoire dans l’écoulement. Dans un second volet expérimental, un dispositif de Taylor-Couette en plexiglas a été élaboré. Dans un premier temps, des mesures de couple avec un fluide newtonien (glycérol) ont été réalisées et comparées avec succès avec les résultats de la littérature. Des mesures rhéométriques ont ensuite été réalisées pour choisir des fluides répondant aux lois rhéologiques utilisées dans le volet théorique. Des visualisations ont été effectuées pour détecter l’apparition des instabilités et les conditions critiques ont été comparées aux prédictions de l’analyse linéaire de stabilité. Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été aussi effectuées pour déterminer les champs de vitesse de l’écoulement. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence le caractère sous-critique et l’apparition d’un écoulement chaotique engendrés par le caractère rhéofluidifiant des fluides. / When increasing the Reynolds number of a flow, it passes gradually from an ordered state, called laminar, to a chaotic state, called turbulent. During this transition, organized hydrodynamic structures appear which disorganize under successive destabilizations. These structures may cause problems for example in the relation to the homogenization of suspensions, because particles may be trapped in the structures, leading to under or over-concentrated zones. Furthermore, most of the fluids found in nature and in the industry are non-Newtonian. In order to better understand and control the apparition of hydrodynamic structures in such fluids, we focused during this PhD on the instability mechanisms governing the transition to turbulence of complex fluids in the simplified configuration of Taylor-Couette. In a theoretical and numerical approach, concepts of hydrodynamic instabilities were applied to the circular Couette flow for three rheological models: the power law, the Carreau and the Bingham models. Two radius ratios and different rotation velocities were considered for the cylinders. The destabilization of the circular Couette flow was studied to predict the apparition of structures such as Taylor vortex at long times. An analysis at short time was also performed to study the phenomena of transient growth. In an experimental approach, a Taylor-Couette device was designed. First, the torque on the inner cylinder was measured for a Newtonian fluid (glycerol) and successfully compared to previous results of the literature. Secondly, rheological measurements were conducted in order to select fluids showing rheological behaviors considered in the theoretical approach. Visualizations were then performed in order to detect the apparition of instabilities and the critical conditions were compared to the predicted by means of the linear stability analysis. Finally, PIV measurements provided velocity fields in the flow. These different studies evidenced a subcritical transition and chaotic flow due to the shear-thinning character of the fluids.

Dans les océans profonds linéairement stratifiés, la déstabilisation des ondes de gravité internes est importante car elle contribue probablement au mélange turbulent et à la circulation thermohaline.À l'aide de simulations numériques directes, nous créons un faisceau d'onde interne progressive. Cette situation est équivalente à une onde produite par l'oscillation de la marée sur une topographie sous-marine. Nous retrouvons les résultats expérimentaux obtenus par cite{Bourget13} : le faisceau se déstabilise en un mode petite échelle. Nous regardons l'effet d'un écoulement horizontal moyen sur cette instabilité en prenant soin d'abaisser la fréquence de forçage afin de compenser l'effet doppler et de conserver localement la même onde. Un cas limite apparaît lorsque le forçage devient stationnaire, ce qui équivaut à une onde de sillage issue d'un écoulement constant au dessus d'une topographie.Les écoulements à petite vitesse voient une instabilité petite échelle similaire au cas marée alors que les écoulement intermédiaires restent stables. Les écoulements plus rapides (jusqu'au cas sillage) voient, par contre, une instabilité bien plus grande échelle que celle dans le cas marée. Cette sélection d'échelle est robuste aux variations du nombre de Froude, de Reynolds, de la taille du faisceau ou de l'angle de l'onde.Nous montrons que ces instabilités peuvent être décrites comme des triades résonantes et que les différentes échelles correspondent à différentes branches triadiques. Nous confirmons la présence de cas stables pour des vitesses intermédiaires en calculant les modes propres comme des modes de Floquet à l'aide d'un algorithme d'Arnoldi--Krylov, et en montrant qu'ils sont associés à des taux de croissance négatifs.Le cas sillage est instable et nous le stabilisons par une méthode deselective frequency damping cite{Akervik06} afin d'obtenir un écoulement de base stationnaire autour duquel nous calculons les perturbations optimales qui maximisent l'énergie totale à différents horizons temporels. Pour des horizons courts, la perturbation optimale est petite échelle alors que pour des horizons longs, elle est grande échelle et converge vers la solution non-linéaire obtenue précédemment. Les horizons courts voient une instabilité triadique petite échelle advectée par l'écoulement et les horizons longs développent une instabilité d'une branche triadique grande échelle capable de se maintenir dans le faisceau malgré l'écoulement.Nous interprétons cette sélection de mode par le biais de la théorie des instabilités absolue ou convective. Dans le cas de l'onde de sillage l'instabilité grande échelle est absolue alors que la petite échelle est convective (et domine la croissance transitoire puisque son taux de croissance local est supérieur). Les rôles s'inversent dans le cas marée et l'instabilité petit échelle devient absolue alors que la grande échelle est convective. Nous confirmons cette hypothèse en calculant la réponse impulsionnelle d'une onde plane monochromatique dans un domaine 2Dpériodique. L'évolution spatio-temporelle d'une perturbation localisée en temps et en espace montre la formation de trois paquets d'onde, chacun étant associé à une branche triadique que nous identifions par une extension de la théorie triadique prenant en compte un désaccordage cite{McEwan77} et permettant de calculer la vitesse de groupe des sommets des paquets. En calculant ensuite le taux de croissance absolu le long de rayons à x/t et z/t constant, nous validons notre hypothèse. / Internal gravity waves that exist in a continuously stratified fluid are particularly important in the ocean. They transport energy and are thought to generate turbulent mixing, which contribute to the deep ocean circulation.We generate an internal wave beam that propagates in a continuously stratified fluid with direct numerical simulations. This situation is equivalent to a tidal wave, where the tidal flow oscillates over a topography and generates a wave. Experimental results obtained by cite{Bourget13} are recovered, ie. the beam destabilizes into a small scale mode. We consider the effect of an horizontal mean flow on the instability and lower the forcing frequency in order to compensate for the doppler effect and to keep locally the same wave. A limit case appears when the forcing becomes stationary. This case is equivalent to a lee wave appearing when a stratified fluid flows over a topography.For small mean flow, small scale instabilities develop as in the tidal case. The beam then stabilizes at intermediate mean flows and destabilizes again for increasing flow speed. At this second threshold, down to the lee wave case, the instability is of much larger scale than for the tidal case. Varying the Reynolds number, the Froude number, the wave angle or the beam size doesn't affect the instability scale selection : a small scale instability in the tidal regime, and large scale instability in the lee regime.We show that the instability mechanism may be interpreted using the triadic instability. Scale selection corresponds to different branches of triadic resonance. We confirm the presence of a stability region for intermediate value of the mean advection velocity by computing the linear eigenmode as Floquet mode with an Arnoldi-Krylov technique and show that the leading eigenmode has a negative growth rate.In the lee wave, case the flow is unstable and a selective frequency damping method cite{Akervik06} is used to compute a steady base flow. We then implement a linear direct-adjoint method to compute the optimal perturbations that maximizes the total energy at different time horizons. At short time horizon, the optimal perturbation is small scale while at large time the perturbation switches to a large scale solution and converges to the large scale mode observed through the nonlinear simulations. Short time transients correspond to the small scale triadic instability advected by the flow whereas the long time large scale instability corresponds to large scale branch of the triadic instability that is able to sustain the flow.We propose an interpretation of the selection of these different instabilities in term of absolute and convective instability. In the case of the lee wave, the large scale instability is absolute whereas the small scale instability is convective (and dominates the short time transient growth because it has a larger local growth rate). When the mean flow is varied, the properties of small scale and large scale instabilities exchange: in the tidal case the short scale instability is absolute and the large scale convective. This conjecture is confirmed by computing the impulse response around a plane monochromatic internal gravity wave in an extended two dimensional periodic domain. The spatio temporal evolution of a perturbation localized in space and time points out the formation of three different wave packets corresponding to different branches of triadic instability. Using the triadic theory with finite detuning cite{McEwan77},we derive the group velocity at the maximum growth rate of the three different branches of triadic instability and find a good agreement with the velocity of the three wave paquet maxima in the impulse response. Analyzing the impulse response along rays, i.e. at x/t and z/tconstant, we compute the absolute growth rate along all possible rays and validate our conjecture.

The transition from a laminar to a turbulent flow strongly modifies the boundary layer properties.Understanding the mechanisms leading to transition is crucial to reliably predict aerodynamicperformances. For boundary layers subjected to high levels of external disturbances, the naturaltransition due to the amplification of the least stable mode is replaced by an early transition, calledBypass transition. This is the result of non-normal mode interactions that lead to a phenomenon oftransient growth of disturbances. These disturbances are known as Klebanoff modes and take theform of streamwise velocity streaks.This thesis aims at understanding this linear mechanism of transient growth and quantifying itsinfluence on the classical modal amplification of disturbances. This is done by computing theso-called optimal perturbations, i.e. the initial disturbances that undergo maximum amplificationin the boundary layer.These optimal perturbations are first determined for two-dimensional compressible boundary layersdeveloping over curved surfaces. In particular, we show that Klebanoff modes naturally evolvetowards Görtler vortices that occur over concave walls. Three-dimensional boundary layers arethen considered. In such configurations, transient growth provides an initial amplitude to crossflowvortices. Finally, applying the tools developed in this thesis to new flow cases such as swept wingsprovides further understanding of the phenomenon of transient growth for realistic geometries. / Le passage du régime laminaire au régime turbulent s’accompagne d’importantes modifications despropriétés physiques de la couche limite. La détermination précise de la transition est donc crucialedans de nombreux cas pratiques. Lorsque la couche limite se développe dans un environnementextérieur faiblement perturbé, la transition est gouvernée par l’amplification du mode propre le moinsstable. Lorsque l’intensité des perturbations extérieures augmente, des interactions multimodalesentraînent une amplification transitoire des perturbations. Ce phénomène peut conduire à unetransition prématurée, appelée transition Bypass. Les perturbations prennent alors la forme destries longitudinales de vitesse appelées modes de Klebanoff.L’objectif de cette thèse est d’étudier ce mécanisme linéaire de croissance transitoire et soninfluence sur l’amplification modale classique des perturbations. Cela passe par la déterminationdes perturbations les plus amplifiées au sein de la couche limite, appelées perturbations optimales.Ces perturbations optimales sont d’abord calculées pour des couches limites bidimensionnelles etcompressibles se développant sur des surfaces courbes. En particulier, on montre que les modes deKlebanoff évoluent vers les tourbillons de Görtler qui se forment sur des parois concaves. Le cas plusgénéral de couches limites tridimensionnelles est ensuite envisagé. Pour de telles configurations, lacroissance transitoire fournit une amplitude initiale aux instabilités transversales. Enfin, l’applicationdes outils développés dans cette thèse fournit de nouveaux résultats pour des cas d’écoulementsautour de géométries réalistes comme une aile en flèche.