Une étude expérimentale a été effectuée sur une configuration d'interaction à Mach 2.3 entre un choc incident et une couche limite turbulente (réflexion de choc oblique sur paroi plane) engendrant un décollement suivi d'un recollement, en vue de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce type d'interaction : apparition et entretien de basses fréquences. Pour cela, l'organisation spatiale et temporelle de cet écoulement a été examinée pour différents angles de déflexion du générateur de choc (de 7 à 9.5°). Les données en paroi ou en champ en un ou plusieurs points proviennent de mesures effectuées à l'aide de capteurs de pression ou par anémométrie à fil chaud. L'analyse de ces données a permis de caractériser les différentes zones : le choc réfléchi instationnaire est animé d'un mouvement basse fréquence, avec des longueurs d'excursion variant d'une à deux fois l'épaisseur de couche limite initiale, cette longueur s'atténuant à l'extérieur de la couche. La construction d'une fréquence adimensionnelle associée aux oscillations basses fréquences du choc réfléchi (nombre de Strouhal) a permis de regrouper l'ensemble des résultats ainsi que ceux obtenus dans la littérature pour d'autres configurations d'interaction. Le décollement présente de grandes similitudes avec les décollements subsoniques, avec toutefois certaines spécificités propres à la compressibilité de notre écoulement. L'étude des connexions entre le choc réfléchi instationnaire et le décollement ont permis de revisiter les mécanismes proposés dans des configurations d'interaction différentes qui expliquent la nature de ces liaisons. Par ailleurs, l'organisation transversale du décollement a été explorée à l'aide de mesures effectuées par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) et a mis en évidence, pour les décollements les plus intenses, deux tourbillons contra-rotatifs de type trombe se développant au cœur de la zone de recirculation et dont les fréquences de rotation moyennes déterminées en paroi sont voisines de celles du choc réfléchi.

L'objectif de cette thèse est l'étude de la structure et la cinématique du Zagros oriental (Iran) et de la zone de transition avec le prisme du Makran appelée syntaxe de Bandar Abbas. Une étude structurale de terrain a été menée pour tenter de comprendre l'architecture de cette région complexe. L'analyse détaillée en carte et en coupe d'un certain nombre de structures typiques montre le contrôle exercé par la stratigraphie mécanique sur le mode de plissement de chaque côté de la syntaxe. Les grands plis dans l'ouest de la syntaxe sont décollés sur une puissante série évaporitique située à 8-9 km de profondeur, tandis que les plis étroits situés à l'est sont décollés sur un niveau à 6 km. Ceci est expliqué par un changement des conditions paleogéographiques d'un côté à l'autre de la syntaxe lié à l'influence de structures (Précambriennes) héritées dans la marge arabe orientale. La restauration de la première coupe équilibrée à travers le sud-est de la ceinture du Zagros permet de montrer que le Zagros plissé a subi deux phases tectoniques majeures, une première, d'age Mio-Pliocene, impliquant la couverture suivie par une deuxième, d'âge Pliocène, impliquant le socle - couverture. Celle-ci se poursuit jusqu'à l'actuel et est soulignée partout dans le Zagros par une sismicité intense dans la croûte supérieure. Le raccourcissement accommodé dans la section depuis le Miocène moyen est d'au moins 45 km. La présence d'une puissante série évaporitique à la base de la couverture a favorisé le développement de grands plis de décollement. L'analyse d'exemples de terrain dans la région d'étude ainsi que de profils sismiques dans le Zagros Central permet de discuter la cinématique de ces plis ainsi que les facteurs contrôlant leur style, notamment la mobilité du sel, l'existence de multiples décollements et le rôle tardif des failles de socle. Enfin, une modélisation géophysique de la structure lithosphérique du Zagros permet de discuter les facteurs fondamentaux qui ont guidé l'évolution récente de l'orogène. On met en évidence un amincissement lithosphérique qui pourrait être lié à un détachement récent du slab plongeant. On propose que ce processus, en modifiant l'angle critique du prisme orogénique, est le facteur fondamental qui a déclenché la transition d'une tectonique de couverture à une tectonique de socle - couverture.

Le concept d'inversion tectonique a été introduit par les géologues pétroliers de la Mer du Nord, pour traduire l'aspect anormal de grabens formant des hauts structuraux par rapport à leurs plates-formes. La compréhension des mécanismes de l'inversion et des paramètres influents sur ces mécanismes est très importante à la fois pour l'industrie pétrolière, afin de mieux connaÎtre la genèse et le piégeage des hydrocarbures dans les grabens inversés, mais aussi pour la recherche fondamentale, quant à leur signification géodynamique. En effet, étudier l'inversion tectonique des bassins sédimentaires, et tenter d'en comprendre le fonctionnement, c'est aussi aborder la déformation continentale sous l'un d~ ses aspects fondamentaux: la réactivation des structures héritées d'échelle crustale. La zone d'étude considérée dans ce travail est le Sud de la Mer du Nord, et plus particulièrement le "Broad Fourteens basin" qui fait partie des grabens hollandais. Les grabens de la Mer du Nord se sont formés entre le Trias et le Crétacé inférieur et ont été inversés au Crétacé supérieur et au Tertiaire. La variation de leur orientation et la présence pour certains d'entre eux' d'un niveau de décollement supracrustal, le sel Zechstein, en font des structures très diversifiées. L'analyse précise des données de sub-surface du "Broad Fourteens Basin" a d'abord permis d'identifier les paramètres les plus importants de l'inversion tectonique. Plusieurs séries d'expériences sur modèles analogiques ont ensuite été réalisées pour étudier les effets de ces paramètres sur le développement des structures d'inversion. Les expériences ont montré que l'inversion d'un graben d'échelle crustale par réactivation de failles normales à fort pendage ne peut se faire qu'a obliquité a entre graben et compression inférieure à 45°. L'inversion se soit par une partition de la déformation entre décrochement sur le normales héritées et chevauchement néoformés (a > 45°), soit par une réactivation des failles normales en chevauchements oblique (a < 45°). Lorsque la couverture est décollée du socle, le chevauchement du remplissage du graben sur les plates-formes est localisé sur les bordures. Cet effet est accentué par la présence de diapirs de bordure de graben lorsqu'ils existent. Cette analyse structurale détaillée, menée sur le "Broad Fourteens Basin", a ensuite été étendue aux autres grabens des domaines Centre et Sud de la Mer du Nord. L'ensemble des données cinématiques obtenues est utilisé pour proposer une interprétation géodynamique de l'inversion des grabens de la Mer du Nord en tant qu'e conséquence de la collision Alpine.

Que ce soit pour les secteurs de l'aéronautique ou des chaussées dans lesquels ces travaux de recherche s'inscrivent successivement, les structures multicouches, par empilement successif de couches de différents matériaux, présentent l'avantage, lorsqu'elles sont conçues, de pouvoir être arrangées spécifiquement et aisément en fonction du rôle que l'on souhaite leur voir jouer. En mécanique, les propriétés et caractéristiques de chacune des couches, agrémentées par leur ordre d'empilement et leur liaison entre couches, constituent les facteurs essentiels du dimensionnement de l'assemblage final pour peu que l'on sache précisément ce qu'il doit subir, c'est-à-dire pour peu que l'on sache bien établir l'écriture des conditions aux limites afin de les prendre en compte dans l'outil de calcul. L'étude de l'endommagement des multicouches est en particulier complexe et se produit bien souvent sur ou près des interfaces aux bords de surfaces de discontinuités orthogonales au plan d'empilement. Le développement et l'utilisation d'outils adaptés est nécessaire pour l'analyse du comportement de telles structures. Les travaux de recherche synthétisés dans le mémoire scientifique, ont pour objectif de livrer des outils pour l'ingénieur afin d'évaluer en élasticité et viscoélasticité linéaire, les champs de contraintes et de déformations initiaux responsables d'endommagement dans les structures multicouches. Le manuscrit comporte deux parties à tailles inégales. La première partie concerne la mise au point et l'applicabilité des Modèles Multi-particulaires des Matériaux Multicouches (M4), depuis les travaux de thèse effectués à l'ENPC (Chabot, 1997) jusqu'à présent à l'Ifsttar pour l'étude en élasticité de décollement aux bords ou fissures verticales des structures multicouches. Dans la thèse, sous l'hypothèse des petites perturbations (HPP), une méthode de construction de modèles simplifiés a été développée en quatre étapes. Comme pour les plaques et coques, ces structures sont représentées par une géométrie surfacique. La particularité de ces modèles est qu'en chaque point de cette surface il y a une multi-particule. Chaque particule représente une couche de matériau supposé homogène. Le problème à résoudre est ainsi réduit d'une dimension. Pour ce faire, les efforts généralisés de couche et d'interface sont définis et introduits dans les champs de contraintes à l'aide approximations polynomiales suivant l'épaisseur. Pour déterminer le comportement et équations généralisées du modèle, la formulation d'Hellinger-Reissner du problème élastique 3D est utilisée. En fonction des choix d'approximation des champs de contrainte, le modèle résultant approché a une cinématique plus ou moins riche. L'avantage de ces modèles est qu'ils conduisent à une intensité finie des champs de contraintes d'interface près des bords. L'écriture de critère d'initiation de fissuration d'interface en contrainte maximum ou en taux de restitution d'énergie est possible. Sur les premières applications faites pour les matériaux composites, deux des modèles proposées sont particulièrement intéressants. Plusieurs solutions quasi-analytiques sur stratifiés troués ou non sont reportés dans le document. Ces modèles sont utilisés et développés à l'Ifsttar pour le domaine des chaussées en vue de mettre au point un outil de calcul de structure de chaussée rapide et un essai de caractérisation d'interface. Pour l'outil de calcul de structure, nommé FissuRoute, la thèse de Tran (2004) a permis de coupler le M4-5n (à 5 champs cinématiques par couche, n : nbre total de couche) pour les couches de chaussées à un massif de Boussinesq (B) pour le sol. Les effets des gradients thermiques dans les matériaux ont été introduits dans le modèle M4-5nB ainsi construit. Les équations ont été résolues à l'aide du schéma numérique de Newmark. Elles ont été comparées avec succès par rapport à des simulations éléments finis 3D avec un gain de temps de calcul CPU non négligeable mais restant conséquent par rapport à l'objectif fixé initialement. Pour augmenter la rapidité des calculs, la modélisation du sol a été simplifiée par l'utilisation d'un massif de Winkler (W) et un nombre réduit de couches équivalentes pour la structure de chaussée. Différents stages de Master 2 conduisent à conclure, dans le cas restreint des déformations planes, que le M4-5nW ainsi proposé semble prometteur pour construire l'outil final visé. Par ailleurs, dans la thèse de (Pouteau, 2004), en parallèle d'essais accélérés en vrai grandeur sur chaussée en Béton de Ciment Mince Collé (BCMC), le M4-5n a été utilisé pour l'étude en laboratoire de la durabilité du collage d'interface béton de ciment sur enrobés bitumineux. La thèse de (Hun, 2012) a permis d'améliorer l'essai de caractérisation du collage de Pouteau afin de prendre en compte, en plus des effets de la flexion, les effets environnementaux de l'eau sur ce type d'interface. A l'aide d'outils d'analyse d'image, la validation des expressions analytiques des taux de restitution d'énergie M4-5n sur éprouvettes bi-matériaux ainsi testées en flexion 4 points, par rapport aux formules de Dunders, a été faite avec succès dans le cadre des déformations planes. Des comparaisons sont en cours au niveau international (TC241-MCD de la RILEM www.rilem.org). La seconde partie du mémoire d'HdR présente des travaux de recherche effectués à l'Ifsttar pour l'évaluation sous charges roulantes du comportement structurel des chaussées à base de matériaux bitumineux considérés viscoélastiques et thermo-susceptibles. De même que précédemment l'objectif visé est de pouvoir offrir aux ingénieurs un outil de calcul simple d'utilisation pour l'étude spécifique et paramétrique du comportement des couches bitumineuses de chaussées soumises à des conditions de chargement particulières. Pour ce faire, un modèle de structure multicouches 3D semi-infinie en z et infini dans le plan a été développé en HPP en coopération avec l'Ecole des Ponts Paris Tech. Ce modèle prend en compte les lois de comportement élastique usuel et thermo-viscoélastique spécifique de Huet-Sayegh (1963-65). Les chargements roulants à pression de contact soit ponctuel, soit elliptique, soit rectangulaire, peuvent être à la fois verticaux ou latéraux contrairement au logiciel Alizé utilisé pour la méthode française de dimensionnement des chaussées. Plusieurs charges différentes en simultané peuvent être introduites rendant ainsi possible en théorie l'étude de chargement à pression non uniforme. La méthode de résolution quasi-analytique des équations utilise un changement de variable et des techniques de transformations de Fourrier. Le modèle a, en particulier, été validé par comparaison avec des cas expérimentaux accélérés en vrai grandeur sur le manège de fatigue des chaussées de l'Ifsttar. Ce modèle est programmé dans le logiciel de calcul ViscoRoute©2.0 déposé et distribué gratuitement depuis fin 2009. Sur la scène internationale, les résultats du logiciel ViscoRoute© ont été comparés avec succès avec ceux du logiciel VEROAD développé par les Pays-Bas et le 2ème autre logiciel équivalent, nommé 3D-Move, développé par l'Université de Réno (Nevada, USA). Pour différents cas de chargement, cette partie illustre l'intérêt de prendre en compte le comportement spécifique des matériaux bitumineux. Ainsi différentes études ont pu être faites : évaluation des champs mécaniques dans les chaussées aéronautiques, effets des accélérations et décélérations de chargement type tramway sur pneu, limite de validité de la méthode de dimensionnement des chaussées française, calcul de la résistance au roulement des poids lourds sur chaussées bitumineuses, etc. Enfin, le post-doc de Chupin (2008) a également permis de développer le logiciel dans une version recherche, pour prendre en compte le glissement d'interface entre couches de matériaux.

Cette étude est consacrée à la résistance mécanique des interfaces métal/oxyde. La céramique utilisée est un titanate de baryum (BaTiO3) commercial. Les matériaux métalliques sont des pâtes d'argent et de nickel. Les couches métalliques ont été obtenues par sérigraphie. Nous avons préparé des échantillons comprenant des couches d'argent et de nickel frittées à différentes températures, sur des substrats de BaTiO3 de diverses rugosités, avec des géométries adaptées à des essais de gonflement-décollement et d'indentation.<br />La technique de gonflement-décollement permet une mesure quantitative de l'adhérence interfaciale grâce à la détermination de l'énergie de propagation Gci d'une fissure interfaciale. Nous proposons une méthode simple pour prendre en compte la plasticité généralisée de la couche métallique d'argent lors du décollement. L'adhérence Ag/BaTiO3 varie entre 4 J/m² et 7 J/m² selon la température de frittage de l'argent. Pour les couches de nickel frittées pendant 2 h à 1200°C sur du titanate de baryum dense, l'énergie d'adhérence moyenne est de l'ordre de 1 J/m².<br />Trois types d'essais d'indentation ont été appliqués aux mêmes interfaces métal/oxyde. La valeur moyenne de Gci estimée à partir des essais d'indentation normale et interfaciale est de l'ordre de 0,5 J/m². Des essais d'indentation sur section transversale ont également été effectués avec succès et un nouveau modèle est proposé pour l'analyse de leurs résultats. Selon le modèle de dépouillement utilisé, la moyenne des énergies d'adhérence Ag/BaTiO3 s'établit entre 1 et 3 J/m².

The southern Patagonian Andes record the Late Cretaceous closure and inversion of the Late Jurassic – Early Cretaceous Rocas Verdes marginal basin, subsequent development of the Patagonian retroarc fold-thrust belt and the Neogene to present tectonic superposition of a left-lateral strike-slip plate margin defined by the Magallanes- Fagnano fault zone. In this dissertation, I present new geologic maps, cross sections and detailed macro- and microscopic structural analyses that describe the geometry and kinematic evolution of the fold-thrust belt and superposed strike-slip deformation over ~200 km along-strike between 53° and 55° S latitude. Results are discussed in the context of the regional tectonic development of the southernmost Andes and are relevant to the understanding of important tectonic processes including the development of a retroarc fold-thrust belt, the formation of a basal décollement below and toward the hinterland of a fold-thrust belt and the spatial distribution of deformation along a strike-slip plate margin. New maps and balanced cross-sections of the Patagonian fold-thrust belt show that it developed during two main phases of Late Cretaceous to Paleogene shortening that were partly controlled by the antecedent geology and mechanical stratigraphy of the Rocas Verdes basin. During the Late Cretaceous, a thin-skinned thrust belt developed above a décollement that formed first in relatively weak shale deposits of the Rocas Verdes basin and later deepened to <1 km below the basement-cover contact. Ramps that cut mechanically rigid volcanic rocks of the marginal basin link the two décollements. Basement-involved reverse faults that cut the early décollements and probably reactivate Jurassic normal faults reflect Paleogene shortening. Shortening estimates increase northwest to southeast from 26 to 37% over 100 km along-strike and are consistent with regional models of the fold-thrust belt. Structural data, kinematic analyses, and microstructural observations from the lower décollement show that it is defined by transposition of several generations of northeast-vergent noncylindrical folds, shear bands, and a quartz stretching lineation that are kinematically compatible with first-generation structures of the fold-thrust belt. Quartz microstructural data from the décollement are consistent with deformation temperatures that decrease from ~500-650° C to ~400-550° C over ~75 km in the transport direction, indicating that the décollement dipped shallowly (~6°) toward the hinterland. The décollement decoupled the underthrust continental margin from the fold- thrust belt and exemplifies the kinematic relationship between shortening that occurs coevally in a retroarc fold thrust-belt and its polydeformed metamorphic ‘basement’. Fault kinematic data and crosscutting relationships show kinematic and temporal relationships between populations of thrust, strike-slip and normal faults that occur in the study area. Thrust faults form an internally compatible population that shows subhorizontal northeast-trending shortening of the fold-thrust belt and is kinematically distinct from populations of normal and strike-slip faults. Both strike-slip and normal faults crosscut the fold-thrust belt, are localized near segments of the Magallanes- Fagnano fault zone, have mutually compatible kinematic axes and are interpreted to be coeval. Strike-slip faults form Riedel and P-shear geometries that are compatible with left-lateral slip on the Magallanes-Fagnano fault-zone. Strike-slip and normal faults occur in a releasing step-over between two overlapping left-lateral, left-stepping segments of the Magallanes fault zone and record a tectonic event defined by sinistral transtension that probably reflects changing plate dynamics associated with the opening of the Drake Passage during the Early Miocene. / text

La vectorisation de la poussée d'une tuyère propulsive supersonique axisymétrique est étudiée par le biais d'une injection fluidique transversale dans sa partie divergente. Cette étude menée dans le cadre du programme PERSEUS du CNES a été motivée par la recherche d'une solution alternative au pilotage conventionnel de la poussée par actionneurs mécaniques. Le travail de la thèse, tout en s'appuyant sur des approches expérimentale et numérique, comprend essentiellement une large étude paramétrique concernant principalement la position de l'injection, la forme de la tuyère, la nature et le débit du fluide injecté. L'analyse des résultats montre que pour certaines configurations optimales, des angles de déviation pertinents peuvent être obtenus pour des taux d'injections modérés. L'analyse numérique étendue aux écoulements chauds multi-espèces, plus proches des applications réelles, a montré que la vectorisation fluidique reste très performante lors de l'injection de produits de combustion dans le divergent.

L'étude des surpressions de fluide et de fracturation hydraulique des roches mères peut nous renseigner sur les mécanismes de génération qui en sont à l'origine. Ces dernières années, l'intérêt pour ces phénomènes s'est largement accru, notamment sous l'influence des sociétés pétrolières qui exploitent les ressources non-conventionnelles au cœur des problèmes énergétiques actuels. Dans ce travail de thèse, nous avons choisi deux approches différentes pour l'étude de ces mécanismes : (1) des exemples de cas géologiques naturels, et (2) le développement de la modélisation analogique. Ainsi, nous montrons que ces phénomènes sont très répandus au sein des bassins sédimentaires et que leurs manifestations s'expriment notamment par la génération de veines fibreuses parallèles à la stratification de la roche (beef), mais également par la formation de veines d'hydrocarbures solides (bitume). Nous démontrons également que les surpressions de fluides peuvent profondément changer le style de déformation d'un bassin sédimentaire par la génération de niveaux de décollement localisés au sein même des roches mères. Enfin, à l'aide de la modélisation analogique, nous avons pu identifier les mécanismes à l'origine des surpressions de fluide et de la fracturation hydraulique. En effet, lors de la génération d'hydrocarbures la transformation de solide à liquide de la matière organique conduit à la compaction chimique des sédiments. Par un mécanisme de transfert de charge lors de ce processus, ainsi que par l'accroissement de volume associé, des surpressions de fluides se développent et atteignent des pressions lithostatiques, capables de fracturer hydrauliquement les roches.

Afin d'investiguer les mécanismes de décollement de chaussées urbaines, cette thèse se concentre sur leurs caractérisations en laboratoire. Dans ce travail, il s'agit de savoir si la présence d'eau (par infiltration dans les matériaux) combinée à des sollicitations mécaniques de flexion peut jouer un rôle dans la détérioration des interfaces couplant plus particulièrement du béton de ciment à de l'enrobé bitumineux. Un essai de flexion 4 points permettant de générer de la rupture d'interface en mode mixte (mode I et II) est choisi a priori et adapté. L'analyse mécanique de l'essai est menée en déformations planes à l'aide d'un Modèle élastique Multiparticulaire à Matériaux Multicouches spécifique dédié à l'étude des effets de bords dans les structures multicouches en flexion, le M4-5n. Le problème écrit analytiquement et résolu sous Scilab permet d'optimiser la géométrie des éprouvettes afin de favoriser le délaminage. Le montage de l'essai est mis au point en laboratoire. Des éprouvettes bicouches Alu/PVC sont utilisées pour calibrer le montage. Un aquarium spécifique est construit afin de pouvoir immerger les éprouvettes lors des essais sous eau. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l'effet de la température sur la résistance de l'interface. Les techniques de corrélation d'images numériques sont utilisées pour mesurer expérimentalement les déplacements d'ouverture et de glissement de fissure. Ces techniques permettent de déterminer les facteurs d'intensité de contraintes et les taux de restitution donnés par Dundurs. Ces valeurs sont comparées avec succès à celles du M4-5n. A 20°C sous eau, les essais montrent que l'eau privilégie le processus de décollement.

Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants. / Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.