La dynamique des plasmas de fusion par confinement magnétique dans la configuration Reversed Field Pinch (RFP) est ´étudiée en utilisant la description magnétohydrodynamique (MHD) incompressible. Une méthode pseudo-spectrale et une technique de pénalisation en volume sont utilisées pour résoudre le système d’équations dans un cylindre. Les simulations numériques montrent que la pression joue un rôle important dans la dynamique des RFP et ne peut pas être négligée. Ainsi, ß n’est plus le paramètre principal pour décrire la dynamique des RFPs mais plutôt ß’ ∇, un nouveau paramètre qui équivaut le rapport du module de gradient de pression et le module de la force de Lorentz. A un autre niveau, l’effet du changement de la section poloïdale du RFP sur la dynamique est étudié. Les simulations des écoulements RFP ayant le même nombre de Lundquist et des sections différentes (circulaire et elliptique), montrent une grande différence dans les spectres et la diffusion turbulente radiale. Finalement, les écoulements RFP sont utilisés pour étudier l’effet dynamo. Les résultats obtenus montrent que les écoulements RFP sont capables d’amplifier un champ magnétique passif qui aura une tendance à être plus non-linéaire que le champ magnétique du RFP dans les régimes turbulents. / The dynamics of magnetic fusion plasmas in the Reversed Field Pinch (RFP) configuration are studied using an incompressible magnetohydrodynamics (MHD) description. A pseudospectral method combined with a volume penalization method are used to resolve the governing equations in a straight cylinder. Numerical simulations show that the pressure effects on the RFP dynamics cannot be neglected, and thus the _ parameter is not adequate to characterize the importance of pressure in the dynamics. A new parameter, _0r , which is the ratio of the pressure gradient’s magnitude to the Lorentz force’s magnitude, is proposed to be the proper parameter to describe the RFP dynamics. Another investigated influence on the RFP dynamics is the shaping of the poloidal cross-section. Simulations of flows with the same Lundquist number and different cross-sections (circular and elliptic) show a clear change in the spectral behaviour, as well as in the radial turbulent diffusion. Finally, the RFP flows are used to study the dynamo effect. Numerical results show that RFP flows are capable of amplifying a seed magnetic field, which will have tendency to be more nonlinear than the RFP magnetic field in the turbulent regime.

La diffusion collective de la lumière est un moyen d'observation des gaz turbulents. Un laser éclaire le volume étudié. Le champ diffusé par les molécules du gaz est détecté, sous un angle proche de la direction de propagation avant. L'information recueillie est proportionnelle à la transformée de Fourier spatiale de la densité du gaz, sur le volume d'observation, suivant le vecteur d'onde de diffusion. La détection hétérodyne permet d'avoir accès au module et à la phase de ce signal complexe.<br /> L'effet Doppler implique qu'il est possible de mesurer la vitesse de l'écoulement: à travers le spectre du signal, on retrouve, sous certaines conditions, la distribution de probabilité de la vitesse moyenne sur le volume observé. De manière instantanée, on a étudié la dérivée de la phase du signal pour déterminer sous quelles conditions, cette dérivée approche la vitesse instantanée moyenne sur le volume. L'évolution temporelle de la vitesse moyenne sur le volume est alors connue. Son spectre peut être calculé. Un coefficient de diffusion turbulente peut être établi. Les expériences liées à cette étude, ont été faites sur une couche de mélange supersonique, dans la soufflerie S150 du LÉA de Poitiers.<br /> La diffusion a aussi la propriété de sélectionner une longueur d'onde, donc une échelle du milieu observé. Cette information est présente dans le module du signal. Un dispositif permettant d'observer simultanément deux diffusions à des échelles différentes a été monté. L'expérience a porté sur un jet à symétrie axiale. L'étude des auto- et intercorrélations entre signaux à échelles différentes laisse apparaitre deux échelles de temps distinctes: un temps court, visible uniquement sur l'autocorrélation, propre à l'échelle observée, et un temps plus long, observable dans tous les cas. Ce dernier ne dépend que de l'échelle de production et de la vitesse moyenne. On a montré que ce temps long est propre aux grandes structures de la turbulence.

Ce travail expérimental concerne la diffusion de la chaleur en aval d'une source ponctuelle placée au culot d'un corps d'Ahmed. Trois géométries particulières ont été étudiées avec des angles d'inclinaison de la lunette arrière a=05°, 25° et 40°. Ces études ont été menées dans l'air et dans l'eau à différents nombres de Reynolds. L'anémométrie Doppler Laser (ADL) et à fil chaud et la thermométrie à fil froid ont été utilisées pour mesurer les champs de vitesse et de température dans une zone correspondant au proche sillage ( ).<br />Les caractéristiques des champs de vitesse mesurées pour les trois angles d'inclinaison a ont montré que le champ dynamique dans le sillage proche dépend très fortement de cet angle lorsque le nombre de Reynolds augmente. Ces mesures ont mis en évidence pour a=25° l'existence d'une transition 2D-3D à un nombre de Reynolds ReLc=2,7.104. L'étude des champs thermiques a mis en évidence une complexité importante liée à la fois au caractère complexe du champ dynamique et à l'injection décentrée. Nous avons décrit les différents scénarios de transport et de mélange du scalaire en fonction de l'angle a de la lunette arrière. Le problème du mélange a été abordé en étudiant successivement les variations de l'écart de la température moyenne maximale, de l'intensité maximale des fluctuations de température et du taux de dissipation de ces fluctuations. Les résultats obtenus dans cette étude ont permis de déterminer le temps de mélange et d'estimer les ordres de grandeur des concentrations de polluants émises reçues par des récepteurs particuliers (piéton au bord d'une route lors du passage d'un véhicule automobile ou automobiliste dans le sillage d'une voiture).

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des écoulements diphasiques dispersés turbulents gaz/gouttes et plus particulièrement à la modélisation du phénomène de dépôt de gouttes en canal horizontal, dont la compréhension et la prédiction sont essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Les gouttes sont supposées de taille plus petite que les échelles de longueur caractéristiques de l'écoulement de gaz turbulent, avec une masse volumique grande devant celle de la phase continue, les forces qui agissent sur les gouttes se limitent ainsi à la traînée, à la poussée d'Archimède et à la gravité. Le taux de présence de la phase dispersée est suffisamment important pour tenir compte de l'influence des gouttes sur la turbulence du gaz (couplage à deux sens), mais suffisamment faible pour pouvoir négliger les collisions entre les gouttes. En écoulement horizontal, le dépôt des gouttes en paroi est piloté par deux mécanismes principaux qui agissent en parallèle : la gravité et la diffusion turbulente/vol libre. Cette physique du dépôt est déclinée en deux volets, avec une première étude à l'échelle 3D locale et une seconde étude à l'échelle système 1D. Dans chacune de ces approches, un modèle pour la vitesse de dépôt de gouttes en paroi est développé, puis validé par comparaison à des données expérimentales. Le modèle de dépôt local, établi sous l'hypothèse d'un film liquide infiniment mince et absorbant, est implanté dans le code de simulation numérique NEPTUNE_CFD, puis validé par comparaison aux données expérimentales de Namie & Ueda, qui étudient le dépôt des gouttes en canal horizontal. Une analyse des équations de transport des principales grandeurs moyennes de l'écoulement, ainsi que des transferts d'énergies entre phases, est menée afin de mettre en évidence les phénomènes de couplage et leurs influences sur la turbulence de la phase continue. Le modèle unidimensionnel, développé dans le cadre d'un besoin industriel, est implanté dans le code CATHARE-3 et est confronté aux données de l'expérience REGARD du CEA Grenoble. / Droplets dispersion and deposition in turbulent duct flows are important processes, occurring in numerous environmental and industrial applications. This work is devoted to the study of gas-droplets flows and, more particularly, the objective is to improve the droplets deposition modeling in horizontal flows. Droplets are supposed to be smaller than the Kolmogorov scale, with a density large compared to the density of the gas phase. Under these assumptions, the motion of a droplet is considered to be governed by the drag force, the buoyancy force, and the gravity. Dilute incompressible and isothermal gas-droplets flows are studied, so inter-particle collisions are neglected but two-way coupling is retained, which means that modulation of turbulence by the particles is accounted for. In horizontal flow, droplets reach the wall under the actions of the gravitational settling and the turbulent diffusion. Two approaches will be used in developing this deposition physics with a first study at the 3D local scale and a second one at the 1D scale, realized for an industrial need. For each case, a model is developed for the mean deposition velocity of the droplets, with is implemented in a numerical simulation tool and then validated by comparison to experimental data. The local deposition model is established under the assumptions that the liquid film is extremely thin and perfectly absorbing and is implemented in the Neptune_CFD code. The experience carried out by Namie & Ueda, which consist in small droplets deposition from a turbulent dispersed flow in a horizontal rectangular duct, is simulated. An analysis of the interphase transfer terms in the kinetic energy equations shows the interactions between the dispersed phase and the continuous one and the impact of these phenomena on the turbulence of the gas phase is pointed out. The 1D deposition model is developed for the CATHARE-3 code and experimental data from the REGARD facility of the CEA Grenoble are used for validation.

La dispersion atmosphérique de substances dangereuses est un évènement susceptible d’entrainer de graves conséquences. Sa modélisation est primordiale pour anticiper des situations accidentelles. L’objectif de ce travail fut de développer un modèle opérationnel, à la fois rapide et précis, prenant en compte la dispersion en champ proche sur un site industriel. L’approche développée s’appuie sur des modèles issus de l’intelligence artificielle : les réseaux de neurones et les automates cellulaires. L’utilisation des réseaux de neurones requiert l’apprentissage d’une base de données de dispersion : des simulations CFD k-ϵ dans ce travail. Différents paramètres sont évalués lors de l’apprentissage : échantillonnage et architecture du réseau. Trois méthodologies sont développées :La première méthode permet d’estimer la dispersion continue en champ libre, par réseaux de neurones seuls.La deuxième méthode utilise le réseau de neurones en tant que règle de transition de l’automate cellulaire pour le suivi de l’évolution d’une bouffée en champ libre.La troisième méthode sépare la problématique : le calcul de l’écoulement est effectué par les réseaux de neurones alors que le calcul de la dispersion est réalisé par la résolution de l’équation d’advection diffusion pour le suivi de l’évolution d’un nuage autour d’un obstacle cylindrique. La simulation de cas tests non-appris avec des simulations CFD permet de valider les méthodes développées. Les temps de calcul mis en œuvre pour réaliser la dispersion sont en accord avec la cinétique d’une situation de crise. L’application à des données réelles doit être développée dans la perspective de rendre les modèles opérationnels. / Atmospheric dispersion of hazardous materials is an event that could lead to serious consequences. Atmospheric dispersion is studied in particular in this work. Modeling of atmospheric dispersion is an important tool to anticipate industrial accidents. The objective of this work was to develop a model that is both fast and accurate, considering the dispersion in the near field on an industrial site. The approach developed is based on models from artificial intelligence: neural networks and cellular automata. Using neural networks requires training a database typical of the phenomenon, CFD k-ϵ simulations in this work. Training the neural network is carried out by identifying the important parameters: database sampling and network architecture. Three methodologies are developed:The first method estimates the continuous dispersion in free field by neural networks.The second method uses the neural network as a transition rule of the cellular automaton to estimate puff evolution in the free field.The third method divides the problem: the flow calculation is performed by the neural network and the calculation of the dispersion is realized by solving the advection diffusion equation to estimate the evolution of a cloud around a cylindrical obstacle. For the three methods, assessment of the generalization capabilities of the neural network has been validated on a test database and on unlearned cases. A comparison between developed method and CFD simulations is done on unlearned cases in order to validate them. Simulations computing time are low according to crisis duration. Application to real data should be developed to make these models operational.

Le climat de la Terre dépend en grande partie des échanges énergétiques entre les masses d’eau chaudes et froides de nos océans. Afin de prédire et de comprendre les variations de notre climat, les modèles numériques globaux de l’océan doivent pouvoir déterminer quelle fraction d'énergie est convertie en mélange irréversible dans un écoulement turbulent et stablement stratifié. Il apparaît que cette fraction est sensible aux paramètres de l’écoulement, ce qui a récemment conduit les océanographes à remettre en question la paramétrisation d'Osborn pour le coefficient de diffusion turbulente kz, qui utilise une efficacité de mélange constante et fixée à ŋ=0,17. Ceci nous a poussé à réaliser au laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique (LMFA) des mesures conjointes de ŋ et kz, afin de mieux comprendre leur inter-dépendance. Cette étude est avant tout expérimentale et se base sur plusieurs dispositifs permettant de quantifier le mélange dans différents types d'écoulement. Trois de ses expériences ont été réalisées au LMFA : une expérience de lock-exchange dans laquelle le mélange est issu du cisaillement à l'interface de deux courants de gravité se déplaçant en sens opposés, une expérience de grille tractée dans un fluide stratifié et une expérience d’injection de stratification dans la grille d’un canal hydraulique. Ce travail a été complété, d'une part par une collaboration sur la plateforme Coriolis du LEGI à Grenoble, permettant d’atteindre de plus grands nombres de Reynolds ; et d'autre part par une campagne de mesure in situ dans le fjord du Saguenay au Canada en collaboration avec l'ISMER, visant à estimer le mélange turbulent conduisant au renouvellement des eaux profondes du fjord, à partir de l'analyse de transects successifs de densité. Dans ces différentes configurations, l'évolution temporelle des profils verticaux de densité ont permis d'analyser la dépendance du coefficient de diffusion turbulente et de l'efficacité de mélange avec les nombres de Reynolds et de Froude. Nos résultats ont permis de quantifier la décroissance de l'efficacité de mélange avec l'augmentation du nombre de Froude dans un écoulement turbulent, ainsi que la sensibilité du coefficient de diffusion turbulente aux nombres de Froude et de Reynolds de flottabilité. L'utilisation de trois dispositifs expérimentaux différents permet de montrer qu'au-delà de ces lois dites universelles, la variabilité propre à chaque géométrie influence fortement les valeurs de l'efficacité de mélange. Ceci est particulièrement mis en lumière dans la configuration de lock-exchange, pour laquelle la valeur limite de ŋ=0.25 prédite par la physique statistique n'est atteinte que dans une configuration fortement tri-dimensionnelle, jusqu'alors peu utilisée dans la littérature. Enfin, toutes les méthodes d'analyse développées pour les expériences de laboratoire ont pu être utilisées pour l'analyse des données in situ, permettant de clore ce travail de thèse sur une étude environnementale. / Our climate partly depends on energy exchange between warm and cold water masses in the ocean's interior. In order to understand and forecast the climate variations, numerical models of the ocean must estimate the amount of energy converted into irreversible mixing in turbulent stably stratified flows. It seems that this quantity depends on the flow parameters. This assertion challenges the famous Osborn model for turbulent diffusivity kz which uses a fixed mixing efficiency of ŋ=0.17. This motivated us to measure separately kz and ŋ in order to obtain a better understanding of their inter-dependencies. The present work is an experimental study based on set-ups which enable to quantify the mixing in different types of flow. Three of those experiments are held in our lab (LMFA) and consist respectively in a lock-exchange experiment where mixing is generated by the shear at the interface of two opposite gravity currents, a stratified towed grid experiment, and a hydraulic channel experiment where the stratification is injected directly by the grid. This study has been complemented with two international collaborations. The first one, on the Coriolis platform (LEGI) consisted in a stratified towed grid experiment in a rotating tank allowing to broaden our parameter spectrum. The second one is a series of in situ measurements led in collaboration with ISMER in the Saguenay fjord (Canada) aiming at measuring density transects over time in order to quantify the turbulent mixing that participates in the renewal of the fjord's deep water. In all of those configurations, dependencies of mixing efficiency and turbulent diffusivity along with the Froude and the Reynolds numbers are extracted from the time evolution of density profiles. In our results, we were able to quantify the decay of the mixing efficiency with the increase of the Froude number. We also highlighted the sensitivity of turbulent diffusivity on the buoyancy Reynolds number. We used three different experimental setups to show that beyond the so called universal turbulence laws, the flow geometry has a huge impact on the mixing efficiency values. This is especially true in the lock-exchange configuration where the asymptotic value of ŋ=0.25, predicted by statistical physics, can only be reached in a set-up which allows 3D flows. Such investigations are still scarce in the literature. Finally, all the data analysis methods developed for the lab experiments were of great help for the analysis of in situ data and thereby enabled us to consider a real-life environnemental flow.