L'une des principales missions de l'Ifremer consiste à étudier les ressources sous-marines et les fonds marins via une flotte océanographique importante, employée à travers le globe. Pour ce faire, les navires sont équipés d'équipements acoustiques de type SONAR afin d'obtenir les informations recherchées dans la colonne d'eau. Dans certaines conditions de navigation, la houle et les mouvements du navire génèrent un entraînement d'air conséquent sous la surface. Des nuages de bulles sont ainsi formés et entraînés sous la carène par l'écoulement. L'interaction entre ces bulles et les ondes acoustiques peuvent entraîner des pertes de données, et par conséquent une diminution importante de la productivité du navire. Les outils permettant l'étude du phénomène sont actuellement limités. Les modèles numériques ne sont pas suffisamment performants, pour simuler conjointement les mécanismes d'entraînement d'air à l'étrave puis l'écoulement dysphasique autour de la carène, et les essais classiques en bassin de traction ne donnent pas entière satisfaction. Dans le cadre de cette thèse, une méthode d'essai spécifique, pour l'étude de ce phénomène, a été développée et mise en place au bassin à houle et courant de l'Ifremer. Cette méthode nécessite la synchronisation entre un générateur de houle et un générateur de mouvement (hexapode), permettant d'imposer les mouvements calculés au préalable par simulation numérique à la maquette. Cette configuration permet d'étudier indépendamment les effets de la houle et des mouvements sur la génération des bulles. L'instrumentation employée permet de filmer et de caractériser l'entraînement d'air à l'étrave de la maquette. Deux mécanismes distincts ont été observés : la génération de bulles par entraînement tourbillonnaire ou par le déferlement de la vague d'étrave. Une méthode de traitement d'image a été élaborée pour analyser ces mécanismes pour de nombreuses configurations d'essais. Une étude paramétrique a été réalisée afin de calculer la fréquence de génération de bulles en fonction de chaque paramètre d'essai. Des mesures PIV de l'écoulement permettent de corréler la dynamique des nuages de bulles et de l'écoulement. L'ensemble des résultats obtenus permet d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension et l'étude du phénomène, avec la perspective d'obtenir un outil fiable facilitant la conception des navires océanographiques. / One of the main assignments of Ifremer is to study the seabed and the resources undersea, through a large oceanographic fleet used across the globe. For that purpose, ships are equipped with different kinds of SONAR (SOund Navigation And Ranging) to obtain the information sought in the water column. In some sea conditions, waves and ship motions generate significant air entrainment below the surface. Bubble clouds are then carried under the hull by the flow. The interaction between these bubbles and the acoustic waves may result in data loss, and therefore in a considerable reduction of the vessel’s productivity. The tools used to study this phenomenon are currently limited : the numerical models are not efficient enough to simulate at a time air entrainment at the bow and the two phase flow around the hull. On the other hand conventional towing tank tests are not entirely satisfactory. During this PhD research work, a specific test method to study this phenomenon has been developed and implemented at the Ifremer wave and current tank. This method requires the synchronization between a wave generator and a movement generator (hexapod) that enables to force the model motions, calculated in advance by numerical simulations. With this configuration, the effects of waves or motions characteristics on the bubbles generation can be studied independently. A complete instrumentation allowed to acquire images sequences to characterize the air entrainment at the bow of the model. Two distinct mechanisms have been observed : the generation of bubbles by vortex shedding or by the breaking bow wave. A post-processing method has been developed to analyse these mechanisms, for many test configurations. A parametric study was performed to calculate the frequency of bubbles generation for each test parameter. PIV measurements allowed to correlate the dynamic of bubbles clouds with the own flow dynamic. The overall results provide new elements for the understanding and the study of the phenomenon, with the final objective of obtaining a reliable tool that facilitates the design of research vessels.

L'écoulement autour d'un objet partiellement immergé comme une carène ou une pile de pont est une configuration fondamentale au regard de la dynamique de la surface libre. La caractérisation de cet écoulement est essentielle dans des applications environnementales, ou pour des systèmes d'énergies marines renouvelables. De telles structures sont soumises à des efforts de traînée et de portance provenant de l'interaction avec le courant, la houle, et la surface libre. Ce travail s'inscrit dans la compréhension des efforts s'exerçant sur des objets partiellement immergés. Notre problématique est simplifiée en considérant une géométrie cylindrique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus en canal, où le cylindre est tracté ainsi que des résultats numériques obtenus à l'aide du code YALES2, basé sur la méthode des volumes finis. Le cylindre vertical est partiellement immergé et le sillage généré derrière le cylindre est caractérisé par une déformation de la surface libre. L'écoulement derrière le cylindre est gouverné par les nombres de Reynolds et de Froude, caractérisant l'importance des effets inertiels et gravitaires. Ces nombres sans dimension sont définis à l'aide du diamètre du cylindre. La gamme de vitesse balayée et les diamètres utilisés permettent d'atteindre des nombres de Reynolds jusqu'à 240 000, et des nombres de Froude jusqu'à 2.4 correspondant à un sillage turbulent. L'attention est portée sur les fortes déformations de surface libre allant jusqu'à sa rupture et l'entraînement d'air. En particulier, deux modes d'entrainement d'air ont été observés : (i) dans la cavité le long du cylindre et (ii) dans le sillage du cylindre. La vitesse critique à l'entraînement d'air dans la cavité a été mesurée et son évolution est comparée avec une loi d'échelle proposée par Benusiglio. Nous avons observé l'influence de cet entraînement d'air sur les efforts de traînée grâce à des mesures à l'aide de capteurs piézoélectriques. Nos résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux à des Reynolds et Froude inférieurs et des résultats sans surface libre. Une comparaison avec des résultats numériques est également réalisée. La présence de la surface libre et de l'entraînement d'air dans la cavité entraîne une diminution des efforts de traînée par rapport au cas monophasique. Numériquement, le code utilise une méthode level-set pour la description de la surface libre et permet de reproduire les phénomènes d'entraînement d'air, la déformation de la surface libre et la dynamique de l'écoulement autour du cylindre. Ce travail étend la gamme de paramètres adimensionnels parcourus expérimentalement et numériquement, et met en évidence l'effet de l'entrainement d'air sur les efforts de traînée. / The flow past ships or an emerged body such as bridge pilar, is a fundamental, familiar and fascinating sight.Measurements and modelling of this simple flow can have relevance to offshore structures and renewable energy systems. The interaction of such structures with marine environment lead to drag, lift forces and free-surface effects.Our current problem is simplified by considering cylindrical geometry. This work presents experimental results, in which vertical cylinders are translated at constant speed through water initially at rest, and numerical results using YALES2 computing code based on finite volume method. The cylinders are partially immersed, then the motion induces turbulent wake and free-surface deformation. The flow is governed by the Reynolds and Froude numbers defined with cylinder diameter. The explored range of parameters are in the regime of turbulent wake with experiments carried out for Reynolds number up to 240 000, and Froude number up to 2.4. The focus here is on drag force measurements and strong free-surface deformation up to rupture and air-entrainment. Two modes of air-entraiment have been observed: (i) in the wake of the cylinder and (ii) in a cavity along the cylinder wall. Results are as follows. First, a scaling for the critical velocity for air-entrainment in the cavity proportional to D1/5 proposed by Benusiglio is recovered. Secondly, drag coefficients measured by piezoelectric sensors are smaller in two phase flow compared to monophasic case, and air-entrainment in the cavity enhances this decrease. Numerically, YALES2 uses level-set method for the descirption of the free-surface, and is able to reproduce air-entrainment phenomenon, free-surface deformations and flow dynamics around the cylinder. The present work expands the range of dimensionless parameters and highlights free-surface effects on drag forces.