La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. A partir d’un solveur développé au sein de l’équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l’intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d’état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l’introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d’une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l’effet des ouvrants (dans les phases d’ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d’analyse. / Characterization of heat transfer mechanisms between an incompressible fluid flow and solid structure is the main objective of the proposed work. From a solver developed within the team, we particularly focused on strategies for coupling with a solid solver to address both energy and structure motion. In our approach, the model treating solid part is the solver ASTER and specific attention was paid to the coupling strategy. In the fluid / structure coupling part, reference cases were performed with increasing complexity and immersed boundaries was investigated. The change in topology for the Immersed Boundary Method enhances here and there some numerical instability and the latter can be more or less damped by hybrid techniques in the treatments to submerged borders.Despite such limitations, the solver is able to handle large deformation ensuring robust and fast analysis for the characterization of strongly coupled mechanisms. To emphasize such a point, isothermal flow in a cavity representing a cold-cell was conducted as part of the research project OSEO. To our knowledge, the processing performed for the first time quantified the effect of opening (in the opening and closing of the doors of the cell phases) on the flow and heat exchange. Such modeling is then used to suggest improvements to the geometry being analyzed.

La lévitation diamagnétique est un des rares phénomènes permettant de soustraire des corps à la gravité. Si la répulsion diamagnétique est négligeable à nos échelles, elle devient significative aux petites dimensions, allant jusqu’à entraîner, sous certaines conditions, la mise en lévitation de micro-objets diamagnétiques. A travers le développement de microaimants, de modèles numériques et analytiques ainsi que de réalisations expérimentales, ces travaux explorent les potentialités de la lévitation diamagnétique de microgouttes et de particules dans un milieu paramagnétique. Ils démontrent notamment la possibilité de mesurer précisément l’interaction entre gouttes chargées en lévitation. Ces travaux analysent par ailleurs l’étude de cette lévitation combinée à une force diélectrophorétique. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le tri de bille diamagnétique basé sur leur taille ou leur susceptibilité. La diélectrophorèse ouvre le champ des possibilités en permettant d’actionner sans contact des micro-billes mises en lévitation. / Diamagnetic levitation is one of the rare way to compensate action of gravity. This kind of repulsion is negligible at our scale. However, at microscale, this effect becomes significant and can achieve levitation of diamagnetic objects. Through the development of micromagnets of numerical and analytical models as well as experimental achievements , these works explore the potential of diamagnetic levitation microdroplets and particles in a paramagnetic environment. They especially demonstrate the ability to accurately measure the interaction between charged droplets levitated . These studies analyze further the study of this levitation combined with dielectrophoretic force . This study opens new perspectives for sorting diamagnetic ball based on their size or susceptibility. Dielectrophoresis opens possibilities in the field for actuating contactless microbeads levitated.

Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d'instabilités aéroacoustiques résultant d'un couplage entre l'hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Ces instabilités se traduisent par de fortes Oscillations de Pression (ODP) dans la chambre de combustion du moteur. Ces ODP entrainent des vibrations de la structure, qui si elles venaient à dépasser certains niveaux pourraient nuire à la charge utile. Au vu du coût d'un essai, il est important de disposer d'outils permettant de prédire l'apparition de ces instabilités au moment de la conception. L'objectif de cette thèse est en premier lieu la mise au point d'une chaîne de couplage permettant d'évaluer l'impact des interactions fluide-structure sur l'amplitude des oscillations aéroacoustiques présentes au sein du propulseur. Une attention particulière est portée à l'algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d'assurer une bonne conservation de l'énergie à l'interface fluide-structure, point clé dans l'étude d'instabilités. La chaîne numérique ainsi conçue est appliquée à une configuration réduite du moteur à propergol solide d'Ariane 5 dans le cadre de deux études. La première porte sur l'impact des vibrations de la structure sur les d'instabilités aéroacoustiques. L'effet d'un croisement de fréquences des modes propres longitudinaux de la structure et un des modes acoustiques de la chambre de combustion est traité. La seconde étude s'intéresse à l'effet des battements des protections thermiques du propulseur dans l'écoulement. Une structuration de l'écoulement et un net renforcement des ODP sont mis en évidence. / Large solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. These instabilities lead to large pressure oscillations in the combustion chamber. These pressure oscillations cause vibrations which might jeopardize the payload if they happen to be larger than a certain threshold. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to rely on numerical tools able to predict these instabilities so that they can be avoided at the design level. The first purpose of this thesis is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aeroacoustic oscillations living inside the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface.The numerical chain is applied to a sub-scaled configuration of Ariane 5 solid rocket motor in two studies. The first relates to the impact of vibration of the structure on aeroacoustic instabilities. The effect of a crossover frequency between the longitudinal modes of the structure and the acoustic modes of the combustion chamber is assessed. The second study examines the effect of thermal protection oscillations in the flow. An increased of the flow organisation and a significant strengthening of pressure oscillations are highlighted.

Les structures dites « offshores » vibrent sous l'effet des courants marins. Ces vibrations, induites par le détachement périodique de tourbillons dans le sillage de la structure (d'où le nom vibrations induites par vortex), endommagent par fatigue les câbles et les éléments de tuyauteries qui relient à la plateforme d'exploitation les têtes de puits de pétrole situés au niveau du sol marin. Une compréhension du comportement dynamique de ces structures sous l'effet du détachement tourbillonnaire est donc essentielle à l'étape de design. A l'intérieur de cette thèse, nous démontrons qu'en utilisant le concept d'oscillateur fluide et stabilité linéaire, on peut comprendre et reproduire de façon qualitative les caractéristiques principales des VIV sur les structures élancées en écoulements uniformes et non uniformes. Les arguments justifiant l'utilisation de la méthode de modélisation choisie sont présentés au deuxième chapitre. Les troisième et quatrième chapitres sont respectivement dédiés aux écoulements uniformes et non uniformes. Dans les deux cas, la théorie est développée à partir d'une analyse de stabilité linéaire des systèmes d'ondes structure-sillage. La méthodologie proposée constitue un outil de design efficace, puisqu'il permet la connaissance de la dynamique de configurations complexes et que son coût en terme de temps de calcul est très faible.

La simulation numérique de l'interaction fluide-structure par la méthode des éléments finis a été étudiée dans le cadre des équations de Navier-Stokes pour un fluide visqueux newtonien incompressible en interaction avec un solide élastique.<br />La formulation Euler-Lagrange Arbitraire (ALE) a été utilisée, en considérant un maillage dynamique, où le solide est décrit par une formulation Lagrangienne et le fluide par une formulation Eulérienne. Le modèle fluide est validé en considérant des cas tests académiques et concernent les cas : de la marche, de la cavité, de l'écoulement autour d'un cylindre, etc... Le modèle solide est validé en considérant le cas d'une poutre encastrée-libre et encastrée-encastrée, le cas d'un cylindre soumis à son poids propre et le cas d'une arche elliptique.<br />Un algorithme de couplage est alors mis au point pour la mise en oeuvre de cette interaction fluide-structure. Cet algorithme, basé sur un schéma explicite, permet le transfert de champs de façon interactive. L'efficacité de la méthode ALE et du couplage fluide-structure a été évaluée en considérant plusieurs cas tests: solide immergé dans un canal, où s'écoule un fluide en écoulement transitoire ou stationnaire, écoulement d'un fluide dans une canalisation à parois élastiques, etc...<br />Les résultats montrent que ce couplage explicite-interactif permet d'utiliser un maillage et un schéma différent pour le fluide et la structure, et jouit de l'avantage de ne pas utiliser de grosses matrices de stockage des données.

Etude physique des ondes longues. Origine du système de Saint Venant. Résolution numérique par une methode de différences finies dans le cas unidimensionnel et pour un domaine parabolique. Traitement numérique du cas bidimensionnel en utilisant une methode d'éléments finis pour les variables d'espace et de différences finies, pour la variable temps. Problème d'un fluide visqueux : établissement de l'existence et de l'unicité de la solution. Etude théorique du probleme des ondes longues semi-linéarisées dans un fluide parfait.

Dans cette thèse, nous étudions quelques problèmes de lubrification par des fluides non-Newtoniens isothermes et non-isothermes, dans un domaine mince $\Omega^{\varepsilon}$ d'épaisseur de l'ordre de ${\varepsilon}$, avec la condition de frottement de Tresca sur le bord inférieur de $\Omega^{\varepsilon}$. Dans le premier chapitre, nous considérons un fluide non-Newtonien isotherme dont la viscosité suit la loi de puissance. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution $(u^{\varepsilon}, p^{\varepsilon})$ en utilisant des résultats abstraits des opérateurs pseudo-monotones. Ensuite, nous étudions le comportement asymptotique des solutions lorsque $\varepsilon \rightarrow 0$. Nous obtenons ainsi un problème limite, et nous montrons l'unicité des ses solutions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions le problème dans le cas non-isotherme. Le système obtenu est complexe, fortement non linéaire, couplant l'équation de la conservation de la quantité du mouvement avec l'équation de la chaleur. La difficulté ici est la preuve du théorème donnant l'existence des solutions, ainsi que les estimations a priori sur la température. Dans le troisième chapitre, nous étudions une variante des équations de Navier-Stokes, où le paramètre $\varepsilon $ est présent aussi dans l'équation de la conservation de la quantité du mouvement sous forme d'un nombre de Reynolds $\varepsilon^{\gamma}$ et dans la condition de frottement de Tresca. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution sous des conditions sur $\varepsilon$ et $\gamma$. Par des techniques semblables à celles utilisées dans les chapitres précédents, nous obtenons le résultat de convergence de la solution $(u^{\varepsilon},p^{\varepsilon})$ vers la solution du problème limite et nous montrons l'unicité de sa solution. Dans le dernier chapitre, nous étudions un autre modèle de fluide non-Newtonien, le fluide visco-plastique de Bingham. Nous supposons en plus de la condition de Tresca sur le bord inférieur, une condition de Fourier sur le bord supérieur. Nous suivons le même schéma d'étude que précédement, les difficultés sont techniques et concernent les estimations a priori, surtout la majoration des termes aux bords.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en oeuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élasto-hydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600~nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide.

Les garnitures mécaniques assurent l'étanchéité d'arbres tournants. L'augmentation des contraintes de fonctionnement a conduit au développement de garnitures à gaz fonctionnant sans contact des faces, séparées par un film fluide de très faible épaisseur. Le frottement entre les anneaux de la garniture, et donc l'usure, est évité.<br />L'étude bibliographique révèle que peu de travaux sur les garnitures pour gaz à hautes pressions ont été réalisés. Les caractéristiques d'un écoulement à haute pression sont examinées et les points-clefs du modèle sont définis : gaz réels, effets d'inertie, effets thermiques, écoulement bloqué. A hautes pressions, le comportement du gaz diffère de celui d'un gaz parfait, un modèle de gaz réel est donc développé. L'équation de Reynolds pour un fluide compressible est modifiée afin de prendre en compte les effets d'inertie. Les effets thermiques dans l'écoulement sont également introduits dans le modèle. L'écoulement bloqué à la sortie du film fluide est résolu grâce à une méthode originale. Les déformations des solides et le couplage thermique sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. La méthode des éléments finis est utilisée pour la discrétisation des équations et un algorithme itératif permet la détermination des champs de pression et de température. La comparaison avec une solution analytique et des données expérimentales permet de valider le modèle. L'influence du modèle du gaz est présentée. L'étude paramétrique menée avec le modèle numérique permet d'étudier l'influence des effets d'inertie sur l'écoulement par rapport au cas purement visqueux. Finalement, le couplage fluide-solides est étudié. Cette analyse montre que les déformations des faces influencent notablement le comportement des garnitures.

L'objectif de cette thèse est l'étude du bruit propre d'origine hydrodynamique au niveau de l'antenne d'étrave d'un sous-marin pour des fréquences comprises entre 10 Hz et quelques kHz. Dans cette optique, trois problématiques particulières doivent être étudiées : la modélisation du comportement vibro-acoustique des structures en fluide lourd, l'intégration de l'excitation couche limite turbulente (CLT) dans les modèles numériques déterministes et la mesure de la réponse d'une structure sous écoulement turbulent. Le premier chapitre est consacré à la synthèse bibliographique des différentes méthodes existantes pour étudier de tels problèmes. Dans un second chapitre, nous présentons la méthode PTF (Patch Transfer Functions), qui est une approche par sous-structuration de domaines permettant l'étude des problèmes vibro-acoustiques en basses et moyennes fréquences. Cette méthode n'ayant été appliquée qu'en fluide léger, l'un des enjeux de ce chapitre est d'étudier son applicabilité en fluide lourd et de mettre en lumière d'éventuels points de blocage. Nous montrons ainsi que des problèmes de convergence de la méthode apparaissent en fluide lourd. Pour pallier ces difficultés, nous présentons, dans le troisième chapitre, deux stratégies de calcul permettant d'accélérer la convergence globale de la méthode. Le quatrième chapitre propose une application de la méthode PTF pour caractériser la réponse vibro-acoustique en fluide lourd d'une structure soumise à une CLT et couplée à un milieu fluide extérieur et à une cavité acoustique, encombrée par des structures déformables. Pour traiter ce problème, nous complétons, tout d'abord, le modèle PTF par l'introduction de l'excitation CLT dans les modèles déterministes, à partir d'une décomposition de l'interspectre des fluctuations de pression pariétale sur une base d'ondes planes décorrélées. Nous présentons, ensuite, le calcul de l'impédance de rayonnement par pavé pour des surfaces de couplage de géométrie quelconque, ainsi qu'un modèle d'encombrement permettant, à partir de considérations physiques, de tenir compte simplement de la complexité structurale de structures encombrant une cavité acoustique. Cette application nous permet de montrer que l'influence de l'encombrement des cavités sur la réponse vibro-acoustique du système ne peut pas être négligée, lorsque l'on s'intéresse à l'étude du bruit hydrodynamique au niveau d'une antenne d'étrave de sous-marin. Dans le cinquième chapitre, nous développons une technique expérimentale permettant de caractériser le comportement des structures sous écoulement turbulent. Cette technique est basée sur la décomposition en ondes planes décorrélées présentée au chapitre 4 et nécessite la génération de champs de pression pariétale correspondant à ceux que l'on obtiendrait à partir d'ondes propagatives et évanescentes pour tenir compte des caractéristiques spectrales de la CLT. Pour cela, nous utilisons une antenne de monopôles acoustiques, dont nous déterminons numériquement les principaux paramètres (taille, nombre de monopôles et distance antenne paroi). Le nombre de monopôles augmentant avec la fréquence, la mise en oeuvre de cette méthode peut s'avérer délicate. Pour contourner cette difficulté, nous présentons le principe de l'antenne synthétique, dont la validation expérimentale est étudiée dans le dernier chapitre.