La thèse de Jean-François Simon est consacrée au développement d'un outil de simulation numérique de l'écoulement dans les turbomachines axiales. La démarche proposée a pour but de réduire l'empirisme présent dans les outils de calcul méridien en turbomachines. Cet objectif est atteint en deux étapes, l'une consistant à traiter de manière cohérente les effets dus à la viscosité du fluide dans le plan méridien, l'autre à injecter dans le calcul méridien les tensions déterministes et circonférentielles ainsi que les forces d'aubes. Les équations de Navier-Stokes sont moyennées azimutalement et sont résolues par une approche volumes-finis. La capture des effets dus à la viscosité du fluide le long des parois de carter et de moyeu permet d'éviter l'introduction d'un coefficient de blocage, ou le recours à un calcul couche-limite séparé. Jean-François Simon prolonge en outre l'approche d'Adamczyk par un opérateur de moyenne circonférentielle. Différents termes additionnels apparaissent alors dans les équations du modèle et traduisent entre autres linfluence des phénomènes non axisymétriques. L'importance relative de ces différentes contributions est analysée. Les méthodologies développées sont appliquées à plusieurs cas-tests (rotor simple, étages de compresseur ou de turbine, compresseur multi- étagé), qui permettent d'illustrer l'intérêt de la démarche proposée.

L'eau tensile est de l'eau liquide métastable qui persiste dans le champ de stabilité de la vapeur à pression négative, sa durée de vie est finie. Des états de traction de l'eau jusqu'à -1400 bar ont été mesurés de façon spécifique dans des micro-inclusions intracristallines. La nucléation de vapeur (Tn) marque le retour à l'équilibre. Les effets destructeurs liés à la rupture d'états transitoires d'eau tensile sont observés dans le milieu naturel : explosions phréato-magmatiques, geysers. Modéliser la cinétique de l'eau métastable est fondamental pour gérer les risques qui lui sont associés. Des inclusions fluides synthétiques (IF) de composition et de densité connues, piégées dans du quartz, ont été placées dans le champ métastable par refroidissement isochore et leurs gammes de métastabilité ont été mesurées. On montre que la traction maximale de l'eau dans chaque IF dépend de son volume et de sa forme, de la méthode de synthèse de l'IF, de la chimie des solutions occluses. Des expériences de durée de vie ont été ensuite réalisées sur des IF placées de 0,5° à 10°C au-dessus de leurs Tn. Les 8 IF choisies rende nt compte de la diversité des formes, des volumes, des densités et gammes de traction observées. Les résultats montrent que la durée de vie de l'eau tensile en IF est d'autant plus courte que la traction de l'eau est plus forte. Une loi empirique est proposée qui permet de calculer la durée de vie de la métastabilité pour chaque IF de Tn et volume fixés. Par ailleurs, nos données peuvent être rendues compatibles avec la Théorie Classique de la Nucléation. Nos résultats montrent que l'eau dans les réservoirs poreux naturels peut rester métastable pendant des durées géologiques et ainsi, contrôler les interactions fluides-roches dans la croûte.

Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d'une instabilité d'évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l'enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n'est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d'évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d'identifier les conditions pour que le système évolue d'un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s'installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s'opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d'apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L'effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d'énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l'éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d'un état de base connu. Dans notre cas, il s'agit de l'état conductif. Le système d'équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n'apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d'évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l'instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n'apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d'un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d'aspect du confinement. Les facteurs d'aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d'apparition d'instabilités durant l'évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d'évaporation.

La compréhension des écoulements turbulents en aval d'un cylindre circulaire horizontal, soumis à un écoulement d'air transverse et en présence d'importants effets de flottabilité, constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. Les approches expérimentale et numérique (DNS) sont utilisées afin de compléter les connaissances des mécanismes d'instabilité tourbillonnaire en régime de convection mixte. En dehors de la perte de symétrie du sillage induit par les effets de pesanteur, l'écoulement étudié ici est caractérisé par le développement de deux instabilités principales. Au niveau de la couche de cisaillement inférieure on assiste au développement d'instabilités intermittentes de Kelvin-Helmholtz. Nous montrons qu'en présence d'effets de gravité importants la transition vers la turbulence est accélérée dans cette région de l'écoulement. A l'arrière du cylindre un écoulement secondaire apparaît sous l'effet des forces de pesanteur. Cet écoulement est le lieu d'importants mouvements tridimensionnels tant sur le plan moyen que fluctuant et donne naissance à des dipôles de vorticité caractéristiques. Ces structures se forment dans la partie supérieure du sillage et évoluent librement au niveau de l'écoulement principal ou s'apparient avec les structures tourbillonnaires du sillage turbulent. Finalement, en présence d'effets de gravité non négligeables, on assiste à un enrichissement du spectre des structures turbulentes et à une augmentation des composantes tridimensionnelles du champ dynamique. Dans ces conditions la température agit comme un scalaire actif capable d'accélérer la transition vers la turbulence.

Les écoulements de fluides complexes à l'échelle sub-micronique est une problématique rencontrée dans des domaines aussi divers que la récupération assistée du pétrole ou la lubrification des surfaces. Un fluide complexe a des propriétés rhéologiques riches, dues à la présence d'objets déformables en solution, comme les pelotes de polymère. Les phénomènes de surface, comme le glissement jouent un rôle important aux petites échelles. La question de l'effet du confinement sur la rhéologie de solutions de polymères est abordée. Nous caractérisons la taille des objets en solution et la rhéologie volumique des fluides. Grâce au développement d'une technique de photobleaching de fluorescence pour la mesure de vitesse d'écoulement dans des canaux sub-microniques, nous déterminons la viscosité effective des fluides en géométrie confinée. Cette approche expérimentale nous permet de montrer que le confinement induit une diminution de la viscosité effective des fluides. Une mesure directe des vitesses et longueurs de glissement est réalisée en microcanaux par vélocimétrie de particules (micro-PIV). Ces données mettent en évidence une réduction du glissement en géométrie confinée, qui est interprétée en termes de modification du mécanisme de glissement. Une distinction entre le comportement volumique et les phénomènes de surface ne permet plus de rendre compte du comportement du fluide à l'échelle sub-micronique. Une étude préliminaire des écoulements de solutions de tensioactifs à l'échelle sub-micronique est également proposée.

En lien avec des procédés de récupération assistée du pétrole, la mise en œuvre d'écoulements biphasiques immiscibles dans des géométries microfluidiques permet d'étudier comment des solutions aqueuses semi-diluées de polymères peuvent modifier la dynamique d'interface entre une phase aqueuse et une phase organique. Nous travaillons dans une géométrie commune en microfluidique (flow focusing), induisant des écoulements élongationnels, avec une phase externe aqueuse polymérique et une phase interne organique newtonienne. Nous observons des formes d'interfaces particulières liées au comportement non newtonien de la phase externe. Les propriétés élongationnelles du polymère favorisent la formation de pointes et de jets de taille micrométrique et les contraintes normales développées par le polymère stabilisent le jet sur de très grandes distances rendant possible la synthèse de microfibres, à partir de ces jets, dans le système. Par ailleurs, nous utilisons des géométries modélisant les configurations rencontrées dans les réservoirs dans l'industrie pétrolière, pour étudier de façon systématique les effets des polymères (viscosité/élasticité) sur le déplacement d'huile, à l'échelle du pore et du réseau. Nous caractérisons l'influence du rapport de viscosité entre les phases, du nombre capillaire et des conditions de mouillage, sur la forme du front polymères/huile et le taux de récupération d'huile. Enfin, nous employons une méthode de traitement de surface en phase sèche permettant d'améliorer l'hydrophilie d'un matériau compatible avec l'utilisation de pétrole pour fabriquer des systèmes aux propriétés de mouillage contrôlées et texturables, jusqu'à l'échelle micrométrique.

Cette étude expérimentale porte sur la mesure et l'analyse du comportement d'un rideau d'air plan, vertical descendant, lorsqu'il se développe dans un flux uniforme en co-courant. Le rapport r entre la vitesse du cocourant et la vitesse du jet évolue dans la gamme [0; 0, 3] qui comprend le cas du jet plan classique sans co-courant (r = 0). La motivation de l'étude est, pour le laboratoire d'accueil de la thèse (Irstea de Rennes, équipe Aéraulique et Contrôle des Atmosphères Turbulentes), l'apport de connaissances précises sur les rideaux d'air séparateurs d'ambiance, en propreté et en température, pour la maîtrise des ambiances locales dans l'industrie agroalimentaire et plus largement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments. Cette étude porte principalement sur le cas isotherme, sans différence de température entre le jet et le co-courant, les cas anisothermes étant seulement abordés en investigation réduite dans le dernier chapitre (chap. IV). L'analyse de la turbulence est au centre de cette étude. Elle est menée à partir des différentes grandeurs caractéristiques, dont les profils de tensions de Reynolds et les échelles turbulentes caractéristiques. Elle sous-tend également l'analyse des évolutions des grandeurs moyennes, en particulier l'expansion du profil de vitesse moyenne. Le principal moyen d'investigation expérimentale est l'anémométrie par fils chauds croisés à température constante (CTA). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est utilisée dans le chapitre IV comme moyen insensible à la température, pour les études de cas anisothermes. Le rideau plan en co-courant a été mis en oeuvre dans une soufflerie verticale spécifique dont la veine d'essai a une hauteur utile de deux mètres (chap. II). L'étude s'appuie sur une analyse bibliographique (chap. I) centrée sur les équations de la turbulence appliquées aux jets plans. L'analyse du comportement dans le cas isotherme (chap. III) s'intéresse principalement à l'influence du rapport de vitesse r et du nombre de Reynolds. Un raisonnement mené sur le choix des variables d'adimensionnement pour décrire le comportement du jet amène à proposer un adimensionnement global, à la fois pour l'évolution de la vitesse moyenne sur l'axe, pour l'expansion de l'épaisseur du jet et pour l'évolution des fluctuations rms de vitesse. On obtient ainsi un modèle de comportement généralisable aux différentes valeurs de r pour les jets en co-courant, avec au passage une méthode intéressante pour évaluer par ce biais des caractéristiques du cas limite du jet plan sans co-courant. Les données complètes et précises obtenues par fils croisés permettent, en fin de chapitre III, de mener une description et analyse des échelles caractéristiques de la turbulence. Il apparaît que les échelles intégrales sont cohérentes avec le modèle proposé pour l'expansion du jet et que les échelles de Kolmogorov s'en déduisent ensuite par un recours à un rapport universel, fonction du nombre de Reynolds local.

La plupart des écoulements granulaires denses dans la nature, tels que les avalanches de débris, les écoulements pyroclastiques et les avalanches sous-marines, sont constitués d'un large éventail de différents composants solides immergés dans un environnement fluide. Afin d'obtenir une bonne représentation de la dynamique de ces écoulements, il est nécessaire d'examiner les mécanismes d'interaction entre les différents composants du mélange. Dans ce travail, nous avons développé un cadre théorique basé sur la théorie de mélange afin de représenter la dynamique d'un écoulement dense de matériau granulaire hétérogène composé d'un certain nombre d'espèces solides avec des propriétés différentes, et immergé dans un environnement fluide Newtonien. Le système d'équations obtenu a été validé en comparant les résultats numériques avec des mesures expérimentales obtenues pour des écoulements gravitaires de matériaux granulaires, générés par l'effondrement d'une colonne de grains en deux dimensions, en utilisant de l'air ou de l'eau comme milieu fluide. Cette théorie a ensuite été utilisée pour étudier les effets du fluide ambiant sur la dynamique des écoulements de matériaux granulaires homogènes, ainsi que les effets de la ségrégation sur la dynamique des écoulements granulaires de mélanges binaires constitués de petites et grandes particules sphériques d'égale densité. Nos résultats suggèrent que les équations reproduisent les caractéristiques essentielles de la dynamique des écoulements granulaires denses hétérogènes. En particulier, nous démontrons que la ségrégation des matériaux granulaires augmente la vitesse du front en raison de la dilatation de l'écoulement. Cette augmentation de la vitesse d'écoulement est amortie par l'environnement fluide, et ce comportement est plus marqué dans l'eau que dans l'air. Nous concluons qu'un modèle réaliste pour des écoulements granulaires hétérogènes doit considérer au moins trois éléments: des grains de petite et de grande taille et un environnement fluide.

Mes études portent sur des questions de stabilité pour différents modèles compressibles et magnétiques.<br /><br />Tout d'abord, je me suis intéressé aux généralisations magnétiques possibles de quelques résultats pour Navier-Stokes compressible.<br />La prise en compte de la viscosité est cruciale et peut faire l'objet de diverses hypothèses, en particulier, des profils constants ou dépendants des caractéristiques du fluide conditionnent le caractère bien posé des modèles compressibles.<br />Les résultats proposés apportent une contribution aux études complexes de la MHD, notamment sur les questions d'applicabilité de la BD entropie.<br /><br />Pour des viscosités constantes, on montre l'existence de solutions faibles globales en temps des équations de la Magnétohydrodynamique dans le cas barotrope, pour toutes les constantes adiabatiques plus grandes que 3/2.<br />Pour des viscosités dépendantes de la densité du fluide, on s'est intéressé au modèle complet avec température, cas dans lequel on obtient la stabilité de solutions faibles pour certains modèles magnétiques.<br />Plus précisément, des choix particuliers de profils de viscosités mais aussi de résistivité du fluide ont été concluants pour un modèle MHD à deux fluides et pour le modèle de Born-Infeld Augmenté adapté aux fluides visqueux.<br /><br />Ensuite, les modèles à deux fluides ont fait l'objet d'une seconde étude de stabilité.<br /><br />On s'est intéressé aux phénomènes d'instabilités de type Rayleigh-Taylor dans un système bi-fluide soumis à un champ de gravitation.<br />Plus précisément, le but a été de mettre en évidence l'influence de la capillarité sur le taux de croissance de ces instabilités.

Un lit de particules, par exemple le lit d'une rivière ou les dépots d'hy drates dans un pipeline, peut évoluer de différentes manières quand il est soumis à un écoulement de fluide. Nous étudions expérimentalement l'interaction fluide/particules dans la géométrie d'un tube. En faisant varier les paramètres expérimentaux, nous avons déterminé l'existence de cinq régimes différents : particules immobiles, mise en mouvement du lit plat, formation de dunes laminaires, formation de dunes à vortex et apparition de dunes sinueuses. Ce travail s'articule principalement en quatre parties. Après l'étude qualitative des différents régimes existant, nous avons montré que le lit de particules se met en mouvement quand les forces hydrodynamiques deviennent supérieures à une fraction du poids apparent des particules, c'est-à-dire pour un nombre de Shields critique constant sur une large gamme de Reynolds particulaire. Un modèle continu à deux phases, dans lequel nous avons utilisé une rhéologie de type frottement solide pour modéliser la contrainte solide, nous permet de déterminer le flux de particules et de prédire l'évolution expérimentale du lit plat. En réalisant une étude de stabilité linéaire dans laquelle le flux de particules obtenu est couplé avec l'écoulement de fluide sur un fond fixe, nous avons déterminé le seuil d'apparition des dunes laminaires. Ce seuil correspond à un nombre de Reynolds constant et présente un bon accord avec les résultats expérimentaux dans la limite du modèle. Les expériences et les modèles réalisés nous permettent de construire un diagramme de phase représentant les zones d'existence des différents régimes observés dans le tube.