Nous avons, dans cette thèse, étudié, à l'échelle locale, le mélange induit par gravité de deux fluides miscibles de densités différentes dans un long tube incliné. Nous avons mesuré, sur des expériences indépendantes, les champs de vitesse (PIV) et les champs de concentration (LIF) dans un plan diamétral vertical. Avec l'aide des profils de vitesse et de concentration moyenne nous avons pu établir une carte des régimes d'écoulement observés en fonction des paramètres de contrôles : angle d'inclinaison du tube $\theta$ (repéré par rapport à la verticale) variant de 15°à 60°, et contraste de densité caractérisé par le nombre d'Atwood At allant de $10^{-3}$ à $10^{-2}$. Nous avons étudié le transport de quantité de mouvement dans les régimes d'écoulement quasi-stationnaires en comparant les résultats expérimentaux à des modèles simples et à des simulations numériques. Nous nous sommes également intéressés et la stationnarité et la stabilité des écoulements.

Une étude expérimentale a été menée sur le sillage d’un cylindre circulaire stratifié dans le but de décrire l’effet de l’inclinaison et de la stratification sur les instabilités tridimensionnelles d’un sillage. Principalement 4 modes instables ont été trouvés.Ces résultats mettent ainsi en évidence le fait que la stratification et l’angle d’in- clinaison modifient fortement la transition d’un écoulement 2D à 3D du sillage d’un cylindre avec la présence de nouveaux modes instables. / An experimental study has been delineated of a stratified wake of a circular cy- linder in order to describe the effect of the tilt and of the stratification on the 3D instabilities of the wake. Principally, four unstable modes have been figured out.These results highlight the fact that the stratification strongly modifies the transition from a 2D to a 3D flow in a cylinder wake, with the presence of new unstable modes. The tilt of the cylinder with respect to the vertical plays a major role, such that a study limited to a vertical or a horizontal cylinder misses a lot of the rich dynamics of the tilted wake.

L'océan et l'atmosphère sont des milieux stratifiés, supports d'ondes internes de gravité. Ces ondes peuvent se propager sur de très grandes distances, transportant de l'énergie loin de leurs sources et jouant ainsi un rôle clé dans le bilan énergétique global des écoulements géophysiques. Notre approche expérimentale modélise de façon idéalisée les topographies océaniques et la stratification du milieu afin de comprendre les mécanismes fondamentaux mis en jeu en présence d'ondes internes. Cette démarche a été couplée au développement de techniques d'analyse des données telles que la démodulation complexe. Différents types d'ondes internes ont été utilisées. Pour cela, un point clé a été la caractérisation et le contrôle d'une nouvelle source d'ondes. Notre étude combinant expériences, simulations numériques et prédictions analytiques permet la génération contrôlée de structures spatiales variées (faisceaux localisés, modes verticaux occupant toute la hauteur du uide, ondes planes). L'étude du problème classique de la réflexion d'une onde plane sur un plan incliné a permis de vérifier l'absence d'onde retour pour des pentes proches de la criticalité, tout en mettant en évidence que ce cas d'école est encore un sujet ouvert. Nous avons également étudié la conversion d'un mode vertical modélisant la marée interne lors de l'interaction avec une topographie de grande échelle. Cette conversion est régie par des mécanismes linéaires et non-linéaires. La présence de pentes sous-critiques inuence la conversion du mode incident en de plus petites échelles spatiales, tandis que la hauteur de la topographie joue un rôle notable dans l'amplitude des modes transmis ainsi que l'intensité de processus non-linéaires générant des ondes harmoniques et un courant moyen. Nous avons réalisé la première mise en évidence expérimentale de la génération locale de trains d'ondes non-linéaires (solitons) lors de la réflexion d'un faisceau d'ondes internes intense et localisé au niveau d'une pycnocline. Ce phénomène dépend de la stratification considérée, qui caractérise la nature de la pycnocline. Enfin, une étude de la dynamique couplée entre un bateau évoluant à force constante et le fluide stratifié environnant a été menée. Le régime particulier des dépend d'un unique nombre sans dimension, le nombre de Froude associé à l'onde la plus rapide de la stratification sur laquelle le bateau évolue. Nous avons généralisé le cas classique à deux couches à tout type de stratification constituée d'une couche homogène en surface.

Les océans de la Terre sont stratifiés en densité par les gradients de température et de salinité.L'interaction des courants de marée avec la topographie du fond océanique entraîne donc le rayonnement des ondes de gravité interne dans l'intérieur de l'océan. Ces ondes sont appelées marées internes et leur dissipation due à le déferlement des ondes nonlinéaires joue un rôle important dans le mélange de l'océan abyssal, et donc dans la circulation océanique à la grande échelle.Dans ce contexte, nous étudions la génération des ondes internes par l’oscillation d’objet de différentes géométries simplifiées afin de modéliser le marée barotropique sur la topographie océanique et considérons les effets linéaires et nonlinéaires sur ces ondes résultant d’interactions avec l'objet et entre ces ondes.La contribution relativement nouvelle de cette thèse est l'étude des aspects de flux tridimensionnels qui étaient accessibles avec notre approche expérimentale, et sont généralement difficiles à étudier par modélisation numérique et analytique.Nous étudions d'abord la structure des ondes fundamentale et des harmoniques supérieur pour un sphéroïde oscillant, émettant des ondes divergentes. Les harmoniques supérieures sont générées par l'instabilité non linéaire à la surface de l'objet avec des effets nonlinéaires dans la zone d'intersection des faisceaux fundamentales. Ils peuvent se croiser et se concentrer, donc augmenter d'énergie, et devenir dominant sur les ondes fundamentales. On détermine les structures horizontales des ondes fundamentale et des harmoniques supérieures.Subséquemment, nous considérons les ondes générées par un tore oscillant, qui convergent vers un point focal. En dehors de cette région focale, les résultats expérimentaux et les prédictions théoriques sont en bon accord, mais dans la région focale, l'amplitude de l'onde est deux fois plus grande que près du tore, conduisant à une amplification locale nonlinéaire et à un déferlement des onde pour les grandes amplitudes d'oscillations. En conséquence, la propagation des ondes fundamentales se trouve entravée dans la région focale. L'onde stationnaire se forme alors que de nouvelles ondes sont générées et émises de cette région focale.Un tore plus grand a été testé sur la plate-forme Coriolis pour comparer la focalisation des ondes de gravité internes, inertie-gravité et des ondes inertielles dans un régime faiblement visqueux. En raison de la complexité de la zone focale, une seconde harmonique est observée même quand l'amplitude d'oscillation est faible. Le champ de vorticité verticale des ondes de gravité interne présente une structure dipolaire dans la zone focale, qui se transforme dans le cas tournant en une structure de vortex "Yin-Yang". La structure globale des faisceaux des ondes inertiels est proche de celle pour des ondes de gravité internes, bien q'elle est relativement plus intense. / The Earth's oceans are stratified in density by temperature and salinity gradients.The interaction of tidal currents with ocean bottom topography results therefore in the radiation of internal gravity waves into the ocean interior. These waves are called internal tides and their dissipation owing to nonlinear wave breaking plays an important role in the mixing of the abyssal ocean, and hence in the large-scale ocean circulation.In this context we investigate the generation of internal waves by oscillating objects of different idealized geometries as a model of barotropic flow over ocean topography, and consider linear as well as nonlinear effects on these waves resulting from interactions with the object and from wave--wave interactions.The relatively novel contribution of this thesis is the investigation of three-dimensional flow aspects that were accessible with our experimental approach, and are generally difficult to investigate by numerical and analytical modelling.First we investigate the wave structure of the first and higher harmonics for an oscillating spheroid, emitting diverging waves. Higher harmonics are generated by nonlinear instability at the surface of the object together with nonlinear effects in the zone of intersection of the primary beams. They may intersect and focus, therefore increase in energy, and become dominant over the first harmonic. The horizontal structures of both, first and higher harmonics are determined.We then consider waves generated by an oscillating torus, that are converging to a focal point. Outside this focal region experimental results and theoretical predictions are in good agreement, but in the focal region the wave amplitude is twice as large as it is close to the torus, leading to local nonlinear wave amplification and incipient wave breaking for large oscillation amplitudes. As a result, the propagation of the first harmonic waves is found to be hindered in the focal region. A standing pattern forms, while new waves are generated and emitted away from this focal region.A larger torus has been tested at the Coriolis platform to compare the focusing of internal gravity, inertia--gravity and inertial waves in a low viscous regime. Owing to the complexity of the focal region, a second harmonic is observed even at low oscillation amplitude. The vertical vorticity field of internal gravity waves exhibits a dipolar structure in the focal zone, which transforms in the rotating case into a ``Yin--Yang-shaped'' monopolar vortex structure. The overall structure of the inertial wave beams is close to that for internal gravity waves, though relatively more intense.

Ce travail de thèse cherche à caractériser, à l'aide d’expériences de laboratoire, le mouvement d'un fluide stratifié à la fois tournant et cisaillé. Dans ce contexte on a considéré trois problèmes qui sont issus des observations géophysiques et astrophysiques où ces écoulements sont très communs. En premier nous avons observé expérimentalement et modélisé l'évolution en temps d'un anticyclone en milieu stratifié tournant, dans le but de comprendre la longévité des meddies, des vortex qui se forment à la sortie de la Méditerranée et peuvent perdurer pendant des années. Nos anticyclones modèles montrent une relaxation visqueuse anormale en raison de l’interaction entre stratification et cisaillement. Nos résultats expérimentaux ont été confirmés à l'aide d'un modèle géostrophique et de simulations numériques qui montrent aussi le rôle majeur joué par les circulations secondaires. Dans un deuxième temps nous avons considéré la stabilité linéaire de l'écoulement de Couette Plan, un des plus simple des écoulement plans cisaillés. On montre que cet écoulement devient instable lorsque l'on ajoute de la stratification verticale. Nous remarquons aussi que la structure spatiale de l'instabilité ressemble à celle de certains jets océaniques que l'on observe près de l'équateur. Enfin nous avons caractérisé une instabilité non linéaire dite des zombie vortex qui a été récemment découverte et pourrait jouer un rôle fondamental dans la déstabilisation des disques d'accrétion, une étape fondamentale de la formation des planétaire. Nous avons construit le diagramme de stabilité de la ZVI dans l'espace de trois fréquences caractéristiques et quantifié la dissipation visqueuse. / The present PhD work comes with the scope of characterizing, analysing and modelling some laboratory flows in the simultaneous presence of rotation, stratification and shear. To this aim we address three specific questions inspired by geophysics and astrophysics where these three ambient features are commonly relevant. First we characterize and model the time evolution of a compact anticyclone in a rotating and stratified laboratory flow. We aim to understand the longevity of analogous vortices known as meddies which populate the Atlantic ocean at the exit of the Mediterranean sea. We observe that viscous relaxation happens in an unusual way because of the balance between rotation and stratification. The results are confirmed by a quasi-geostrophic model and numerical simulations which show the crucial role played by secondary circulations. Secondly we consider the linear stability of one of the simplest parallel shear flow, namely the plane Couette Flow, and show that it becomes unstable when adding a vertical stratification. Interestingly the unstable pattern reminds of deep oceanic jets observed close to the equator. The signature of this instability is observed in an ad-hoc experimental flow and interpreted with the support of direct numerical simulations. Finally we characterize the behaviour of a recently disclosed finite amplitude instability, namely the zombie vortex instability or ZVI. This instability appears when rotation, stratification and shear are of the same order and may may destabilize proto-planetary disks. We construct a stability diagram for ZVI in the space of the three ambient frequencies and analyse the effect of viscous dissipation.

La graine terrestre telle que vue par la sismologie présente une anisotropie de ces propriétés élastiques et une structure étonnament complexe. La graine cristallise lentement à partir du noyau liquide, et il est possible que sa structure et sa dynamique soit liée à sa cristallisation. Une analyse de stabilité du front de solidification suggère que celui-ci est instable vis-à-vis d'une instabilité morphologique qui se manifeste par la formation d'une zone biphasique où des dendrites solides coexistent avec un liquide enrichi en soluté. Du point de vue thermodynamique, cette couche biphasique pourrait s'étendre jusqu'au centre de la graine, mais il est probable que la convection thermo-solutale associée et la compaction de la matrice solide y réduisent rapidement la fraction liquide. Une seconde partie présente un dispositif expérimental de cristallisation sous forte gravité, permettant d'intensifier les phénomènes de convection liés à la cristallisation. Il y est montré que la convection thermo-solutale rétroagit fortement sur la structure de la zone dendritique, et y augmente significativement la fraction solide. Une dernière partie porte sur les mécanismes susceptibles d'être à l'origine de l'anisotropie. L'importance de l'évolution thermochimique du noyau est mis en avant. Si la graine est relativement âgée, celle-ci est stratifiée de manière stable et les mouvement verticaux y sont interdits. La déformation induite par une croissance hétérogène est focalisée dans une couche cisaillante à la surface de la graine. Si la croissance de la graine est rapide, elle a pu convecter au début de son histoire et être progressivement stabilisée par la stratification chimique.

La compréhension de l'effet des petites échelles turbulentes sur l'organisation des grandes échelles des écoulements océaniques est un problème important, tant pour la description des courants de surface que pour la structure verticale des océans. Ces écoulements sont caractérisés par un nombre de degrés de liberté très élevé qui rend illusoire toute approche déterministe. Les outils de mécanique statistique permettent en revanche de réduire ces problèmes à l'étude de quelques paramètres. Dans la première partie, nous appliquons la mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels à l'étude de modèles simples d'océan. Il s'agit de comprendre les phénomènes d'organisation des courants à grande échelle. La seconde partie est une approche phénoménologique du mélange turbulent dans les fluides stratifiés. Il s'agit de décrire l'évolution temporelle de la probabilité de mesurer une certaine densité de fluide à une profondeur donnée.

La marée interne contribue au maintien de la circulation méridienne de renversement. Il existe, à l'heure actuelle, une controverse sur la nature exacte des mécanismes pilotant cette circulation. Une meilleure quantification des apports énergétiques associés aux ondes internes permettrait d'apporter quelques clés de compréhension de ce mécanisme complexe. Dans cette thèse, différents régimes d'ondes internes topographiques inspirés par des congurations océaniques sont étudiés an d'évaluer quantitativement les transferts énergétiques associés. L'utilisation complémentaire des outils numériques et expérimentaux permet de détailler la dynamique de ces régimes de manière exhaustive. La première partie de la thèse porte sur la génération d'ondes internes linéaires par l'oscillation d'un mont Gaussien dans un fluide linéairement stratifié. L'approche choisie s'appuie sur un jeu d'expériences de laboratoire pour lesquelles la pente relative du rayon d'onde interne par rapport à la pente maximale du mont varie. Nous montrons qu'un maximum énergétique est atteint dans le régime critique pour lequel les pentes du rayon et du mont sont similaires. Dans la suite de la thèse, la dynamique d'ondes internes de forte amplitude se propageant dans des régions de fort gradient de densité, comme la pycnocline océanique, est étudiée. Nous utilisons dans un premier temps le modèle numérique Symphonie-NH pour décrire leur génération et leur dynamique, sur une configuration académique bidimensionnelle. Tout d'abord, la génération primaire d'ondes internes interfaciales est étudiée. On s'intéresse en particulier à des régimes fortement non-linéaires pour lesquelles des ondes solitaires sont observées. Elle sont induites par l'interaction directe entre la marée barotrope et la topographie et est observée dans des régimes de pycnocline de forte intensité dans l'océan, comme en mer de Sulu. La structure des ondes internes solitaires est étudiée avec des modèles analytiques simples comme l'équation KdV. En modifiant la forme du mont, un contrôle topographique important de la génération primaire d'ondes internes solitaires est observé. Un paramètre adimensionné est proposé pour décrire ce contrôle. Ensuite, la génération secondaire d'ondes internes solitaires induites par l'interaction de rayons d'ondes internes émis sur une topographie avec une pycnocline d'intensité modérée, comme dans le Golfe de Gascogne, est étudiée. Des simulations numériques directes sont effectuées pour décrire la dynamique des ondes internes solitaires, et leur atténuation par radiation d'énergie dans la couche inférieure. L'évolution de la structure des modes normaux en fonction de l'intensité de la pycnocline, et le rôle joué par la forme du mont sont détaillés. Des expériences sont menées pour étudier la génération primaire et la génération secondaire d'ondes internes solitaires dans le grand canal du CNRM-GAME. Une configuration expérimentale utilisant un mont sinusoïdal oscillant dans la couche inférieure, stratifée ou non, d'un fluide bicouche est adoptée. Cette configuration, inspirée des simulations numériques précédentes, permet d'explorer une gamme plus large de régimes d'ondes interfaciales. Des mesures de déplacement interfacial avec des sondes à ultrasons d'une part, et avec des mesures optiques d'autre part, permettent de discuter la dynamique, et la structure tridimensionnelle de ces ondes. La structure des ondes internes solitaires dans le cas de la génération primaire apparaît plus stable que pour la génération secondaire. Dans ce deuxième cas, des structures transverses régulières sont mesurées.

L'étude physique des enveloppes externes de la Terre est fortement influencée par leur stratification. Cette dernière permet la propagation d'ondes anisotropes appelées ondes de gravité internes. L'interaction de ces ondes avec la topographie gouverne la génération et la dissipation de ces ondes, et joue un rôle non négligeable dans le bilan énergétique global de la planète.<br />Nous avons mis au point une technique de visualisation des ondes internes par strioscopie synthétique, et mené parallèlement des expériences à grande échelle sur leur réflexion critique. Nous avons également élaboré un nouveau type d'excitateur d'ondes internes planes.<br />Ces expériences nous ont permis de valider une théorie analytique d'émission par des corps oscillants et de l'appliquer à la génération d'ondes par un talus continental. Nous avons également confirmé la présence d'effets nonlinéaires lors de la réflexion critique. Enfin, nous avons étudié l'influence de la force de Coriolis sur ces phénomènes.

Les ondes internes de gravité jouent un rôle essentiel dans la dynamique océanique. La relation de dispersion anisotrope de ces ondes conduit à des lois de réflexion qui sont différentes de celles dont nous avons l'habitude avec les ondes acoustiques ou les rayons lumineux. Dans cette thèse de doctorat, nous nous intéressons aux structures créées par ces ondes en deux dimensions puis en trois dimensions. Dans la plupart des géométries 2D, le parcours des ondes va converger vers un attracteur. Nous étudions d'abord expérimentalement, dans une géométrie trapézoïdale, l'aspect énergétique d'un de ces attracteurs d'ondes. Nous examinons ensuite expérimentalement la transformation de ces attracteurs dans des géométries tridimensionnelles. Dans certaines géométries, la réflexion des ondes conduit à un phénomène de piégeage dans un plan 2D. Ce phénomène, d'abord étudié à l'aide de tracés de rayons, a été reproduit dans une géométrie trapézoïdale ainsi que dans une géométrie de canal. Cette mise en évidence expérimentale du piégeage pourrait expliquer certaines mesures in-situ réalisées dans l'estuaire du Saint Laurent où la propagation des ondes internes est encore mal comprise. Cette thèse est enrichie par deux études expérimentales portant sur la propagation et la réflexion d'un faisceau d'ondes interne : d'une part, l'instabilité créant un courant moyen dans le cas d'un faisceau se propageant dans une géométrie tridimensionnelle et d'autre part la génération d'ondes rétro-réfléchies lors de la réflexion sur des surfaces courbes. / Internal waves play a critical rôle in the ocean dynamics. The anisotropic dispersion relation of these waves leads to reflexion law which are different from what we are used to with acoustic waves or light rays. In the PhD thesis, we are interested in structures generated by these waves, in two dimensions then in three dimensions. In most of the 2D geometries, wave path will converge onto an attractor. We firstly study experimentally, in a trapezoidal geometry, the energy aspect of one of these attractors. Then, we survey experimentally the future of these attractors in tridimensional geometries. In some of them, reflexion leads to a trapping event in a 2D plan. This phenomenon was firstly studied by means of ray tracing, and was reproduced in both a trapezoidal and a canal geometry. The experimental obtainment of trapping could explain some in-situ measurements done in the Saint Laurent estuary, where internal wave propagation is still under scrutiny. This thesis is enhanced by two experimental studies on propagation and reflexion of an internal wave beam. Firstly, the instability generating a mean flow from a beam propagating in a three-dimensional geometry. Secondly, the generation of back-reflected waves from beam reflexion on a curved surface.