Ce travail de thèse porte sur l’instabilité de Faraday qui résulte de l’oscillation verticale d’une couche de liquide. L’objectif est d’apporter une vérification expérimentale précise des résultats issus d’une analyse de stabilité linéaire. À basse fréquence, la longueur d'onde caractéristique de cette instabilité est de l'ordre des dimensions de la cellule expérimentale. Théoriquement les longueurs d'onde associées aux modes disponibles sont discrétisées selon le confinement latéral. Mathématiquement, la condition qui facilite les calculs est une condition limite pariétale sans contrainte, ce qui est irréaliste en raison des couches limites visqueuses et de l’hystérésis capillaire au point de contact du fluide avec les parois. Ici, nous présentons l'étude expérimentale d'un système de basse fréquence conçu pour se rapprocher d’une condition pariétale sans contrainte, par un choix judicieux de liquides. Le système a permis d’obtenir expérimentalement des seuils d’apparition de l’instabilité très proches des prédictions théoriques basées sur une analyse de stabilité linéaire. Les différences observées sont associées au ménisque formé par le liquide sur la paroi ainsi qu’au film liquide se formant à la paroi lors de l'excitation des ondes. Les écarts avec la théorie dû à ces imperfections semblent être fonction de la structure du mode et la périodicité des ondes. De plus, les ondes générées par le ménisque conduisent à des seuils inférieurs aux prévisions. Ceci indique une résonance mixte entre l'instabilité paramétrique et les oscillations forcées du ménisque où chaque contribution peut être contrôlée par un forçage caractérisé par deux fréquences. / This work is an inquiry into the current understanding of experimental single-mode Faraday waves, from the perspective of linear stability theory. At low frequency, the characteristic wavelength is of the order of the cell dimensions, and theoretically the wavelengths associated with the modes available for excitation are discretized by the sidewall boundary condition. Mathematically, the condition which eases manipulation is a stress-free sidewall condition, which is unrealistic due to viscous boundary layers and capillary hysteresis. We report the experimental investigation of a low frequency system designed to approximate this condition, by careful choice of the fluid liquids and thereby increasing the relative importance of the interior damping. The design has permitted close connection between the experimental thresholds and the predictions, contrasting the traditional approach of phenomenologically measuring the mode dissipation and treatment as a single degree of freedom system. Non-ideal behavior of the sidewall persists, evident by the contact meniscus and the sidewall film which is formed during wave excitation. The presence of these non-idealities is translated to trends in the deviation between the observed and predicted thresholds, depending upon the mode structure and wave periodicity. The presence of harmonically excited waves from the meniscus seems to result in observation of amplitudes consistently lower than the predictions, indicating a mixed resonance between the parametric instability and the forced meniscus oscillations. Furthermore, it is seen this interaction can be adjusted by excitation with two commensurate parametric frequencies.

Cet ouvrage présente de nouveaux aspects de l’analogie entre temps et espace pour les ondes, à travers des concepts de contrôle temporel de la propagation des ondes, qui peuvent être interprétés comme la transposition au domaine temporel d’opérations standard du domaine spatial. Toute l’étendue de cette analogie est étudiée dans le cadre deux phénomènes ondulatoires bien connus (dans leurs versions spatiales), et dont nous montrons qu’ils sont étroitement liés : la réflexion des ondes et leur transformation par un cristal. En particulier, il est démontré expérimentalement que l’analogue temporel de la réflexion par un miroir génère une onde retournée temporellement, c’est-à-dire dont l’évolution temporelle est inversée. Une variante monofréquentielle de ce miroir temporel instantané, qui possède des liens étroits avec le concept de conjugaison de phase utilisé pour le retournement temporel d'ondes monochromatiques en optique, est également étudiée. Nous montrons que la modulation temporelle périodique du milieu mise en jeu dans ces expériences constitue l'équivalent temporel d'un cristal pour les ondes et étudions les propriétés générales des ondes dans ces milieux. Nous cherchons naturellement à sonder les limites de ces analogies spatiotemporelles, dont, de toute évidence, le principe de causalité est un élément majeur. Les phénomènes étudiés sont généraux et communs à toutes les ondes classiques, gouvernées en général par l’équation de d’Alembert ou par d’autres équations similaires. Les ondes à la surface d’un liquide sont utilisées comme système ondulatoire modèle dans nos expériences / This work presents new aspects of the analogy between time and space in wave phenomena, through new concepts of time control of wave propagation which can be interpreted as the transposition onto the time domain of standard spatial operations. The depth of this analogy is thoroughly studied in the framework of two well-known wave phenomena: reflection of waves on a mirror and their transformation by a crystal. More precisely, we experimentally demonstrate that the time analog of reflection by a mirror generates a time reverse wave that is whose time evolution is inverted. A monofrequency variant of this instantaneous time mirror, which has strong connections to the concept of wave phase conjugation used for time reversing monochromatic waves in optics, is also studied. We show that the periodic time modulation of the medium involved in the latter experiments constitutes the time equivalent of a crystal for waves and we study the general properties of waves in such media. We address of course the issue of the limits of theses space time analogies, of which, the principle of causality is evidently a major constituent. The phenomena studied here are general and apply to all classical waves (usually governed by d’Alembert’s equation or by similar ones). Waves at the surface of a liquid are used as a model wave system in our experiments / Die Universalitat der klassischen Wellenphanomenen lasst sich weitgehend durch die d’Alembertsche Struktur der Wellengleichungen beschreiben. In letzterer spielen die Zeit- und Raumvariabeln eine ahnliche Rolle. Wir betrachten in diesem Werk diese bekannte Analogie unter einem neuen Licht, indem wir neue Konzepte der Zeitkontrolle von der Wellenpropagation introduzieren, die als Transposition zum Bereich der Zeit von standarden Wellenphanomen des Raumes interpretiert werden konnen, wobei die raumliche Variation der Eigenschaften des Mediums, die sie bestimmen, durch eine zeitliche ersetzt wird. Wir bringen den experimentellen Beweis der Relevanz dieses Ansatzes, wobei wir die Wellen an der Oberflache einer Flussigkeit als Modelwellensystem verwenden und zeigen durch theoretische Erkenntnisse, dass er auf alle Wellensysteme generalisiert werden kann, die durch eine Wellengleichung beschrieben wird, deren 10 Struktur die der d’Alembertschen Gleichung ahnelt. Die ganze Reichweite dieser Analogie wird im Rahmen zweier langst bekannten Wellenphanomenen (in deren raumlichen Version), von denen wir zeigen, dass sie eng verbunden sind : die Spiegelung einer Welle und deren Umwandlung durch einen Kristal. Das Equivalent eines Spiegels fuhrt zur augenblicklichen Erscheinung aus dem gesammten Raum einer zeitumgekehrten Welle, das heist einer Wellenform, derer zeitliche Entwicklung im Vergleich zu der originellen Welle umgekehrt ist. Eine Einzelfrequenzvariante dieses augenblicklichen Zeitspiegels wird auch vorgestellt, die enge Verbindungen mit dem fur die Zeitumkehr monochromatischer Wellen angewendeten Konzept der optischen "Phase Conjugation" (Phasenkonjugierung) besitzt. Wir zeigen, dass die dazugehorige periodische Zeitmodulation des Mediums das zeitliche Equivalent eines Kristals fur die Welle bildet, und wir studieren die generellen Eigenschaften der Wellen in solchen Medien. Wir versuchen, die Grenzen dieser raumzeitlichen Analogien zu erkundigen, in derer Bestimmung selbstverstandlich das Kausalitatsprinzip eine masgebliche Rolle spielt, und die interessanten Unterschiede zwischen den vorgestellten Konzepten und deren raumlichen Pendants offenbaren / La universalidad de los fenomenos ondulatorios clasicos es ampliamente descrita por la estructura de la ecuacion de d’Alembert. En esta ecuacion, las variables espaciales y temporales desempenan un papel similar. En esa obra, revisitamos esta analogia bien conocida a traves de nuevos conceptos de control temporal de la propagacion de las ondas, quienes pueden ser interpretados como transposiciones de fenomenos espaciales estandartes al ambito temporal, en los cuales las variaciones espaciales de las propiedades del medio son reemplazadas por las correspondientes variaciones temporales. Hacemos la prueba, usando ondas a la superficie de un liquido, de la relevancia de este enfoque y mostramos teoreticamente su generalizacion a todo tipo de onda clasica, es decir gobernada por una ecuacion cuya estructura es similar a la de d’Alembert. Toda la extension de esta analogia queda estudiada en el cuadro de los dos fenomenos clasicos (en sus versiones espaciales) que son la reflexion de una onda sobre un espejo y su trasformacion en un cristal. Ademas, mostramos que los dos son intimamente relacionados. El equivalente temporal de un espejo produje instantaneamente desde el medio entero una onda retornada en el tiempo, es decir cuya evolucion temporal es invertida comparado a la onda inicial. Una variante monofrecuencial de este espejo queda estudiada tambien. Posee estrechos vinculos con el concepto de Phase Conjugation (conjugacion de fase), usado en Optica para hacer retornamiento temporal de ondas monocromaticas. Mostramos que la modulacion temporal implicada constituye el equivalente de un cristal para las ondas et estudiamos las caracteristicas generales de ondas en estos medios. Sondeamos los limites de esas analogias espaciotemporales de cuyos obviamente el principio de causalidad es un elemento mayor y que revelan diferencias interesantes entre los conceptos presentados y sus equivalentes espaciales / L’universalita dei fenomeni ondulatori classici e in larga misura descritta dalla struttura dell’equazione di d’Alembert. In quest’equazione, le variabili spaziali e temporali svolgono ruoli analoghi. Nell’opera seguente rivisitiamo questa ben nota analogia introducendo nuovi concetti sul controllo temporale della propagazione delle onde. Questi concetti possono essere interpretati come trasposizione di fenomeni ondulatori spaziali standard nell’ambito temporale, sostituendo le variazioni spaziali delle proprieta del mezzo con le variazioni temporali corrispondenti. Usando delle onde sulla superficie di un liquido come modello fisico, facciamo fede della rilevanza di quell’approccio e mostriamo teoricamente la generalizzazione a tutti i tipi di onde classiche, governate da equazioni simili a quella di d’Alembert. Questa analogia viene studiata nell’ambito di due fenomeni ondulatori ben noti (nella loro versione spaziale) : la riflessione delle onde generata da un specchio e la loro trasformazione generata da un cristallo. Mostriamo inoltre che i due concetti sono intimamente vincolati. L’equivalente temporale di un specchio porta alla generazione in tutto lo spazio di un’onda restituita nel tempo, vale a dire un’onda di cui l’evoluzione temporale e invertita in relazione all’onda originale. In questa tesi viene presentata anche una variante monofrequenziale di questo specchio temporale istantaneo che possiede legami stretti con il concetto di coniugazione di fase usato in ottica per invertire nel tempo onde monocromatiche. Mostriamo in questo lavoro che la modulazione temporale periodica del mezzo in questione costituisce, per le onde, l’equivalente temporale di un cristallo e ne studiamo le proprieta generali. In questa tesi, cerchiamo di sondare i limiti dell’analogia spaziotemporale, di cui il principio di causalita ne e l’essenziale e che rivelano differenze interessanti tra i concetti presentati e i loro equivalenti spaziali

Nous étudions des fluides complexes placés hors d'équilibre par un cisaillement ou par des vibrations verticales. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus par des techniques de mesures locales sur les écoulements en bande de cisaillement dans divers systèmes de tensioactifs et sur l'instabilité de Faraday dans les micelles géantes.

Nous étudions dans cette thèse le problème de la stabilité d'une goutte à l'état sphérique. La goutte est soumise à forçage qui s'exerce à sa surface de manière purement radiale. Deux configurations sont envisagées : lorsque le forçage est oscillant (avec ou sans une composante constante) et lorsque le forçage est constant. Pour ce faire, nous avons utilisé un code de simulation numérique tridimensionnel pour les écoulements multiphasique incompressibles massivement parallélisé. Le solver combine les méthodes eulériennes et lagrangiennes pour le traitement de la dynamique de l'interface. Le premier problème correspond à l'analogue de l'instabilité de Faraday en présence d'une interface sphérique. Nous avons réalisé une étude de stabilité linéaire en utilisant une décomposition spatiale sur une base d'harmonique sphérique et une généralisation de l'analyse de Floquet de Kumar and Tuckerman (1994) d'une interface plane. Les régions d'instabilités permettent de déterminer le mode sphérique le plus instable. Le mode prédit par la théorie linéaire correspond à celui obtenu à l'aide des simulations numériques. Le second problème est celui d'un forçage radial constant à l'interface de la goutte. En orientant la force dans le sens du gradient de densité, le problème est similaire à l'instabilité de Rayleigh-Taylor en géométrie sphérique. Nous présentons les résultats préliminaires de nos simulations à très haute résolution pour des petits nombres d'onde sur une sphère en tenant compte de la tension de surface durant les premières phases de l'instabilités. La phase turbulente n'est pas abordée. Pour de grand nombre d'onde, nous avons suivi l'évolution de différent motifs de la condition initiale jusque dans la phase non-linéaire. Un troisième problème est considéré pour un forçage horizontal d'une interface plane. Nous avons reproduit à l'aide de notre solver numérique les expériences de Yoshikawa and Wesfreid (2011b). L'interface entre deux fluides stablement stratifiés avec un fort contraste de viscosité est soumise à un cisaillement oscillant horizontal et oscillant . Le problème est celui de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz oscillant. Les simulations numériques reproduisent avec succès la croissance et l'évolution de l'interface. nous distinguons deux régimes où l'interface adopte un comportement qualitativement différent dont un nouvel état à saturation est mis en évidence. Nous avons obtenu que pour ce nouvel état l'interface se déstabilise via une première bifurcation fourche supercritique. Cet état semble subir une seconde bifurcation lorsque la fréquence de forçage dépasse un second seuil avec une transition sous-critique, où deux états existent pour les mêmes paramètres de forçages. / We consider in this thesis the stability problem of a spherical drop subjected to a radial bulk force for two different configurations consisting of an oscillating (with or without a constant component) and a constant force. To do so, we use a full three-dimensional parallel front-tracking code for incompressible multiphase flow to calculate the interface motion. The first configuration consist to the spherical analogue of the Faraday instability. We linearize the governing equations about the state of rest and decompose deformations of the interface as spherical harmonics. Generalizing the Kumar & Tuckerman (1994) Floquet procedure to a spherical interface, we present a linear stability analysis for the appearance of standing waves. The most unstable spherical mode at onset predicted by the linear theory agrees with full three-dimensional nonlinear numerical simulations. The second configuration consists to the spherical analogue of the Rayleigh-Taylor instability when the force is oriented from the heavier to the lighter fluid. We performed numerical simulations for both high and low spherical modenumbers and followed their evolutions up to the nonlinear stage. Finally, we consider a plane interface subjected to an horizontal oscillatory forcing which is called the oscillatory Kelvin-Helmholtz instability. We consider the experimental configuration proposed by Yoshikawa and Wesfreid (2011b) for stably stratified fluids with a high viscosity contrast. Numerical simulations reproduce succesfully the growth and the evolution of the interface. We distinguish a new regime for the interface saturation which was not observed by the original experiment. We obtained a subcritical transition between the two different regimes.