L'objectif de cette thèse est d'étudier la formation de tourbillons dans la zone morte des disques protoplanétaires. Un code numérique 3D compressible a été mis au point et utilisé pour cette étude. Deux instabilités hydrodynamiques sont envisagées pour former les tourbillons: l'instabilité de Rossby et l'instabilité barocline.La première entraine la fragmentation d'une sur-densité annulaire en une chaîne de tourbillons qui se rattrapent les uns les autres et finissent par fusionner en un seul tourbillon qui reste stable sur de très longues durées lorsque son rapport d’aspect est suffisamment grand, et possède une structure quasi bidimensionnelle. En revanche, les tourbillons tridimensionnels de petits rapport d'aspect sont affectés par l’instabilité elliptique qui les détruits en quelques rotations. Seuls persistent ceux de grand rapport d'aspect.L'instabilité barocline, fondamentalement non linéaire, produit des tourbillons à partir de perturbations d'amplitude finies ; ces tourbillons sont ensuite amplifiés et fusionnent en tourbillons plus gros si le disque est stratifié de façon instable et s’il permet aussi le transfert de chaleur. Deux types de transfert thermique ont été envisagés pour étudier cette instabilité qui conduit alors à des différences significatives dans la structure des tourbillons formés. Le rapport d'aspect étant lié à la vorticité, l'amplification des tourbillons se traduit par une diminution de leur rapport d'aspect, et les rend donc sujet à l'instabilité elliptique. Cependant, ils ne sont pas détruit et gardent une structure tourbillonnaire grâce à l'amplification barocline. / The objective of this thesis is to study the formation of vortices in the dead-zone of protoplanetary disks. A 3D compressible numerical code has been performed and used for this study. Two hydrodynamical instabilities are considered for vortex formation: the Rossby wave instability and the baroclinic instability.The first one leads tp the fragmentation of an annular bump into a chain of vortices that catch one another and merge in a single vortex; this vortex remains stable on very long durations when its aspect ratio is large enough and has a quasi two-dimensional structure. In contrast, tridimensional small aspect ratios vortices are affected by the elliptical instability and are destroyed in a few rotation periods. Only vortices with large aspect ratios can survive.The baroclinic instability, a basically non-linear one, can produce vortices from small amplitude perturbations; these vortices are then amplified and merge in bigger vortices if the disk is unstably stratified and also permits heat transfer. Two types of heat transfer have been considered leading to significant differences in the structures of the resulting vortices. As aspect ratio and vorticity are strongly related, the baroclinic amplification reduces the aspect ratio and, so, make the vortex sensitive to the elliptical instability. However, such vortices are not destroyed and keep a vertical structure thanks to the baroclinic amplification.

Ces travaux de recherche portent sur la caractérisation des phénomènes instationnaires associés aux écoulements décollés induits à la fois par un gradient de pression adverse et un effet de courbure. Ce type de décollement est très couramment rencontré, en particulier dans le secteur des transports. Cette étude repose sur une approche purement expérimentale réalisée en canal hydrodynamique à l’aide de techniques de mesure non intrusives permettant de ne pas dénaturer la dynamique très sensible du phénomène de décollement de couche limite. Le décollement est, dans notre cas de figure, provoqué par un obstacle 2dne présentant pas de rupture de pente. Le régime d’écoulement étudié est principalement turbulent et la gamme des nombres de Kármán analysée s’étale de 60 à 730. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les effets Reynolds sur l’étendue et l’existence même du phénomène de décollement de couche limite, mais également sur la dynamique des instabilités, identifiées à plus bas régime dans la littérature. Les mesures effectuées dans le cadre de ces travaux ont tout d’abord permis de constituer une base de donnéesexpérimentale étoffée, et d’établir que le décollement de couche limite ainsi que les instabilités induites par celui-ci, identifiées en régime laminaire, persistent à plus haut nombre de Kármán. Les fréquences associées aux instabilités ont également été identifiées ainsi que les paramètres caractéristiques pilotant leur dynamique. La dynamique spatio-temporelle de ces instabilités et en particulier celle du phénomène debattement du bulbe décollé a été détaillée notamment par le biais d’une analyse stochastique. Finalement, la répartition relativement étendue des grandes échelles tourbillonnaires associées aux mécanismes instables (soulignée notamment par leur émergence spectrale large bande) a également été mise en évidence, ainsi que certains phénomènes dynamiques secondaires. L’ensemble de ces résultats et en particulier l’identification des paramètres clés pilotant la dynamique du décollement de la couche limite s’avèreront très utiles en vue de concevoir par la suite des modèles simplifiés reproduisant le plus fidèlement possible la dynamique des décollements afin de mieux pouvoir les contrôler. / These investigations concern the characterization of unsteady phenomena associated to the boundary layer separation induced by both an adverse pressure gradient and a curvature effects. This kind of separation is very usual, particularly in the transport field. This study, essentially based on an experimental approach, is carried out in an hydrodynamic channel using non intrusive measurement techniques. They respect the very sensitive dynamics of the boundary layer separation phenomenon. The separation is, in our case, induced by a 2d obstacle without sharp corner. The studied flow regime is mainly turbulentand the analyzed Kármán number ranges from 60 to 730. The main aim of this study is to estimate the Reynolds number effects on the boundary layer separation length and even on the existence of such phenomenon, but also on the instabilities dynamics, identified in the literature especially for laminar flow regime. The measurements made within the framework of these works allowed, first to built a large experimental database, and secondly to establish that the boundary layer separation and also the associate instabilities, identified for laminar flow, persist even for higher Kármán number. The frequencies associated to the instabilities phenomena have been also identified as well as the characteristic parameters driving their dynamics. The instabilities space-time dynamic, in particular those of the flapping phenomenon were detailed using stochastic analysis. Finally, the large scales distribution associated with the unstable mechanisms (underlined by their spectral broadband frequency range) were also highlighted, as well asothers secondary dynamic phenomena. All these results, especially the identification of the key parameters driving the boundary layer separation, will turn out very useful to design afterward simplified models reproducing as faithfully as possible the separation dynamics and to be able to control them better.

On s’intéresse dans ce travail à la convection thermique en présence de champ magnétique, en lien avec les essais Vulcano du CEA de Cadarache. Ces essais ont pour but de reproduire en laboratoire les écoulements générés par un chauffage volumique dues aux matières radioactives issues d’accidents nucléaires. Le chauffage par induction électromagnétique de ces fluides permet de simuler en laboratoire la puissance volumique des désintégrations nucléaires en évitant l’utilisation de matériaux radioactifs. Néanmoins, ce forçage électromagnétique génère un couplage entre l’écoulement fluide et le champ magnétique, par la force de Lorentz d’une part, et d’autre part le chauffage volumique par effet Joule se concentre dans l’épaisseur de peau. De plus, il peut y avoir dans ces essais présence d’une phase dispersée métallique qui risque de perturber le chauffage inductif de la phase continue (oxyde). Il est nécessaire d’étudier comment ces effets d’origine électromagnétique modifient l’écoulement. À plus petite échelle, les phénomènes magnétiques en jeu peuvent être reproduits grâce à des métaux liquides à température ambiante. Lorsqu’un champ magnétique harmonique est appliqué à la frontière d’un métal liquide, l’effet stabilisant de la force de Lorentz sera prépondérant devant l’effet Joule à basses fréquences, alors que l’effet Joule devient significatif à hautes fréquences. On considère alors plusieurs situations canoniques permettant d’analyser l’effet d’un champ magnétique constant DC et alternatif AC sur un écoulement de convection naturelle monophasique, ou en présence d’une phase dispersée très conductrice. Une première partie est consacrée à l’étude expérimentale d’une méthode de vélocimétrie acoustique sur une cellule de convection naturelle en eau. Par comparaison avec des mesures de vitesse par imagerie de particules (PIV) et des simulations numériques directes (DNS), cela a permis de valider la méthode acoustique en vue de futures expériences en métal liquide. Une seconde étude est dédiée à l’analyse numérique de l’instabilité de Rayleigh-Bénard en présence d’un champ magnétique DC vertical. Les taux de croissance sont déterminés par analyse de stabilité linéaire pour des nombres de Hartmann 0 _ Ha _ 100 et des nombres de Rayleigh 103 _ Ra _ 1.5 × 105. Ces prédictions sont confirmées par DNS. En régime stationnaire, l’analyse des DNS a permis de mettre en évidence un effet marqué de la force de Lorentz sur les structures, à travers leur nombre d’onde et leur orientation. La troisième configuration étudiée est le chauffage inductif d’une couche de métal liquide en imposant un champ magnétique harmonique au niveau de la paroi basse pour des nombres de Rayleigh proportionnels à la puissance déposée 1.1×104 _ Ra _ 1.2×105 et pour des épaisseurs de peau inférieures à la moitié de l’épaisseur de liquide. Dans ce cas, les courants induits sont dissipés par effet Joule sur l’épaisseur de peau. La prédiction des taux de croissance requiert l’utilisation de méthodes adaptées car ici le développement de l’instabilité est concomitant à la conduction instationnaire de la chaleur. Malgré la perte de symétrie des équations introduite par le terme source d’effet Joule, l’écoulement présente une symétrie de réflexion apparente, que ce soit en régimes transitoire ou stationnaire. Cela est lié au brassage conséquent par convection naturelle. Enfin une situation modèle de particules métalliques immergées dans un liquide transparent au champ magnétique est étudiée. Ici, l’énergie magnétique est dissipée sous forme thermique dans les particules, qui transmettent toute leur chaleur au fluide. Des mouvements convectifs se mettent alors en place. La convection est décrite par la concentration relative en particules. Selon les valeurs des paramètres, on observe la formation d’amas de particules en réponse au panache qu’elles génèrent. / In this work, we study thermal convection in the presence of magnetic field in connection with the Vulcano tests at CEA Cadarache. These tests aim at reproducing in the laboratory the behavior of fluids that result from a severe nuclear accident, while avoiding the use of radioactive materials. Induction heating is used to mimic in the laboratory the volume power of nuclear disintegrations. However, there is a parasitic coupling between the flow and the magnetic field (Lorentz force) on the one hand, and on the other hand the concentration of Joule dissipation in the skin layer, while it is homogeneous in a real case. Moreover, the presence of a dispersed metallic phase may interfere with the induction heating of the continuous phase (oxide). At smaller scales, the magnetic phenomena at play can be simulated with liquid metals at room temperature. When a magnetic field is applied at the boundary of a liquid metal, the stabilizing role of the Lorentz force will dominate at very low frequencies, whereas the Joule effect will be significant at high frequencies. Here, we consider several generic configurations that allow to analyze the action of DC or AC magnetic fields on natural convection, for a single phase flow or in the presence of a dispersed phase. The first part is devoted to the experimental study of an acoustic velocimetry method in the case of natural convection in water. The comparison of particle imaging velocimetry (PIV) data along with direct numerical simulations (DNS) allowed the validation of the acoustic method. In the future, experiment in liquid metal will be performed. A second part is dedicated to the numerical analysis of the Rayleigh-Bénard instability in the presence of vertical DC magnetic field. Growth-rates are determined by linear stability analysis for Hartmann numbers 0 _ Ha _ 100 et Rayleigh numbers 103 _ Ra _ 1.5×105. These predictions are confirmed by DNS. In the steady regime, DNS showed a strong effect of the Lorentz force on flow structures, through the modulation of the wavenumber and the structures orientation. The third configuration is the induction heating of a liquid metal layer by impressing an AC magnetic field at the bottom, for power Rayleigh numbers 1.1×104 _ Ra _ 1.2×105 and for skin depths lower than half of the liquid thickness. The prediction of the growth-rates requires to use an adapted method to account for the simultaneous development of the transient heat conduction. Although the Joule dissipation source term breaks the mirror symmetry of the governing equations, the flow exhibits an apparent reflectional symmetry, both in the transient and in the stationary regimes. This is a consequence of the mixing induced by the natural convection. Finally, a model situation of metallic particles immersed in a fluid transparent to the magnetic field is studied. Here the magnetic energy is dissipated in thermal form in the particles, which then transfer their heat to the fluid. As a result, buoyant motion then sets in. Depending on the parameters values, we observe the formation of clusters in response to the thermal plume that they generate.

Ce travail de thèse porte sur les instabilités dans les structures minces hyperélastiques. Nous analysons les mécanismes de sélection du motif de flambement dans un solide prismatique fortement pré-contraint. Pour ce système, le modèle de poutre classique d'Euler-Bernoulli n'est pas pertinent du fait de cette forte précontrainte et il est nécessaire de recourir à une description 3-d pour expliquer l'apparition de modes instables de petite longueur d'onde. Notre analyse, fondée sur la théorie de l'élasticité finie incrémentale, montre que la longueur typique du motif de flambement est sélectionnée par l'importance relative de la pré-contrainte et du rapport d'aspect du solide prismatique. Nous nous interrogeons ainsi sur les limites du modèle classique et proposons une piste de réflexion pour la construction de nouveaux modèles. Celle-ci repose sur un développement à deux échelles combiné aux équations d'équilibre du système formulées sous forme faible. Il est alors facile de résoudre les équations exactes à chaque ordre, ce qui donne accès à la cinématique complète du système. Nous mettons en œuvre cette méthode pour l'exemple simple d'un barreau homogène en compression, ce qui nous permet d'établir le modèle classique d'Euler-Bernoulli à partir des équations de l'élasticité 3-d. La dernière partie de ce travail de thèse porte sur l'étude du flambement de systèmes invariants d'échelle : l'étude expérimentale et numérique de la compression d'un prisme à base triangulaire met en lumière une transition inédite d'un mode de flambement étendu vers des motifs localisés. / This Ph.D. work deals with buckling instabilities arising in thin hyper-elastic structures. We focus on instabilities arising in a prismatic solid submitted to finite incompatible pre-strains. We observe that the traditional 1-d Euler-Bernoulli beam model is not applicable to such a system because of the finite inhomogeneous pre-stress. The latter triggers short-wavelength instabilities that are note described by the classical 1-d models. We rely on the 3-d elasticity theory and propose a quantitative criterion on the ratio between the pre-stress and the cross-sectional aspect-ratio of the prismatic solid, that predicts the typical wavelength of the buckling pattern. This work questions the validity of classical 1-d models and suggests that extensions of these models are possible. We propose a method for the systematic derivation of reduced models. It relies on asymptotic expansions of the variational formulation of the equilibrium equations, starting from the complete expression of the energy. In this framework, kinematics can be entirely determined by solving the exact equations, order by order. We successfully apply this method to a homogeneous and isotropic beam submitted to a homogeneous compression and recover the classical Euler-Bernoulli beam model. In a last part of the manuscript we investigate the transition from extended wrinkling to localized creasing in a scale-invariant system made of a prismatic solid with a triangular cross-section, both experimentally and numerically.

Ce manuscrit présente une étude couplée, numérique et théorique, portant sur les écoulements tournants transitionnels et turbulents. L'accent y est mis sur la formation de structures macroscopiques cohérentes au sein de l'écoulement, générées par des procédés rendus fortement tri-dimensionnels par la présence des couches limites sur les disques et le long des parois cylindriques extérieure (carter) et/ou intérieure (moyeu). La complexité de ces écoulements pose de véritables difficultés en recherche fondamentale mais les résultats de ces travaux ont aussi une importance non négligeable pour les machines industrielles tournantes, depuis les disque-durs jusqu'aux turbopompes spatiales, la conception de ces dernières étant la motivation première pour ces travaux de thèse. Ce travail peut être divisé en deux sous-parties. Dans un premier temps, les cavités industrielles sont modélisées par de simples cavités rotor/stator lisses pour y étudier la dynamique de l'écoulement. Comme les campagnes expérimentales sur les machines industrielles ont révélé de dangereux phénomènes instationnaires en leur sein, l'accent est mis sur l'obtention et l'étude des fluctuations de pression dans les écoulements modèles. Ensuite, les SGE de trois configurations de turbine industrielle réelle sont réalisées pour étudier les fluctuations de pression in situ et appliquer les diagnostiques éprouvés sur les géométries modèles. / This thesis provides a numerical and theoretical investigation of transitional and turbulent enclosed rotating flows, with a focus on the formation of macroscopic coherent flow structures. The underlying processes are strongly threedimensional due to the presence of boundary layers on the discs and on the walls of the outer (resp. inner) cylindrical shroud (resp. shaft). The complexity of these flows poses a great challenge in fundamental research however the present work is also of importance for industrial rotating machinery, from hard-drives to space engines turbopumps - the design issues of the latter being behind the motivation for this thesis. The present work consists of two major investigations. First, industrial cavities are modeled by smooth rotor/stator cavities and therein the dominant flow dynamics is investigated. For the experimental campaigns on industrial machinery revealed dangerous unsteady phenomena within the cavities, the emphasis is put on the reproduction and monitoring of unsteady pressure fluctuations within the smooth cavities. Then, the LES of three configurations of real industrial turbines are conducted to study in situ the pressure fluctuations and apply the diagnostics already vetted on academic problems.

Les chocs sans collision sont omniprésents dans l'Univers, notamment dans les restes de supernova, et sont formés via diverses instabilités plasmas dépendant essentiellement de la vitesse et de la magnétisation des flux de plasmas. La description de tels chocs nécessite une approche cinétique, tant analytique que numérique.Dans cette thèse, nous avons étudié, au travers de simulations Particle-In-Cell (PIC), les processus sous-jacents par lesquels les instabilités rentrent en compétition les unes avec les autres. Nous avons montré que la diminution du rapport des masses entre ions et électrons, souvent utilisée en simulations numériques pour accélérer la dynamique des chocs, peut avoir de fortes conséquences sur le transfert d'énergie entre particules durant la phase non-linéaire des instabilités.Ces dernières, comme l'instabilité acoustique ionique (IAI) amènent sous certaines conditions à la formation de chocs électrostatiques, pouvant donner naissance à la formation de trous dans l'espace des phases, se propageant dans la région aval du choc, et accélérant ce dernier. L'ajout d'un champ magnétique externe conduit à un changement de médiation du choc, pouvant varier entre l'IAI et les ondes magnéto-soniques lente ou rapide en fonction de l'obliquité entre le champ magnétique et la normale au choc. De plus, nous avons montré que l'orientation du champ magnétique permet de choisir entre une dispersion convexe ou concave des ondes plasma conduisant à la création d'ondes précurseurs dans les régions amont ou aval du choc.Ces chocs magnétisés se trouvent être correctement représentés par le modèle magnétohydrodynamique (MHD) tant qu'ils restent laminaire et que leur potentiel dans la région aval n'est pas suffisamment grand pour réfléchir les particules du milieu amont.Nous avons montré que même pour des chocs sous critiques, une fraction d'ions réfléchis, ne pouvant pas être représentés par la MHD, est suffisante à la croissance d'ondes solitaires en amont du choc, conduisant à l’accélération de ce dernier, mais pas à un processus d'auto-reformation comme pour les chocs super critiques.Bien que les échelles spatio-temporelles soient très différentes, les lois d'échelle rendent possible l'étude de tels phénomènes en laboratoire. Nos études numériques ont été faites dans un cadre de type tube à choc pouvant être testé expérimentalement.A ce titre, nous proposons dans cette thèse une expérience sur la création d'îlots magnétiques, formés par l’interaction de plasmas générés par l'irradiation de cibles par laser baignant dans un champ magnétique externe, et conduisant à la formation de tels chocs.Enfin, nous avons démontré expérimentalement et numériquement la formation de chocs électromagnétiques sans collisions par le biais de l'instabilité de Weibel stimulée par l'instabilité de batterie Biermann, conduisant à l'accélération de particules par le mécanisme de Fermi. Ce nouveau type d'expérience pourrait expliquer l'origine du rayonnement cosmique provenant des restes de supernova. / Collisionless shocks are ubiquitous in the Universe, especially in the supernova remnants, and are formed via various plasma instabilities mainly depending on the speed and magnetization of plasma flows. The description of such shocks requires a kinetic approach, both analytical and numerical.In this thesis, we have studied, through Particle-In-Cell (PIC) simulations, the underlying processes by which instabilities compete with each other.We have shown that the reduction of the ion-to-electron mass ratio, often used in numerical simulations to accelerate the dynamics of shocks, can have strong consequences on the energy transfer between particles during the non-linear phase of instabilities.These instabilities, like the ionic acoustic instability (IAI) lead under certain conditions to the formation of electrostatic shocks, which can give rise to phase space holes formation, propagating in the downstream shock region, and accelerating the shock.The addition of an external magnetic field leads to different shock mediation, which can vary between the IAI to the slow or fast magneto-sonic waves as a function of the obliquity between the magnetic field and the shock normal.Furthermore, we have shown that the orientation of the magnetic field makes it possible to choose between a convex or concave dispersion of the plasma waves leading to the creation of precursor waves in the upstream or downstream shock regions.These magnetized shocks are correctly represented by the magnetohydrodynamic (MHD) model as long as they remain laminar and their potential in the downstream region is not large enough to reflect the particles of the upstream medium.We have shown that even for sub-critical shocks, a fraction of reflected ions, which cannot be modeled by the MHD, is sufficient for the growth of solitary waves upstream of the shock, leading to the acceleration of the latter, but not to a process of 'self-reformation' as for super-critical shocks.Although spatio-temporal scales are very different, scaling laws make possible the study of such phenomena in the laboratory. Our numerical studies have been done in the context of shock tubes that can be experimentally tested.As such, we propose in this thesis an experiment on the creation of magnetic islands, formed by the interaction of plasmas generated by the irradiation of laser targets bathed in an external magnetic field, leading to the formation of such shocks.Finally, we experimentally and numerically demonstrated the formation of collisionless electromagnetic shocks through the Weibel instability stimulated by theBiermann Battery instability, and leading to particle acceleration by the Fermi mechanism.This new type of experiment could explain the origin of cosmic radiation from supernova remnants.

Ces dernières décennies ont vu apparaître de nombreuses innovations dans le domaine de la combustion afin de réduire la consommation et les émissions polluantes. De nouveaux types d'injecteur, de type LPP - Lean Premixed Prevaporized, ont été mis au point permettant de diminuer le rapport combustible/air et visent à pré-vaporiser le carburant en amont de la combustion afin de mieux le mélanger à l'air issu du compresseur. Cette architecture permet une amélioration de la consommation et des émissions polluantes, mais rend les foyers annulaires plus sensibles à des phénomènes instationnaires qui perturbent le fonctionnement du système, accroissent les flux de chaleur vers les parois de la chambre, induisent des vibrations de structures, entrainent une fatigue cyclique des pièces mécaniques et dans des cas extrêmes conduisent à des dommages irréversibles. L'objectif est de poursuivre l'effort engagé au laboratoire EM2C sur ce thème et plus particulièrement sur celui de la dynamique de la combustion dans les chambres annulaires. La thèse concerne plus spécialement le cas où l'injection du combustible s'effectue sous forme liquide. La configuration reproduit sous forme idéalisée celle que l'on trouve en pratique dans les moteurs aéronautiques. La chambre, désignée sous le nom de MICCA-Spray, est équipée de 16 injecteurs swirlés pouvant être alimentés par un combustible liquide ou gazeux, permettant ainsi une combustion diphasique ou prémélangée. Le système possède des parois en quartz donnant un accès optique à la zone de flamme. Il est aussi équipé d'un ensemble de diagnostics tels des microphones, des photomultiplicateurs ainsi que des systèmes d'imagerie à haute cadence. / These last decades have seen many innovations in the field of combustion to reduce fuel consumption and pollutant emissions. New types of injector, for example LPP - Lean Premixed Prevaporized, have then been developed to reduce the fuel / air ratio and aim to pre-vaporize the fuel upstream of the combustion in order to mix it better with the air coming from the compressor. Unfortunately this architecture makes annular chambers more sensitive to unsteady phenomena which disturb the functioning of the system, increase the heat flows towards the walls of the chamber, induce vibrations of structures, cause cyclic fatigue of mechanical parts and in extreme cases lead to irreversible damage. The objective of this thesis is to continue the effort undertaken at the EM2C laboratory on this topic and more particularly on the dynamics of combustion in annular chambers comprising a set of injectors. The thesis concerns more particularly the case where the injection of the fuel takes place in liquid form. This configuration reproduces, in idealized form, what can be found in practice in aeronautical engines. It is also a configuration studied at the fundamental level. The chamber, known as MICCA-Spray, is equipped with 16 swirled injectors that can be powered by liquid or gaseous fuel, thus enabling two-phase or fully premixed combustion. The system has quartz walls giving optical access to the flame zone. It is also equipped with a set of diagnostics such as microphones, photomultipliers and high-speed imaging systems.

Cette thèse est consacrée à l'étude des instabilités du sillage tourbillonnaire des rotors, largement utilisés dans l'industrie pour la conversion d'énergie mécanique. Leur sillage peut être modélisé par un ensemble de vortex hélicoïdaux entrelacés, au sein duquel de nombreuses instabilités peuvent émerger. Ces mécanismes ont un impact significatif sur l'évolution intermédiaire du sillage et peuvent influencer les performances du rotor. Ce travail, plus particulièrement dédié aux hélicoptères, s'est tout d'abord attaché à caractériser expérimentalement l'écoulement derrière trois rotors conçus pour des régimes de vols différents. Ces conditions de bases ont ensuite servi à étudier les différents modes instables de grande longueur d'onde pouvant apparaître dans le sillage. Une bonne correspondance est trouvée entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales des taux de croissance associés. Une rapide analyse de l'évolution spatio-temporelle de ces perturbations a permis d'étudier la propagation d'une perturbation localisée dans le plan rotor. Il est en effet envisagé que dans certaines configurations de vol de descente, les instabilités provoquent la transition du sillage vers un état spécifique connu sous le nom d'état d'anneau tourbillonnaire, potentiellement dangereux pour l'appareil. Il se caractérise par une stagnation du sillage au voisinage du plan rotor qui en dégrade les performances. / This work studies the instabilities associated with the wake of a rotor. These devices are used in many applications such as energy harvesting or propulsion,and their optimisation is crucial for both industry and the environment. The wakebehind a rotor is broadly defined as a system of interlaced helical vortices, whose dynamics governs the transition from the near-wake to the far-wake regime. In our first study, we investigate the wake behind different small-scale rotors in their design operating condition. We use the resulting flows in a subsequent linear stability analysis, aiming at predicting long-wavelength instability modes in the helical vortex. We find that the theoretical prediction of the modes growth-rates matches our experimental measurements. We also show that the dynamics of helical vortex filaments can be predicted from simple two-dimensional theory. In more critical flow configurations, instabilities are suspected to promote the transition to hazardous regimes such as the so called Vortex-Ring State, characterised by large-scale recirculating structures.The second part of this work is thus dedicated to the spatio-temporal evolution of localised perturbations in the rotor plane, and their potential tendency to propagate upstream in the flow.

Cette thèse a pour but l’étude de la rotation de l’écoulement des grandes échelles dans deux configurations. La première configuration se concentre sur l’effet de la rotation de l’écoulement sur une flamme laminaire. Elle est stabilisée dans le sillage d’un cylindre. La rotation de l’écoulement est introduite en faisant tourner le cylindre autour de son axe. La simulation numérique directe (Direct Numerical Simulation (DNS)) montre que la rotation du cylindre rompt la symétrie des deux branches de la flamme. La fonction de transfert de flamme (Flame Transfer Function (FTF)), obtenue grâce à l’inversion de Wiener-Hopf, indique qu’un faible taux de rotation réduit le gain de la FTF et donc la flamme devient presque insensible aux perturbations acoustiques à une fréquence donnée. De plus, il est démontré que cette diminution du gain est due à une interférence destructive des fluctuations de chaleur produites par les deux branches de la flamme. La fréquence à laquelle le gain de la FTF devient presque nul est ajustable par la vitesse de rotation du cylindre. Cette étude suggère que le contrôle de la symétrie de la flamme pourrait être un outil de contrôle en boucle ouverte des instabilités thermoacoustiques. Dans le cas de la deuxième configuration, la rotation de l’écoulement est induite par une instabilité hydrodynamique, aussi nommée Precessing Vortex Core (PVC) dans un système d’injection de carburant industriel. Des expériences et des simulations aux grandes échelles (Large Eddy Simulation (LES)) montrent que l’écoulement non-réactif dans l’injecteur pri- maire peut être décomposé en une contribution moyenne et un PVC. Cette instabilité hydro- dynamique est étudiée par l’analyse de stabilité linéaire (Linear Stability Analysis (LSA)) en utilisant deux approches différentes (locale et BiGlobale). Les résultats de l’expérience, de la LES et de la LSA démontrent que le montage d’une tige centrale à l’intérieur de l’injecteur stabilise le PVC. De plus, le même injecteur industriel est étudié dans le cas d’un écoule- ment réactif par LES. Les résultats démontrent que la flamme stabilise le PVC. L’analyse de stabilité BiGlobal montre que le gradient de densité dans le front moyen de la flamme a un effet important sur l’amortissement du PVC. Enfin, l’impact de la tige centrale est également étudié pour le cas réactif. La tige centrale impacte marginalement la forme globale de la flamme, mais a un effet positif sur l’accrochage de la flamme dans la zone de combustion pauvre. En comparant deux cas par LSA, celui avec la tige et celui sans la tige, les résultats suggèrent que la tige augmente considérablement l’amortissement du PVC. Cela pourrait causer une diminution de la turbulence dans l’écoulement et empêcher l’extinction de la flamme et donc expliquer l’influence bénéfique de la tige sur la stabilisation de la flamme. / This thesis investigates large scale flow rotation in two configurations. In the first, the effect of flow rotation on a laminar flame is investigated. The flame is anchored in the wake of a cylindrical bluff body. The flow rotation is introduced by turning the cylinder along its axis. It is shown by Direct Numerical Simulation (DNS), that the cylinder rotation breaks the symmetry of both flame branches. Flame Transfer Function (FTF) measurements performed by the Wiener-Hopf Inversion suggest, that low rotation rates lead to deep gaps in the gain and the flame becomes almost insensitive to acoustic perturbation at a specific frequency. It furthermore is demonstrated that this decrease in gain of the FTF is due to destructive interference of the heat release signals caused by the two flame branches. The frequency at which the gain becomes almost zero can be adjusted by tuning the cylinder rotation rate. The study suggests that controlling the symmetry of the flame could be a tool of open-loop control of thermoacoustic instabilities.

La fragmentation d’enveloppes métalliques en expansion dynamique intéresse tant l’industrie civile que celle de la défense. Pour les deux domaines d’application, il s’agit de pouvoir prédire la taille et la vitesse des fragments, résultant de la destruction des enveloppes, afin de mesurer les conséquences que ceux-ci peuvent avoir sur des structures de sécurité. Les modèles de prédiction existants étudient le développement d’un défaut au sein du matériau et arrivent à déterminer une taille caractéristique des fragments. Néanmoins, ces modèles nécessitent une hypothèse dont la validité est remise en cause lorsque la vitesse de déformation est importante. Dans ce travail, nous proposons un nouveau modèle analytique pour des cylindres (sollicitation en traction plane) permettant de s’affranchir de cette hypothèse et d’étudier l’influence du défaut initial en suivant son évolution. Le modèle développé est comparé avec succès à des résultats issus de simulations numériques par éléments finis. Nos travaux permettent notamment de préciser les cadres d’application et de validité des approches classiques. Comme résultats majeurs, la nouvelle approche permet d’analyser les évolutions des perturbations aux faibles déformations mais aussi d’estimer le temps d’apparition des premières décharges élastiques, synonymes de strictions localisées. / This work deals with the fragmentation of dynamically expanding metal shells and covers a problem of interest for both civil and military industries. For both fields of application, it is crucial to predict the size and the speed of fragments, resulting from the destruction of shells in order to measure the consequences that it could have on structures. Current models study the growth of a defect within the material and are able to determine a characteristic size of fragments. Nevertheless, these models require a hypothesis whose validity is questionable when the rate of deformation is important. In this work, we propose a new analytical model for cylinders (equivalent to the dynamic extension of a plate) to overcome this hypothesis and study the influence of the initial defect by following its time evolution. The model is compared successfully with results performed with a finite element method. Our work notably expands the framework of classical linear stability analyses. As a major outcome, the proposed approach is able to track the evolution of a perturbation even for small plastic strain, when the flow may be stable. In addition it is shown that the present approach can predict accurately the time where the elastic unloading is observed in finite element simulations.