Cette thèse a pour objectif d'étudier la dynamique spatio-temporelle des atomes refroidis par laser dans un piège magnéto-optique (PMO). Il a été montré qu'un nuage d'atomes froids dans le régime de diffusion multiple peut présenter un comportement instable sans modulation externe du système. Cependant, ces instabilités n'ont pas encore été modélisées de façon satisfaisante. Une nouvelle configuration du PMO a été mise en oeuvre pour tenter d'étudier des instabilités dans une seule direction. Ce PMO, qualifié d'anisotrope, n'utilise pas des lasers de mêmes fréquences dans chaque direction de l'espace. Il met en évidence les forts couplages existants entre les directions du piège, si bien qu'il n'est pas possible de l'utiliser pour réduire le nombre de dimensions dans lesquelles les instabilités s'établissent. Toutefois, cette étude constitue un premier pas vers une meilleure description tridimensionnelle du piège. Elle nous a notamment permis de mesurer la probabilité pour qu'un photon diffusé soit réabsorbé à l'intérieur du nuage. Cette quantité est caractéristique du PMO mais elle n'avait jusqu'à là jamais été mesurée. Nous avons également établi un modèle spatio-temporel unidimensionnel du PMO. Il est constitué d'un système d'équations non-linéaires couplées reliant la densité atomique et les intensités des faisceaux lasers. Ce système contient notamment une équation de Vlasov-Fokker-Planck, rencontrée dans de nombreux domaines de la physique. Des simulations numériques ont été effectuées dans un cas simple. D'un point de vue expérimental, l'utilisation d'une caméra rapide nous a permis de mettre en évidence la structure spatiale d'instabilités de type stochastique. / The aim of this thesis is to study the spatio-temporal dynamics of laser cooled atoms in a magneto-optical trap (MOT). Recent works have shown that in the multiple scattering regime, an atomic cloud can have an unstable behavior without external modulation of the system. Nevertheless, these instabilities have not yet been modeled in a satisfactory way. A new configuration of the MOT has been built up as a possible way to study instabilities in only one direction. This trap, called anisotropic MOT, is not made of laser beams with the same laser frequencies along each direction of space. It exhibits the strong couplings between the directions of the trap, with the result that it cannot be used to reduce the number of directions in which instabilities grow up. However, this study can be considered as a new step to a better 3D description of the MOT physics. In particular, it gives us a way to measure the probability that a scattered photon is reabsorbed inside the atomic cloud. This quantity is a characteristic of the MOT but it has never been measured so far. We also develop a 1D spatio-temporal model of the MOT. It consists in a set of coupled nonlinear equations linking the atomic density and the laser intensities. This set contains a Vlasov-Fokker-Planck equation which is used to model a lot of systems in various fields and not only in physics. Numerical simulations have been done in a simple case. In the experiment, the use of a fast video camera allows us to observe the spatial structure of one type of instabilities, the so-called stochastic instabilities.

Cette thèse présente le développement d'une nouvelle méthode de détection portable d'ADN bactérien. Une solution concentrée de longs ADNs forme des agrégats lorsqu'elle est soumise à un fort champ électrique dans un microcanal, qui sont détectables par conductimétrie. Après optimisation, un instrument portable incluant un système microfluidique et un module électronique compact pour le contrôle des champs électriques a été obtenu. Pour la détection de biomarqueurs usuels, une amplification isotherme d'ADN appelée HRCA a été testé de façon à allonger puis amplifier ces courts ADN en longs produits. Des expériences en temps-réel, une simulation de la cinétique d'amplification et une modélisation théorique ont permis la caractérisation de la réaction et de conclure que la plupart des produits générés en solution sont de petites tailles. Une réaction en deux étapes combinant une SDA et une RCA a finalement été développée pour amplifier, allonger puis détecter 10pM de séquences d'ADN issues de Staphylococcus Aureus. L'intégration sur puce d'une étape de traitement de l'échantillon et de la réaction d'amplification a nécessité le développement d'une nouvelle technologie nommée "murs mobiles". Ces structures 3D, contenant des microcanaux ou des membranes en hydrogel, peuvent être déplacées manuellement à l'intérieur de microsystèmes pour diverses applications: valves, séparation de chambres microfluidiques, préconcentration de molécules ou pour le développement de puces microfluidiques reconfigurables. / This thesis presents the development of a new portable detection method for bacteria. When subjected to a high electric field in a confined microchannel, a concentrated solution of long DNA formed large aggregates, detectable by conductometry. A previous prototype has been optimized to obtain a portable and label-free instrument including a microfluidic system and a compact electronic for the control of the electric field. To apply this technique to current DNA biomarkers, an isothermal amplification reaction called Hyper-branched Rolling-Circle Amplification (HRCA) was tested in order to simultaneously elongate and amplify short DNAs into long products. Real-time experiments, kinetic simulations and theoretical approaches were used to characterize and model this reaction, leading to the conclusion that most of the products generated in solution are small DNAs. A two-step amplification combining a Strand-Displacement Amplification (SDA) and a RCA was finally developed to amplify then elongate DNA sequences from Staphylococcus Aureus, with a LOD of 1pM. Preconcentration of DNA and addition of reagents for sequential reactions into a microreactor were necessary to integrate pre-detection steps into a portable system. A new toolbox, called "sliding wall" was developed for these needs. Elongated microfabricated structures containing channels or hydrogel membranes could be manually displaced into a closed microchip, enabling compartmentalization, valving, molecule trapping and reconfiguration of a channel network.

Les aciers ferritiques pour structures industrielles présentent une transition fragile-ductile de ténacité et de résilience avec leur température. Leur résistance à la rupture fragile joue un rôle essentiel dans la certification de la sécurité des structures industrielles importantes. De nos jours, le souci de performance et de longévité sont des points clés pour des acteurs majeurs comme EDF.Dans ces études de transition ductile-fragile, de ténacité et de résilience, la ténacité est prédite à partir de la résilience. Plusieurs travaux antérieurs ont déjà montré que la probabilité de rupture par clivage peut être correctement décrite dans le palier fragile par une approche locale de la rupture. Mais ces études supposent que le matériau ne subit pas de vieillissement sous déformation, ce qui est en fait rarement pertinent pour les aciers bas carbone et peu calmés. Le travail a consisté d'une part à caractériser le comportement et d'autre part à en proposer une modélisation robuste et explicite des phénomènes observés. La caractérisation a consisté en la réalisation d'essais de traction entre -150°C et 20°C à plusieurs vitesses de déformation. Un modèle capable de simuler le vieillissement statique est identifié en mettant en place une stratégie adéquate et systématique. Des essais de résilience permettent de construire la courbe de transition ductile-fragile du matériau pour différentes conditions afin de comprendre et d'observer l'influence du vieillissement statique sur la rupture. Enfin, la modélisation de la rupture fragile a été décrite pour toutes les conditions expérimentales testées en utilisant le modèle de comportement développé et identifié dans la partie précédente afin de prédire numériquement la transition pour les différentes conditions du matériau. / Ferritic steels for industrial structures have a brittle-ductile transition toughness and impact energy with temperature. Their resistance to the brittle fracture plays an essential role in the safety certification of industrial structures. Nowadays, the performance and the durability are key issues for major players such as EDF. In these approaches ductile-to-brittle transition toughness and impact energy, toughness is predicted from resilience. Several previous studies have shown that the probability of cleavage fracture can be adequately described in brittle plateau by a local approach to fracture. However, these studies assume that the material does not undergo strain aging, which is rarely relevant for low carbon steels and low calmed down. The work consisted firstly to characterize the behavior and secondly to propose a robust and explicit modeling of the observed phenomena. Characterization consisted of performing tensile tests between -150degreC~and 20degreC for several strain rates. A model able to simulate the static aging is identified by implementing an appropriate and systematic strategy. Impact resistance test allows us to build the curve of ductile-to-brittle transition of the material for different conditions to understand and observe the influence of static strain aging on the failure. Finally, the modeling of the brittle fracture has been described for all experimental conditions tested using the model developed and identified in the previous section to predict the transition for different material conditions.

Ce travail de thèse expérimental étudie les instabilités et la transition de la couche limite produite par un disque en rotation. Pour l’écoulement naturel (c.-à-d. sans forçage extérieur), les mesures des profils de vitesse moyenne, de spectres en fréquence et de moyennes de phase des séries temporelles de vitesse ont permis de distinguer différents régimes en fonction de la distance adimensionnelle R à l’axe du disque. Pour les faibles valeurs de R, les profils de vitesse moyenne suivent la solution de von Kármán. Pour des valeurs plus importantes de R, des écarts à cette solution analytique sont observés et augmentent avec R. Ces écarts sont dus à la croissance spatiale de modes instables de la couche limite (vortex .cross-flow.), et la mesure du taux de croissance spatiale de ces modes correspond bien aux prédictions théoriques de l’analyse de stabilité linéaire. Dans cet écoulement, la transition se produit vers R ≈ 530 et la turbulence pleinement développée s’installe vers R ≈ 600. Les profils dans la région pleinement turbulente suivent la loi logarithmique des couches limites turbulentes et les spectres de vitesse présentent une loi en puissance de type Kolmogorov. Pour étudier la réponse au forçage, un dispositif expérimental a été mis au point qui permet d’exciter des perturbations stationnaires (dans le référentiel du laboratoire) ou en rotation à une fréquence qui peut être réglée indépendamment de la fréquence de rotation du disque. La réponse de l’écoulement à ces deux types de forçage et avec deux formes différentes pour l’élément de forçage a été étudiée. Un forçage stationnaire produit un sillage qui décroît avec la distance à l’élément de forçage, en accord avec la théorie. Le forçage avec des éléments en rotation peut produire un paquet d’ondes amplifié qui, bien que non linéaire, suit des trajectoires proches de celles prédites par la théorie linéaire. / This dissertation concerns experimental work on the instability and transition of the rotating-disk boundary-layer flow. In the case of the natural flow (i.e. without forcing), measurements of mean-flow profiles, frequency spectra and phase-locked averages of the velocity time series allow us to distinguish different flow regimes as a function of nondimensional distance, R, from the disk axis. As R increases, the mean-velocity profiles initially follow the von Kármán solution. At higher R, departures arise and increase with R. These departures are due to the spatial growth of boundary-layer instability modes (cross-flow vortices), whose radial growth rates are found to match linear-theory predictions. The flow becomes transitional at R ≈ 530 and fully turbulent by R ≈ 600. The profiles in the fully turbulent region follow the log law of turbulent boundary layers and the velocity spectra exhibit Kolmogorov-type power laws. To study the response to forcing, an experimental apparatus has been designed which allows the excitation of stationary (in thelaboratory frame of reference) disturbances or disturbances which rotate with a frequency which can be varied independently of the disk rotation rate. The flow response to both types of forcing and two forcing-element geometries was studied. Stationary forcing produces a wake which decays with distance from the element, in agreement with theory. Forcing due to rotating elements can generate growing wavepacket-like disturbances, which although nonlinear, follow trajectories close to linear-theory predictions.

La présente étude a pour objectif d’évaluer l’effet de l’augmentation du jeu fonctionnel en tête d’aube de la roue mobile sur les performances globales et les instabilités aérodynamiques en compresseur centrifuge à fort taux de pression. Pour ce faire, le compresseur TM-Pi9, développé et produit par Turbomeca, installé sur le banc d’essai 1 MW du Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’acoustique, a servi de support de recherche. Les mesures de performances globales, associées à des sondages par anémométrie LASER à effet Doppler ainsi que des enregistrements de pression instationnaire au carter, sur l’ensemble de l’étage de compression, ont permis d’acquérir une base de données expérimentales dans deux configurations de jeu, de la vitesse nominale (Nn) à la vitesse de ralenti (0.6 Nn). Ces résultats sont confrontés et complétés par des simulations numériques stationnaires, instationnaires chorochroniques et 360°, convergées avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS.À la vitesse de croisière, l’élargissement du jeu en tête d’aubage de 6% à 10% (taille du jeu au niveau du bord de fuite des aubes rapportée à la hauteur de veine en sortie de rouet) génère une hausse des débits de jeu, sensiblement proportionnelle à l’augmentation de l’espace fonctionnel. L’accroissement des débits de jeu ne modifie pas la position du sillage de la structure jet-sillage qui reste localisé autour de l’aube intercalaire. Le sillage devient néanmoins plus large. La modification de géométrie engendre principalement une dégradation du taux de pression de l’étage (~3%), imputable aux pertes non-visqueuses dans le rouet, c’est-à-dire une sous-déviation de l’écoulement imposée par le jet issu du jeu. L’élargissement de la hauteur de l’espace fonctionnel provoque une baisse du débit de blocage, conséquence de la réduction de la pression statique au niveau du col du diffuseur. Le rendement de l’étage subit expérimentalement une dégradation de 1%, au point de fonctionnement rendement maximum et aucune évolution proche pompage. La modification du rendement est soumise à deux effets opposés. D’une part, l’augmentation des débits de jeu provoque plus de pertes visqueuses au sein de l’ensemble des écoulements de jeu. Mais d’autre part, le sillage étant plus large, les structures tourbillonnaires sont moins confinées ; en résulte une diminution de la vorticité. L’accumulation d’entropie dans le sillage est ainsi plus faible. Quelles que soient la vitesse de rotation et la configuration de jeu, le pompage est initié de manière brutale dans le diffuseur aubé par un décollement de couches limites sur la face en dépression des aubages, proche du moyeu. Cette séparation résulte de l’interaction entre la couche limite de coin et l’onde de choc détachée du bord d’attaque des aubes du diffuseur. À faible vitesse de rotation et petit débit, une instabilité aérodynamique affecte l’inducteur du rouet (zone située entre le bord d’attaque des aubes principales et le bord d’attaque des aubes intercalaires). Elle peut être associée à une « instabilité tournante du tourbillon de jeu » qui est induite par une surincidence de l’écoulement sur les aubes principales du rouet. Il s’agit d’un phénomène de mild-stall précurseur d’un décollement tournant progressif dans le rouet. Ce dernier n’est cependant pas enregistré car le diffuseur induit le pompage à débit plus important. Des systèmes de contrôle d’écoulement dans le diffuseur et dans le rouet sont alors proposés, afin d’élargir la plage de fonctionnement du compresseur. / This present study is focused on the effect of the impeller blades tip clearance increase on the overall performance and aerodynamic instabilities in high-pressure centrifugal compressor. The test case is a centrifugal compressor stage (TM-Pi9) designed and built by Turbomeca which is used in a helicopter engine. The compressor stage is mounted on the 1 MW test rig of the Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique at the Ecole Centrale de Lyon in France. Experimental investigations consist in the overall performance acquisitions, LASER Doppler Anemometry measurements and unsteady pressure measurements up to 150 KHz for two tip clearance configurations from the nominal rotation speed to 60% of the nominal rotation speed. Steady and unsteady (phase-lagged and full simulations) simulations are also performed using the elsA code developed by the ONERA and CERFACS. Two tip clearances are tested. In the first case used as reference, the tip gap represents 6% of the section height at the impeller exit. In the second case, the impeller is moved axially, which results in an increased tip gap essentially in the radial part of the impeller. Thus in the second case, the tip clearance at the impeller exit corresponds to 10% of the section height. At the cruise rotation speed, from the reference to the increased tip clearance configurations, the tip leakage mass flows are increased. The tip leakage mass flow increase is quasi-proportional to the tip clearance height enlargement. But the position of the wake of the jet-wake flow pattern is not affected by the modification of the tip leakage mass flows. However the wake becomes wider. The tip clearance modification mainly deteriorates the total-to-static pressure ratio (~3%),which is due to inviscid losses in the impeller (under-deviation of the flow near the blades tip). A lower choking mass flow is reached in the increased tip clearance case compared with the reference configuration, due to the static pressure drop at the diffuser throat. The isentropic stage efficiency is experimentally decreased by 1% at the peak efficiency operating point. Near surge, no change in the stage efficiency is measured. From the reference to the increased tip clearance configurations, the stage efficiency is, in fact, subject to two opposite effects. On the one hand, higher tip leakage mass flows cause more viscous losses in the tip leakages and vortices. On the other hand, the wake of the jet-wake flow pattern being wider, the vortices are less confined, resulting in a decrease of the vorticity. The accumulation of entropy in the wake is thus weaker. Whatever the tip clearance configuration and the rotation speed, the surge is triggered by a boundary layer separation near the hub on the suction side of the diffuser vanes. This separation is due to the interaction between the corner boundary layer and the shock wave detached from the leading edge of diffuser vanes. At low rotation speed, disturbances in the inducer (between the leading edge of the main blade and the leading edge of the splitter blade) were recorded. These disturbances can be associated to “rotating tip clearance disturbances” which are generated by the over-flow-incidence on the impeller main blades. This phenomenon is a mild-stall precursor of a rotating stall in the impeller. The rotating stall in the impeller is not recorded because the surge occurs in the diffuser at higher mass flow. Active and passive flow control systems in the diffuser and the impeller are proposed in order to increase the operating range of the TM-Pi9 compressor.

L'étude des instabilités aéro-élastiques, le flottement notamment, a été initiée au milieu du vingtième siècle, suite à de nombreux accidents de rupture d'aile d'avions ou de tabliers de ponts. L'un des accidents les plus connus est l'effondrement du pont de Tacoma, quelques mois après sa mise en service en 1940.Le flottement est une vibration synchronisée d'une structure souple se déplaçant dans un milieu fluide. Il se produit lorsque deux mouvements rythmiques réguliers coïncident de telle façon que l'un alimente l’autre, tirant l'énergie supplémentaire de l'écoulement environnant. Un cas classique de flottement d'aile d’avion consiste en la combinaison de mouvements de flexion et de torsion. Ce travail pose la problématique des instabilités par couplage fluide structure des surfaces portantes dans l’eau, les instabilités hydro-élastiques. Une différence importante par rapport aux instabilités aéroélastiques est le fait que la structure souple évolue dans un fluide lourd, ce qui implique en particulier des effets de masse ajoutée et d'amortissement fluide a priori importants. Le flottement est apparu pour la première fois sur les quilles composites des voiliers de compétition, donc dans l'eau, en 2004 :• Sur le voilier IMOCA 60 pieds POUJOULAT-ARMORLUX de Bernard Stamm, pendant la course transatlantique «The Transat» : il a perdu sa quille et chaviré.• Sur le voilier IMOCA 60 pieds SILL de Rolland Jourdain: la quille et le bateau ont été sauvés. Suite à ces problèmes - en particulier suite à la perte de la quille du voilier de Bernard Stamm, un accident qui aurait pu avoir des conséquences dramatiques pour le skipper – la société HDS, spécialisée dans la conception et le dimensionnement de structures composites, notamment dans le domaine du nautisme, s’est penchée sur le phénomène. Le flottement ne s'est produit que sur des quilles composites basculantes de voilier IMOCA 60 pieds et VOLVO 70 pieds. Les principales questions posées sont donc "Pourquoi les quilles composites sont-elles susceptibles de flotter, et est-il possible de prévoir et de prévenir ce comportement ?", puis "Une bonne estimation de la vitesse critique de flottement d'une quille peut-elle être calculée à moindre frais ?".Ce travail présente les méthodes analytiques, expérimentales et numériques mises en œuvre pour estimer la vitesse critique de flottement pour différents types d'appendices dans l'eau. Des modèles, basés sur une base modale tronquée pour les modes les plus énergétiques qui sont généralement, pour une quille à bulbe, le mode de flexion prépondérante et le mode de torsion prépondérante, sont développés et un outil de conception est proposé. Une des exigences de ce travail était, en effet, de réaliser un outil simple pour intégrer le calcul de la vitesse critique de flottement dans les premières boucles de conception d'une quille composite ou acier. Les modèles proposés, qui donnent de bons résultats pour les deux cas de flottement de quille présentés ci-dessus, sont confrontés à des résultats expérimentaux et à des simulations multiphysiques en couplage fluide structure réalisées en utilisant le logiciel ADINA. Enfin, une étude paramétrique est proposée présentant l'influence des principaux paramètres de conception sur l'apparition des instabilités. / The study of aeroelastic instabilities, including flutter, was initiated in the mid-twentieth century, following numerous accidents breaking wing aircraft or bridge decks. One of the most famous accidents is the collapse of the Tacoma Narrows Bridge, a few months after its commissioning in 1940.Flutter is a synchronized vibration which takes place in a flexible structure moving through a fluid medium. It occurs when two regular, rhythmic motions coincide in such a way that one feeds the other, drawing additional energy from surrounding flow. A classic case of wing flutter might combine wing bending with either wing twisting. This work raises the issue of instabilities in fluid-structure coupling for hydrofoils in water. An important difference from the flutter phenomenon in air is the fact that the flexible structure is evolving in heavy fluid; this implies in particular added mass effects and important fluid damping. Flutter appeared for the first time on racing yacht keels with composite fins, so in water, in 2004 :• On the IMOCA 60 feet boat POUJOULAT-ARMORLUX of Bernard Stamm during the transatlantic race 'TheTransat': he lost his keel and capsized.• On the IMOCA 60 feet boat SILL Rolland JOURDAIN: the keel and the boat were saved. Following these problems - particularly following the loss of the keel of Bernard Stamm sail-boat, accident that could have dramatic consequences for the skipper - HDS company, which is is a major player in the design of complex composite parts, especially for racing sailing yachts, focused on the phenomenon. Flutter has occurred only for canting keels with composite fins on IMOCA 60 feet and VOLVO 70 feet racing yacht. The main questions asked are “Why are composite keels susceptible to flutter, and is it possible to predict and prevent this behaviour?”, then “Can a fair indication of the flutter critical speed of the keel be given at low cost? ». This work presents the analytical, experimental and numerical methods implemented to estimate the critical speed for different types of appendages in water. Models, based on a truncated modal for most energetic modes which are generally, for a bulb keel, the lateral bending predominant mode and the torsion predominant mode, are developed and a design tool is proposed. One of the requirements of this work was to make a simple tool to integrate the calculation of the flutter critical speed in the first design loops of a composite or steel keel. The proposed models that give good results for both flutter cases on keels presented above, are confronted with experimental results and with fluid-structure multiphysic simulations performed using the software ADINA. Finally, a parametric study is proposed with the influence of the main design parameters on the occurrence of instabilities.

Cette thèse porte sur les effets combinés de l’excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l’écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l’écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d’instabilité. L’écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l’étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l’excentricité repousse le seuil d’instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L’effet de l’advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L’excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor « pseudo-toroïdaux » lorsque le débit axial est nul, et de structures « pseudo-hélicoïdales » d’ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l’on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l’instabilité absolue est étudiée par application d’un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d’inhiber fortement l’instabilité absolue, d’origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d’un ordre de grandeur. L’effet de l’excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l’instabilité convective, le mode dominant l’instabilité absolue correspond à l’écoulement tourbillonnaire « pseudo-toroïdal » pour toute la gamme de paramètres considérée. / This work is concerned with the combined effects of eccentricity and pressure-driven axial flow on the linear stability properties of circular Couette flow with a fixed outer cylinder. An example of this flow can be found in oil-well drilling operations. A pseudospectral method is implemented to compute the basic flow, steady and homogeneous in the axial direction, as well as the normal modes of instability. There are four non-dimensional parameters: the radius ratio _ and the eccentricity e for the geometry, the azimuthal and axial Reynolds numbers, Re and Rez, for the dynamics. The first part of the study is devoted to the temporal stability properties. It is found that eccentricity pushes the convective instability threshold towards higher values of Re. The effect of axial advection on the threshold also tends to be stabilising. Eccentricity deforms the modes structure compared to the concentric case. As a result, the mode with the largest temporal growth rate takes the form of ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortices in the absence of axial flow, and ‘pseudo-helical’ structures with increasing azimuthal order as Rez becomes larger. Results are qualitatively similar for different radius ratios. Agreement with the few available experimental data is good. In a second part, absolute instability is studied by applying the pinch-point criterion to the dispersion relation. Axial flow is found to strongly inhibit absolute instability, the mechanism of which being centrifugal, and the value of Re at the threshold is typically one order of magnitude larger than that of Rez. The effect of eccentricity is more complex: weak stabilisation for low values of e, marked destabilisation for moderate eccentricities and high enough Rez, and finally stabilisation as e is further increased. Unlike temporal instability, the dominant absolutely unstable mode is the ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortex flow over the whole range of parameter space considered.

Le travail de cette thèse concerne l’étude des écoulements diphasiques dans les mini-canaux d’une pile à combustible. Ces canaux, de taille millimétrique, ont un double rôle d’alimentation de la pile en combustibles gazeux et d’évacuation de l’eau produite. Il a été montré expérimentalement que la configuration d’écoulement a un impact direct sur les performances de la pile. L’objectif est donc de progresser dans la compréhension des mécanismes physiques présents dans ces canaux. Pour cela, l’outil de simulation numérique JADIM est développé pour modéliser la physique de la ligne triple afin de permettre la description des écoulements diphasiques et les transitions entre configurations, où la mouillabilité joue un rôle déterminant. Deux phénomènes physiques sont essentiellement étudiés : la migration dans le canal de gouttelettes formées par l’introduction d’eau dans le canal, et l’évolution et la stabilité de la répartition spatiale des phases lors du remplissage progressif des canaux.

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.

Ce travail de recherche s'inscrit dans la problématique de la compréhension des phénomènes de transport turbulent de l'énergie et des particules au sein des plasmas de coeur des machines de fusion thermonucléaire par confinement magnétique. L'instabilité dite de gradient de température ionique, considérée comme une des sources majeures de transport turbulent, y est étudiée au moyen d'un modèle gyrocinétique. L'originalité de ce travail consiste en l'utilisation d'un modèle réduit, dit "Multi-Water-Bag", qui permet de réduire la dimension du problème tout en préservant les effets cinétiques. Ce modèle est développé dans deux types de géométries de champ de confinement. En géométrie cylindrique, l'évolution de l'instabilité est analysée au travers de trois modèles dynamiques : linéaire, quasi-linéaire et non-linéaire. L'analyse de stabilité linéaire permet d'obtenir les caractéristiques spectrales et géométriques de l'instabilité à partir d'une situation d'équilibre instable. Dans un deuxième temps, la confrontation par le biais de simulations numériques trois modèles dynamiques permet l'examen du développement de la turbulence, ainsi que les premières étapes de la saturation de l'instabilité. En géométrie torique, une analyse linéaire de stabilité est effectuée au moyen de deux méthodes, respectivement par intégration en temps et analyse spectrale, pour obtenir les caractéristiques des modes les plus instables. Pour chacune des géométries envisagées, les diverses méthodes numériques implémentées sont décrites et leurs performances évaluées. Une attention particulière est portée tout au long de ce travail à la mise en balance des coûts et bénéfices de la réduction Multi-Water-Bag / The research exposed therein is developed in the context of the study of turbulent energy and particle transport phenomena occuring in magnetically confined fusion plasmas. A study of the ion temperature gradient instability, one of the main sources of such turbulent transport, is carried out using a gyrokinetic model. The main originality of this work lies in the use of a reduced model, the so-called Multi-Water-Bag model, which allows to reduce the problem dimension while preserving kinetic effects. The model is developed in two types of confinement field geometries. In cylindrical geometry, the growth of the instability is analysed by the mean of three dynamical models : linear, quasi-linear and non-linear. Starting from a given unstable stationary state, linear stability analysis allows one to obtain spectral and geometrical characteristics of the instability. In a second phase, comparing results of numerical simulations implementing the three dynamical models, the growth of turbulence is analysed as well as the first stages of non-linear saturation of the instability. In toroidal geometry, a linear stability analysis is performed. Two different methods, time-based and spectral, were implemented in order to obtain the spectral and geometrical characteristics of the most unstable modes. In both field geometries encompassed by this research, the numerical methods used to obtain the results are described and their performances analyzed. Throughout the work, particular care is given to the balance between the benefits and costs of the Multi-Water-Bag reduction