Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'interaction entre des écoulements cisaillés et la turbulence dans les plasmas chauds magnétisés. On s'est particulièrement focalisé sur l'étude de la dynamique complexe d'une barrière de transport et sur un moyen de contrôler ses oscillations de relaxations.

Les cycles d’hysteresis des binaires X lors de leurs sursauts restent inexpliqués a ce jour. Dans ce travail, nous avons développé les idées du paradigme propose par Ferreira et al. (2006), ou la matière dans le disque accrète de deux manières différentes. Dans le mode standard (SAD, Shakura et Sunyaev 1973), le couple turbulent transporte le moment cinétique radialement vers l’extérieur du disque. Dans le mode éjectant (JED, Ferreira et Pelletier 1995), le disque magnetise produit des jets qui emporte la matière, l’énergie et le moment angulaire verticalement. Dans ce cadre, la transition entre les deux modes est liée a la distribution de champ magnétique dans le disque, une inconnue. Pendant cette thèse, j’ai développé un code capable de résoudre a chaque rayon dans un disque l’équilibre thermique a deux températures pour de multiples jeu de paramètres. Ce code utilise Belm (Belmont et al. 2008 ; Belmont 2009) pour traiter le refroidissement radiatif et créer les spectres de manière auto-cohérente. Les processus de chauffage sont analytiques, ainsi que les processus d’advection, qui sont calcules de l’interieur vers l’exterieur.Grace a ce code, nous avons pu montrer que des solutions de JED reproduisaient très bien les états hard jusqu’à 0.5 luminosités d’Eddington (Marcel et al. 2018a). Il a aussi été démontré que le JED subit un cycle d’hysteresis. En revanche, la luminosité de ce cycle est bien trop faible et la présence inévitable de jets dans la configuration nous pousse a l’utilisation d’un SAD pour la reproduction d’états soft.Fort de ces résultats, j’ai adapte le code a la résolution de configuration de disque hybride, compose d’un JED interne et d’un SAD externe, séparé en un rayon de transition rJ. En jouant sur ce paramètre rJ et sur le taux d’accrétion mdot, nous avons pu montrer que les observations X de cycles typiques pouvaient être pavée. Après des calculs similaires a Heinz et Sunyaev (2003), nous pouvons estimer quel est le flux radio associe a chaque jeu de paramètres. Cela nous a permis de montrer 2 choses. (1) tous les flux radios sont reproductibles a l’aide d’un seul facteur de normalisation commun. (2) le flux radio et la forme du spectre en rayons X sont cohérents : les jeux de paramètres qui reproduisent le mieux chaque forme spectral sont associes aux bon flux radios. Afin d’illustrer ce résultat, 5 états canoniques de l’évolution de GX 339-4 ont ete reproduits : forme spectrale en X et flux radios (Marcel et al. 2018b). Pour finir, en utilisant une simple procédure d’ajustement sur la forme spectrale en X, le cycle de 2010-2011 de GX 339-4 a pu être reproduit. De manière bluffante, les évolutions de rJ et mdot semblent être en accord avec les prédictions théoriques (Esin et al. 1997). De plus, les estimations de flux radio étant cohérentes avec les observations, nous avons décidé de les ajouter directement dans la procédure d’ajustement. L’ajout de cette composante a permis une excellente reproduction simultanée de la radio et des spectres X de manière. C’est, a notre connaissance, la première fois que les phénomènes d’accrétion et d’éjection sont utilisés simultanément. Ces résultats, ainsi que les discussions et implications seront bientôt soumis. / The hysteresis behavior of X-ray binaries during their outbursts remains a mystery. In this work, we developed the paradigm proposed in Ferreira et al. (2006) where the disk material accretes in two possible, mutually exclusive, ways. In the standard accretion disk (SAD, Shakura et Sunyaev 1973) mode, the dominant local torque is due to MHD turbulence that transports radially the disk angular momentum. In the jet-emitting disk (JED, Ferreira et Pelletier 1995) mode, magnetically-driven jets carry away mass, energy and all the angular momentum from the disk. Within our framework, the transition from one mode to another is related to the magnetic field distribution, an unknown yet.In this thesis, I have developped a two-temperature plasma code able to compute the thermal balance at each radius for a large ensemble of disk parameters, as well as the self- consistent global emitted spectrum. The radiative cooling term and related spectrum (comptonized bremsstrahlung and synchrotron emission) are obtained using the Belm code (Belmont et al. 2008 ; Belmont 2009). Heating processes are analytical and due only to accretion, while advection is properly taken into account, carrying outside-in the memory of the outer thermal states.Using this code, we have shown that a JED extending along the entire disk nicely repro- duces hard states up to 0.5 Eddington luminosities (Marcel et al. 2018a). It was also shown that JEDs produce a natural hysteresis cycle. However, the global luminosity of the cycle is insufficient and the inevitable presence of jets in JEDs advocates for an inner SAD configuration in soft states.Based on these results, the code was enhanced to solve hybrid configurations with an internal JED and an external SAD, separated by a given transition radius rJ. Playing on both rJ and the accretion rate mdot, we have shown that X-ray observations of typical cycles can be completely covered. Using a simple synchrotron model similar to that of Heinz et Sunyaev (2003), the radio flux produced by the jets can be estimated, showing two important features. First, all radio observations can be covered by our model. Second, the radio flux and X- ray spectral coverages are consistents : parameter sets that reproduce best each spectral state also account for a consistent associated radio flux. For illustration, 5 canonical states from GX 339-4 have been reproduced in X-ray spectral shape and associated radio fluxes (Marcel et al. 2018b).Finaly, using a simple fitting procedure on X-ray spectral shape, the 2010-2011 cycle from GX 339-4 has been reproduced. Strikingly, the co-evolution of rJ and mdot seems to be in adequacy with initial theoretical expectations (Esin et al. 1997). Moreover, the estimated radio flux evolution being close to observations, we decided to use those within the fitting procedure. Adding radio fluxes constraints in the procedure allowed us to reproduce both the associated X-ray spectral shape and radio fluxes with excellent agreement. This is, to our knowledge, the first time that such an accretion-ejection cycle is reproduced. Those results, as well as discussions and implications will be soon submitted.

Dans les fluides conducteurs de l'électricité, le champ électromagnétique est couplé au mouvement du fluide par des effets d'induction. Nous avons étudié différents effets magnétohydrodynamiques, à partir de deux expériences impliquant un métal liquide en écoulement turbulent.La première de taille moyenne utilise du Gallium. La seconde, utilisant du sodium, est menée au sein de la collaboration VKS (Von Karman Sodium). Celle-ci a permis d'observer l'effet dynamo, à savoir la conversion d'une part de l'énergie cinétique du fluide en énergie magnétique. Nous avons montré, qu'en fonction des conditions de forçage de l'écoulement, une dynamo statistiquement stationnaire, ou au contraire, des régimes dynamiques du champ magnétique, peuvent être engendrés. En particulier, des renversements de polarité similaires à ceux du champ magnétique terrestre ont été observés. Parallèlement, l'expérience avec du Gallium a été développée pour étudier les effets d'induction sous un champ magnétique appliqué par des écoulements turbulents plus homogènes et isotropes que celui de l'expérience VKS. Plus fondamentalement nous avons étudié, en utilisant les données des deux expériences, l'advection du champ magnétique par un écoulement et la phénoménologie des fluctuations turbulentes du champ induit. La mise au point de sondes de mesure de différence de potentiel électrique nous a permis en plus de mettre en évidence le freinage magnétique d'un écoulement turbulent de Gallium par la force de Laplace. Ce mécanisme intervient pour saturer l'instabilité dynamo.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.

Nous étudions ici expérimentalement l'écoulement de von Karman, produit dans un cylindre entre deux turbines coaxiales. Nous nous plaçons plus particulièrement en régime de turbulence pleinement développée, pour un écoulement contrarotatif forcé inertiellement. Nous étudions dans un premier temps la transition à la turbulence de cet écoulement fermé, depuis les régimes laminaires. Nous insistons sur le rôle des grandes échelles lentement variables de la couche de mélange. Nous étudions alors la stabilité de l'écoulement moyen et mettons en évidence une bifurcation des grandes échelles en régime turbulent. Nous étudions statistiquement le rôle des fluctuations sur le déclenchement des transitions. Ces transitions peuvent également avoir une dynamique intermittente à temps long. Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité d'un effet dynamo pour le champ de vitesse moyenné dans le temps. L'effet dynamo est une instabilité du champ magnétique dans un fluide conducteur en écoulement. Nous définissons ainsi la configuration de l'expérience VKS2, en sodium liquide, et discutons enfin les premiers résultats de l'expérience. Nous y retrouvons la trace des instationnarités des grandes échelles de l'écoulement.

Ce document est une synthèse de mes travaux de recherche en Physique qui s'articule selon trois axes: turbulence hydrodynamique, magnétohydrodynamique et turbulence d'onde. J'ai développé des techniques de mesure originales destinées à l'analyse lagrangienne de la turbulence hydrodynamique: il s'agit de suivre le mouvement de particules entraînées par un écoulement à haut nombre de Reynolds. Malgré le fait que la statistique de vitesse Lagrangienne soit gaussienne avec une décorrélation exponentielle, la modélisation de l'écoulement par une équation de Langevin est insuffisante à cause la très forte intermittence de la vitesse Lagrangienne. Celle-ci se traduit en particulier par un distribution fortement non gaussienne de l'accélération. En comparant les données expérimentales avec un modèle de marche aléatoire multifractale, nous avons mis en évidence le lien entre corrélations temporelles longues de l'amplitude de l'accélération et les propriétés statistiques d'intermittence. Une description multifractale suggère par ailleurs une certaine universalité de l'intermittence Lagrangienne entre différents écoulements expérimentaux ou numériques. Les mêmes techniques expérimentales sont appliquées à l'étude de la dynamique de particules inertielles. Cela permet en particulier d'améliorer la modélisation des effets d'inertie et de taille finie dans les simulations numériques. Finalement, j'analyse le lien entre le mouvement des particules de fluide et les propriétés de transport de scalaire passif. Je participe également à la collaboration VKS dont le but est l'étude expérimentale de l'effet dynamo, c'est-à-dire la génération d'un champ magnétique par le mouvement d'un fluide conducteur (du sodium liquide dans notre cas). Nous avons mis en évidence cet effet en 2006 et montré l'existence de régimes dynamiques du champ magnétique qui, pour certains, ressemblent fortement aux renversements du champ magnétique terrestre. Nous avons montré que les conditions aux limites jouent un rôle crucial. Les régimes dynamiques correspondent au comportement attendu par des systèmes dynamiques de basse dimension malgré le fait que l'écoulement est fortement turbulent et fait donc intervenir un grand nombre de degrés de liberté. Pour étudier la saturation de la croissance du champ dynamo, nous avons mis en oeuvre à l'ENS Paris, une expérience dans le gallium dans laquelle nous étudions l'effet d'un champ magnétique élevé sur un écoulement turbulent. Les effets de freinage magnétique ont été mis en évidence. Finalement, j'ai développé récemment une expérience de turbulence d'onde. La turbulence d'onde présente des ressemblances phénoménologiques avec la turbulence hydrodynamique, avec l'avantage d'une théorie statistique: la turbulence faible. Nous étudions expérimentalement les vibrations d'une tôle mince en acier inoxydable. Une technique de profilométrie par transformée de Fourier à haute vitesse permet de mesurer l'évolution temporelle de la déformation de la plaque résolue à la fois en temps et en espace. Les propriétés statistiques de ces vibrations sont en désaccord quantitatif avec la théorie mais la phénoménologie semble similaire. Ces nouvelles mesures ouvrent de nombreuses perspectives d'interaction avec les théoriciens de la turbulence d'onde.

Dans l'atmosphere solaire apparaissent des structures magnetiques telles que les boucles de regions actives, les filaments-protuberances, ou les sigmoides. Les proprietes de ces structures sont liees aux parametres thermodynamiques (temperature, densite, pression) ainsi qu'a la nature du champ magnetique associe a ces structures. Notre interet s'est porte sur l'etude des filaments qui correspondent a des structures magnetiques dont la masse est plus elevee et la temperature plus froide que le milieu coronal environnant. Pour ce faire, deux methodes d'analyse et de diagnostic ont ete developpees : la reconstruction du champ magnetique coronal tridimensionnel, et l'etude d'ondes magnetohydrodynamiques (MHD) dans les filaments. <br /><br />A partir des mesures du champ magnetique vectoriel au niveau photospherique, la reconstruction du champ magnetique coronal permet de determiner la geometrie et la topologie des tubes de flux caracterisant une region active. En particulier dans le cas etudie, la reconstruction suivant l'hypothese d'un champ sans-force non lineaire a permis de preciser la structure d'un systeme de boucles observe en EUV par EIT/SOHO, et d'un sigmoide observe en rayons X par SXT/Yohkoh. La nature du filament est deduite de la recherche de l'existence de creux magnetiques pouvant maintenir cette structure massive en equilibre dans la couronne. <br /><br />Le spectrometre SUMER/SOHO a fourni des observations de filaments dans ou proche de regions actives qui ont permis d'etudier les variations temporelles du decalage Doppler de la raie de l'helium neutre à 58.4 nm. Utilisant une analyse de Fourier, des frequences caracteristiques ont ete identifiees a des modes d'oscillations d'ondes d'Alfven ou magnetoacoustiques donnant acces a des parametres magnetiques et thermodynamiques du filament. De nouvelles observations obtenues par THEMIS/Tenerife (campagne MEDOC 5) apportent des informations supplementaires sur la dynamique des filaments et sur les ondes MHD dans ces structures.

Les disruptions du plasma sont des phénomènes se produisant dans les tokamaks et qui entraînent une perte totale du confinement du plasma et la fin de la décharge. Ces disruptions sont des phénomènes rapides et violents et peuvent endommager les murs du tokamak ainsi que sa structure si elles ne sont pas contrôlées. Un système de mitigation des disruptions est donc indispensable pour ITER afin de réduire les forces électromagnétiques, mitiger les charges thermiques et éviter les électrons runaways générés par les disruptions du plasma. Remplir tous ces objectifs fait du design de ce système une tâche difficile, pour laquelle un apport conséquent de l’expérience et de la modélisation est nécessaire. Nous présentons dans cette thèse des résultats de modélisation sur l’amortissement des disruptions par injection massive de gaz, qui est une des méthodes principales envisagées sur ITER pour le système de mitigation. Premièrement, un modèle issu des premiers principes pour décrire le transport des neutres dans un plasma est donné et est appliqué à l’étude de l’interaction entre l’injection massive de gaz et le plasma. Les principaux mécanismes en jeu sont décrits et étudiés. L’échange de charge entre les neutres et les ions du plasma est isolée comme jouant un rôle majeur dans cette dynamique. Ensuite, le code 3D de Magnétohydrodynamique non linéaire JOREK est appliqué à l’étude des disruptions déclenchées par injection massive de gaz. Un intérêt particulier est porté sur la phase de quench thermique et les phénomènes MHD qui le déclenchent. Les résultats obtenus avec ce code sont comparés avec les expériences effectuées sur le tokamak JET. / Plasma disruptions are events occuring in tokamaks which result in the total loss of the plasma confinement and the end of the discharge. These disruptions are rapid and violent events and they can damage the tokamak walls and its structure if they are not controlled. A Disruption Mitigation System (DMS) is thus mandatory in ITER in order to reduce electromagnetic forces, mitigate heat loads and avoid Runaway Electrons (RE) generated by plasma disruptions. These combined objectives make the design of the DMS a complex and challenging task, for which substantial input from both experiments and modeling is needed. We present here modeling results on disruption mitigation by Massive Gas Injection (MGI), which is one of the main methods considered for the DMS of ITER. First, a model which stems from first principles is given for the tranport of neutrals in a plasma and applied to the study of the interaction of the MGI with the plasma. Main mechanisms responsible for the penetration of the neutral gas are described and studied. Charge-exchange processes between the neutrals and the ions of the plasma is found to play a major role. Then, the 3D non linear MHD code JOREK is applied to the study of MGI-triggered disruptions with a particular focus on the thermal quench phase and the MHD events which are responsible for it. The simulation results are compared to experiments done on the JET tokamak.

Dans les noyaux actifs de galaxies comme autour des étoiles jeunes en formation, il est naturel de croire en l'existence d'un lien entre l'accrétion de matière sur un objet central massif et les jets collimatés observés. L'objet de cette thèse est l'étude de structures magnétisées, dans lesquelles accrétion et éjection sont deux processus interdépendants. Le mécanisme physique à la base de ces deux processus est ainsi élucidé, en résolvant l'ensemble complet des équations magnétohydrodynamiques décrivant ces structures. Un disque d'accrétion résistif est traversé par des lignes de champ magnétique ouvertes, torsadées par sa rotation. Ces lignes freinent le disque et lui extraient moment cinétique et énergie mécanique. Une transition naturelle est obtenue entre le disque résistif dense et un jet idéal dilué, super magnétosonique lent. L'existence de telles structures stationnaires n'est pas fortuite mais découle de la saturation d'instabilités du disque magnétisé, donnant lieu à des coefficients de transport anormaux. La structure est complexe, avec équipartition entre l'énergie magnétique et thermique ainsi que des composantes du champ magnétique de grandeur comparable. Les signatures observationnelles des disques sont décrites, ainsi que le bilan global d'énergie et les caractéristiques des jets. Les ordres de grandeurs requis par de telles structures sont compatibles avec les observations.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. / Arc plasma torches are widely used in industrial applications. A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.