Les écoulements de jet annulaire sont des écoulements majoritairement utilisés dans le domaine industriel (écoulement de « bluff body », procédés de fabrication de fibre de verre. ..) mais représentent paradoxalement une infime partie des études fondamentales des jets. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à la caractérisation expérimentale d'un jet annulaire d'air de rapport de diamètres r égal à 0,91 (Do=53,88 mm et Di=48,75 mm) pour trois nombres." de Reynolds compris entre 12240 et 45900. Les vitesses ont été mesurées jusqu'à 10 diamètres Do à l'aide de l'Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.), de la Vélocimétrie par Images de Particules (P.I. V.) et du fil chaud. L'écoulement de jet annulaire possède successivement les caractéristiques d'un écoulement de sillage et d'un écoulement de jet axisymétrique. <br />Les instabilités se développant dans les couches de mélange externe et interne de la zone de recirculation ont été résolues spatialement et temporellement. L'utilisation conjointe de mesures P.I.V. décorrélées en temps de la zone de recirculation, de la P.O.D. et d'une mesure temporelle locale par A.D.L. a permis d'établir un scénario de l'évolution temporelle du sillage. <br />La zone de jet pleinement développé a également été étudiée à partir de mesures d'A.D.L. et de fil chaud. Les évolutions des grandeurs intégrales (quantité de mouvement, débit, vitesses, demi largeur du jet, nombre de Reynolds turbulent), des différentes échelles (échelles de Kolmogorov, de Taylor et intégrale) et du taux de dissipation moyen ont été mesurées sur l'axe du jet. Une comparaison des variations de ces différentes grandeurs a permis d'inclure le jet rond comme un cas asymptotique des jets annulaires.

Grâce à leurs propriétés spécifiques (homogénéité de l'épaisseur, de la densité bidimensionnelle et de la tension), les films de cristaux liquides smectiques forment des membranes bidimensionnelles idéales obéissant à l'équation d'onde de Helmholtz, avec les conditions de Dirichlet au bord. Dans cette thèse, une nouvelle expérience a été mise au point, qui permet, pour un film tendu sur un contour donné, de mesurer non seulement son spectre de fréquences propres, mais aussi la forme géométrique des modes. Le rôle de la forme de la membrane a ainsi pu être analysé. On a commencé par étudier une forme "préfractale", constituée par une courbe de Koch quadratique, dont la construction a été arrêtée à un ordre d'itération fini. L'accord entre les résultats expérimentaux et des résultats numériques obtenus par d'autres auteurs, tant sur le spectre que sur l'allure des modes propres, est excellent. Deux mécanismes de localisation des fonctions d'onde, d'origines physiques différentes, ont été mis en évidence. L'autre question étudiée est un problème mathématique que l'on peut résumer par : "Peut-on entendre la forme d'un tambour?" La réponse prévue par les mathématiciens est "non", c'est-à-dire qu'il existe des formes géométriques différentes, conduisant à des spectres de fréquences propres identiques ; ces formes sont appelées "isospectrales". On a ainsi vérifié expérimentalement l'isospectralité de deux contours avec une bonne précision. On a également montré en détail que seules les symétries de construction de ces deux contours, basées sur la théorie des groupes, importaient.

Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d'intégration et d'utilisation à moindre cout énergétique, l'étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d'objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d'approfondir nos connaissances de l'interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d'expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d'étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l'interaction lumière-matière au sein d'objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilise. La seconde partie est dédiée à l'étude de l'interaction d'une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l'étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l'obtention d'un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L'étude complète des modes propres et de l'excitation optique de cette structure a permis de connaitre avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l'étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l'analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter.

Ce travail de thèse est consacré aux propriétés optiques de nanoparticules métalliques toroïdales. Le développement d'une méthode de résolution de l'équation de Laplace en coordonnées toroïdales permet d'analyser les propriétés radiatives des nanoparticules toriques métalliques dans le cadre de l'électrostatique. L'étude sur la distribution spatiale des modes propres suggère que des nanotores métalliques peuvent soutenir un moment dipolaire magnétique tout en annulant la valeur du moment dipolaire électrique au fréquences optiques. Les expressions analytiques des sections efficaces de diffusion et d'extinction du tore sont également trouvées et comparées à des simulations numériques et des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de collaborations. La sensibilité de la fréquence de résonance plasmon à l'indice de réfraction du milieu extérieur ainsi qu'au facteur de forme est mis en évidence.

Les méthodes de réduction de modèles offrent un cadre général permettant une réduction de coûts de calculs substantielle pour les simulations numériques. Dans cette thèse, nous proposons d’étendre le domaine d’application de ces méthodes. Le point commun des sujets discutés est la tentative de dépasser le cadre standard «bases réduites» linéaires, qui ne traite que les cas où les variétés solutions ont une petite épaisseur de Kolmogorov. Nous verrons comment tronquer, translater, tourner, étirer, comprimer etc. puis recombiner les solutions, peut parfois permettre de contourner le problème qui se pose lorsque cette épaisseur de Kolmogorov n’est pas petite. Nous évoquerons aussi le besoin de méthodes de stabilisation sur-mesure pour le cadre réduit. / Model reduction methods provide a general framework for substantially reducing computational costs of numerical simulations. In this thesis, we propose to extend the scope of these methods. The common point of the topics discussed here is the attempt to go beyond the standard linear "reduced basis" framework, which only deals with cases where the solution manifold have a small Kolmogorov width. We shall see how truncate, translate, rotate, stretch, compress etc. and then recombine the solutions, can sometimes help to overcome the problem when this Kolmogorov width is not small. We will also discuss the need for tailor-made stabilisation methods for the reduced frame.

Les évènements météoriques constituent une source d’importance fondamentale pour la sismologie planétaire, étant donné que leur localisation, et dans certains cas, leur temps d’origine peuvent être déterminés précisément par des orbiteurs. Cette importance augmente encore dans le cas d’une expérimentation à 1 seul sismomètre, comme dans le cas de SEIS (Seismic Experimentof Interior Structure) de la mission actuelle InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport). En effet, la localisation précise permet de réaliser une inversion directe des temps de propagation différentiels et des formes d’ondes pour la détermination de la structure interne. Les impacts de météorites génèrent des ondes de volume et de surface lors de leur arrivée à la surface d’une planète. Quand ils explosent dans l’atmosphère, ils produisent des ondes de chocs qui sont converties en ondes linéaires, sismiques pour la partie solide, et acoustiques pour la partie atmosphérique. Ce phénomène peut être modélisé par l’amplitude de l’excitation de modes sphéroïdaux, dû aux effets de couplage entre l’atmosphère et le sol. Ce manuscrit de thèse est consacré à l’investigation et la modélisation des ondes de Rayleigh générées par des météores. Un rappel général des avancées en sciences planétaires est d’abord fourni, avec un focus sur la sismologie planétaire et les études des sources sismiques atmosphériques. Ensuite, la théorie concernant les ondes de choc dans l’atmosphère et au sol est présentée plus en détails. Dans le cas de la formation d’une onde de choc dans l’atmosphère, l’effet de transition d’un régime de propagation non linéaire vers un régime linéaire est documenté pour le superbolide de Chelyabinsk. Pour la génération d’ondes dans la subsurface, un impact de météorite sur la lune est passé en revue, en utilisant des codes hydrodynamiques. Une analyse comparée de ces deux cas est réalisée de façon à présenter les processus de transition du régime de propagation. Une inversion de la source sismique du superbolide de Chelyabinsk est effectuée, de manière à examiner les propriétés de la source associée dans l’atmosphère terrestre. Nous avons développé une source multiple, composée d’une série de points source consécutifs, basé sur une trajectoire fournie. Les calculs des sismogrammes synthétiques des ondes de Rayleigh associées à l’événement sont réalisés par la sommation des modes propres du modèle de la partie solide et de la partie atmosphérique de la planète. A travers une technique d’inversion basée sur la décomposition des valeurs singulières et la méthode du moindre carré, nous fournissons des solutions pour la magnitude du moment. De plus, nous avons trouvé dans les données sismiques un effet Doppler, associée à la directivité de la source. En plus, nous avons réalisé des modélisations 3-D basées sur la méthode des éléments spectraux dans le cas d’un modèle solide uniquement, de façon à comprendre les effets des caractéristiques 3-D crustales, et surligner les différences avec une source inversée dans le sol par rapport à une source correctement positionnée dans l’atmosphère. Dans le cas de Mars, la sommation des modes propres est utilisée pour fournir les formes d’ondes associées aux impacts à la surface de la planète ou à basse altitude dans l’atmosphère martienne. Il est montré que la contribution du mode solide sphéroïdal fondamental domine les formes d’onde, par rapport aux deux premières harmoniques. La comparaison entre les amplitudes de sismogramme synthétiques de tailles différentes, montre que les petits impacteurs (diamètre de 0,5 mètre à 2 mètres) peuvent être détectés par les capteurs VBB de SEIS, seulement pour les hautes fréquences des ondes de Rayleigh, même pour des distances épicentrales très faibles. / Meteoric events constitute a source of paramount importance for Planetary Seismology, since their locations and, in some cases, their occurence times can be accurately known from orbiters, tracking or visual inspections. Their contribution is enhanced in the case of a seismic experi- ment with one seismometer, as the SEIS (Seismic Experiment of Interior Structure) of the im- minent Martian mission “InSight” (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport), as the known location allows a direct inversion of differential travel times and wave forms for structure identification. Meteor impacts generate body and surface waves when they reach the surface of a planet. When they explode into the atmosphere, they generate shock waves which are converted into linear, seismic waves in the solid part and acoustic waves in the atmosphere. This effect can be modeled as the amplitude of Rayleigh and other Spheroidal modes excitation, due to atmo- spheric/ground coupling effects. This PhD dissertation is focusing on the investigation and modeling of the meteor generated Rayleigh waves. A brief recall to the advance of planetary science with focus on planetary seismology and the study of atmospheric seismic sources is presented. Thereafter, the theory concerning the shock waves in the atmosphere and in the ground is presented in further detail. In the case of shock wave generation in the atmosphere, the effect of transition from a highly nonlinear propagation regime to the linear one is presented for Chelyabinsk superbolide. In the case of the generation in the subsurface, a meteor impact on the Moon is investigated, using hydrodynamic codes. A comparative analysis of both cases is performed in order to present the transition processes of the propagation regime. An inversion of the seismic source of Chelyabinsk superbolide is performed, in order to examine the properties of the associated source in Earth’s atmosphere. We develop a line source, made of a series of consecutive point sources, based on a provided trajectory. The calculation of synthetic seismograms of Rayleigh waves associated to the event is performed by the summation of normal modes of a model for the solid part and the atmosphere of the planet. Through an inversion technique based on singular value decomposition and least square method, solutions for the moment magnitude are provided. Moreover we found in the seismic data a Doppler effect, associated with the directivity of the source. In addition, we perform 3D modeling based on spectral element method in a purely solid model, to assess the effects of 3D crustal features and highlight differences with a source inverted in the ground versus on a source correctly positioned in the atmosphere. In the case of Mars, normal mode summation is used in order to provide waveforms asso- ciated to impacts on the planetary surface or in low altitudes in the martian atmosphere. It is shown that the contribution of the fundamental spheroidal solid mode is dominating the wave- forms, compared to the one of the first two overtones. The comparison between the amplitudes of synthetic seismograms of different size, show that small impactors (diameter of 0.5 to 2 meters) can be detected by the SEIS VBB seismometer of InSight mission, only in the higher frequencies of Rayleigh waves, even for short epicentral distances. An analysis based on im- pact rate estimations enables to calculate the number of detectable events of meteor impacts for projectiles with diameter greater than 1 meter and it leads to the conclusion of 6.7 to 13.4 detectable impacts during a Mars year, the nominal operational period of InSight mission. Finally, an analysis on the ground characteristics of a shallow low velocity zone under InSight landing site is presented. Through an investigation by classical test of geomechanics, it is shown that this zone is supposed to affect the quality of seismic signals.

Le travail présenté ici repose sur l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels et sur la mise en place des outils théoriques correspondants. La spécificité de notre travail repose sur deux aspects. Premièrement, nous avons eu recours à un programme général d'étude de multicouches, éventuellement rugueuses ou percées de trous, reposant sur une méthode de modes couplés et l'utilisation du formalisme de la matrice S. A partir de ce programme, nous avons cherché à obtenir un certain nombre de paramètres pertinents dans l'étude des systèmes optiques. Ces paramètres correspondent au calcul des coefficients de transmission et réflexion, dont on peut déduire les pertes en énergie. De plus, nous avons développé le calcul de cartes du champ proche et du champ dans le volume du système étudié, avec la possibilité, dans le cadre d'un problème de diffraction, de sélectionner certains ordres et certaines polarisations particulières. On peut y ajouter également la détermination, par l'étude directe des propriétés de la matrice S (entre autre de ses pôles), des modes propres du système étudié. Deuxièmement, le début de ce travail a coïncidé avec la publication en 1998 de résultats concernant l'étude expérimentale de cristaux photoniques bidimensionnels constitués d'une couche métallique percée de trous sublongueurs d'onde répartis selon un réseau à deux dimensions et déposée sur un substrat diélectrique. Aussi, nous avons tourné l'essentiel de notre travail vers l'analyse de ces expériences. Nous avons montré que, dans le cadre de ces expériences, la notion de modes propres associés à un système donné revêt un intérêt crucial. Plus particulièrement, nous avons soulevé l'importance de l'analyse des anomalies de Wood résonantes dans l'interprétation de ces expériences.

Avec l'évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d'intégration et d'utilisation à moindre coût énergétique, l'étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d'objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d'approfondir nos connaissances de l'interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d'expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d'étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l'interaction lumière-matière au sein d'objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilisé. La seconde partie est dédiée à l'étude de l'interaction d'une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l'étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l'obtention d'un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L'étude complète des modes propres et de l'excitation optique de cette structure a permis de connaître avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l'étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l'analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter.

Les jets annulaires turbulents sont des écoulements soumis à de fortes instabilités qui peuvent devenir un handicap pour certaines applications industrielles (procédés de fibrage du verre, ventilation individuelle, ventilation opérationnelle, brûleurs, neige de culture ...). Ces écoulements particuliers de jets axisymétriques sont complexes puisqu'ils regroupent des phénomènes de sillage et de mélange. L'objectif de cette étude est de déterminer des méthodes de contrôle de la zone initiale des jets annulaires d'air de très grand rapport de diamètres (r=0,91), pour des nombres de Reynolds élevés (Ree=5130, Ree=2565, Ree=1368, e étant l'épaisseur de l'anneau de jet de 2,565mm), afin de répondre aux attentes des industriels mais aussi de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans la formation de l'écoulement. Deux méthodes ont été étudiées. Une voie de contrôle passif par modification de géométrie de l'obstacle central a permis d'agir sur le sillage et de modifier la morphologie du jet. Les jets annulaires basique, conique et sphéroïdal ont été comparés pour obtenir des jets plus efficaces pour certaines applications. Un contrôle actif par forçage acoustique a été appliqué au jet annulaire basique afin de réduire le battement du jet autour de son axe sans modifier la géométrie de la buse. Différents paramètres de forçage (fréquence, position de l'excitation, phase de l'onde) ont été observés pour déterminer une configuration efficace de contrôle des instabilités de l'écoulement. Les méthodes de diagnostic utilisées sont intrusives (anémométrie par fil chaud) ou non intrusives (Tomographie rapide, Vélocimétrie par Images de Particules, Anémométrie Doppler Laser 2D et 3D) et sont complétées par un post-traitement de Décomposition Orthogonales en Modes Propres (P.O.D.) pour analyser les structures cohérentes de l'écoulement et déterminer l'influence du contrôle passif ou actif sur ces structures de différentes échelles. Une Simulation Numérique Directe (D.N.S.) est enfin proposée pour modéliser le contrôle passif des écoulements de jets annulaires turbulents de très grands rapports de diamètres.

Ce travail de recherche traite du couplage entre un liquide incompressible, irrotationnel et son contenant : une structure élastique. Cette interaction fluide-structure est traitée dans le cadre des petites déformations autour d'un état d'équilibre.Dans un premier temps, on présente une méthode d'introduction des sources dissipatives visqueuses dans le liquide à partir des équations du système couplé conservatif en s'appuyant sur une approche de type fluide potentiel généralement utilisée pour traiter les problèmes de couplage fluide-structure linéarisés non amortis. Un modèle d'amortissement diagonal est alors choisi pour le liquide et les effets dissipatifs de celui-ci sont pris en compte en calculant les coefficients d'amortissement modaux. Seuls les effets dissipatifs liées à la viscosité du liquide sont alors pris en compte. Le système couplé dissipatif obtenu possède une matrice d'amortissement non symétrique. Une résolution de ce système à amortissement non classique est alors présentée et les expressions des réponses fréquentielle et temporelle linéarisées sont données pour différents types d'excitations.Dans un deuxième temps, le liquide est supposé non visqueux et les forces de tension surfacique sont prises en compte. Cette configuration concerne principalement les satellites où le système couplé est en situation de microgravité. Une formulation du problème conservatif permettant de prendre en compte l'incompressibilité du fluide, la condition de continuité à l'interface fluide structure, les effets de capillarité du fluide ainsi que les effets éventuels de précontraintes statiques est alors établie. On se propose pour cela d'utiliser une méthode énergétique via le Principe de Moindre Action. La démarche est alors décomposée en deux étapes : une étude statique afin de déterminer la position de référence, puis une étude dynamique linéarisée autour de cette position d'équilibre. Cette formulation forme notamment une base pour l'introduction des sources dissipatives liées aux effets de capillarité via la méthode précédemment introduite.