L'ecoulement de Hiemenz balaye lateralement est un modele fidele de l'ecoulement sur le bord d'attaque d'une aile en fleche. Pour des angles de fleche importants l'ecoulement de Hiemenz balaye lateralement est instable pour des perturbations de Gortler-Hammerlin (GH), qui sont de nature essentiellement bi-dimensionnelle. Obrist et Schmid (2003) ont montre que, meme a des angles de fleche moderes auxquels l'ecoulement est lineairement stable, des perturbations GH peuvent etre amplifiees considerablement sur un intervalle de temps court. Le but de cette these est de quantifier les phenomenes de croissance transitoire dans l'ecoulement de Hiemenz balaye et d'etudier les mecanismes physiques sous-jacents. Le modele de perturbations GH est utilise pour la mise au point et la validation d'un algorithme d'optimisation de type gradient. Des amplifications temporelles de trois ordres de grandeur ont ete observees pour des perturbations GH, dont l'origine physique est un analogue du mecanisme bidimensionnel d'Orr, connu pour les ecoulements cisailles bidimensionnels. L'amplification optimale de perturbations temporelles a ete observee pour des tourbillons contra-rotatifs paralleles a la ligne d'arret, qui ne sat-isfont pas l'hypothese de Gortler-Hammerlin; le mecanisme d'amplification est alors semblable au mecanisme classique de 'lift-up'. La croissance transitoire spatiale le long du bord d'attaque a aussi fait l'objet d'une etude. Il a ete montre que les perturbations spatiales optimales, leur taux d'amplification et le mecanisme physique responsable sont etroitement lies aux phenomenes de croissance transitoire induits par le mecanisme de lift-up dans une couche limite bidimensionnelle de Blasius.

L’objectif de cette thèse est d’analyser le développement des instabilités secondaires bidimensionnelles et tridimensionnelles dans les couches de mélange à densité variable, incompressibles et à nombre de Froude infini. Dans ces conditions, la présence d’inhomogénéités de masse volumique modifie sensiblement la dynamique rotationnelle de l’écoulement et celle des instabilités secondaires sous l’action du couple barocline. Une analyse de stabilité linéaire non-modale est mise en oeuvre pour identifier les mécanismes physiques de croissance transitoire. Cette analyse permet également de prendre en compte le caractère instationnaire de la couche de mélange, absent dans l’analyse modale quasi-statique de Fontane (2005). Après établissement des équations de Navier–Stokes linéarisées directes et adjointes à densité variable, celles-ci sont utilisées dans une méthode d’optimisation itérative qui permet de déterminer les perturbations à croissance énergétique maximale. La première partie consiste en la description des perturbations optimales pour une couche de mélange homogène. Aux temps courts, lorsque la couche de mélange est quasi-parallèle, les perturbations optimales présentent de fortes amplifications transitoires, dont l’origine physique est due à la synergie des mécanismes classiques de Orr et de lift-up. Puis lorsque la couche s’enroule pour former un tourbillon de Kelvin–Helmholtz, les perturbations évoluent vers les instabilités tridimensionnelles elliptiques ou hyperboliques, selon le nombre d’onde latéral. Dans la deuxième partie, l’analyse est étendue aux couches de mélange à densité variable. Pendant la phase initiale de développement des perturbations optimales, les inhomogénéïtés de masse volumique ont une influence minime sur la croissance des perturbations. Ce n’est qu’une fois la couche de mélange enroulée que les effets de densité deviennent actifs, entraînant un supplément d’amplification significatif par rapport à la situation homogène. En particulier, le couple barocline favorise le développement des perturbations du côté du fluide léger du rouleau de Kelvin–Helmholtz. Enfin, lorsque le temps d’injection des perturbations est suffisamment retardé, la vorticité produite par le couple barocline favorise le développement d’une instabilité bidimensionnelle du type Kelvin-Helmholtz identifiée par Reinaud et al. (2000). / The purpose of this thesis is to analyse the development of two-dimensional and three-dimensional secondary instabilities in incompressible variable-density mixing layers, in the limit of infinite Froude number. Under these conditions, mass inhomogeneities alter significantly the rotational dynamics of the flow under the action of the baroclinic torque. A nonmodal stability analysis is implemented to identify the physical mechanisms of transient growth. This analysis allows to take into account the unsteady natureof the flow, which was absent in the quasi-static modal analysis (Fontane, 2005). After establishing of the direct and adjoint linearised Navier-Stokes equations for variable-density flows, they are used in an iterative optimization method to determine the perturbations that maximize their energy. The optimal perturbations are first obtained for a homogeneous time-evolving mixing layer. For times short enough, when the time-evolving mixing layer is almost parallel, optimal perturbations exhibit the largest transient growth. These amplifications arise from the synergy between the well-known Orr and liftup mechanisms. Once the mixing layer rolls up into a Kelvin–Helmholtz billow, the disturbances trigger the three-dimensional elliptical and hyperbolic instabilities. The analysis is then extended to variable-density mixing layers. During the initial development of optimal perturbations, mass inhomogeneities have no influence over the perturbations growth. Once the mixing layer has rolled up, the variable-density effects contribute significantly to the increase of the perturbation energy. In particular, the baroclinic torque enhances the development of perturbations in the light side of the Kelvin–Helmholtz billow. Finally, when the injection time of perturbations is delayed long enough, the baroclinic vorticity generation on the light side of the Kelvin–Helmholtz billow triggers a two-dimensional secondary Kelvin–Helmholtz instability, which has been identified by Reinaud et al. (2000).

Le contrôle des tourbillons de sillages d'aéronefs permet de réduire leur dangerosité et d'augmenter par conséquent le débit de décollages et d'atterrissages dans les aéroports. Ce contrôle permettrait également d'agir sur la formation des rainées de condensation et des cirrus artificiels en haute atmosphère dans le but de réduire le forçage radiatif terrestre causé par l'aviation. Brion (2014) ont montré par analyse de stabilité modale que le dipôle de Lamb-Chaplygin, souvent utilisé comme un modèle représentatif des tourbillons de sillage en champ lointain, est bidimensionnellement instable à des nombres de Reynolds faibles. Nous étendons premièrement cette analyse de stabilité modale bidimensionnelle à des modèles de dipôles plus réalistes, pour une large gamme de rapport d'aspect, et obtenons, à faibles nombre de Reynolds, des instabilités de même nature (modes de déplacement) que pour le dipôle de Lamb-Chaplygin. Nous montrons cependant que la croissance des instabilités observées dépend fortement du rapport d'aspect du dipôle, et que cette croissance est fortement diminuée lorsque la diffusion du dipôle est prise en compte. Nous étudions ensuite la stabilité bidimensionnelle transitoire en champ lointain (dipôles) et en champ proche (nappes de vorticité), en atmosphères homogène et stratifiée. Dans tous les cas, les perturbations optimales sont des spirales de vorticité orientées à contre-cisaillement et situées en périphérie des tourbillons, qui conduisent in fine aux instabilités écrites par l'analyse modale grâce à un mécanisme de contamination du cœur des tourbillons, initialement identifié par Antkowiak & Brancher 2004 sur un tourbillon isolé. / Aircraft wake vortex control allows for reducing of their dangerousness and consequently improve airport take-off / landing requencies. Contrails and artificial cirrus clouds formation could also be influenced through this control of wake vortices and allow for reducing of terrestrial radiative forcing generated by aviation. Brion (2014) have shown by a modal stability analysis that the Lamb-Chaplygin dipole, often used as a far-field model for aircraft wake vortices, is unstable to two-dimensional perturbations at Iow Reynolds numbers. We first extend this twodimensional modal stability analysis to more realistic dipole models, for a Wide range of aspect ratios, and obtain, for Iow Reynolds numbers, instabilities of the same nature (displacement modes) as for the Lamb-Chaplygin dipole. However, we show that the growth of those modes depends greatly on the dipole aspect ratio, and that this growth is greatly diminished hen the dipole diffusion is taken into account. We then study two-dimensional transient growth for far-field models (dipoles) and near-field models (vorticity sheets), in homogeneous and stratified atmospheres. ln all cases, optimal perturbations are vorticity spirals oriented against shear and located at the periphery of the vortices, which eventually lead to development of the instabilities described in the modal analysis through a contamination mechanism of the vortex cores, initially identified by Antkowiak & Brancher (2004) for an isolated vortex.