Ce manuscrit traite de la caractérisation numérique et expérimentale du comportement d'hydroliennes. D'un point de vue expérimental, des essais ont été réalisés au bassin à houle et courant de l'IFREMER de Boulolgne-Sur-Mer, sur des maquettes d'hydroliennes tri-pales à axe horizontal. Des configurations comprenant une seule hydrolienne, d'une part, et deux hydroliennes alignées avec l'écoulement, d'autre part, ont été considérées pour une large gamme de TSR et, le cas échéant, de distances inter-hydroliennes. Le comportement des hydroliennes est analysé à la fois en termes de performances (coefficients de puissance et de traînée) et de développement du sillage. Les effets du taux de turbulence ambiante sont également examinés. Par ailleurs, des simulations numériques, obtenues à l'aide d'un code tridimensionnel instationnaire, fondé sur la méthode Vortex particulaire et développé au LOMC (UMR 6294, CNRS - Université du Havre) en partenariat avec l'IFREMER, sont présentées. Le code de calcul permet également d'étudier les performances et le sillage d'une hydrolienne. Ce dernier a été complètement réécrit dans le cadre de cette thèse et le support théorique et technique des différents aspects du code est fourni dans ce manuscrit, où la méthode Vortex telle qu'elle est utilisée dans le code est exposée en détail.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la réduction de traînée par injection de bulles. Le contexte de l'étude est lié à la propulsion navale. Les bulles peuvent, lorsqu'elles sont injectées dans la couche limite en développement le long des carènes de navires, contribuer à réduire significativement la résistance de frottement, en allégeant d'une part le fluide le long de la coque et d'autre part en interagissant avec les structures turbulentes de proche paroi. La configuration expérimentale retenue pour cette étude est l'écoulement de Taylor-Couette, avec cylindre extérieur fixe et injection de bulles calibrées. Nos investigations portent sur les régimes de transition, de turbulence naissante et turbulent avec persistance des cellules de Taylor (Re=20000). La taille des bulles varie avec le capillaire et le mélange utilisés, entre 0,05 et 0,12 fois la largeur de l'entrefer. Une méthode originale de suivi de la phase dispersée dans un plan méridien, couplée à des mesures de couple global appliqué au cylindre intérieur ont permis de mettre en évidence deux régimes de réduction de traînée et plusieurs types d'arrangements des bulles, en fonction de leur taille et du nombre de Reynolds. Les bulles peuvent avoir une trajectoire glissante, oscillante, être capturées par les cellules de Taylor ou en proche paroi du cylindre intérieur dans les zones de jets sortants. La caractérisation par PIV des vitesses de la phase liquide en monophasique et diphasique a permis d'étudier les modifications induites par les bulles sur la phase liquide et de discuter des mécanismes impliqués dans la modification du couple global par la présence des bulles. Il ressort de cette étude que pour les nombres de Reynolds en deçà de la capture, les bulles contribuent à stabiliser l'écoulement en accord avec une réduction du couple visqueux pouvant atteindre -30% pour des taux de vide très faible (< 1%). Pour des nombres de Reynolds plus élevés, la capture dans les cellules conduit à une réduction de la longueur d'onde axiale et une augmentation de la vorticité des cellules, associée à une augmentation des vitesses rms. Cette configuration est favorable à une augmentation du couple visqueux. A l'inverse, la capture des bulles dans le jet sortant conduit à une augmentation de la longueur d'onde axiale, associée à une diminution de la vorticité. Cette configuration est favorable à une réduction du couple visqueux, moins marquée qu'en absence de capture.

Cette travail de thèse est lié au besoin de modélisation des écoulements diphasiques en générateurs de vapeur (entrée liquide et sortie vapeur). La démarche proposée consiste à faire le choix d'une modélisation hybride de l'écoulement, en scindant la phase gaz en deux champs, modélisés de manières différentes. Ainsi, les petites bulles sphériques sont modélisées avec une approche dispersée classique avec le modèle eulérien à deux fluides, et les bulles déformées sont simulées à l'aide d'une méthode de localisation d'interface. Le travail effectué porte sur la mise en place, la vérification et la validation du modèle dédié aux larges bulles déformées, ainsi que le couplage entre les deux approches pour le gaz gaz, permettant des premiers calculs de démonstration utilisant l'approche hybride complète.

Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d'usinage. Aujourd'hui, les perspectives d'améliorations importantes sont liées à l'optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L'objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d'usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d'une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d'usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l'interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d'usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L'implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d'usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu'au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d'usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L'interpolation de la trajectoire d'usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l'usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d'amélioration du processus de fabrication.

Les problèmes de machines tournantes présentant un contact rotor-stator sont généralement traités dans la littérature à partir de modèles localement 1D. Ceci conduit à un temps de simulation acceptable, mais les approximations correspondantes sont difficiles à évaluer. Or le contact est limité en espace et en temps, il peut donc en être de même pour l'utilisation d'une modélisation 3D. Une stratégie, nommée bascule, permettant d'utiliser un modèle poutre et un autre 3D (ou un modèle mixte poutre-3D), pendant deux phases différentes de la même simulation, est donc développée. Elle est mise en oeuvre de façon non-intrusive, en dynamique transitoire, pour des systèmes présentant ou non une rotation d'ensemble, avec une résolution par intégration temporelle implicite. La bascule est validée par comparaison avec une solution 3D de référence obtenue en effectuant la simulation entière sur le modèle 3D. On analyse ensuite, sur des problèmes de contact rotor-stator, les résultats des modèles 1D et 3D, dans différentes situations de contact plus ou moins sévères. Les vibrations du rotor sont dues à un balourd et sa vitesse de rotation est imposée constante. Il apparaît que les écarts entre les résultats des modèles 1D et 3D sont peu visibles sur les orbites du rotor. En revanche les limitations du modèle 1D sont mises en évidence. En effet, l'hypothèse de section rigide du rotor entraine des approximations dans la distribution spatiale et l'intensité des efforts de contact. La modélisation 3D en revanche permet de représenter certains effets locaux au voisinage de la zone de contact.

La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en terme de performance présentés dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution. Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches.

Le mécanisme de la touche de piano à queue sert à propulser le marteau vers les cordes. Ce mécanisme permet au pianiste de contrôler avec précision la vitesse et l'instant d'impact du marteau sur la corde. Il est raisonnable de penser que c'est le comportement dynamique de la touche qui permet cette contrôlabilité. Avec pour perspective l'amélioration du rendu haptique des claviers numériques, cette thèse propose une méthode de simulation d'un modèle complet du mécanisme. Le son généré par la vibration qui suit l'impact du marteau sur les cordes n'entre pas dans le cadre de l'analyse. Des modèles du mécanisme comportant plusieurs degrés de liberté, des frottements et des contacts intermittents, ont été proposés depuis une quinzaine d'années. Notre approche se distingue de celles suivies jusqu'ici par un changement du point de vue adopté pour valider et pour simuler le modèle. En se fondant sur l'étude approfondie d'un modèle à un degré de liberté, il est en effet montré que la simulation d'un modèle dynamique complet doit se faire à l'aide d'un pilotage en déplacement, tandis que les travaux récents et anciens présentent des simulations pilotées en force. Une analyse des problèmes numériques liés aux discontinuités de vitesses survenant au sein du mécanisme durant l'enfoncement de la touche est présentée. Ils sont résolus par des méthodes de dynamique non-régulière implémentées dans le logiciel XDE. Les résultats sont présentés sous forme de comparaison avec les mesures expérimentales. La plupart des irrégularités des forces mesurées se retrouvent dans les forces simulées, en jeu piano comme en jeu forte. Les simulations rendent également bien compte de la cinématique de chaque élément du mécanisme. Une analyse de sensibilité du comportement dynamique aux paramètres du modèle est enfin exposée.

La lévitation acoustique par des ondes stationnaires ultrasonores (USW), permettent la manipulation des objets micrométriques. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer les possibilités offertes par la lévitation acoustique pour manipuler des particules, des cellules et même des bactéries. Nous avons conçu et construit tous les résonateurs et nous avons développé les méthodologies que nous allons montrer dans ce travail expérimental. Selon la nature des particules, leur déplacement est donné par son interaction avec la force acoustique primaire. La position où les particules se déplacent est le point dont les forces acoustique et gravitationnel sont équilibrées. Dans le plan de lévitation, les interactions connues comme force secondaire de Bjerknes est la première étape du processus d'agrégation. Nous présentons une méthodologie pour mesurer cette force. Nous avons mesuré cette force en conditions de micropesanteur. Dans nous résonateurs, nous travaillons avec un grand nombre des particules dont les agrégats sont 3D. Nous introduisons le mode acoustique pulsé que nous permet générer des agrégats 2D. Lorsque les particules deviennent plus petites de 1µm, sa manipulation est difficile en raison de l'influence de l'acoustic streaming qui modifie le comportement des particules. Le mode acoustique pulsé permet de réduire ou de contrôler l'acoustic streaming que nous permet manipuler des particules de taille submicronique, des bactéries et des micro-cylindres catalytiques. Une séparation a été faite par un mélange des particules de 7-12µm dans le dispositif s-SPLITT. Néanmoins la combinaison de forces hydrodynamique et acoustique (HACS) a permis améliorer la séparation.

Les vibrations induites par vortex (VIV) d'un solide immergé interagissant fortement avec son sillage sont des oscillations auto-entretenues. Les VIV peuvent atteindre des amplitudes significatives lorsque la fréquence du détachement tourbillonnaire est proche d'une des fréquences propres de la dynamique du solide, et constituent donc un mécanisme d'interactions fluide/structure intéressant pour extraire de l'énergie d'un écoulement. Les VIV de structures flexibles sont par conséquent analysées dans cette thèse à la fois numériquement, grâce au concept d'oscillateur de sillage, et expérimentalement. Nous démontrons ainsi qu'il est possible d'extraire efficacement de l'énergie d'un écoulement grâce aux VIV d'un câble. Nous prouvons également que la flexibilité de la structure lui permet d'adapter sa dynamique aux sollicitations fluctuantes du sillage pour extraire efficacement de l'énergie de l'écoulement, grâce à (i) l'excitation de ses différents modes de vibrations, dans le cas d'un câble tendu équipé de récupérateurs d'énergie périodiquement distribués, chapitre 2, ou (ii) l'apparition d'ondes progressives de VIV transportant l'énergie lorsque l'on considère un câble suspendu par un unique récupérateur d'énergie, chapitre 3.

On s'intéresse dans ce travail à l'aspect tridimensionnel (3D) de la propagation sonore en milieux océaniques petits fonds dans le cadre des problèmes inverses. Les problèmes inverses en acoustique sous-marine se basent sur la modélisation bidimensionnelle (2D) de la propagation, ignorant ainsi les effets de réfraction horizontale, qualifiés d'effets 3D. Toutefois, la propagation acoustique en environnements petits fonds, tels le plateau continental, peut être affectée par des effets 3D, leur prise en compte nécessitant l'utilisation de modèles pleinement 3D. Une inversion basée sur un modèle 3D devient inabordable pour plus de deux paramètres à la fois en raison de temps CPU particulièrement élevés. L'objectif de ce travail est d'examiner l'importance des effets 3D sur la performance et la fiabilité des procédures d'inversion habituellement utilisées dans les problèmes de l'acoustique sous-marine. Pour cela, on se place dans un guide d'onde océanique à géométrie inclinée. Des expérimentations à échelle réduite sont menées afin d'identifier et d'interpréter les effets 3D. Une procédure d'inversion par champs d'onde adaptés, formulée dans un cadre Bayesien et basée sur la recherche exhaustive dans l'espace des paramètres, est élaborée. L'inversion s'effectue en comparant des données basse fréquence du champ acoustique, recueillies le long d'antennes linéaires verticales ou horizontales, aux répliques générées par des modèles d'équation parabolique 2D et 3D. Les paramètres importants sont identifiés au moyen d'une étude de sensibilité de la fonction de coût. Dans une étape préliminaire, la performance de l'inversion est étudiée, sur données synthétiques bruitées, dans un cas simple permettant l'utilisation de modèles 2D. Une stratégied'inversion en sous-espaces résultant en une réduction importante des temps CPU pour l'inversion, est examinée. L'inversion est ensuite abordée en présence d'un fond incliné. La possibilité et les limites d'une inversion basée sur un modèle 2D sont explorées. Cette approche, mise en œuvre sur données synthétiques, met en évidence la pertinence de l'utilisation de modèles 2D en champ relativement proche. Une inversion basée sur un modèle 3D n'étant alors nécessaire que pour la pente, des temps CPU raisonnables sont ainsi réalisés. En revanche, en champ lointain, nous sommes confrontés à un risque potentiel d'estimation erronée et le recours à une modélisation 3D devient nécessaire.