Résumé : La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant. La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents. La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure. __________________________________________________________________________________ Abstract : A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them. The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different. The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.

Face à la vitesse des échanges et transformations qui semblent redéfinir l’ensemble de pratiques et valeurs qui font au rapport société/espace, la dimension historique acquérir des nouvelles relevances et comme référence identitaire/patrimoniale et comme indicateur d’une cohérence territoriale, supposée ou souhaitée. Le recours à l’histoire constitue une des stratégies courantes qui visent la mise en évidence des particularités qui font à l’originalité de chaque territoire dans le concert mondial. Le risque de cette approche est celle d’une lecture partielle et narcissiste qui réduit l’histoire de nos territoires à des clichés échangeables. Pourtant, si on l’envisage autrement cette tendance peut ouvrir les portes à la problématisation des processus actuels en reconnaissant le rôle dynamique de l’histoire dans la construction des territoires. Ainsi étant, la question n’est pas l’exaltation de certains valeurs mais la reconnaissance de l’épaisseur historique, des valeurs historiques/identitaires que définissent la particularité des territoires et qui pourraient être mobilisées autour des nouveaux projets de territoire. Dans cet esprit, notre recherche vise à contribuer à la compréhension du processus de construction territorial de la micro région des vallées inter andins –Totora et Pocona- du département de Cochabamba, en Bolivie. Un territoire rurale qui historiquement à joué un rôle importante à niveau régional –lié notamment à la production de la feuille de coca- et qu’à présent traverse une situation de crise. Ce qu’on propose est la reconstruction des processus qui ont caractérisée chaque période de l’histoire micro régionale et que, en tant que rugosités ou inerties dynamiques, s’articulent dans la construction actuelle et projectuelle de ce territoire. Il s’agit, d’un côté, de mettre en évidence l’épaisseur historique/territorial en fonction de l‘interpellation aux dynamiques actuelles où la problématique patrimoniale/identitaire semble redéfinir les rapports avec l’histoire et le territoire ; et de générer une autre vision qui permette de repenser la pratique de la planification et l’aménagement territorial. Contribuant ainsi à la génération de nouveaux projets de territoire, cohérents avec les particularités locales, les principes d’articulation solidaire et ceux d’un développement centré dans les gens et la communauté.

Il existe trop d'exemples autour de nous qui prouvent qu'en hydrodynamique une surface polie ne présente pas systématiquement les avantages hydrodynamiques escomptés sur une surface rugueuse. Les rugosités influent activement sur le développement des couches limites turbulentes et interagissent différemment en fonction de leurs caractéristiques physiques. Plongé dans un écoulement hydraulique à nombre de Reynolds élevé, les aubes ou pales d'hélices déclenchent localement un phénomène physique, appelé cavitation, qui correspond à l'apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Dans le cadre de cette thèse, les expérimentations sont menées dans un tunnel de cavitation, de plus des mesures par LDV ont été réalisées de sorte à définir le profil du vecteur vitesse de l'écoulement dans le sens longitudinal. Une caméra CCD à très grande vitesse permet la prise d'image sur la formation des poches et nuages de cavitation. Dans le cas de l'hydrofoil 2D, les expérimentations menées sur les différentes plaques partiellement rainurées ont mis en évidence le caractère hydrodynamique différent sur chacune d'entre elles, car la taille de poches cavitantes diffère en fonction des caractéristiques des indentations. Les résultats ont montré que la profondeur des indentations est un paramètre déterminant, alors que les plus petites profondeurs des rainures (plus petites que la hauteur de la sous-couche visqueuse) n'ont pas d'effet sur la longueur des poches cavitantes. Certaines plaques provoquent des variations sur les instabilités de cavitation pour lesquelles la longueur des poches cavitantes est réduite. L'étude de la fréquence d'expulsion des poches cavitantes, par le moyen de la caméra rapide a permis de mettre en évidence deux régimes de cavitation différents. Cette étude a démontré la faisabilité d'un contrôle passif de la cavitation sur un profil de venturi en modifiant l'état de surface par des indentations organisées dans le sens de l'écoulement.

Il existe trop d'exemples autour de nous qui prouvent qu'en hydrodynamique une surface polie ne présente pas systématiquement les avantages hydrodynamiques escomptés sur une surface rugueuse. Les rugosités influent activement sur le développement des couches limites turbulentes et interagissent différemment en fonction de leurs caractéristiques physiques. Plongé dans un écoulement hydraulique à nombre de Reynolds élevé, les aubes ou pales d'hélices déclenchent localement un phénomène physique, appelé cavitation, qui correspond à l'apparition de bulles de gaz et de vapeur dans un liquide soumis à une dépression. Dans le cadre de cette thèse, les expérimentations sont menées dans un tunnel de cavitation, de plus des mesures par LDV ont été réalisées de sorte à définir le profil du vecteur vitesse de l'écoulement dans le sens longitudinal. Une caméra CCD à très grande vitesse permet la prise d'image sur la formation des poches et nuages de cavitation. Dans le cas de l'hydrofoil 2D, les expérimentations menées sur les différentes plaques partiellement rainurées ont mis en évidence le caractère hydrodynamique différent sur chacune d'entre elles, car la taille de poches cavitantes diffère en fonction des caractéristiques des indentations. Les résultats ont montré que la profondeur des indentations est un paramètre déterminant, alors que les plus petites profondeurs des rainures (plus petites que la hauteur de la sous-couche visqueuse) n'ont pas d'effet sur la longueur des poches cavitantes. Certaines plaques provoquent des variations sur les instabilités de cavitation pour lesquelles la longueur des poches cavitantes est réduite. L'étude de la fréquence d'expulsion des poches cavitantes, par le moyen de la caméra rapide a permis de mettre en évidence deux régimes de cavitation différents. Cette étude a démontré la faisabilité d'un contrôle passif de la cavitation sur un profil de venturi en modifiant l'état de surface par des indentations organisées dans le sens de l'écoulement. / There are too many examples around us which prove that in hydrodynamics a polite surface does not present systematically the hydrodynamics advantages were expected on a rough surface. The roughness influence actively the development of the turbulent boundary layers and interact differently according to their physical characteristics. Plunged into a hydraulic flow to high number of Reynolds, blades of propellers activate locally a physical phenomenon, called cavitation, which corresponds to the appearance of bubbles of gas and vapor in a liquid submitted to a depression. Within the framework of this thesis, the experiments are led in a tunnel of cavitation, and measures by LDV were realized so as to define the profile of the speed vector of the flow in the longitudinal direction. A very high-speed camera CCD allows the taking of image on the formation of pockets and clouds of cavitation. In the case of the 2D hydrofoil, the experiments led on the various partially grooved patches highlighted the character hydrodynamics different on each of them, because the size of cavitants pockets differs according to the characteristics of the indentations. The results showed that the depth of the indentations is a determining parameter, while the smallest depths of grooves (smaller than the height of the viscous sublayer) have no effect on the length of cavitants pockets. Certain patches provoke variations on the instabilities of cavitation for which the length of cavitants pockets is reduced. The study of the frequency of detachment of cavitants pockets, by means of the fast camera allowed to highlight two regimes of different cavitation. This study demonstrated the feasibility of a passive control of the cavitation over a profile of venturi by modifying the state of surface by indentations organized in the direction of the flow.

Cette étude, en partenariat avec l'AFB (Agence Française pour la Biodiversité), a pour objectif decomprendre le devenir des sédiments qui ont été bloqués dans des barrages hydrauliques. Lorsdes « chasses » (lâchers massifs d’eau) réalisées pour assurer la continuité écologique des coursd'eau avec retenues, une certaine quantité de sédiments est relarguée en aval de la retenue, cessédiments sont ensuite transportés sur un fond de rugosités immobiles à différentes échelles(gravier, galets, rochers). L'objectif de cette thèse est donc d'étudier comment la présence degrains grossiers et immobiles peut avoir un effet sur les différentes échelles du transport desédiment. Au travers de trois études expérimentales en canaux hydrauliques à surface libre, danslesquelles les grains grossiers immobiles sont modélisés par une canopée d'hémisphèresrégulièrement espacés, différents impacts de la présence des rugosités immobiles sont mis enexergue. Une étude préliminaire a tout d'abord pour objectif de comprendre comment l'apparitiond'une rugosité isolée dans du sédiment a pour effet de modifier les conditions d’hydrodynamiquelocale à l’amont de cette rugosité, en particulier par la mise en place d'un système de tourbillon(tourbillon en fer à cheval) pouvant accentuer le taux d'érosion locale. Ce tourbillon, trèsdocumenté pour des rugosités à géométrie simple, demeure très peu étudié dans le casd'obstacle aux parois courbées de type grains de rivière. Cette étude montre alors que lesdimensions et l'intensité du tourbillon en fer à cheval sont plus faibles dans le cas d'un obstacleaux parois inclinées et courbées que dans le cas d'un obstacle aux parois normales au fond, cephénomène étant expliqué par la facilité du fluide à contourner et l'obstacle, et donc la diminutiondu gradient de pression adverse à l'amont de l'obstacle, responsable du décollement de la couchelimite incidente et de la formation du tourbillon en fer à cheval. Dans une seconde étude,l'hydrodynamique locale proche de sédiment placé dans un patch d'hémisphères est mesuré, pourdifférents niveaux de découvrement du patch et pour du sédiment collé au fond du canal. Ilapparaît qu'en fonction du découvrement ($P = k/R$ avec $k$ la hauteur découverte d'unerugosité et $R$ sa hauteur totale), de forte variations locales de contrainte et de niveaux deturbulence au fond se mettent en place, le sédiment étant soumis à des sur-contraintesimportantes à l'arrière des rugosités pour $P = 20\%$, mais protégés pour des découvrementsplus importants. Une analyse par quadrants montre alors que ce phénomène peut être expliquépar la capacité des événements turbulents instantanés de forte intensité à pénétrer entre leshémisphères pour atteindre le sédiment. Une troisième étude dans un canal aux dimensions plusimportantes consiste à analyser la déstabilisation d’un lit sédimentaire initialement plat etrecouvrant totalement une canopée d’hémisphères immobiles. En début de la déstabilisation du lit,des dunes se forment et croissent, jusqu'à ce que leur volume devienne limité par l'apport initial desédiment. Des zones érodées apparaissent alors entre ces dunes, dans lesquelles on observe dusédiment protégé entre les hémisphères immobiles. Il apparaît alors que cette protection estdépendante de la dimension des zones érodées. Sur les temps longs et après évacuation desdunes en aval du canal, l'effet de protection des hémisphères immobiles sur le sédiment est misen avant, avec en particulier l'obtention d'une forte dépendance du taux d'érosion des grains enfonction du niveau de découvrement des hémisphères, un ralentissement soudain de l'érosionétant obtenu pour $P \sim 50 %. Ce changement de régime est expliqué en lien avec les résultatsde l’étude précédente sur les groupes d’hémisphères.

Prévoir la transition laminaire-turbulent de la couche limite sur l'avant-corps d'un véhicule hypersonique est importantpour optimiser l'entrée d'air du superstatoréacteur qui lui est associé, mais reste très difficile après un demi-siècle derecherches intensives sur le sujet. Dans ce travail, les approches numériques et expérimentales sont mises en oeuvre etcomparées. Expérimentalement, la transition naturelle est détectée à Mach 4 et Mach 6 dans la soufflerie continue T-313de l'ITAM à Novossibirsk à l'aide de mesures de pression Pitot. Dans une autre soufflerie de l'ITAM, la AT-303 à rafale,on a détecté la transition naturelle à Mach 6 et la transition déclenchée par rugosités à Mach 8 à l'aide d'un procédéoptique basé sur l'emploi de peintures thermosensibles. Ces essais ont été réalisés sur maquette à échelle 1/3. Toutesles rugosités testées se sont montrées efficaces. La prévision théorique de la transition naturelle a été réalisée au moyende la théorie de la stabilité linéaire locale modale couplée à la méthode du eN. En vol, sur avant-corps à échelle 1, lesfacteurs N atteignent difficilement 8 à 9, ce qui est insuffisant pour assurer la transition avec certitude. Pour appliquer laméthode aux essais au sol, on a besoin de connaître les facteurs N de transition des souffleries, ce qui est réalisé à partird'essais de calibration sur plaque plane dans T-313. Un excellent accord théorie/expérience est obtenu à Mach 4. AMach 6, on doit prendre en compte la présence d'instabilité ''crossflow'' inflexionnelle au nez de l'engin, moyennant quoil'accord est aussi très bon. Les calculs de stabilité ont été réalisés sur des solutions de base obtenues par simulationnumérique (CFD) des conditions de vol ou des essais au sol. Ces simulations ont également permis de bien comprendrela structure de l'écoulement autour de l'avant-corps et de concevoir en grande partie les moyens d'essai.

Prévoir la transition laminaire-turbulent de la couche limite sur l'avant-corps d'un véhicule hypersonique est importantpour optimiser l'entrée d'air du superstatoréacteur qui lui est associé, mais reste très difficile après un demi-siècle derecherches intensives sur le sujet. Dans ce travail, les approches numériques et expérimentales sont mises en oeuvre etcomparées. Expérimentalement, la transition naturelle est détectée à Mach 4 et Mach 6 dans la soufflerie continue T-313de l'ITAM à Novossibirsk à l'aide de mesures de pression Pitot. Dans une autre soufflerie de l'ITAM, la AT-303 à rafale,on a détecté la transition naturelle à Mach 6 et la transition déclenchée par rugosités à Mach 8 à l'aide d'un procédéoptique basé sur l'emploi de peintures thermosensibles. Ces essais ont été réalisés sur maquette à échelle 1/3. Toutesles rugosités testées se sont montrées efficaces. La prévision théorique de la transition naturelle a été réalisée au moyende la théorie de la stabilité linéaire locale modale couplée à la méthode du eN. En vol, sur avant-corps à échelle 1, lesfacteurs N atteignent difficilement 8 à 9, ce qui est insuffisant pour assurer la transition avec certitude. Pour appliquer laméthode aux essais au sol, on a besoin de connaître les facteurs N de transition des souffleries, ce qui est réalisé à partird'essais de calibration sur plaque plane dans T-313. Un excellent accord théorie/expérience est obtenu à Mach 4. AMach 6, on doit prendre en compte la présence d'instabilité ‘’crossflow’’ inflexionnelle au nez de l'engin, moyennant quoil'accord est aussi très bon. Les calculs de stabilité ont été réalisés sur des solutions de base obtenues par simulationnumérique (CFD) des conditions de vol ou des essais au sol. Ces simulations ont également permis de bien comprendrela structure de l'écoulement autour de l'avant-corps et de concevoir en grande partie les moyens d'essai. / The prediction of the laminar-turbulent transition in the boundary layer on a hypersonic vehicle forebody is important tooptimize the air inlet of the associated scramjet engine, but is still very difficult after half a century of intensive research onthe subject. In this work, numerical and experimental approaches are applied and compared. Experimentally, the naturaltransition is detected at Mach 4 and Mach 6 in the blow down wind tunnel T-313 in ITAM Novosibirsk using Pitot pressuremeasurements. In the impulse AT-303 wind tunnel in ITAM, the natural transition at Mach 6 and the roughness inducedtransition at Mach 8 are detected using an optical method based on thermosensitive paints. These tests have beenperformed on a 1/3 scale model. All the trips tested have shown their effectiveness. The theoretical prediction of thenatural transition has been performed using the local modal linear stability theory coupled with the eN method. In flight, onthe full scale forebody, N factors hardly reach 8 to 9, which is insufficient for the transition. To apply the method to groundtests, the wind tunnels transition N factors are needed. They are obtained from calibration tests on a flat plate in T-313. Avery good agreement with experiments is found at Mach 4. At Mach 6, the presence of inflexional crossflow instabilitynear the nose of the body must be taken into account, which gives also a good agreement. Stability calculations havebeen done for mean flow solutions obtained by numerical simulations (CFD) of flight or ground tests conditions. Thesesimulations have also helped to understand the structure of the flow around the forebody and to design efficiently theexperimental setup.

La connaissance du microclimat et de l'évapotranspiration ou flux de chaleur latente qui représente la consommation réelle en eau de la culture à l'échelle des parcelles agricoles est une donnée importante pour comprendre le développement des cultures. La plupart des modèles permettant d'estimer l'évapotranspiration sont utilisés sur des surfaces homogènes sans tenir compte des interactions surface - atmosphère et de la variabilité spatiale du domaine agricole. Nous avons utilisé un modèle de couche limite atmosphérique afin de prendre en compte ces interactions. Une approche dite " patchée " permet d'introduire la variabilité spatiale des surfaces dans le modèle à partir des diverses proportions et des caractéristiques des principaux couverts végétaux qui composent le paysage. Une méthode d'assimilation variationnelle a été implémentée afin d'estimer certains paramètres du modèle difficile à connaître précisément. La méthode est basée sur le calcul de l'adjoint du modèle et utilise une température de surface observée par télédétection. L'approche développée est comparée à des approches plus simples considérant chaque type de surface indépendamment, mettant en évidence le rôle de la prise en compte de la variabilité spatiale de la surface sur la simulation du microclimat et des flux de surface

Cette thèse est une partie du projet ONEMA pour le dimensionnement des passes à poissons et pour l’amélioration de la continuité écologique des cours d’eau. Ce travail s’est concentré sur les passes à poissons naturelles qui présentent des avantages de coût et paysager. Il s’agit d’un écoulement à forte pente autour des blocs (macro-rugosités) régulièrement repartis en quinconce avec des grands nombres de Froude. Les conditions hydrodynamiques sont alors très diverses, et peuvent être franchissables par un nombre élargi d’espèces de poisson. Ce mémoire présente les travaux réalisés à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Afin d’étudier l’écoulement dans ces passes, on va mener des expériences sur des canaux réduits ainsi que des simulations numériques à l’aide du modèle Telemac 2D. L’objectif est de mieux connaître la structure de l’écoulement en fonction des conditions hydrauliques et géométriques comme le nombre, la forme et la taille des macro-rugosités. Plus particulièrement, la compréhension de l’interaction de phénomènes physiques généralement étudiés séparément, tels que le passage en régime torrentiel, l’interaction de sillage ou l’écoulement autour de macro-rugosités, a été recherchée. Des relations hauteur-débit ont été établies permettant une aider au dimensionnement des passes naturelles. Elles fournissent des critères de franchissement comme les vitesses maximales, la puissance dissipée ou la hauteur d’eau minimale. Pour atteindre une description plus locale de l’écoulement, des mesures de Vélocimétrie Acoustiques Doppler ont été conduites. Elles ont aussi permis de définir la plage de validité du modèle numérique 2D (Telemac). Ce modèle a alors était utilisé pour extrapoler les critères de franchissement pour des configurations non testées expérimentalement. Finalement, les connaissances sur l’écoulement ont été synthétisées pour définir des préconisations générales de dimensionnement. La précision des relations établies en laboratoire a pu aussi être vérifiée sur des passes réelles. L’hydrodynamique de ces passes est maintenant suffisamment connue pour savoir si un poisson peut remonter le courant et se reposer. Il restera à s’assurer que leur attractivité soit bonne et que des phénomènes liés aux échelles de longueurs de la turbulence ne présentent un obstacle au franchissement. / This thesis is supported by an ONEMA project for the design of fishways and improve ecological continuity of rivers. This work focused on nature-like fish passes that have cost and landscaped appearance advantages. There is a steep flow around the blocks (macro-roughness) regularly distributed in a staggered configuration with large Froude numbers. The hydrodynamic conditions are sufficiently different to be passable by an expanded number of fish species. This thesis presents the work carried out at the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse (IMFT). To study the flow in these passes, experiments are conducted on physical models and numerical simulations using the Telemac 2D model. The goal is to better understand the flow structure based on hydraulic and geometric conditions such as the number, shape and size of macro-roughness. In particular, we considered the interaction of physical phenomena usually studied separately such that the passage in supercritical regime, the interaction of wake or flow around macro-roughness. The stage-discharge relationships were established to assist in the design of nature-like passes. They provide criteria useful for passability such as maximum speeds, power dissipation or minimal water height. To reach a local description of the flow measurements with an Acoustic Doppler Velocimeter were conducted. They also helped to define the valid range of the 2D model. This model was then used to extrapolate passability criteria for untested experimental configurations. Finally, the knowledge on flow has been synthesized to define general recommendations sizing. It has also been able to verify on real scale passes, the accuracy of the relations established in the laboratory. The hydrodynamics of these passes is now sufficiently described to know if a fish can swim upstream and rest. It will remain to ensure that their attractiveness is good and that phenomena related to the turbulence length scales do not present an obstacle to the fish passage.

Lors de cette thèse nous avons étudié le phénomène de convection thermique turbulente. La compréhension des mécanismes du flux thermique induit est encore un défi. Dans cette optique, deux approches innovantes ont été utilisées. La première a consisté en une approche Lagrangienne. Dans un premier temps, nous avons immergé une particule instrumentée munie de capteurs de température. Sa vitesse a été mesurée simultanément afin de calculer le flux thermique local transporté. En comparant les mesures effectuées à des simulations numériques et à des mesures Eulériennes, la pertinence de cette méthode a été révélée. Nous avons ensuite ensemencé l'écoulement avec des particules de diamètre inférieur à l'échelle dissipative du système. Nous avons alors pu effectuer les suivre en 3D et nous intéresser aux statistiques turbulentes, ainsi qu'à la dispersion de paires. Nous avons ensuite étudié une configuration où la plaque du bas comporte des rugosités contrôlées. Il est reconnu que cela amène une augmentation du transfert thermique supérieure à celle reliée à l'augmentation de surface. Nous avons mis en évidence des mécanismes possibles qui expliquent ce phénomène. Des mesures thermométriques dans une cellule remplie d'eau ainsi que des mesures vélocimétriques dans une cellule six fois plus grande remplie d'air ont permis d'observer un changement radical de la structure des couches limites au voisinage des rugosités, notamment l'apparition d'une couche limite turbulente. Ces mesures ont été accompagnées de mesures de vitesse de l'écoulement global qui ont révélé une augmentation drastique des fluctuations de vitesse ainsi que l'apparition d'un nouveau régime de turbulence. / In this work, turbulent thermal convection is studied. Undestanding the mechanisms of induced thermal flux is still a challenge. In this context we used two innovative approaches.The first one consists in a Lagrangian approach. An instrumented particle, designed for temperature measurements, is immersed in the flow. The simultaneous measurement of the temperature view from the particle and its velocity allowsto obtain local Lagrangian heat flux. By comparing these measurements with numerical simulation and Eulerian investigations we can assert the relevance of this method. Then we seeded the flow with particles whose diameter is smaller than the dissipative scale of the system. We performed 3D tracking to access to turbulent statistics and pair dipersion.On the other hand we study a configuration with controlled roughness on the bottom plate. It is well-known that it leads to thermal flux enhancement higher than the one linked to the surface increasing. We bring out possible mechanisms to explain this phenomenon. Thermometric measurements in water-filled cell and anemometric measurements in a six-time larger air-filled cell point out a dramatic change of the boundary layers structure close to roughness. Particularly a turbulent viscous boundary layer appears. Theses investigations are supplemented by velocity measurements of the global flow and reveal a large increase of velocity fluctuations and the appearance of a new turbulence regime.