Ce travail de recherche s'intéresse à la dynamique de bulles en ascension à grand nombre de Reynolds dans un liquide fortement confiné entre deux plaques (cellule de Hele-Shaw). Dans le régime étudié, les trajectoires des bulles et leurs déformations sont contenues dans le plan de la cellule. La dynamique essentiellement bidimensionnelle favorise en particulier l'observation d'interactions entre bulles. Cette étude expérimentale comprend donc deux volets : l'analyse de la dynamique d'une bulle isolée et de son sillage et celle des interactions hydrodynamiques entre deux bulles. La cinématique des bulles (forme, trajectoire et vitesse) est mesurée à partir de visualisations par ombroscopie sur une large gamme de tailles caractérisées par un diamètre équivalent dans le plan, noté d. La dynamique des sillages est quant à elle étudiée par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à Haute Fréquence. Concernant l'étude de la bulle isolée, nous avons exploré la situation où les bulles montent dans un liquide au repos et celle où elles sont soumises à un écoulement descendant à contre-courant. En liquide au repos, pour des bulles de taille suffisante qui ne sont pas mobiles dans l'interstice d'épaisseur e nous avons montré que la vitesse moyenne d'ascension Vb est proportionnelle à (e/d)⅙ √gd, et que le nombre de Reynolds défini par Re=Vbd/v fixe la déformation des bulles. De plus des lois d'échelle simples sont obtenues dans la gamme 1200≤Re≤3000 et e/d ≤ 0,4 pour les grandeurs décrivant les oscillations de trajectoire dans le repère de la bulle. Par ailleurs, des mesures de vitesse nous ont permis de caractériser la structure du sillage associé aux oscillations de trajectoire de la bulle. Nous avons tout d'abord étudié en détail les caractéristiques du détachement tourbillonnaire. Ces mesures de vitesse dans les sillages ont également mis en évidence l'existence de deux dynamiques distinctes sur deux échelles de temps nettement séparées : la période d'oscillation de la bulle et le temps visqueux défini à partir de e. En écoulement à contre-courant, un résultat intéressant consiste en la disparition de la phase intermédiaire d'appariement tourbillonnaire dans l'allée de von Karman de bulles oscillantes pour la plus importante des vitesses du contre-écoulement. La caractérisation de la cinématique des bulles isolées et des perturbations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide a permis d'aboutir à des lois d'échelle suffisamment robustes pour pouvoir prédire leur comportement instationnaire simplement à partir de leur taille. Cette connaissance s'avère cruciale dans l'analyse des interactions entre deux bulles pour explorer les écarts de leur comportement cinématique par rapport au cas isolé. Les expériences d'interaction entre deux bulles consistent à injecter deux bulles successives et à observer leur mouvement ainsi que celui qu'elles induisent dans la phase liquide. Le suivi des bulles par ombroscopie permet de distinguer plusieurs modes d'interaction entre les bulles : attraction horizontale, entrainement vertical, éjection du sillage ou rebond, contournement, positionnement préférentiel et coalescence. Certains mécanismes d'interaction ont été plus spécifiquement étudiés à l'aide de mesures par vélocimétrie. Nous avons ainsi pu quantifier l'effet du sillage de la première bulle sur la deuxième, et notamment caractériser l'interaction bulle - tourbillon. / We study the dynamics of bubbles rising in a liquid confined in a thin-gap cell (Hele-Shaw cell of thickness e). In the regime investigated corresponding to high Reynolds numbers, bubble paths and deformations occur in the plane of the cell. This two-dimensional dynamics facilitates the observation of bubbles interaction. The aim of the investigation is twofold: the analysis of the coupling between the motion of an isolated oscillating bubble and its wake, and the analysis of the hydrodynamical interactions between two bubbles. Bubble motions (shape, trajectory and velocity) are measured from visualizations using shadowgraphy for a large range of bubble sizes characterized by their in-plane equivalent diameter d. The behaviour of the wake is explored using High Frequency Particle Image Velocimetry (HF PIV). We investigated the kinematics of an isolated bubble when its size d increases. We showed that the mean vertical velocity of the bubble Vb is proportional to (e/d)⅙ √gd, and that the Reynolds number Re=Vbd/v determines its mean deformation. Simple scaling laws were then obtained in the range 1200≤Re≤3000 and e/d ≤ 0,4 for all the quantities describing the path oscillations of the bubble in its reference frame. Moreover, measurements of the liquid velocity allowed us to characterize the structure of the wake associated to the oscillating bubbles. We first investigated in detail the characteristics of vortex shedding. We then showed that the time evolution of the bubble wake depends on two contrasted time scales. The first corresponds to short times on the order of the period of oscillation and the second to the effect of wall friction becoming predominant for times comparable to the viscous time scale based on the gap thickness e. In the presence of a sufficiently strong counterflow, we observed the disappearance of the intermediate phase of vortex pairing in the wake of an isolated oscillating bubble. The characterization of the bubble kinematics and of the bubble-induced velocity perturbation in the liquid phase for the isolated bubble provided scaling laws robust enough to predict their periodic motion. This knowledge is fundamental for the discussion of hydrodynamical interactions, allowing us to discuss the kinematics of interacting bubbles as compared to their kinematics as isolated bubbles. Experiments consisted in the injection of two successive bubbles in the cell, the observation of their motions and the measurement of the perturbations induced in the liquid phase. Visualizations of the bubbles motions allowed us to observe several types of interactions: horizontal attraction, vertical entrainment, ejection or bouncing, preferential positioning, and coalescence. Some mechanisms occurring during interaction have been more precisely studied using HF PIV, in particular the effect of the wake of the leading bubble on the trailing bubble, and the associated bubble-vortex interaction.

Le présent travail est une étude sur la modélisation des éoliennes flottantes alliant à la fois des chargements hydrodynamiques et aérodynamiques. L’approche expérimentale a tiré profit de la grande soufflerie de Luminy opérée par le MIO (Institut Océanologique de Méditerranée), unissant une soufflerie de très bonne qualité avec un bassin équipé de systèmes de génération de houle et de courant. Les dimensions de cette installation imposent un travail à échelle très réduite introduisant ainsi les interrogations sur les similitudes à respecter (Reynolds, Froude) et les complexités de maquettage. Ces travaux ont permis de développer des outils numériques avec d’un côté une approche fréquentielle basé sur un code utilisant les éléments finis développé par l’IFP au début des années 70, et de l’autre, une approche temporelle basé sur les formulations de Morison ou de Rainey permettant l’introduction de méthodes avancées de calculs des efforts aérodynamiques. / The present work focuses on the modeling of the hydrodynamic and aerodynamic loads on a floating wind turbine. The experimental approach took advantage of the wind and wave flume in Luminy operated by the MIO (Mediterranean Institute for Oceanography) comprising a wind tunnel with a very high flow quality blowing over a wave tank. The dimensions of the installation impose working at very small scales for which the similitudes (Reynolds, Froude) introduce high modeling complexities. This work allowed the development of numerical tools using one the one hand a frequency domain approach based on a finite element code developped by IFP¨in the early seventies, and in the other hand a time-domain approach based on Morison or Rainey formulation for hydrodynamic loads allowing the introduction of advanced methods for aerodynamic loads computation.

La nageoire caudale des animaux aquatiques peut être modélisée par un foil oscillant qui produit de la poussée. Le sillage moyen d'un tel foil oscillant est un jet de quantité de mouvement nette positive. Il a été proposé que les caractéristiques de stabilité de ces sillages moyens sont liées à l'efficacité de la propulsion des animaux aquatiques. Dans cet étude, nous reprenons cette question en tenant compte à la fois de la poussée et de la traînée exercée sur un corps auto-propulsé lorsqu'il nage. Nous étudions la stabilité d'une famille de sillages ayant une quantité de mouvement nulle, construit comme l'approximation d'Oseen d'un doublet de force se déplaçant à vitesse constante. En effectuant une analyse de stabilité locale, nous montrons d'abord que ces sillages subissent une transition convectif-absolu. En utilisant une approche "time-stepper" et intégrant le système de Navier-Stokes linéarisé, nous étudions la stabilité globale et mettons en évidence des effets non-parallèles de l'écoulement principal, ainsi que le rôle de la région absolument instable dans l'écoulement. Pour compléter le scénario d'instabilité globale, nous abordons l'évolution non linéaire d'une perturbation injectée dans le sillage. Ces résultats sont ensuite discutés dans le contexte de la nage d'un animal aquatique. Selon les résultats de stabilité, les sillages de quantité de mouvement nulle produit par les animaux aquatiques sont généralement stables, tandis que le sillage qui correspondrait à la poussée seule est instable. Il est essentiel de considérer toutes les forces exercées sur un animal auto-propulsé lors de l'examen de la stabilité de son sillage et l'efficacité de sa propulsion. / The caudal fin of swimming animals can be modelled as a thrust-producing flapping foil. When considered alone, such a foil produces on average a jet wake with a positive net momentum. It has been argued that the instability characteristics of these averaged wakes are linked to the propulsion efficiency of swimming animals. Here, we reconsider this question by taking into account both the thrust and the drag exerted on a self-propelled swimming body. To do so, we study the stability of a family of momentumless wakes, constructed as the Oseen approximation of a force doublet moving at constant velocity. By performing a local stability analysis, we first show that these wakes undergo a transition from absolute to convective instability. Then, using the time-stepper approach by integrating the linearised Navier-Stokes system, we investigate the global stability and reveal the influence of a non-parallel base flow as well as the role of the locally absolutely unstable upstream region in the wake. Finally, to complete the global scenario, we address the nonlinear evolution of the wake disturbance. These results are then discussed in the context of aquatic locomotion. According to the present stability results, the momentumless wake of aquatic animals is generally stable, whereas the corresponding thrust part is unstable. It is therefore essential to consider all forces exerted on a self-propelled animal when discussing its wake stability and its propulsion efficiency.

Les tourbillons de sillage d’avion sont sources de problèmes économiques, environnementaux et de sécurité, et par conséquent ont fait l’objet de très nombreuses recherches depuis plusieurs dizaines d’années. Le sillage est composé d’une paire de tourbillons contrarotatifs qui perdurent longtemps après le passage de l’avion. Dans cette thèse la dynamique non linéaire de ces tourbillons desillage est examinée par Simulation Numérique Directe. L’objectif est d’étudier les comportements non linéaires des tourbillons de sillage et d’évaluer le potentiel de destruction anticipée des tourbillons par la perturbation optimale. Dans un premier temps, le potentiel destructeur de la perturbation optimale linéaire est estimé en l’appliquant aux tourbillons avec une amplitude initiale croissante et en observant la réponse non linéaire de l’écoulement. Une amplitude raisonnable suffit pour que la perturbation optimale linéaire réduise de moitié la durée de vie des tourbillons en accélérant une perte de cohérence des structures après l’étape de reconnexion. Par la suite, l’outil d’optimisation non linéaire développé au cours de la thèse est validé par la reproduction de résultats existants concernant un écoulement simple: un toubillon 2D isolé. De nouveaux résultats d’optimisation non linéaire sont obtenus et analysés. En particulier, la perturbation optimale non linéaire 2D d’un tourbillon isolé peut générer une croissance transitoire bien plus élevée que la perturbation optimale linéaire. Dans certains cas la perturbation optimale non linéaire provoque une transition vers un état non axisymétrique quasi-stationnaire,contournant ainsi le processus naturel d’axisymétrisation. De plus, l’effet de la distribution de vorticité dans le coeur du tourbillon sur les perturbations optimales est étudié. Les tourbillons ayant un profil plus raide que les tourbillons Gaussiens subissent une croissance transitoire linéaire plus élevée mais une croissance non linéaire plus faible. Enfin, l’analyse de perturbation optimale non linéaire est étendue aux perturbations 3D. Bien que les perturbations optimales non linéaires 3D produisent moins d’amplification, des transitions vers des états énergétiques et persistants sont observées. / Aircraft wakes have been the subject of extensive research for several decades as it poses economic, safety and environmental issues. The wake is composed of powerful counter-rotating vortices that persist long after the aircraft has passed. In this thesis, the nonlinear dynamics of aircraft wake vortices is investigated through Direct Numerical Simulation. The aim is to explore the nonlinear effects on wake vortex behaviour and evaluate the potential for the anticipated destruction of the vortices through optimal perturbation. First the disruptive potential of the linear optimal perturbation of the flow is evaluated by applying it with increasing initial amplitude and observing the nonlinear response of the flow. With sufficient yet reasonable initial amplitude the linear optimal perturbation halves the life-span of the vortex pair by accelerating the loss of coherence of the vortices after the linking phase. Next the nonlinear gradient-based optimisation tool that was developed during the thesis is validated by reproducing existing results concerning a simple vortical flow: an isolated two-dimensional vortex. In doing so new nonlinear optimisation results are obtained and analysed. In particular it is shown that the 2D nonlinear optimal perturbation of an isolated vortex can induce considerably greater transient growth than the linear optimal. In some cases the nonlinear optimal causes a transition to a quasisteady asymmetric state, bypassing the natural axisymmetrisation process. The effect of the vortex vorticity profile on the optimal perturbations is also studied. Vortices with sharper profiles experiencefar greater linear perturbation growth, however the nonlinear growth is significantly inferior. Finally the nonlinear optimal perturbation analysis of the isolated vortex is extended to three dimensions. Although the 3D nonlinear optimals produce less growth than their linear counterparts, they can lead to quasi-permanent high energy states.

La thèse se décompose en deux parties. La première concerne l'utilisation du code de CFD atmosphérique Mercure Saturne pour estimer le potentiel éolien en terrain complexe. Une campagne de mesure a été menée par EDF pour disposer de données d'entrée et de validation. Une méthodologie a été développée utilisant des profils méso-échelle comme conditions limites du code CFD. Elle utilise la classification automatique pour réduire le nombre de simulations nécessaires au calcul du potentiel. La validation du code sur le cas connu de la colline d'Askervein, la méthodologie et les comparaisons avec les mesures sur le site complexe choisi sont présentées et discutées. La seconde partie concerne l'étude des sillages avec le code Mercure Saturne. Une méthode de représentation des efforts, exercés par les pales sur le vent, utilisant des termes sources a été implémentée. Ces derniers sont calculés par la méthode BEM. Deux comparaisons en soufflerie sont proposées pour la validation

L’objectif est de construire un modèle d’écoulement qui se prête bien à des problèmes de contrôle, en associant un faible nombre de degrés de liberté à la possibilité de décrire la dynamique d’un écoulement relativement complexe. Dans ce travail nous considérons un écoulement bidimensionnel laminaire autour d’un cylindre carré. Des actionneurs placés sur le cylindre permettent un contrôle actif par sou?age et aspiration. Ce contrôle peut être dé?ni par rétroaction, exploitant des mesures de la vitesse dans le sillage du cylindre. Nous construisons un modèle d’ordre réduit (ROM) des équations de Navier-Stokes incompressibles, basé sur la technique de décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Une façon classique de construire un tel modèle est de réaliser une projection Galerkin des équations sur le sous-espace réduit obtenu par POD. Un tel modèle peut cependant être peu précis, voire instable. Une technique de calibration est alors mise en place pour assurer la bonne représentativité dynamique du modèle. Nous dé?nissons ensuite une stratégie pour mettre à jour le modèle au cours d’un processus d’optimisation. La méthode est en?n appliquée pour réduire la di?érence entre l’écoulement contrôlé et la solution stationnaire instable à Re = 150. / The aim is to build a ?ow model adapted for control applications combining a low number of degrees of freedom with the possibility of describing relatively complex ?ows. In this work a two-dimensional laminar ?ow past a square cylinder is considered. Actuators placed on the cylinder enable active control by blowing and suction. Proportional feedback control can then be applied using velocity measurements taken in the cylinder wake. The proper orthogonal decom- position (POD) approach is used to build a low order model of the incompressible Navier-Stokes equations. A classical way of obtaining a Reduced-Order Model (ROM) is to perform a Galerkin projection of the equations onto the subspace spanned by the POD modes. Such a model can however be inaccurate, even unstable. A calibration technique is therefore applied, leading to a model that is accurate and robust to variations of the control parameters. A strategy is then de?ned to update the model within an optimisation loop. The method is tested at Re = 150 for reducing the di?erence between the actuated ?ow ?eld and the steady unstable solution.

La surveillance des turbulences de sillage par radar en temps de pluie présente un intérêt à la fois pratique et scientifique. Cette thématique a été traitée à travers trois étapes successives.Tout d’abord, le mouvement et la distribution des gouttes d’eau dans les vortex ont été modélisés et simulés. A partir de l’équation de la dynamique appliquée sur une goutte d’eau, une méthode de calcul de la trajectoire des gouttes d’eau et de leur concentration dans les turbulences de sillage a été proposée. Ensuite, deux simulateurs de réponse radar des gouttes d’eau dans et autour des vortex ont été proposés. Ces deux simulateurs ont été utilisés pour reproduire des configurations expérimentales, et une comparaison préliminaire avec les mesures a montré une concordance intéressante entre mesures et simulations en bande X et W. Enfin, l’interprétation de la signature radar des gouttes de pluie dans les vortex a été présentée. La dépendance de la signature envers différents paramètres, à savoir l’intensité de précipitation, la circulation des vortex et les paramètres radar, a été étudiée pour des turbulences de sillage générées par différents types d’avions. Une méthode de détection des turbulences de sillage basée sur la largeur du spectre Doppler des gouttes de pluie et un algorithme permettant d’estimer les caractéristiques des turbulences de sillage ont été proposées. La signature radar des turbulences de sillage par temps de pluie a été modélisée et analysée dans cette thèse. Les résultats de simulations ont démontré les capacités du radar pour la détection de ces turbulences. Les méthodes développées dans cette thèse pourront être utilisées pour le dimensionnement de systèmes radar dédiés à la surveillance des turbulences de sillage par temps de pluie. / Nvestigation on radar monitoring of wake vortices in rainy weather is of both scientific and practical interests. This topic hasbeen tackled through three successive steps during this thesis.Firstly, the motion of raindrops in wake vortices has been modeled and simulated. The equation of the motion has been derived and the methodology to compute the raindrops' trajectory and distribution in the flow induced by the wakevortices has been proposed. Secondly, two simulators have been developed for evaluating the radar signatures of raindropsin wake vortices. Those simulators have been used to reproduce experimental configurations and the comparison betweenmeasured and simulated signature has shown an interesting agreement at X and W band. Lastly, the interpretation of radarsignatures of raindrops in wake vortices has been presented. The dependence of radar signatures on rain rate, vortexcirculation and radar parameters has been studied. A wake vortex detection method based on the analysis of Dopplerspectrum width of raindrops and a methodology to estimate the wake vortex characteristics have been proposed.The radar signatures of wake vortices in rainy weather have been modeled and analyzed in this thesis. The simulationresults have demonstrated the capability of radar to detect wake vortex in rainy weather. The methodologies developed inthis thesis can be further exploited for designing new wake vortex radar systems.

Le problème de la mécanique des fluides, concernant les écoulements décollés derrière des obstacles immobiles ou en mouvement, est traité par l’étude de deux sujets: a) recherches sur l’existence de solutions stationnaires des equations d’Euler et Navier-Stokes pour grands nombres de Reynolds, au-delà des corps caractérisés par pointes ou singularités géométriques; b) analyse du sillage non stationnaire derrière une turbine à axe vertical (VAT). L’étude de ces deux différents régimes d’écoulements, concernant le phénomène du détachement derrière corps émoussés ou profils alaires à haut angle d’incidence, a permis la mise au point de plusieurs techniques analytiques et numériques basées sur le champ de vorticité. / The problem of the separated flows dynamics past obstacles at rest or moving bodies is addressed by means of the study of two topics a) investigation on the existence of some steady solutions of the Euler equations and of the Navier-Stokes equations at large Reynolds number, past bodies characterized by a cusp; b) analysis of the unsteady wake behind a Vertical Axis Turbine (VAT). The survey of such different flow regimes related to the separation phenomenon past bluff bodies or bodies at incidence allowed to devise several numerical and analytical techniques based on the evaluation of the vorticity field.

Dans cette étude, on s'intéresse à la compréhension de la dynamique de l'écoulement d'interaction d'une couche de mélange plane turbulente avec un cylindre circulaire. Cet écoulement trimensionnel et inhomogène dans les trois directions est analysé, dans un premier temps, à l'aide de mesures fils chauds et de mesures de pressions pariétales. A partir de ces données, on montre l'influence du nombre de Reynolds, du rapport d'aspect et du paramètre de cisaillement sur le nombre de Strouhal, le coefficient de succion et la longueur de formation. En particulier, les analyses montrent que, dans la région au dessus de l'impact de la couche de mélange (du côté basse vitesse), l'analyse spectrale présente systématiquement au moins deux cellules de fréquence constante. L'organisation principale est quant à elle analysée à l'aide de mesures PIV (Vélocimétrie par Image de Particule) et au moyen de la POD (Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres). Les premiers modes POD, représentant l'organisation des structures cohérentes énergétiquement dominantes, montrent clairement la présence de structures inclinées de part et d'autre de la région d'impact de la couche de mélange. En dessous de l'impact (du côté haute vitesse), où l'écoulement est tridimensionnel, les modes POD plus élevés présentent des modes de coalescence de structures, de structures longitudinales et de dislocations de structures, proches de ceux trouvés lors de la tridimensionalisation des sillages (par leur nature intrinsèque ou par pertubation suivant l'envergure du cylindre). Par ailleurs, à l'aide d'une projection de Galerkin dans le plan derrière l'axe du cylindre, un LODS (Low Order Dynamical System) est construit. Son analyse révèle l'existence d'une ``injection'' de fluide du côté haute vitesse de fréquence de battement faible. Enfin, une analyse de données simulées à bas nombre de Reynolds (DNS) permet de conforter les résultats expérimentaux sur la présence de comportements caractéristiques à cette configuration d'écoulement.

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