Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.<br />Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.<br />Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du contrat franco-allemand DEUFRAKO K2 associant la SNCF et la DEUTSCH BAHN sur l'étude du bruit généré par les trains à grande vitesse. Une cavité rectangulaire peu profonde est d'abord placée dans une soufflerie bas-bruit. Les visualisations pariétales de l'écoulement et les mesures anémométriques montrent que l'écoulement se rattache sur le fond de la cavité et décolle à nouveau au passage du bord aval. Les plus fortes fluctuations de pression pariétale instationnaire (mesurées par microphones) sont aussi observées au niveau du bord aval, région dans laquelle l'intensimétrie 3D localise principales sources acoustiques. Le rayonnement acoustique révèle un spectre large bande sans phénomène de couplage entre les champs aérodynamique et acoustique. Une maquette réaliste de la baignoire à l'échelle 1/7e a ensuite été conçue et placée dans une soufflerie subsonique. Des visualisations pariétales de l'écoulement montrent une structure d?écoulement 3D très complexe. Les mesures de fil chaud indiquent une plongée très rapide de la couche de cisaillement amont vers le fond de la baignoire ainsi qu'un jet vertical intense au niveau du bord aval. Les coefficients de pression en paroi restent quasiment uniformes dans la baignoire. L'analyse spectrale révèle deux régions comportant des modes de résonance auxquels s'ajoute le STROUHAL des pantographes. L'influence des pantographes est enfin simulée via leur modélisation par deux cylindres circulaires, d'écartement et d'incidence variables, placés dans la soufflerie bas-bruit. Les expériences dévoilent de forts couplages aéroacoustiques non-linéaires (feedback) évoluant suivant ces deux paramètres. Les analyses spectrale et bispectrale de la pression acoustique mesurée en champ lointain (microphone) ainsi que les visualisations et les champs de vitesses obtenus par PIV contribuent à l'interprétation de ces phénomènes. Les expériences de chaque étude sont comparées à des simulations numériques.

Lors du fonctionnement d'un rotor éolien, chaque pale émet une nappe tourbillonnaire à partir du bord de fuite suivant son envergure et un tourbillon marginal d'extrémité de pale. Ainsi, ces structures tourbillonnaires se développent en aval du rotor et peuvent impacter les éoliennes voisines. Cette thèse présente deux approches expérimentale et numérique pour l'étude de ces structures. L'approche expérimentale a consisté à explorer le sillage d'un rotor tripale dans la soufflerie d'Arts et Métiers ParisTech à l'aide de la technique PIV. Ces explorations ont permis d'obtenir le champ de vitesse dans plusieurs plans azimutaux. Une nouvelle méthode basée sur le calcul de la circulation a été proposée afin de localiser les centres tourbillonnaires dans les plans explorés et de calculer leur intensité. Dans l'approche numérique, une méthode de couplage entre la simulation numérique Navier-Stokes et un modèle tourbillonnaire du sillage est proposée. Elle permet de restreindre le domaine de calcul au voisinage du rotor grâce à la possibilité de définir les conditions aux limites par le modèle tourbillonnaire. Une étude de sensibilité a permis de déterminer le nombre de pas nécessaire dans le modèle tourbillonnaire pour atteindre la précision souhaitée. Ainsi, la possibilité offerte par cette méthode de restreindre le domaine de calcul permet de construire un maillage plus fin autour des profils et de consacrer toute la capacité de calcul disponible pour révéler la genèse du sillage avec une haute résolution. Ce modèle couplé permet aussi d'étudier l'impact des caractéristiques de pale sur la formation du sillage et d'améliorer la conception et l'optimisation des rotors éoliens.

Cette thèse est une contribution à l'étude de la dynamique et du contrôle des oscillations grande-échelle qui se développent en régime subsonique dans le sillage d'un corps de révolution modélisant le corps central d'un lanceur. Pour plusieurs configurations (disque, sphère, culot franc), la transition stationnaire/instationnaire est caractérisée par une étude de stabilité de l'écoulement axisymétrique à faible nombre de Reynolds. On montre tout d'abord que les oscillations sont liées à une instabilité absolue du sillage proche. On utilise ensuite une approche globale de la stabilité, mieux adaptée aux écoulements non parallèles. Une unique séquence de bifurcation est mise en évidence pour cette classe d'écoulements, impliquant un mode stationnaire et un mode oscillant à basse fréquence. Une analyse basée sur la théorie des formes normales montre qu'au seuil d'apparition des instationnarités, la fréquence et l'organisation spatiale de l'écoulement sont fixées par l'interaction non linéaire de ces modes. On montre également qu'augmenter la compressibilité affaiblit la production des perturbations et augmente leur transport, ce qui induit une stabilisation de l'écoulement. Une analyse de sensibilité des valeurs propres à un forçage stationnaire permet ensuite de développer une approche systématique du contrôle en boucle ouverte en régime compressible. Cette approche est appliquée au culot franc, ce qui constitue un premier pas dans la perspective d'un contrôle de l'écoulement en configuration industrielle. Diverses méthodes ont été analysées, notamment l'introduction d'un! corps secondaire, un dépôt d'énergie ou un! souffla ge au culot («base bleed»).

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.

Le développement de techniques de mesure optiques de surfaces libres permettant la mesure des ondes générées par un modèle de navire en bassin des carènes est proposé dans ce mémoire. Trois méthodes, toutes basées sur un système de prises de vues stéréoscopiques, sont présentées. La première repose sur l'emploi de procédures d'inter-corrélation des images des caméras composant le système de stéréovision. La seconde s'appuie sur la théorie de la réfraction de la lumière au travers de l'interface air/eau. La troisième méthode est basée sur l'identification des projections de faisceaux laser sur la surface libre vue par un système stéréoscopique. Ces méthodes sont appliquées à la mesure du champ de vague autour d'un modèle de navire tracté dans le bassin des carène de l'Institut Pprime et dans un bassin des carènes de grande taille (B600 de la DGA Techniques hydrodynamique) et permettent la reconstruction et l'analyse du sillage. Les principales caractéristiques des champs de vagues et leurs dépendances au nombre de Froude sont étudiées en détail. Afin de compléter l'étude de l'écoulement généré par le modèle de navire, des mesures de PIV stéréoscopique autour de la carène, des mesures spécifiques de la vague d'étrave et des simulations numériques sont réalisées. L'ensemble de ces données permettent l'analyse de champs de vitesse tridimensionnelle proche de la coque et l'identification des caractéristiques du champ de vague de l'étrave jusqu'au champ lointain.

La sensibilité des propriétés globales d'un sillage turbulent derrière un cylindre en forme de "D" est étudiée expérimentalement. Un petit cylindre de contrôle (de forme et de diamètre variable) est inséré dans le sillage pour créer une perturbation locale. Un ensemble de mesures basé sur de l'anémométrie à fil chaud et vélocimétrie par images de particules est mis en oeuvre pour obtenir des informations locales et globales du sillage turbulent. Les forces aérodynamiques agissant sur le cylindre principal sont dérivées de mesures de pression autour de son périmètre. Les résultats sont présentés sous la forme de cartes de sensibilité du nombre de Strouhal et la pression de base. La sensibilité des propriétés globales est interprétée par la capacité de la perturbation locale à changer la taille de la région de formation de l'allée de Kármán en agissant principalement sur les propriétés turbulentes de la couche de mélange perturbée. Les mécanismes physiques correspondants sont discutés pour interpréter les origines de réduction de traînée et la modification de fréquence globale. L'impact de la perturbation sur les propriétés 3D du sillage est examiné par corrélation de vitesse à deux points et visualisation. Les configurations bi-stable de l'écoulement pour certaines positions du cylindre de contrôle sont étudiées.

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu. / The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage.

Le développement de techniques de mesure optiques de surfaces libres permettant la mesure des ondes générées par un modèle de navire en bassin des carènes est proposé dans ce mémoire. Trois méthodes, toutes basées sur un système de prises de vues stéréoscopiques, sont présentées. La première repose sur l'emploi de procédures d'inter-corrélation des images des caméras composant le système de stéréovision. La seconde s'appuie sur la théorie de la réfraction de la lumière au travers de l'interface air/eau. La troisième méthode est basée sur l'identification des projections de faisceaux laser sur la surface libre vue par un système stéréoscopique. Ces méthodes sont appliquées à la mesure du champ de vague autour d'un modèle de navire tracté dans le bassin des carène de l'Institut Pprime et dans un bassin des carènes de grande taille (B600 de la DGA Techniques hydrodynamique) et permettent la reconstruction et l'analyse du sillage. Les principales caractéristiques des champs de vagues et leurs dépendances au nombre de Froude sont étudiées en détail. Afin de compléter l'étude de l'écoulement généré par le modèle de navire, des mesures de PIV stéréoscopique autour de la carène, des mesures spécifiques de la vague d'étrave et des simulations numériques sont réalisées. L'ensemble de ces données permettent l'analyse de champs de vitesse tridimensionnelle proche de la coque et l'identification du lien des caractéristiques du champ de vague de l'étrave jusqu'au champ lointain. / This thesis presents the development of optical measurement techniques for applications to the analysis of free surface waves generated by ship models in towing tanks. Three methods based on stereoscopic systems are presented. The first is based on the cross-correlation of images of the free surface, the second on the theory of the refraction of light through the air / water interface and the third method on the projection of laser beams on the free surface viewed by a stereoscopic system. These three methods are applied to measure the wave field around ship models towed in the towing tank of the Pprime Institute and in a large towing tank (B600 DGA hydrodynamic techniques). These measurements allow the reconstruction and analysis of the ship wake. To complete the study of the flow generated by the ship model, stereoscopic PIV measurements around the hull, specific measurements of the bow wave and numerical simulations are performed. These data allow the analysis of three-dimensional velocity fields close to the hull and the study of the characteristics of the ship waves from the bow wave to the far field.

L’accélération par sillage laser (ASL) repose sur l’interaction entre un faisceau laser intense et un plasma sous-dense. Au travers de cette interaction, une onde de plasma est générée avec un fort champ accélérateur, de trois ordres de grandeur plus élevé que celui d’un accélérateur conventionnel, rendant envisageable la réalisation d’accélérateurs futurs plus compacts. Pour la conception d’un futur accélérateur, un faisceau d’électrons de forte charge, faible dispersion en énergie et faible émittance doit être accéléré à des grandes énergies. Pour ce faire, la solution consiste à accélérer ces électrons dans un schéma multi-étages, qui est composé de trois étages: un injecteur, une ligne de transport et un accélérateur. Ce travail de thèse porte sur la modélisation de l’injecteur avec le code PIC Warp et sur les méthodes numériques telles que la technique de Lorentz-boosted frame pour diminuer le temps de calcul et la couche absorbante parfaite de Bérenger (PML) pour assurer la précision des calculs numériques. Ce travail de thèse a démontré l’efficacité de la PML dans les schémas FDTD à des ordres élevés et pseudo-spectral. Il a aussi démontré la convergence des résultats des simulations réalisées avec la technique de Lorentz-boosted frame dans un régime fortement non-linéaire de l’injecteur, permettant d’accélérer les calculs d’un facteur important (36) tout en assurant leur précision. La modélisation effectuée dans cette thèse a permis d’analyser et de comprendre les résultats expérimentaux, ainsi que de prédire les résultats des futures expériences. Plusieurs méthodes d’optimisation de l’injecteur ont également été proposées pour la génération d’un faisceau d’électrons conforme aux spécifications d’un futur accélérateur. / Laser Wakefield Acceleration (LWFA) relies on the interaction between an intense laser pulse and an under-dense plasma. This interaction generates a plasma wave with a strong accelerating field, which is three orders of magnitude higher than the one of the conventional accelerator; more compact accelerator is therefore theoretically possible. In the design of a future accelerator, a high quality electron bunch with a high charge, low energy spread and low emittance has to be accelerated to high energies. A solution for this is a multi-stage accelerator, which consists of an injector, a transport line and accelerator stages. This research work focuses on the modelling of the injector using the PIC code Warp and on the numerical methods such as the Lorentz-boosted frameto speedup calculations and the Perfectly Matched Layer (PML) to ensure the precision in numerical calculations. The outcome of this thesis has demonstrated the efficiency of the PML in the high-order FDTD and the pseudo-spectral solvers. Besides, it has also demonstrated the convergence of the results performed in simulations using the Lorentz-boosted frame technique. This technique speeds up simulations by a large factor (36) while preserving their accuracy. The modelling work in this thesis has allowed analysis and understanding of experimental results, as well as prediction of results for future experiments. This thesis has also shown ways to optimize the injector to deliver an electron bunch that conforms with the specifications of future accelerators.