D'un point de vue industriel, la mise en place de nouvelles architectures de systèmes mécaniques nécessite un long processus de conception permettant de définir et d'anticiper le comportement. Dans le cas particulier des systèmes aéronautiques tels que les moteurs d'avions, un certain nombre de pièces sont particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs stricts en termes d'encombrement, de performance et de tenue mécanique. Dans ce contexte, la prévision du comportement vibratoire revêt une importance particulière puisqu'elle permet d'évaluer le niveau des sollicitations cycliques appliquées sur le système et guide ainsi la détection en amont d'éventuels problèmes de fatigue des matériaux. La plupart du temps, des modèles numériques sont utilisés pour représenter les structures, et le comportement est simulé en résolvant un ensemble d'équations. Pour atteindre un niveau de détail répondant au besoin industriel, ces modèles peuvent être particulièrement gros, et la résolution des équations associées demande des ressources et des temps de calcul considérables. De plus, pour rendre compte au mieux des comportements observés expérimentalement, il est souvent nécessaire de prendre en compte des phénomènes non-linéaires, ce qui augmente encore la difficulté. Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent cette problématique du comportement vibratoire des structures non-linéaires et s'orientent autour de deux axes : la réduction de modèle et le calcul des solutions multiples. L'objectif du premier axe est de contribuer à la construction de modèles numériques non linéaires réduits utilisables en conception de systèmes industriels et de proposer des outils d'exploitation et d'interprétation de ces modèles. En particulier, on considère le cas des méthodes de projection de Galerkin et on montre qu'elles sont à même de construire des modèles réduits réalistes. Des méthodes complémentaires de réduction de modèles sont également présentées dans le cas particulier de la recherche de solutions par la méthode de la balance harmonique (HBM) : on s'intéressera en particulier à des méthodes de sélection d'harmoniques. Après avoir comparé les différentes méthodes proposées sur un exemple simple de poutre non-linéaire, elles sont appliquées à un modèle de structure industrielle représentant une aube d'hélice d'open rotor. Le second axe de ces travaux concerne le calcul de solutions multiples pour les systèmes dynamiques non-linéaires. Une particularité de ces systèmes est en effet de présenter plusieurs configurations stables pour un état de sollicitation donné. Il s'agira ici de proposer des méthodes de calcul permettant de dresser la liste exhaustive des solutions possibles. Le travail présenté se concentre sur la recherche de solutions périodiques par la méthode de la balance harmonique pour des systèmes possédant des non-linéarités polynomiales. Ces restrictions conduisent à la résolution de systèmes polynomiaux pour lesquels il existe des méthodes permettant de calculer l'ensemble des solutions. En particulier, on propose l'utilisation originale de méthodes basées sur le calcul de bases de Groebner pour la résolution de systèmes polynomiaux issus de la mécanique. Les différentes méthodes présentées sont illustrées et comparées sur des exemples simples. Les résultats montrent que même pour des systèmes simples, le comportement dynamique peut être très complexe. / In an industrial context, the design of new mechanical systems requires long design processes in order to define and to anticipate the behavior of all the constitutive parts. In the particular case of aeronautical structures such as plane engines, design is especially critical since they have to meet various and strict needs (life duration, performances . . .). Then, anticipating vibratory behavior is very important as this provides information about cyclic solicitations and fatigue. Most often, numerical models are used to mimic the structure and mechanical behavior is simulated by solving a set of differential equations. In the case of industrial structures, such models can be quite large and their resolution very time-consuming. Moreover, in order to model experimental behavior realistically, it is often necessary to take nonlinear phenomena into account and thus increase the required computational effort. The work presented in this PhD deals with the study of mechanical nonlinear systems. It focuses on two principal directions : model reduction and multiple solutions computation. The goal of the first direction is to contribute to the building of numerical reduced order models usable in industrial context and to propose tools to exploit an interpret them. Particularly, Galerkin projection methods are investigated in the context of nonlinear systems reduction, showing that those methods are, under certain conditions, able to give a reliable picture of full system behavior. In the case of the harmonic balance method, complementary methods are also proposed to reduce the size of the algebraic equations system by using harmonic selection techniques. The presented methods are firstly illustrated and compared on a simple nonlinear beam example ; they are then applied to an industrial model of open rotor blade. The second direction of this work deals with the computation of multiple solutions arising in nonlinear dynamical systems. Indeed, it has been shown that such systems can present different stable configurations for a given solicitation. The objective here is to provide tools for computing such multiple solutions. We only consider the case of periodic solutions for systems with polynomial nonlinearities, treated with harmonic balance method. These hypotheses enable one to search for multiple states as solutions of polynomial algebraic systems of equations, for which some methods exist to compute the entire set of solutions. In particular, we propose to use methods relying on Groebner basis computation, in order to compute the whole set of solutions. The proposed methods are illustrated and compared on simple examples, showing that even such simple systems can present very complex dynamical behavior.

Cette étude se concentre sur la compréhension de la physique des instabilités dans différents écoulements de cisaillement, particulièrement la cavité entraînée et la cavité thermocapillaire, où l'écoulement d'un fluide incompressible est assuré soit par le mouvement d’une ou plusieurs parois, soit par des contraintes d’origine thermique.Un code spectral a été validé sur le cas très étudié de la cavité entrainée par une paroi mobile. Il est démontré dans ce cas que l'écoulement transit d'un régime stationnaire à un instationnaire au-delà d'une valeur critique du nombre de Reynolds. Ce travail est le premier à donner une interprétation physique de l'évolution non monotonique du nombre de Reynolds critique en fonction du facteur d'aspect. Lorsque le fluide est entraîné par deux parois mobiles, la cavité entraînée possède un plan de symétrie particulièrement sensible. Des solutions asymétriques peuvent être observés en plus de la solution symétrique au-dessus d'une certaine valeur du nombre de Reynolds. La transition oscillatoire entre la solution symétrique et les solutions asymétriques est expliquée physiquement par les forces en compétition. Dans le cas asymétrique, l'évolution de la topologie permet à l'écoulement de rester stationnaire avec l'augmentation du nombre de Reynolds. Lorsque l'équilibre est perdu une instabilité se manifeste par l'apparition d'un régime oscillatoire dans l'écoulement asymétrique.Dans une cavité thermocapillaire rectangulaire avec une surface libre, Smith et Davis prévoient deux types d'instabilités convectives thermiques: des rouleaux longitudinaux stationnaires et des ondes hydrothermales instationnaires. L'apparition de ses instabilités a été mis en évidence à plusieurs reprises expérimentalement et numériquement. Alors que les applications impliquent souvent plus d'une surface libre, il semble qu'il y ait peu de connaissances sur l'écoulement thermocapillaire entraînée avec deux surfaces libres. Un film liquide libre soumis à des contraintes thermocapillaires possède un plan de symétrie particulier comme dans le cas de la cavité entrainée par deux parois mobiles. Une étude de stabilité linéaire avec deux profils de vitesse pour le film liquide libre est présentée avec différents nombres de Prandtl. Au-delà d'un nombre de Marangoni critique, il est découvert que ces états de base sont sensibles à quatre types d'instabilités convectives thermiques qui peuvent conserver ou briser la symétrie du système. Les mécanismes qui permettent de prédire ces instabilités sont également découverts et interpréter en fonction de la valeur du nombre de Prandtl du fluide. La comparaison avec les travaux de Smith et Davis est faite. Une simulation numérique directe permet de valider les résultats obtenus avec l'étude de stabilité de linéaire. / This study focuses on the understanding of the physics of different instabilities in driven cavities, specifically the lid-driven cavity and the thermocapillarity driven cavity where flow in an incompressible fluid is driven either due to one or many moving walls or due to surface stresses that appear from surface tension gradients caused by thermal gradients. A spectral code is benchmarked on the well-studied case of the lid-cavity driven by one moving wall. In this case, It is shown that the flow transit form a steady regime to unsteady regime beyond a critical value of the Reynolds number. This work is the first to give a physical interpretation of the non-monotonic evolution of the critical Reynolds number versus the size of the cavity. When the fluid is driven by two facing walls moving in the same direction, the cavity possesses a plane of symmetry particularly sensitive. Thus, asymmetrical solutions can be observed in addition to the symmetrical solution above a certain value of the Reynolds number. The oscillatory transition between the symmetric solution and asymmetric solutions is explained physically by the forces in competition. In the asymmetric case, the change of the topology allows the flow to remain steady with increasing the Reynolds number. When the equilibrium is lost, an instability manifests by the appearance of an oscillatory regime in the asymmetric flow. In a rectangular cavity thermocapillary with a free surface, Smith and Davis found two types of thermal convective instabilities: steady longitudinal rolls and unsteady hydrothermal waves. The appearance of its instability has been highlighted repeatedly experimentally and numerically. While applications often involve more than a free surface, it seems that there is little knowledge about the thermocapillary driven flow with two free surfaces. A free liquid film possesses a particular plane of symmetry as in the case of the two-sided lid-driven cavity. A linear stability analysis for the free liquid film with two velocity profiles is presented with various Prandtl numbers. Beyond a critical Marangoni number, it is observed that these basic states are sensitive to four types of thermal convective instabilities, which can keep or break the symmetry of the system. Mechanisms that predict these instabilities are discovered and interpreted according to the value of the Prandtl number of the fluid. Comparison with the work of Smith and Davis is made. A direct numerical simulation is done to validate the results obtained with the linear stability analysis.

L'objectif de ce travail est d'étudier les détails des écoulements et des transferts thermiques induits par convection naturelle au sein d'un canal (simulation bidimensionnelle) et au sein d'une cavité cubique (simulation tridimensionnelle) munis de blocs chauffants. La chaleur dégagée par les blocs résulte d'une génération volumique uniforme de la chaleur, d'une température chaude constante ou d'un flux surfacique uniforme. On utilise l'air (Pr=0.72) comme fluide. Les paramètres de l'étude sont le rapport des conductivités thermiques du bloc solide et du fluide (0.1≤k*≤200), le nombre de Rayleigh (〖10〗^4≤Ra≤〖10〗^7) et la hauteur relative des blocs (1/8≤B≤1/2). La détermination des conditions de validité du modèle à blocs isothermes et du modèle à blocs libérant un flux surfacique uniforme, en fonction du rapport des conductivités thermiques et des autres paramètres du problème, compte parmi les principaux objectifs de ce travail. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement et le transfert thermique ainsi que les conditions de validité des modèles mentionnés sont fortement influencés par les paramètres de contrôle et par la multiplicité de solutions trouvée en régime convectif. / The object of this work is to study the details of the flow and heat transfer induced by natural convection in a channel (2D simulation) and in a cubic cavity (3D simulation) containing heating blocks. The heat released by the blocks results from a uniform volumetric heat generation, a constant hot temperature or a uniform surface flux. Air (Pr=0.72) is used as working fluid. The parameters of the study are the thermal conductivities ratio of solid blocks and fluid (0.1≤k*≤200), the Rayleigh number (〖10〗^4≤Ra≤〖10〗^7) and the relative height of the blocks (1/8≤B≤1/2). Among the main objects of this work is the determination of the conditions of validity of the model with isothermal blocks and the model with blocks releasing a uniform surface flux, as functions of the thermal conductivities ratio and the other parameters of the problem. The results obtained show that the flow and heat transfer and the conditions of validity of the models mentioned are strongly affected by the control parameters and the multiplicity of solutions found in the convective regime.