Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les fluides stratifiés présentent deux types principaux de mouvement : les ondes de gravité internes et des mouvements tourbillonnaires quasi-bidimensionnels (ou modes de vorticité potentielle). Les ondes évoluent sur une échelle de temps rapide TN = 1/N, où N est la fréquence de Brunt-Väisälä, une fréquence naturelle déterminée par la force de la stratification, tandis que les mouvements tourbillonnaires sont régis par une échelle lente TA = L=U, où U et L sont des échelles horizontales de vitesse et longueur caractéristiques des structures tourbillonnaires. La différence entre ces deux modes peut être illustrée par la décroissance d'une zone turbulente en présence d'une stratification de fond stable : pendant l'éffondrement de la turbulence initiale, l'énergie est soit rayonnée sous la forme d'ondes internes qui se propagent loin de la région turbulente initiale, soit transmise aux mouvements d'advection quasi-horizontaux qui s'organisent comme patches de vorticité potentielle. Cette thèse aborde d'un point de vue expérimental et théorique le problème de l'interaction des ondes de gravité internes et tourbillons pancake dans un fluide fortement stratifié ainsi que l'étude des mécanismes diffusifs des tourbillons pancake.

Le radar géologique est souvent utilisé pour caractériser les propriétés physiques de la subsurface, telle que la teneur en eau. Nous avons développé un algorithme d'inversion des temps de première arrivée en puits. Il est basé sur la description en couches du milieu et, uniquement un nombre limité de paramètres sont inversés. Cette méthodologie a été mise en place pour des milieux avec d'importants contrates de vitesse. Dans un premier temps, nous déterminons la distribution de vitesse des ondes électromagnétiques entre deux puits. Dans un second temps, nous nous posons la question de la continuité des couches pour plusieurs panneaux tomographiques contigus. Cette méthodologie permet l'obtention d'un modèle de vitesse 2D du milieu compris entre des paires de puits successifs. Ce schéma d'inversion prend en compte différents types d'ondes dont la directe et la conique, générés par le fort contraste de vitesse. Cette méthode a ensuite été testée sur des données synthétiques puis sur des données réelles, acquises au niveau de la plaine alluviale de l'Adour.

Nous présentons une étude expérimentale du "spin-up" et "spin-down" en présence d'une stratification linéaire sur un fond plat. Deux comportements très différents ont été mis en évidence selon la valeur du nombre de Burger, une mesure de l'importance relative de la stratification et des effets de Coriolis. Pour des nombres de Burger supérieurs à un, l'écoulement est remarquablement axisymétrique en dehors des couches limites, et aucune instabilité n'est observée malgré le grand nombre de Reynolds. Le confinement de la circulation secondaire du à la stratification est bien décrit par la théorie de Walin (1969), qui omet la viscosité. Cependant, le "spin-up" non-uniforme de l'intérieur provoque des gradients verticaux d'écoulement sensiblesaux effets visqueux. En conséquence, la comparaison avec la théorie montre un taux plus rapide de décroissance de l'écoulement azimutal.On propose une prise en compte simplifié de la diffusion verticale de quantité de movement dans la solution analytique de Walin. Aux temps courts, l'écoulement initial est correctement décrit par l'addition d'effets diffusifs visqueux, mais l'écart entre la théorie et les mesures persiste pour des temps intermédiaires. Pour des nombres de Burger inférieurs à un, le comportement de l'écoulement est très différent. La pénétration plus profonde de la circulation secondaire réduit notamment les gradients verticaux devitesse. La décroissance de la vitesse azimutale est presque verticalement uniforme et le développement des perturbations non-axisymmetriques est observé. Le déclin initial est bien décrit par la solution analytique. Cependant, la décroissance expérimentale est plus faible que la prédiction théorique pour des temps plus longs. L'écart correspond à l'apparition d'une instabilité. Cerésultat est en contradiction avec Smirnov et al. (2005), qui affirment que la formation de tourbillons à grande échelle fournit un mécanisme supplémentaire pour transporter le moment angulaire des frontières vers l'intérieur. En revanche, le transport radial de quantité de movement des couches limites latérales vers l'intérieur expliquerait la plus forte décroissance expérimentale aux temps longs. Le modèle classique d'Eady est cohérent avec les structures expérimentales observées. En considérant une dérivation de ce modèle par Smirnov et al. (2005), ainsi que des conditions initiales pertinentes, nous trouvons une estimation raisonnable du taux de croissance de l'instabilité, ce qui n'aurait pas été le cas avec la théorieclassique d'Eady. Ainsi, le mécanisme de l'instabilité barocline est l'explication la plus plausible pour l'existence d'une instabilité à grand nombre d'onde dans les processus de "spin-up" et "spin-down".

Nous étudions la stabilité de l'écoulement de films superposés de fluides newtoniens ou non newtoniens sur un plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités dans ce type d'écoulements intéresse particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage. Il est en effet intéressant de pouvoir maîtriser le déclenchement des instabilités en vue d'éviter qu'elles ne déteriorent la qualité du produit. Nous nous sommes intéressés au cas de fluides rhéofluidifiants, dont la viscosité est décrite par la loi de Carreau. <br />La première partie est consacrée au cas d'une seule couche. Trois approches complémentaires sont exploitées : une approche asymptotique, considérant un comportement faiblement non newtonien dans la limite des grandes longueurs d'onde, une approche phénoménologique basée sur les mécanismes de l'instabilité au niveau de la surface libre et une approche numérique. Cette dernière s'appuie sur la résolution sous forme d'un problème aux valeurs propres de l'équation d'Orr–Sommerfeld généralisée par la méthode spectrale de collocation de type Tau-Tchebychev. <br />Dans une deuxième partie, nous avons étendu l'étude à deux couches et étudié l'influence sur la stabilité de l'écoulement des principaux paramètres : propriétés rhéofluidifiantes, tensions de surface, rapport des débits, densités et viscosités. L'étude de stabilité est combinée à une approche énergétique qui nous a permis d'analyser le rôle de chaque terme de l'équation de l'énergie. Nous avons montré le rôle clé joué par le cisaillement aux interfaces pour expliquer l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur les différentes contributions du bilan énergétique.

L’océan et l’atmosphère sont des environnements fluides stratifiés en densité, en référentiel tournant : la force de Coriolis due à la rotation de la planète influence l’écoulement. De grands tourbillons lenticulaires évoluent dans ces environnements, avec parfois de grandes durées de vie comme les Meddies de l’Océan Atlantique.Dans la continuité des expériences de Griffiths & Linden (1981) et Hedstrom & Armi (1988), ces tourbillons sont reproduits en laboratoire en injectant ou aspirant localement du fluide dans une couche d’eau salée tournante, linéairement stratifiée en densité. A l’ordre dominant, les tourbillons sont à l’équilibre cyclo-géostrophique et hydrostatique, d’où l’on dérive la loi de leur rapport d’aspect, validée par les expériences et les observations. Un modèle complet de tourbillon à l’équilibre incluant les recirculations internes est proposé, en partant d’un profil Gaussien pour la vitesse azimutale, puis validé numériquement. A partir de ce modèle, un bilan d’énergie permet alors de décrire la décroissance des tourbillons.Certains tourbillons naturels comme les Meddies présentent des structures fines associées à de forts gradients de densité à leur frontière, que l’on reproduit en laboratoire autour de tourbillons entretenus par une injection continue de fluide. Ces structures en couches sont la manifestation de l’instabilité de McIntyre, instabilité qui apparaît lorsque les diffusivités visqueuse et moléculaire sont sensiblement différentes. L’analyse de stabilité linéaire de McIntyre appliquée au modèle Gaussien de tourbillon permet de retrouver les tailles et temps d’apparition associés au couches qui entourent les Meddies. / The ocean and the atmosphere are density stratified fluid environments in a rotating frame: the Coriolis force, due to the rotation of the planet, influences the flow. Huge lenticular vortices evolve in these environments, sometimes with very long lifetimes as the Meddies of the Atlantic Ocean.Based on Griffiths & Linden (1981) and Hedstrom & Armi (1988) experiments, such vortices are experimentally reproduced by locally injecting or sucking up fluid in a rotating layer of salty water, linearly density stratified. At dominant order, the vortices are in cyclo-geostrophic and hydrostatic balance, from which the law for their vertical aspect ratio is derived, validated by experiments and observations. A more complete model of vortex in equilibrium is proposed from a Gaussian profile for the azimuthal velocity, including internal secondary circulations, and then numerically validated. From this model, an energy balance allows us to describe the vortices decay.Some natural vortices, as the Meddies, have fine-structures associated to high density gradients at their frontier, that we experimentally reproduce around vortices maintained through a continuous injection of fluid. This layered structure is the expression of McIntyre's instability, which appears when viscous and molecular diffusivities are significantly different. The linear stability analysis of McIntyre applied to the Gaussian model of vortex allows us to recover the sizes and duration of appearance of the layers that surround the Meddies when eddy viscosities measured in the ocean are used.

Cemanuscrit présente les résultats d'une étude numérique et expérimentale sur la marée interne et l'interaction de la marée interne avec un talus continental dans un fluide stratifié dans le cas d'une pente super-critique. L'étude numérique est basée sur le code MITgcm, qui résoud les équations de Navier-Stokes non-linéaires et non-hydrostatiques en employant une technique de volumes-finis. Les expériences sont réalisées sur la grande cuve tournante du Coriolis, LEGI en utilisant des techniques PIV et CIV. Nous avons étudié la propagation et la réflexion de la marée interne en présence de rotation et sans rotation. Nos résultats marquants sont la génération de faisceaux d'ondes internes à la fréquence harmonique de la fréquence de forçage, par interaction des faisceaux incident et réfléchi sur le fond de la cuve, l'occurrence d'une instabilité paramétrique sous-harmonique dans le faisceau incident et la définition et l'étude de la largeur du faisceau en fonction des paramètres de forçage et de la rotation.

Ce travail avait pour but l'obtention d'un modèle robuste permettant de prévoir l'état d'endommagement et l'érosion de panneaux composites impactés soumis à des projectiles pour des vitesses comprises entre 1000 m/s et 3500 m/s. Pour cela un nombre d'essais et d'observations importants a été réalisé au Centre d'Etude de Gramat. Une extension d'un méso-modèle d'endommagement développé principalement en statique a été proposée pour gérer, de façon objective la transition endommagement, rupture, érosion. Le modèle proposé a été testé numériquement au sein d'Abaqus, tout d'abord vis-à-vis de la détérioration matricielle, puis de la rupture des fibres. Une attention particulière a été portée aux d'effets d'énergie stockée sous forme de pécharge statique. Enfin des simulations des essais réalisés ont permis de montrer la robustesse numérique du modèle, sa pertinence en terme de prévision du cratère, des endommagements résiduels multiples mais également ses limites actuelles en terme d'arrachement de fibre.

La proportion de matériaux composites stratifiés ne cesse d'augmenter dans les structures aéronautiques, et notamment dans les zones vitales de ces dernières. Ces matériaux présentent des mécanismes de dégradation très complexes, ce qui limite la confiance dans les modèles actuellement utilisés. C'est dans ce cadre qu'un modèle micro innovant pour les matériaux composites stratifiés est développé au LMT. Ce modèle dit "hybride", réconcilie micromécanique et mésomécanique des stratifiés. Les mécanismes tels que la microfissuration et le délaminage local sont décrits de manière discrète à travers la mécanique de la fissuration discrète. A l'opposé, les dégradations diffuses sont homogénéisées au niveau du volume appelé "matériau fibre-matrice" et décrites grâce au mésomodèle d'endommagement des stratifiés. Les travaux de thèse ont porté sur l'amélioration de ce modèle ainsi que sur le développement d'une stratégie numérique dédiée en vue de sa validation. Dans un premier temps, le travail a porté sur l'introduction au sein de la partie continue du modèle, des mécanismes nécessaires à la description du comportement d'un stratifié sous chargement mécanique. Ainsi, les phénomènes de déformations permanentes, de viscosité et de rupture dans le sens des fibres ont été introduits à travers des modèles se situant aux échelles les plus pertinentes. De cette manière, le modèle micro amélioré proposé peut se voir comme un "matériau virtuel de référence", constituant une base de données regroupant les principales modélisations permettant la description du comportement des stratifiés depuis l'état initial jusqu'à la rupture. Dans un deuxième temps, le travail a porté sur l'intégration numérique du modèle complet au sein d'une stratégie numérique dédiée. Basée sur la méthode LaTIn multi-échelles, le logiciel initialement développé à été complété au cours des travaux de thèse avec la prise en compte de la décohésion fibre/matrice, des déformations permanentes, de la viscosité et de la rupture dans le sens des fibres. En outre, la taille des problèmes engendrés par une telle stratégie se révélant très importante, une parallélisation complète de la stratégie a été menée, afin de permettre la simulation d'éprouvettes de taille réaliste. Ces simulations ont permis de mener une première phase de validation, à travers des comparaisons entre essais et simulations, dans le cas d'éprouvettes classiques de caractérisation des stratifiés.

L’un des défis de la simulation numérique de la résistance au crash des structures composites est de pouvoir prédire les endommagements, leur évolution au cours de l’écrasement et l'énergie absorbée, à partir d'un nombre limité de propriétés matériau. Le but de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes élémentaires impliqués dans l'écrasement de stratifiés de plis unidirectionnels à base de fibres de carbone et de développer un modèle numérique. Des essais sont réalisés à différentes échelles (macro, micro), et conduisent à la définition d'une nouvelle propriété matériau, essentielle : la contrainte moyenne d'écrasement que peuvent soutenir les plis à 0° ou 90°, et la méthode de caractérisation associée. L’analyse des tests montre également que pour représenter correctement le comportement du matériau pendant le crash (évasement, fragmentation...), il est nécessaire de choisir un modèle à l’échelle méso. Le modèle éléments finis développé repose sur cinq idées principales : 1-mailler chaque pli; 2-utiliser des éléments cohésifs pour représenter le délaminage et l’évasement des plis; 3-pouvoir représenter la rupture des plis en gros fragments; 4-représenter l'écrasement localisé des plis, à leurs extrémités, par l'introduction d'un concept de « free-face-crushing », associé à un critère spécifique basé sur la contrainte moyenne d'écrasement; 5-représenter les contacts entre plis, plis etsocle, plis et débris. Ce modèle phénoménologique est ensuite appliqué à la simulation du crash de plaques stratifiées. A partir des propriétés matérielles élémentaires du pli, il permet de prédire la force, les principaux mécanismes de rupture et la phénoménologie observée lors des expériences. / A challenge in numerical simulation of crashworthiness is to be able to predict the crush damage modes, their evolution during crushing and the energy absorbed in any composite structure from a limited number of material properties. The aim of this study is to improve the understanding of the elementary mechanisms involved in the crushing of CFRP laminates made of unidirectional plies and to develop a numerical model. Crushing tests are performed at different scales (macro, micro), and lead to the definition of a new essential material property: the mean crushing stress that a 0° or 90° ply can support, and its associated characterization method. Tests analyses also show that to correctly represent the material behavior during crushing (splaying, fragmentation…) it is necessary to choose a mesoscale model. The Finite Element model developed in this thesis is based on five main ideas: 1-Meshing of each ply of the laminate; 2-Use of cohesive elements to represent delamination and plies splaying; 3-Possibility to represent failure of pliesinto big-sized fragments; 4-Representation of the localized crushing of plies, at their extremities, with the introduction of a free-face-crushing concept associated to a specific criterion based on the mean crushing stress; 5-Representation ofcontacts between plies, plies and impacted base, plies and debris.This physically based model is then applied to the simulation of the crushing of laminated plates. From elementary material properties of the ply, it allows to predict the force, the main failure mechanisms and the phenomenology observedduring crushing experiments.