Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du développement métrologique des méthodes optiques appliquées à la mécanique des fluides pour la caractérisation des phénomènes aérodynamiques complexes 2D et 3D. Parmi ces méthodes, l'holographie numérique donne accès à la phase de l'écoulement, grandeur directement reliée à l'intégration de l'indice de réfraction de l'écoulement, la masse volumique étant déduite par la relation de Gladstone-Dale. Si la mesure de la phase est effectuée suivant plusieurs directions de visée, la masse volumique de l'écoulement peut être reconstruite en 3D par tomographie. Après avoir développé l'holographie numérique à la mesure des forts gradients de masse volumique caractéristiques des essais en soufflerie, trois campagnes d'essais ont été effectuées sur des écoulements 3D stationnaires pour comparer les performances de l'holographie numérique par rapport à la strioscopie interférentielle et la Background Oriented Schlieren (BOS) qui donnent accès à la déviation lumineuse, l'intégration de la dérivée de l'indice. L'algorithme de reconstruction 3D développé par l'Onera/DMPE pour la BOS3D, basé sur la minimisation d'un critère des moindres carrés régularisé par Tikhonov par la méthode des gradients conjugués, a été adapté aux mesures de phase. Les reconstructions avec 36 visées ont été comparées aux reconstructions obtenues par strioscopie interférentielle et BOS. Enfin, l'analyse sur le nombre de visées nécessaires à la reconstruction a montré sa dépendance avec la complexité 3D du jet, ce qui a conduit à mettre en oeuvre un banc d'holographie numérique à six visées simultanées pour reconstruire avec succès des jets libres instationnaires. / This PhD work is part of the metrological development of optical methods applied to Fluid Mechanics to characterize 2D and 3D complex aerodynamic phenomenon. One of these techniques is digital holography which measures flow phase, directly linked to the refractive index integration. Gas density is deduced thanks to Gladstone-Dale relationship. If phase measurements are done along several viewpoints, gas density can be rebuilt in 3D by tomography. Firstly, digital holography was developed to measure high density gradients encountered in compressible wind tunnels. Then, three campaigns were made on steady 3D flows to compare performances of digital holography to differential interferometry and Background Oriented Schlieren (BOS) which measure light deviation, integration of the derivative of refractive index. 3D reconstruction algorithm developed by Onera/DMPE for 3DBOS, based on conjugated gradients method of a least squared regularized by Tikhonov minimization criterion, was adapted to phase measurements. Reconstructions with 36 different viewpoints were compared to reconstructions obtained by differential interferometry and BOS. Finally, the analysis of the viewpoint number needed to reconstruction showed its dependency with 3D complexity of the jet, what led to the implementation a digital holographic set-up with six simultaneous viewpoints to rebuild with success unsteady flows.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en œuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MAde l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements. / This PhD work is part of the development of advanced metrological tools for fluid dynamics, especially for wind tunnel applications. 3D Background Oriented Schlieren (BOS), which has been developed at ONERA, is a line-of-sight technique which takes advantage of light rays deviation through an inhomogenous index media to measure density. It consisted in comparing a reference image of a textured background with the image of the background with the flow in presence. Image correlation can then be used to compute light rays deviations. Performing such acquisition from multiple view points, allows to reconstruct the corresponding density field, by solving an inverse problem. In order to pursue the technique development, we first elaborate a systematic processing chain and improved the robustness of the reconstruction algorithm. After validating our method on synthetic data, we applied it on a 3DBOS bench equipped with 12 cameras. Thereafter, the technique has been set up for the first time in a wind tunnel environment, on a subsonic hot jet configuration. During this test campaign, the technique has been validated via thermocouples measurements.Moreover, 3DBOS and stereo-PIV coupled acquisitions have been performed. Thereafter, a demonstration in industrial wind tunnel has been performed in ONERA S1MA facility. Compressible flows issues encountered during those tests lead us to finer analysis high density gradient flows. A 3DBOS test bench has been built in laboratory in order to optimize underexpanded jet measurements. On this specific configuration, very good agreements have bee obtained in comparison with literature and with a DES simulation. This study has allowed the extension of 3DBOS application domain to compressible flows and it has demonstrated its use in a wind tunnel environment. The quality of the results highlights the technique potential for flows physical investigation.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance du bang sonique dans l’air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol, et propagation non-linéaire. L’évaluation des nuisances sonores, et la validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d’expériences à l’échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés. Ce travail porte sur la propagation à travers la turbulence d’ondes dites ’en N’, de forte amplitude et de courte durée, en champ libre ou en présence d’une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une ”zone d’ombre” près du sol. Les impulsions sonores sont expérimentalement générées par claquage électrique entre deux électrodes. La turbulence est créée par convection libre au-dessus d’une grille de résistances chauffées, et la zone d’ombre acoustique est obtenue au moyen d’une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l’aide de microphones 1/8”.Pour l’étude de la source, une technique de strioscopie a été mise en œuvre afin de déterminer la forme d’onde. Le niveau de pression doit cependant être déterminé par une analyse complémentaire, basée sur la théorie des chocs faibles avec une forme d’onde différente de l’onde en N idéale. Un des facteurs limitant des expériences à l’échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d’onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que pour l’atmosphère. Constatant qu’il n’existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l’échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée et appliquée avec succès. En champ libre, la turbulence thermique cause en moyenne une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire existent néanmoins, où l’amplitude de l’onde est multipliée par 3. Les répartitions statistiques du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi de probabilité de type Gamma généralisée. La présence d’une frontière peut en outre donner lieu à des réflexions irrégulières, en raison des niveaux de pression importants. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans l’air avec une paroi plane ou cylindrique. Pour l’étude de la propagation en zone d’ombre acoustique, un résultat important de la thèse est que, contrairement à la propagation en champ libre, la probabilité que la turbulence atténue le pic de pression en zone d’ombre est nulle. Cette observation suggère qu’avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l’extension de la zone d’exposition sonore sous la trace de l’avion (carpette primaire). / Long range sound propagation in the atmosphere is influenced by several effects: atmospheric turbulence, sound-speed gradients, ground properties (impedance, rugosity) etc. In the context of supersonic aircraft, nonlinear propagation of the sonic boom has to be taken into account. To evaluate the influence of these different effects, a statistical analysis is needed. However, field measurements suffer from a lack of control on atmosphere characteristics, and the statistical analysis remains circumscribed by the limited number of aircraft flight tests. An alternative to outdoor measurements is to perform experiments under well-controlled laboratory conditions. These experiments allow to study the effects purely related to the turbulent layer and to the sound-speed gradient. The propagation of high amplitude and short duration N-waves through thermal turbulence is studied. In particular, the influence of a rigid boundary and a negative sound-speed gradient resulting in a shadow-zone near the boundary, are pointed out. An experimental setup has been designed : N-waves are generated using a spark source. Thermal turbulence is obtained with a grid of electrical resistors, and the shadow-zone is obtained used a curved boundary. Measurements are performed using 1/8” microphones, and a schlieren shadowgraphy technique. The real pressure waveform (different from the ideal N-wave) delivered by the spark source has been obtained using the strioscopy technique, up to a multiplicative constant. Weak-shock theory enables to estimate the pressure level under the assumption that the pressure waveform is an ideal N-wave. This method has been modified to take into account the real pressure waveform. Because of the geometrical scaling, laboratory-scale experiments lead to a shift to a higher frequency domain : typically, 10 kHz – 1 MHz. In this frequency range, no calibration method is available up to now. A new method has been proposed and successfully applied. Free-field propagation of high-amplitude N-waves through the turbulent layer leads to a mean attenuation of the pressure level. However, random focus of the pressure waves can be observed, up to factor of 3. Probability densities of the shock overpressure have been described with an excellent agreement by a generalized Gamma probability distribution. With a rigid boundary, irregular reflections of shockwaves can be observed because of the high pressure level. This type of irregular reflections has been outlined either with a plane or a cylindrical boundary. Propagation in an acoustical ”shadow zone” lead to an amplification of the pressure, contrary to the free-field observations. An important result of the experiment is that the probability to observe an attenuation of the pressure level is null, for every single wave propagating in the ”shadow zone”. This result suggests that, with turbulence, the dominant propagation mechanism into the shadow-zone is scattering by sound-speed in homogeneities. In the context of sonic boom exposure on the ground, this would lead to an extension of the primary carpet of the aircraft.

Cette étude porte sur l’étude et la caractérisation d’un plasma induit par laser produit par une configuration en impulsion unique et en double impulsion. Une étude bibliographique a en effet permis d’identifier que cette seconde configuration avait donné des résultats encourageants - augmentation de la probabilité d’allumage - dans le cadre d’un allumage d’un spray de kérosène à froid. Des mesures par imagerie intensifiée, strioscopie et spectroscopie ont permis de caractériser l’évolution spatiotemporelle des dimensions du plasma et l’onde de choc induite, ainsi que de mesurer l’évolution temporelle de la température et de la densité électronique dans les deux configurations d’impulsions laser considérées. Ce travail expérimental nous a permis d’identifier le délai interimpulsions comme l’un des paramètres essentiels déterminant l’efficacité du procédé en doubleimpulsion. Les observations ont également montré une physionomie du dépôt particulière, le claquage s’effectuant aux extrémités du plasma préexistant. Les observations et données obtenues lors de cette campagne expérimentale serviront de base de comparaison en vue de test d’allumages. Une étude préliminaire sur le claquage dans un spray de dodécane non-réactif a également été effectuée. / This study focuses on the characterization of laser-induced plasma with a configuration using one or two laser pulses. Indeed, a bibliographic review reported encouraging results - increase in ignition probability - for the ignition of a cold kerosene spray. Measurements were carried out, including emission imaging, schlieren imaging and emission spectroscopy, for a temporal and spatial characterization of the plasma and the shockwave. The emission spectra were used for the measurement of the temporal evolution of the temperature and electron density of the plasma, for both configuration of laser pulses. This experimental work highlighted the importance of the inter-pulses delay which is one of the key parameter for the efficiency of the dual pulse breakdown process. Observations also showed that a peculiar energy deposition process takes place when two pulses are used, the second breakdown occuring on both ends of the existing plasma. All data collected with this experimental campaign will be used for comparison in future ignition tests. A preliminary study of the breakdown process occuring in a dodecane spray has also been undertaken.

La modélisation de la propagation acoustique longue distance du bang sonique dans l'air nécessite de prendre en compte la complexité des phénomènes en interaction : turbulence atmosphérique, gradients de célérité du son, impédance et rugosité du sol, et propagation non-linéaire. L'évaluation des nuisances sonores, et la validation des modèles par la comparaison avec des mesures en extérieur est délicate, car les conditions atmosphériques ne peuvent être ni suffisamment contrôlées ni caractérisées de façon extensive. Une alternative est la réalisation d'expériences à l'échelle du laboratoire où le milieu de propagation, la source sonore et les récepteurs peuvent être contrôlés et caractérisés. Ce travail porte sur la propagation à travers la turbulence d'ondes dites 'en N', de forte amplitude et de courte durée, en champ libre ou en présence d'une paroi plane, avec un gradient de célérité du son causant une "zone d'ombre" près du sol. Les impulsions sonores sont expérimentalement générées par claquage électrique entre deux électrodes. La turbulence est créée par convection libre au-dessus d'une grille de résistances chauffées, et la zone d'ombre acoustique est obtenue au moyen d'une paroi cylindrique. La mesure est réalisée à l'aide de microphones 1/8".Pour l'étude de la source, une technique de strioscopie a été mise en œuvre afin de déterminer la forme d'onde. Le niveau de pression doit cependant être déterminé par une analyse complémentaire, basée sur la théorie des chocs faibles avec une forme d'onde différente de l'onde en N idéale. Un des facteurs limitant des expériences à l'échelle du laboratoire est la transposition vers une gamme ultrasonore, afin que le rapport longueur d'onde - distance de propagation reste du même ordre de grandeur que pour l'atmosphère. Constatant qu'il n'existe pas de méthode de calibration adaptée dans une gamme de fréquence de 10 kHz à 1 MHz (typique des expériences à l'échelle du laboratoire), une nouvelle méthode de calibration a été proposée et appliquée avec succès. En champ libre, la turbulence thermique cause en moyenne une atténuation du pic de pression. Des zones de focalisation aléatoire existent néanmoins, où l'amplitude de l'onde est multipliée par 3. Les répartitions statistiques du pic de pression ont été décrites avec un excellent accord par une loi de probabilité de type Gamma généralisée. La présence d'une frontière peut en outre donner lieu à des réflexions irrégulières, en raison des niveaux de pression importants. Nous avons mis en évidence ce phénomène dans l'air avec une paroi plane ou cylindrique. Pour l'étude de la propagation en zone d'ombre acoustique, un résultat important de la thèse est que, contrairement à la propagation en champ libre, la probabilité que la turbulence atténue le pic de pression en zone d'ombre est nulle. Cette observation suggère qu'avec turbulence, le mécanisme dominant de propagation est la diffusion acoustique par les structures turbulentes. Ceci aurait pour conséquence dans le cas du bang sonique l'extension de la zone d'exposition sonore sous la trace de l'avion (carpette primaire).

Pour répondre aux défis environnementaux actuels, des solutions en rupture par rapport aux turbomachines existantes sont actuellement encours de développement. Elles s’appuient sur des cycles thermodynamiques plus efficients.L’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier expérimentalement les mécanismes de transition de régime de combustion pour ce type d'applications en utilisant un surrogate de kérosène, le n-décane. Pour cela, une déflagration est initiée dans une enceinte fermée et comprime les gaz frais. La pression et la température de ces derniers augmentent jusqu’à atteindre les conditions propices à l’apparition de l’autoinflammation.3 régimes de combustion successifs sont caractérisés dans la chambre de combustion au moyen de diagnostics optiques rapides. Un premier dégagement de chaleur associé à la flamme froide pré-oxyde les gaz frais, il est suivi du dégagement de chaleur principal (Main Heat Release,MHR). Pour les températures initiales de mélange les plus élevées, une détonation est observée à la fin du processus. Deux chemins de transition différents sont mis en évidence : la transition Déflagration-Auto-inflammation (DAIT) et la transition Déflagration-Auto-inflammation-Détonation (DAIDT). La sensibilité des transitions de régime aux conditions initiales de pression, de température et de richesse a été caractérisée au moyen de plusieurs études paramétriques. Dans ce but, les conditions de température, de pression et de composition du mélange sont calculées aux instants d’apparition des différents fronts réactifs (flamme froide, MHR et détonation). Il a notamment été observé que les dégagements de chaleur successifs de l’auto-inflammation se déroulaient aux mêmes températures (740 K pour la flamme froide et 1050 K pour le MHR)quelles que soient les conditions initiales. L’étude s’est concentrée ensuite sur l’analyse d’un point de fonctionnement particulier. L’étude de ce point de fonctionnement, différents vitesses de front d’auto-inflammation ont été observées, mettant en évidence le mécanisme de SWACER lors de la transition.Un critère de transition de régime depuis l’auto-inflammation proposé de Zander et al., dans le cadre d’études numériques, a été testé dans notre configuration expérimentale. Un critère modifié a été développé en lui adjoignant la notion d’effets de compressibilité dans l’écoulement réactif. L’application de ce critère à l’ensemble des essais permet de prédire l’apparition de la détonation dans les conditions où 0 et 100 % de DAIDT sont observés. Les différents domaines de transition de régime ont également été positionnés sur le diagramme de Bradley (ξ, ϵ). Les modes de combustion prédits par le diagramme sont consistants avec ceux qui sont atteints dans la chambre.L’influence de la distribution initiale de température sur les modes de combustion atteignables dans la chambre a été étudiée. Trois topologies d’auto-inflammation ont été mises en évidence pour trois distributions de température dans la chambre. Ces topologies sont séparées en deux catégories, celles privilégiant une direction particulière lors de l’auto-inflammation séquentielle et celle présentant un comportement tridimensionnel.Les essais ayant un comportement tridimensionnel présentent une très forte propension à la DAIDT mais une propagation lente des fronts d’auto-inflammation. Dans ce cas, un autre mécanisme de transition vers la détonation est mis en évidence : l’auto-inflammation d’une poche homogène de gaz génère des ondes de choc et déclenchent des auto-inflammations successives pendant leur propagation. Le couplage choc/front réactif entraine la formation de la détonation.Différents mécanismes de transition vers la détonation ont été observés et étudiés sur une large plage de conditions de pression, température,richesse et gradient thermique. Les résultats obtenus permettront d’appuyer les études numériques réalisées sur le sujet, manquant jusque-là de données expérimentales en conditions académiques. / To meet the current environmental challenges, breakthrough solutions compared to existing turbomachines are currently under development.They rely on the use of more efficient thermodynamic cycles.The objective of this thesis is to study experimentally the mechanisms of transition of combustion regime using a kerosene surrogate, n-decane.For this purpose, a deflagration is initiated in a closed chamber and compresses the fresh gases. The pressure and the temperature of the endgas increase until reaching the conditions favorable to the appearance of the autoignition in the chamber.3 successive combustion regimes are characterized in the combustion chamber by means of fast optical diagnostics. A first heat release,associated with the cool flame phenomenon, pre-oxidizes the fresh gases, it is followed by the Main Heat Release (MHR). For the highest initial temperatures, a detonation is observed at the end of the process. Two different transition paths are highlighted: the Deflagration-Autoignition Transition (DAIT) and the Deflagration-Autoignition-Detonation Transition (DAIDT).The sensitivity of regime transitions to the initial conditions of pressure, temperature and mixture composition was characterized by means of several parametric studies. For this purpose, the conditions of temperature, pressure and composition of the mixture are calculated at the onset of the different reactive fronts (cool flame, MHR and detonation). In particular, it has been observed that the successive heat releases of theauto-ignition start at the same temperatures (740 K for the cool flame and 1050 K for the MHR) whatever the initial conditions. The study, then, focused on the analysis of a particular operating point. During the study of this operating point different self-ignition front velocities were observed, highlighting the mechanism of SWACER during the transition.A regime transition criterion proposed by Zander et al. based on numerical studies has been tested in our experimental setup. A modified criterion has been developed to take into account compressibility effects in the reactive flow. The application of this criterion to all the dataset makes possible to predict the appearance of the detonation under the conditions where 0 and 100% of DAIDT are observed. The different regime transition domains have also been positioned on the Bradley diagram (ξ, ε). The modes of combustion predicted by the diagram are consistent with those reached in the chamber.The influence of the initial temperature distribution on the combustion modes achievable in the chamber has been studied. Three topologies of autoignition have been demonstrated for three initial temperature distributions in the chamber. These topologies are separated into two categories, those favoring a particular direction during sequential self-ignition and that exhibiting a three-dimensional behavior.Three-dimensional tests show a very high propensity for DAIDT but a slow spread of autoignition fronts. In this case, another mechanism of transition to detonation is evidenced: the self-ignition of an homogeneous gas pocket generates shock waves and triggers successive autoinflammations during their propagation. The shock coupling / reactive front causes the formation of the detonation. Different transition mechanisms to detonation have been observed and studied over a wide range of pressure, temperature, equivalence ratio and thermal gradient conditions. The obtained results will be useful to support the numerical studies carried out on the subject, which lacks experimental data in academic conditions.

L'étude physique des enveloppes externes de la Terre est fortement influencée par leur stratification. Cette dernière permet la propagation d'ondes anisotropes appelées ondes de gravité internes. L'interaction de ces ondes avec la topographie gouverne la génération et la dissipation de ces ondes, et joue un rôle non négligeable dans le bilan énergétique global de la planète.<br />Nous avons mis au point une technique de visualisation des ondes internes par strioscopie synthétique, et mené parallèlement des expériences à grande échelle sur leur réflexion critique. Nous avons également élaboré un nouveau type d'excitateur d'ondes internes planes.<br />Ces expériences nous ont permis de valider une théorie analytique d'émission par des corps oscillants et de l'appliquer à la génération d'ondes par un talus continental. Nous avons également confirmé la présence d'effets nonlinéaires lors de la réflexion critique. Enfin, nous avons étudié l'influence de la force de Coriolis sur ces phénomènes.

Ce travail de thèse repose sur l'élaboration et l'exploitation d'un banc expérimental dédié à l'étude d'un écoulement cavitant dans un micro-canal, pour des conditions proches de celles de l'injection diesel. Ce banc a été développé dans le but de faire varier différents paramètres, notamment l'état de surface des parois du canal. Plusieurs méthodes optiques (imagerie en transmission, strioscopie et interférométrie) ont été mises en place afin de visualiser l'écoulementet d'en extraire des informations quantitatives. Les images en transmission permettent de visualiser la formation de vapeur dans le canal. Elles sont sensibles au gradient de masse volumique et font ainsi apparaître des couches de cisaillement, des structures turbulentes et des ondes de pression. Leur interprétation est rendue délicate par cette richesse en information et nécessite de recourir aux autres techniques optiques. Il ressort de ce travail que la cavitation se forme dans la couche de cisaillement, sous l'effet combiné de la dépression engendrée par le décollement à l'entrée du canal et de tourbillons générés par des instabilités dans la couche de cisaillement. La confrontation des résultats obtenus à l'aide des différentes techniques optiques, notamment les champs de pression reconstruits à partir des interférogrammes, montre que la zone de formation de la cavitation ne correspond pas à la zone de minimum de pression moyenne de l'écoulement. Il apparaît aussi que certaines bulles de vapeur ont une durée de vie bien supérieure à ce que prévoient les modèles de dynamique de bulles. On suspecte que des fluctuations de pression de l'ordre de 20 bar, associées à la turbulence, contribuent à la prolongation de ces temps de vie. Un algorithme de PIV, appliqué à des couples d'images en transmission, permet de montrer une augmentation importante des fluctuations de vitesse en sortie de canal lorsque les poches de vapeur se développent. Cette augmentation devient plus significative quand les poches atteignent60% de la longueur du canal. L'écoulement cavitant est essentiellement piloté par le nombre de cavitation K. Les conditions d'apparition et de développement de la cavitation ont été quantifiées dans différents canaux, en faisant varier des paramètres géométriques, la pression amont ou la température. L'influence de la hauteur du canal et du rayon de courbure à l'entrée de l'orifice est conforme aux données de la littérature. Une dépendance du nombre de cavitation critique Kcrit à l'apparition de la cavitation au nombre de Reynolds Re est montrée. Enfin, l'influence de l'état de surface des parois a fait l'objet d'une étude spécifique. Cette partie du travail demande probablement à être complétée mais l'état de surface semble avoir une influence sur la cavitation. D'après les cas étudiés au cours de cette thèse, une surface rugueuse ou texturée avec des motifs suffisamment espacés peut retarder l'apparition de la cavitation et une rugosité limitée (jusqu'à Ra = 0,7 μmici) peut favoriser le développement des poches de vapeur.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange. / This work proposes an experimental analysis of the spatio-temporal development of an air/heliummixing zone promoted by the Richtmyer-Meshkov instability (RMI). This study relies on the useof a vertical shock tube and on the development of a new experimental protocol associated with aninnovative device for the generation of an initial interface between two gazeous species. This deviceconsists a rigid retractable curtain and of a series of rotating shutters. The characterization ofthis initial interface and the spatio-temporal evolution of the RMI-induced mixing zone is carriedout by exploiting the results of various experimental methods such as time resolved Schlierenvisualizations, planar laser mie scattering and Particle Image Velocimetry (PIV). In a first step,various measurement campaigns have made it possible to quantify the repeatability of the newdevice and to demonstrate its ability to generate a periodic, weakly diffused interface. In a secondstep, a study of the gaseous mixing for a given set of experimental parameters is proposed. Theanalysis focuses on the understanding of the underlying mechanisms driving the gaseous interfaceformation and the transition to turbulence of the RMI-induced mixing. The interaction betweenthis mixing zone and the reflected shock from the upper end of the tube (re-shock phenomenon)is also studied in order to confirm the turbulent transition of the mixing zone.

L'objectif de ces travaux est d'étudier expérimentalement la dispersion d'hydrogène pour évaluer l'impact des fuites chroniques ou accidentelles qui peuvent intervenir en milieu libre ou encombré, à faible ou à forte pression, sur un véhicule fonctionnant avec une pile à combustible. Les fuites étudiées sont assimilées à des jets verticaux, turbulents, axisymétriques, à densité variable, et issus d'orifices cylindriques de 1 à 3 mm de diamètre. Un banc expérimental a été conçu pour étudier ces fuites : l'hydrogène a été remplacé par de l'hélium pour des raisons de sécurité. Il résiste à une pression de 200 bars et permet de positionner un obstacle dans le jet. La technique BOS (Background Oriented Schlieren) a été adaptée aux jets millimétriques et à la présence d'un obstacle. Un soin particulier à été apporté à la mise en place de cette technique. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la littérature quand il en existe. De nouvelles lois de similitude sont proposées, plus représentatives de la physique des jets : libres subsoniques, libres sous-détendus, et subsoniques en présence d'un obstacle (sphère). À partir de l'analyse de la structure compressible des jets sous-détendus, de nouvelles lois sont aussi proposées pour estimer la position et le diamètre du disque de Mach puis la longueur du cône potentiel. Enfin, deux lois d'estimation du volume et de la masse inflammables de jets libres d'hydrogène sont proposées : elles sont fonction du débit massique de la fuite.