Les phénomènes météorologiques d'échelle synoptique peuvent s'expliquer par les interactions non linéaires entre structures d'amplitude finie, et leur environnement. Ce cadre d'étude, qui ne repose pas sur les hypothèses difficilement justifiables des théories d'instabilité, nécessite de pouvoir représenter de façon objective ces structures cohérentes, nommées ainsi par analogie avec les écoulements turbulents.<br />L'objectif principal de cette thèse est de bâtir et d'évaluer un algorithme d'extraction des structures cohérentes d'échelle synoptique. Elles sont recherchées dans le seul champ de tourbillon potentiel, qui est inversible dans l'atmosphère sèche. L'attribution des autres champs dynamiques à la structure est ainsi rendue possible après inversion. L'extraction repose sur la projection des champs bidimensionnels sur un ensemble de bases d'ondelettes orthogonales. Une base optimale est associée à chaque structure ; pour éviter la redondance entre les structures, une technique d'orthogonalisation a été mise au point. La comparaison de l'extraction avec une méthode non objective est possible grâce à un nouveau critère de cohérence temporelle, qui repose sur l'indépendance de l'évolution de l'environnement.<br />L'extraction est appliquée à plusieurs phénomènes d'échelle synoptique : un précurseur d'altitude haute-fréquence, un rapide de courant-jet et des champs d'altitude associés à des épisodes précipitants en Méditerranée. Ces études montrent la pertinence dynamique des structures extraites et dégagent des perspectives d'utilisation de l'algorithme. On aborde aussi sa possible application à la mise en place d'une prévision d'ensemble à courte échéance des tempêtes.

Mon travail de thèse a porté sur la compréhension «systèmes dynamiques de la dynamique à grande échelle dans l’écoulement pleinement développé de cisaillement turbulent. Dans le plan écoulement de Couette, simulation des grandes échelles (LES) est utilisée pour modéliser petits mouvements d’échelle et de ne résoudre mouvements à grande échelle afin de calculer non linéaire ondes progressives (SNT) et orbites périodiques relatives (RPO). Artificiel sur-amortissement a été utilisé pour étancher une gamme croissante de petite échelle motions et prouvent que les motions grande échelle sont auto-entretenue. Les solutions d’onde inférieure branche itinérantes qui se trouvent sur le bassin laminaire turbulent limite sont obtenues pour ces simulation sur-amortie et continue encore dans l’espace de paramètre à des solutions de branche supérieure. Cette approche ne aurait pas été possible si, comme supposé dans certains enquêtes précédentes, les mouvements à grande échelle dans le mur bornées flux de cisaillement sont forcée par un mécanisme fondé sur l’existence de structures actives à plus petite échelle. En flux Poseuille, orbites périodiques relatives à décalage réflexion symétrie sur la limite du bassin laminaire turbulent sont calculés en utilisant DNS. Nous montrons que le RPO trouvé sont connectés à la paire de voyager vague (TW) solution via bifurcation mondiale (noeud-col-période infinie bifurcation). La branche inférieure de cette solution TW évoluer dans un état de l’envergure localisée lorsque le domaine de l’envergure est augmentée. La solution de branche supérieure développe plusieurs stries avec un espacement de l’envergure compatible avec des mouvements à grande échelle en régime turbulent. / My thesis work focused on ‘dynamical systems’ understanding of the large-scale dynamics in fully developed turbulent shear flow. In plane Couette flow, large-eddy simulation (L.E.S) is used to model small scale motions and to only resolve large-scale motions in order to compute nonlinear traveling waves (NTW) and relative periodic orbits (RPO). Artificial over-damping has been used to quench an increasing range of small-scale motions and prove that the motions in large-scale are self-sustained. The lower-branch traveling wave solutions that lie on laminar-turbulent basin boundary are obtained for these over-damped simulation and further continued in parameter space to upper branch solutions. This approach would not have been possible if, as conjectured in some previous investigations, large-scale motions in wall bounded shear flows are forced by mechanism based on the existence of active structures at smaller scales. In Poseuille flow, relative periodic orbits with shift-reflection symmetry on the laminar-turbulent basin boundary are computed using DNS. We show that the found RPO are connected to the pair of traveling wave (TW) solution via global bifurcation (saddle-node-infinite period bifurcation). The lower branch of this TW solution evolve into a spanwise localized state when the spanwise domain is increased. The upper branch solution develops multiple streaks with spanwise spacing consistent with large-scale motions in turbulent regime.

Le contrôle électromagnétique d'écoulements en eau de mer permet de modifier l'écoulement à l'aide d'un champ de force de Lorentz-Laplace, produit par des actionneurs électromagnétiques affleurants à la paroi. Ces actionneurs sont constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, qui peuvent être associés en réseau et excités périodiquement, dans le temps et dans l'espace. Dans le cadre de ce travail, nous avons mené une étude expérimentale et numérique sur l'effet du forçage électromagnétique sur un écoulement initialement au repos et sur un écoulement en tunnel hydrodynamique. Les deux types d'actionneurs étudiés, normal et parallèle, ont montré que l'écoulement est largement modifié par le forçage, voire même qu'il résulte entièrement de celui-ci. Les résultats obtenus ont permis de caractériser ces modifications et démontrent, en particulier pour des écoulements initialement au repos, la grande sensibilité de la réponse de l'écoulement à la géométrie des actionneurs. Un ensemble de critères objectifs basés sur des bilans intégraux a été proposé. Celui-ci permet de fixer objectivement les échelles du forçage électromagnétique en terme de longueur, de temps, d'accélération et de vitesse, mais aussi celles de l'écoulement, comme la zone d'action et les bilans propulsifs locaux. Les résultats expérimentaux, obtenus à l'aide de techniques de visualisation et de vélocimétrie par image de particules, ont permis de valider les modèles analytiques utilisés pour le calcul du champ de forces. Cette validation repose sur l'excellent accord obtenu entre les simulations numériques et les expériences, pour les cas d'écoulements initialement au repos.

Le contrôle électromagnétique (CEM) d'écoulement en eau de mer permet d'appliquer directement au sein d'un écoulement des forces volumiques locales dans des régions choisies de celui-ci. Des actionneurs électromagnétiques (EM), constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, constituent un moyen original de forçage sur une couche limite d'eau de mer. Les forces électromagnétiques volumiques appliquées sont locales et leur rotationnel est une source directe de vorticité. Ces actionneurs peuvent être associés en réseau et activés périodiquement en espace et en temps. Des travaux précédents, Rossi L. et al. (2002), ont montré expérimentalement la possibilité d'altération, par forçage électromagnétique (EM), de structures cohérentes produites synthétiquement dans une couche limite laminaire. Dans la présente étude, une simulation numérique directe (SND) basée sur le code de Paulo Orlandi est entreprise, Orlandi P. (2000). La SND constitue un outil essentiel à l'identification des mécanismes actifs pour chaque schéma de contrôle envisagé. Le travail accompli porte en première étape sur le calcul d'une couche limite turbulente ordinaire non-actionnée. Le champ turbulent obtenu est d'une part comparé avec succès à ceux des travaux faisant référence, d'autre part il constitue le champ initial à un ensemble de simulations de forçage. Les résultats sont analysés sur les champs de vitesse calculés et sur l'identification des structures cohérentes présentes dans cette couche. La seconde étape consiste à imposer divers forçages électromagnétiques locaux à l'écoulement et à analyser la réponse de ce dernier à ces forçages.

Cette thèse est une contribution à l'étude de la turbulence dans le champ proche de la sortie de jets, avec ou sans effets de rotation. Notre dispositif expérimental permet de générer un jet tournant qui se développe en formant une couche de mélange axisymétrique turbulente et dont le nombre de swirl peut être précisément fixé. L'écoulement est caractérisé par PIV stéréoscopique, avec un recours à des acquisitions à haute cadence de manière à résoudre la dynamique des grandes échelles de la turbulence. Nous avons proposé une méthode qui permet de déterminer la vitesse de convection des structures turbulentes et d'estimer la validité de l'approximation de Taylor. Cette étude démontre qu'il est ici légitime de décrire les structures spatiales de la turbulence à partir de mesures temporelle réalisées dans un plan transverse à l'écoulement. Dans le cœur du jet non tournant, une POD confirme la prédominance de modes m=0 et m=1 décrite dans de précédentes études. Le mode m=1 prend plus souvent la forme d'un battement que d'une hélice. Dans la couche de mélange, les tourbillons longitudinaux sont les structures dominantes. Une organisation sous forme de paires de signe opposé orientées radialement est mise en évidence par l'analyse des corrélations doubles de vorticité. L'étude des corrélations vorticité-vitesse donne la position préférentielle de ces tourbillons par rapport aux modes m=0 et m=1. Nous avons alors proposé un scénario d'interaction entre les modes m=0 et m=1, les tourbillons longitudinaux et le champ moyen. Lorsque le nombre de swirl augmente, le taux de croissance et l'énergie cinétique turbulente dans la couche de mélange du jet varient de manière non-monotone. Ceci est dû à des conditions initiales issues du mécanisme de mise en rotation, qui ont un effet contraire à celui de l'alignement du tenseur de Reynolds avec le tenseur des déformations. L'orientation des paires de tourbillons avec le swirl permet d'interpréter dynamiquement l'évolution du tenseur de Reynolds.

Cette étude est consacrée à la possibilité d'identification des sources acoustiques (les structures cohérentes en particulier) dans la zone de mélange de jets turbulents en utilisant la Décomposition Orthogonales aux Valeurs Propres (POD) appliquée aux fluctuations de pression en champ proche. Lors d'une première expérience, on mesure le champ de pression proche d'un jet transsonique et d'un jet supersonique. Dans les deux cas, les deux premiers modes POD, qui à eux seuls captent l'essentiel de l'organisation spatiale et spectrale, possèdent des comportements similaires à ceux observés dans les éléments bibliographiques. Cependant, la seule connaissance du champ de pression ne suffit pas à l'interprétation physique des modes POD en terme d'organisation turbulente de l'écoulement. Une seconde expérience est alors menée dans une configuration plus simple d'un jet à faible vitesse d'éjection. On mesure simultanément la distribution longitudinale des fluctuations de pression en champ proche et les fluctuations de deux composantes de vitesse dans plusieurs tranches de l'écoulement. On accède ainsi aux corrélations spatiales pression-vitesses sur le domaine bidimensionnel de mesure. A partir de ces corrélations et en utilisant l'Estimation Stochastique Linéaire (LSE), on reconstruit la dynamique des grosses structures dans le domaine de mesure à partir seulement de la distribution longitudinale des fluctuations de pression. On montre que l'estimation du champ tourbillonnaire obtenue est en très bon accord avec la physique des phénomènes aux grandes échelles et on l'utilise pour donner une interprétation physique des modes POD de pression : les quatre premiers modes représentent la partie organisée du champ de pression. Enfin, on effectue une évaluation du rayonnement acoustique en champ lointain de l'estimation du champ tourbillonnaire qui s'avère être conforme à ce qui est attendu.

Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points.<br /><br />Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale.<br /><br />Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche.<br /><br />Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

Depuis les travaux de Townsend (1956), il est désormais largement admis qu'un mouvement organisé persiste dans la majorité écoulements cisaillés. Suivant la proposition de Townsend, Reynolds & Hussain (1972) apportent la première démarche analytique en développant, entre autres, les bilans énergétiques en "un point" du mouvement organisé et aléatoire. Cependant, un minimum de deux points est nécessaire afin de définir une échelle et décrire les processus énergétiques à chaque échelle. Pour cette raison, les équations de transport des statistiques en deux points furent initialement considérées par Taylor, Kármán & Howarth, Kolmogorov ou Yaglom. Ces derniers postulent que pour des Reynolds infinis, il existe une échelle où l'influence des structures cohérentes disparaît. Or, les nombres de Reynolds rencontrés en laboratoire ne sont pas suffisamment grands pour qu'une telle supposition soit avérée. La contribution énergétique du mouvement cohérent doit alors être dissociée du reste du champ fluctuant. Le premier objectif de cette thèse est d'affiner les théories existantes en proposant les bilans énergétiques en "deux points" prenant en considération le mouvement cohérent. Puis, à partir de diverses méthodes expérimentales mises en place au CORIA et de données issues d'une collaboration avec l'Université de Newcastle (Australie), l'écoulement de sillage est exploré. Les théories statistiques sont alors utilisées comme outil, afin de décrire l'écoulement avec un degré de complexité croissant. Les attentions se portent sur les interactions cohérence - turbulence, en termes de transport, de contribution énergétique ou de transfert d'énergie au sein de la cascade.

Depuis quelques années déjà, les films de savon représentent un cadre idéal pour étudier les écoulements 2D et également la turbulence bidimensionnelle ( Couder). Il s'agit ici d'étudier la convection thermique dans une demi-bulle de savon. Le gradient thermique entre l'équateur et le pôle engendre une turbulence autour de l'équateur et donne naissance à des structures tourbillonnaires uniques de grandes tailles proches du pôle. Je mettrais en évidence une dynamique identique entre les tourbillons formés à la surface de la demi-bulle et les systèmes que l'on observe dans la nature ( les ouragans), à savoir un comportement super-diffusif. Une étude de la turbulence engendrée par la convection thermique a également été réalisée. La température présente une transition étonnante d'un comportement intermittent pour les gradients de température faible, à un comportement non intermittent lorsque l'on accroît le gradient de température. Cette dynamique est corrélée avec celle du champ de vitesse qui montre également cette transition.

Cette thèse vise à démêler les principaux mécanismes impliqués dans les écoulements transitoires et turbulents. L’idée centrale est d'utiliser une technique d’optimisation non linéaire pour étudier l’origine et le rôle des structures cohérentes habituellement observées dans ces écoulements. Cette méthode a été utilisée dans trois contextes différents. Tout d’abord, un écoulement laminaire linéairement stable a été considéré et l'optimisation a été utilisée pour calculer les perturbations les plus amplifiées parmi toutes les perturbations capables de déclencher une transition vers la turbulence. Une fois que la turbulence est bien établie, une optimisation non linéaire entièrement 3D maximisant l'énergie cinétique turbulente est utilisée pour étudier les structures cohérentes qui peuplent l’écoulement turbulent et les mécanismes responsables de la croissance et de l’échange d’énergie (optimale) sont étudiés. Ensuite, une approche de type système dynamique est appliquée aux équations du mouvement. La géométrie de l’espace des phases est étudiée en utilisant la théorie de la croissance transitoire pour évaluer l’importance des variétés stable et instable dans la dynamique. Dans le même cadre, un algorithme de minimisation non linéaire est utilisé pour calculer les connexions hétérocliniques parmi les solutions invariantes des équations de Navier-Stokes. / This thesis aims at unraveling the main mechanisms involved in transitional and turbulent flows. The central idea is that of using a nonlinear optimization technique to investigate the origin and role of coherent structures usually observed in these flows. This method has been used in three different contexts. First, a linearly stable laminar flow has been considered and the optimization has been used to compute the most amplified perturbations among all disturbances able to trigger transition to turbulence. Once turbulence is well established, a fully 3D nonlinear optimization maximizing the turbulent kinetic energy is used to study coherent structures populating turbulent shear flow as well as investigate the mechanisms responsible for the energy (optimally) growth and exchange. Then, a dynamical system approach is applied to fluid flow equations. The geometry of the state space is investigated by using transient growth theory to reveal the importance of the stable and unstable manifold. In the same framework, a nonlinear minimization algorithm is used to compute heteroclinic connections among invariant solutions of the Navier-Stokes equations.