Le but de ce travail est d'étudier une couche limite soumise à un gradient de pression et de la comparer avec une couche limite de plaque plane à grands nombres de Reynolds. Dans ce cadre, l’accent est mis sur le comportement des structures cohérentes à grande échelle. En raison de leur grande longueur, ces structures ne sont pas faciles à extraire et à caractériser en utilisant des techniques de mesure standard. Pour cette raison, des dispositifs expérimentaux spécifiques utilisant la PIV dans les plans longitudinaux et parallèles à la paroi ont été conçus pour capturer les structures à grande échelle et pour mieux comprendre les mécanismes régissant la dynamique de ces écoulements. La première partie revisite les résultats obtenus sur une couche limite plaque plane en sondant l'origine d'une décroissance spectrale en dans la couche limite turbulente. Dans cette perspective, un modèle simpliste basé sur le modèle de Townsend-Perry est proposé. Ce modèle peut, en principe, être appliqué à n'importe quel écoulement turbulent de paroi. La deuxième partie se concentre sur l'amélioration de la compréhension de la turbulence en gradient de pression adverse en effectuant une caractérisation complète d’un écoulement académique au dessus d’une géométrie. L’accent est mis sur les caractéristiques des structures (longueur, scaling, contribution énergétique et distribution selon la normale à la paroi) ainsi que sur l'influence du gradient de pression adverse sur les structures des grandes échelles. L'analyse permet de comparer le comportement d'une couche limite en présence de gradient de pression adverse avec le cas d’une plaque plane à grands nombres de Reynolds / The aim of the present work is to study a boundary layer subjected to a pressure gradient and to compare it with a zero pressure gradient (ZPG) boundary layer at high Reynolds numbers. Within this framework, focus is laid on the behaviour of large-scale coherent structures. Due to their large streamwise extent, these structures are not easy to extract and characterize using standard measurement techniques. For this reason, specific experimental set-ups using PIV in the streamwise/wall-normal planes was designed to capture the large-scale structures and to gain more insight into the mechanisms governing the dynamics of these flows. The achievements of the present investigation can be divided into two parts. The first part revisits the results obtained on a ZPG turbulent boundary layer by probing the origin of a spectral range in a turbulent boundary layer. To this end, a simple model which can in principle be applied to various wall-bounded turbulent flows is proposed from a new perspective based on the work of Townsend-Perry. The second part focuses on improving the understanding of turbulence under an adverse pressure gradient (APG) by performing a complete flow characterisation of an academic test case on a large scale geometry. Emphasis is laid on the characteristics of the structures (length, scaling, energetic contribution and their wall normal distribution) along with the influence of the APG on the large-scale structures. The analysis is also extended to compare the behaviour of APG with the ZPG case at high Reynolds numbers

L'écoulement autour des véhicules produit une couche limite turbulente très proche de la paroi. Le caractère turbulent induit des fluctuations de pression pariétale qui font vibrer les panneaux du véhicule. Ces vibrations sont alors transmises à travers la structure et rayonnent du bruit dans l’habitacle. Les niveaux sonores dus à l'écoulement augmentent avec la vitesse du véhicule. Pour cette raison, cette problématique connaît un intérêt croissant dans le secteur aéronautique.Le but de cette thèse est double : comprendre les mécanismes à l’origine de ces fluctuations de pression à la paroi et prédire l’excitation de la structure avion due à l’écoulement turbulent.Pour ce faire, des calculs Large Eddy Simulation (LES) sont disponibles. Il s’agit de bases de données numériques d’écoulements de couches limites turbulentes en présence de gradients de pression favorable, adverse et nul. Ceci permet de caractériser l’écoulement sur des géométries courbes telles que la pointe avant d’un avion. L’effet du gradient de pression sur des structures cohérentes de type « hairpins » et paquets de « hairpins » a pu être identifié et quantifié à travers des méthodes de visualisation et d’analyse statistique. Une méthode d’estimation stochastique du champ de vitesse a révélé la présence de tourbillons contra-rotatifs au-dessus des paquets de hairpins. Ces tourbillons ont une vorticité opposée à celle des hairpins et un modèle de « hairpins inversé » a été proposé.En s’inspirant du travail de Ahn et al. (2010), un modèle stochastique de spectre de la pression pariétale a été développé. Il s’agit de reconstruire un champ stochastique de vitesse instantanée et d’en déduire le champ de pression à la paroi en résolvant une équation de Poisson sur la pression. Le champ de vitesse est obtenu en soumettant des structures de type paquets de hairpins à un écoulement moyen. Les caractéristiques des paquets de hairpins en fonction du gradient de pression sont basées sur l’analyse des bases LES. Les résultats de ce modèle sont comparés à ceux issues de bases de données numériques et expérimentales. Enfin, ce modèle est utilisé pour caractériser l’écoulement de couche limite turbulente dans une simulation de Statistical Energy Analysis (SEA) afin de prédire les niveaux de vibration des panneaux d’une portion de fuselage d’avion. / The flow around vehicles creates a turbulent boundary layer in the vicinity of the wall. The turbulent behavior induces pressure fluctuations that make the panels vibrate. These vibrations are then transmitted though the structure of the vehicle and radiate noise inside the cabin. The flow-induced noise levels increase with the speed of the vehicle. For this reason, aircraft manufacturers show a great interest in this topic.There are two objectives for this thesis: understand the mechanisms responsible for the wall-pressure fluctuations and predict this source of aircraft panel excitation.A study of available Large Eddy Simulation (LES) computations was performed. The database consists in simulations of turbulent boundary layer flows submitted to favorable, adverse and zero pressure gradients. This is necessary to understand the nature of the flow over curved geometries such as the aircraft flight deck. The effect of pressure gradients on coherent hairpin structures and hairpin packets could be identified and quantified based on visualization and statistical analysis methods. Linear stochastic estimation of the velocity fields revealed a pair of counter-rotating streamwise vortices above hairpin packets. These vortices have a vorticity opposite to that of the hairpins and an “inverse hairpin” model was proposed.Following the work of Ahn et al. (2010), a stochastic model for wall-pressure spectrum was developed. The idea is to build a stochastic turbulent velocity field using hairpin packets which are subjected to a mean flow. The characteristics of the packets depending on the pressure gradient are based on the analyses of the LES database. The pressure field at the wall is obtained by solving a Poisson equation. The results of the hairpin packet model are compared to numerical and experimental data. Finally, the model is used as input for a Statistical Energy Analysis (SEA) simulation in order to predict the levels of vibrations of panels submitted to a turbulent boundary layer flow over a portion of an aircraft cabin.

Ce travail porte sur l’étude des structures cohérentes dans une couche limite de plaque plane à hauts nombres de Reynolds (Reθ=9830 et Reθ=19660). L'estimation Stochastique Linéaire est utilisée pour reconstruire un champ de vitesses résolu en espace et en temps à partir des mesures aux fils chauds à 30 KHz et des mesures PIV à 4 Hz. Une base de données DNS d’un écoulement de canal turbulent a été utilisée pour valider la procédure de reconstruction. Le champ de vitesse reconstruit est comparé à un champ de référence extrait de la DNS avec la visualisation des contours du champ de vitesse, l’analyse spectrale, les corrélations, etc. Par ailleurs, une analyse statistique est réalisée sur le champ de PIV originale, les données issues des fils chauds et celles reconstruites. Les résultats obtenus sont comparés à ceux de Carlier et Stanislas (2005) qui servent de référence. Des algorithmes ont été développés pour extraire les structures cohérentes du champ reconstruit. Les régions de vitesse uniforme sont caractérisées avec leur diamètre hydraulique, leur durée de vie et leur contribution aux tenseurs de Reynolds. Pour les tourbillons, on leur associe un rayon, une circulation et une vorticité en plus de leur durée de vie et leur nombre calculé à une distance fixe de la paroi. L’organisation spatiale des structures est étudiée avec la corrélation de leurs fonctions indicatives. Le modèle simplifié à grandes échelles qui en découle est comparé à ceux qui existent dans la littérature / This study lies in the context of large scale coherent structures (uniform momentum regions and vortical motions) investigation in a near wall turbulent boundary layer at high Reynolds numbers (Reθ=9830 and Reθ=19660).   With a Linear Stochastic Estimation procedure based on correlations computation, a full time-resolved 3 component field is reconstructed at high frequency from stereo-PIV at 4 Hz and hot wire data at 30 kHz . A DNS database of turbulent channel flow was used to validate the reconstruction method. To evaluate the quality of the method, reconstructed velocity fluctuations are compared to refence ones extracted directly from the DNS database.  Furthermore,  a statistical analysis is performed on HWA, PIV and LSE velocity fields. The results obtained are compared to those from Carlier and Stanislas (2005). Algorithms were developed to extract coherent structures from the reconstructed field. Uniform momentum regions are characterized with their mean hydraulic diameter in the YZ plane, their life time and their contribution to Reynolds stresses. The vortical motions are characterized by their position, radius, circulation and vorticity in addition to their life time and their number computed at a fixed position from the wall. The spatial organization of the structures was investigated through a correlation of their respective indicative functions in the spanwise direction . The simplified large scale model that arised is compared to the ones in the literature

Cette thèse présente une étude numérique des régimes turbulents au sein d'un écoulement de Poiseuille plan forcé par un gradient de pression constant. L'effort numérique a porté principalement sur le concept d'Unité Minimale. Dans la première partie, des simulations en régime turbulent ont été conduites en géométrie périodique. Les DNS en Unité Minimale montrent que, l'activité turbulente se trouve localisée à proximité d'une des parois, et que la dynamique aux temps longs s'organise autour de renversements abrupts. Dans la seconde partie, on recherche par le calcul les états cohérents exactes en particulier les états dits frontière. Ces états frontière, obtenus par dichotomie, sont caractérisés par tourbillons longitudinaux et une paire unique de stries toujours localisées à proximité d'une seule paroi. Des représentations de la dynamique dans l'espace des phases sont reconstruites à l'aide de divers observables. La dynamique d'un renversement s'articule autour de visites transitoires vers un espace de solutions quasi-symétriques. Une onde progressive exacte, instable et quasi-symetrique a ainsi été identifiée. L'analyse de stabilité révèle que ses vecteurs propres séparent l'espace des phases en deux basins distincts. La dernière partie remet en question l'auto-similarité des différents régimes d'équilibre d'écoulement. Contrairement aux études récentes qui se concentrent sur les solutions à structure symétrique imposée, nos résultats suggèrent que les unités de parois sont également pertinentes pour les états frontière lorsqu'ils sont localisés près d'une paroi, meme si l'auto-similarité n'est pas aussi flagrante que pour les régimes turbulents. / This thesis numerically investigates the dynamics of turbulence in plane Poiseuille flow driven by a fixed pressure gradient. The focus is especially on computations carried out within the minimal flow unit (M.F.U.). In the first part, turbulent simulations are carried out in spatially periodic channels. In the M.F.U. simulations, the turbulent activity appears to be localised near one wall and the long term dynamics features abrupt reversals. In the next part, we look numerically for exact coherent states in the M.F.U. system. Edge states, which are computed using bisection exhibit streamwise vortices and a single pair of streaks localised near only wall at all times. Different state space representations and phase portraits were constructed using appropriately chosen variables. The dynamics along a turbulent reversal is organised around transient visits to a subspace of (almost) symmetric flow fields. A nearly-symmetric exact travelling wave (TW) solution was found in this subspace. Stability analysis of the TW revealed that its unstable eigenvectors separate the state space into two symmetric basins. In the last part of this thesis, the self-similarity of the different non-trivial equilibrium flow regimes computed in this work, is addressed. Contrarily to most studies focusing on symmetric solutions, the present study suggests that inner scaling is relevant for the description of edge regimes as well although the self-similarity is not as satisfactory as for the turbulent regimes.

Au cours des dernières décennies, la théorie de la stabilité a été intensivement utilisée pour caractériser le comportement instationnaire d'écoulements. Cela a donné naissance à un grand nombre d'approches, mais malheureusement chacune d'entre elles semble présenter ses propres limitations. De plus, leurs conditions de validité sont encore très mal connues, ce qui soulève la question de la fiabilité de ce genre de méthodes dans un cas général.Cette problématique est traitée dans cette thèse en s'intéressant dans un premier temps aux approches classiques de stabilité, qui étudient l'évolution de petites perturbations autour d'une solution stationnaire -- un champ de base -- des équations de Navier-Stokes. Pour cela, le phénomène du screech -- un bruit tonal que peuvent causer les jets sous-détendus -- est étudié d'un point de vue de la stabilité linéaire. Les résultats obtenus montrent que la dynamique non-linéaire du phénomène est correctement prédite par une analyse linéaire de stabilité du champ de base. Une confrontation avec d'autres analyses similaires montre qu'un tel résultat n'est pas toujours observé. Cependant, lorsque les oscillations auto-entretenues d'un écoulement sont provoquées par un bouclage acoustique, comme c'est le cas entre autres pour le screech, l'écoulement de cavité ou encore les jets impactants, alors les non-linéarités ont une faible influence sur le phénomène de sélection de fréquence. Cela explique la capacité d'une analyse linéaire à caractériser ces écoulements, même dans le régime non-linéaire.Une autre approche, consistant à étudier la stabilité linéaire du champ moyen, a montré de bons résultats dans certaines configurations qui ne peuvent être correctement étudiées par une analyse linéaire du champ de base. Cela est justifié dans cette thèse en mettant en évidence le rôle que joue la résolvante autour du champ moyen dans la dynamique d'un écoulement. Il est montré que lorsque cet opérateur présente une forte séparation de valeurs singulières, ce qui correspond à l'existence d'un mécanisme d'instabilité fort, alors les modes de Fourier de l'écoulement sont proportionnels aux modes de résolvante dominants. Ce résultat fournit des conditions mathématiques et physiques pour l'utilisation et le sens de diverses méthodes d'analyse du champ moyen, telles qu'une analyse d'équations de stabilité parabolisées (Parabolised Stability Equations). De plus, cela permet de mettre en place un modèle de prédiction du spectre fréquentiel en tout point d'un écoulement, à partir d'une ou de quelques mesures ponctuelles et du champ moyen. L'ensemble de ces résultats est illustré et validé sur un cas de marche descendante turbulente. Enfin, cela est exploité dans un cadre expérimental, afin de reconstruire le comportement instationnaire d'un jet rond transitionnel, à partir de la seule connaissance du champ moyen et d'une mesure ponctuelle. L'étude montre que, sous certaines précautions expérimentales, la reconstruction est très précise et robuste. / Linear stability theory has been intensively used over the past decades for the characterization of unsteady flow behaviors. While the existing approaches are numerous, none has the ability to address any general flow. Moreover, clear validity conditions for these techniques are often missing, and this raises the question of their general reliability.In this thesis, this question is addressed by first considering the classical stability approach, which focuses on the evolution of small disturbances about a steady solution -- a base flow -- of the Navier-Stokes equations.To this end, the screech phenomenon -- a tonal noise that is sometimes generated by underexpanded jets -- is studied from alinear stability point of view. The results reveal that the nonlinear dynamics of this phenomenon is well-predicted by a linear base flow stability analysis. A confrontation with other similar analyses from the literature shows that such a satisfactory result is not always observed. However, when a self-sustained oscillating flow is driven by an acoustic feedback loop, as it is the case for the screech phenomenon, cavity flows and impinging jets for instance, then the nonlinearities have a weak impact on the frequency selection process, explaining the ability of a linear analysis to characterize the flow, even in the nonlinear regime.Another alternative approach, based on a linearization about the mean flow, is known to be successful in some cases where a base flow analysis fails. This observation from the literature is explained in this thesis by outlining the role of the resolvent operator, arising from a linearization about the mean flow, in the dynamics of a flow. The main finding is that if this operator displays a clear separation of singular values, which relates to the existence of one strong convective instability mechanism, then the Fourier modes areproportional to the first resolvent modes. This result provides mathematical and physical conditions for the use and meaning of several mean flow stability techniques, such as a parabolised stability equations analysis of a mean flow.Moreover, it leads to a predictive model for the frequency spectrum of a flow field at any arbitrary location, from the sole knowledge of the mean flow and the frequency spectrum at one or more points. All these findings are illustrated and validated in the case of a turbulent backward facing step flow. Finally, these results are exploited in an experimental context, for the reconstruction of the unsteady behavior of a transitional round jet, from the sole knowledge of the mean flow and one point-wise measurement. The study shows that, after following a few experimental precautions, detailed in the manuscript, the reconstruction is very accurate and robust.

L'utilisation de l'hélium a basse température en turbulence développée s'avère décisive pour l'étude des propriétés statistiques des champs de vitesse et de traceur passif, grâce a une gamme de nombres de Reynolds inégalée et a d'excellentes conditions de stabilité. Les expériences présentées dans cette thèse sont effectuées en géométrie confinée, entre deux disques en rotation. <br /><br />Nous décrivons dans un premier temps les transferts d'énergie a travers les échelles, et en particulier l'existence d'une tendance algébrique vers un régime asymptotique (loi des 4/5 de Kolmogorov) dans la limite des très grands nombres de Reynolds. Nous discutons en détail la validité de l'équation de Kolmogorov dans différentes configurations d'écoulement, et caractérisons en particulier l'influence des grandes échelles sur un tel régime asymptotique. <br /><br />Nous présentons dans un second temps de nouveaux résultats concernant des mesures de fluctuations de température, réalisées pour la première fois dans l'hélium a basse température. Nous caractérisons notamment l'intermittence du scalaire passif sous l'aspect des lois d'échelles anormales. Nous montrons que l'évolution des exposants de fonction de structure suggère la présence d'une saturation aux ordres élevés, signature de statistiques dominées par la présence de fronts intenses. Nous étudions les propriétés statistiques de ces fronts, et mettons en évidence leur répartition auto-similaire. <br /><br />Enfin, nous présentons de nouveaux résultats concernant les fluctuations de pression en turbulence, a partir d'une expérience originale de cavitation dans l'eau. Nous menons une étude qualitative des structures cohérentes de basse pression dans l'écoulement en contrarotation. Nous nous penchons ensuite sur leur contribution aux distributions de pression exponentielles, mesurées en volume, soulignant l'importance des grandes échelles dans la description des fluctuations de pression.

Cette étude s'inscrit dans l'effort de réduction des nuisances sonores des avions au décollage. Une des principales composantes est le bruit de jet, dont la partie à basse fréquence peut notamment être imputée au rayonnement acoustique directif des structures cohérentes de grande échelle engendrées par les instabilités dans la couche de mélange du jet. L'évolution de ces ondes d'instabilité peut être décrite au moyen des équations de Stabilité Parabolisées (PSE). Un premier objectif a été de déterminer si dans le cas d'un jet turbulent naturel, les interactions non linéaires entre les ondes d'instabilité ont un impact significatif sur sa dynamique et sur son rayonnement acoustique. À cet effet, une modélisation PSE non linéaire a été développée et appliquée à une configuration réaliste. La possibilité de manipuler ces ondes d'instabilité par non linéarité a ensuite été étudiée en vue d'une réduction du rayonnement acoustique. Pour cela, une analyse PSE a été menée pour déterminer l'effet sur le bruit de jet de l'excitation d'un ou plusieurs modes instables. Ces travaux de thèse ont permis de montrer, d'une part, que les non linéarités semblent avoir un impact mineur sur la dynamique des ondes d'instabilité dans le cas des jets turbulents naturels, et d'autre part, qu'il est possible de réduire le rayonnement acoustique des modes dominants par interactions non linéaires. / This study is part of the effort to reduce aircraft noise during take-off. Jet noise is oneof the main contributors, of which lower frequency component can be attributed to thedirective acoustic field generated by the large-scale coherent structures arising from jetmixing-layer instabilities. The development of these instability waves can be describedusing Parabolized Stability Equations (PSE). A first objective was to determine if inthe case of a natural turbulent jet, nonlinear interactions between instability waveshave a significant impact on its dynamic and acoustic behaviour. For this purpose,a nonlinear PSE model has been developed and applied to a realistic configuration.Then, the possibility to manipulate these instability waves by means of nonlinearity wasinvestigated with a view to reduce noise. To this end, a PSE analysis has been carried outto assess the impact on jet noise of exciting one or more unstable modes. The findingsof this doctoral work demonstrate a minor impact of nonlinearities on the dynamics ofinstability waves for natural turbulent jets on the one hand, and the possibility to makethe initially dominant instability acoustically ineffective using nonlinear interactions onthe other hand.

En période hivernale, le golfe du Lion est sujet à des conditions de vents régionaux forts (Mistral et/ou Tramontane) qui transportent des masses d'air continentales froides et sèches au dessus de la mer. Ces événements, les Cold Air Outbreaks (CAO) , conduisent à d'intenses échanges air-mer et donc à un pompage de chaleur qui favorise la formation d'eaux denses et le déclenchement de la convection océanique profonde. La bonne représentation de ces échanges air-mer intenses dans les modèles de climat et de prévision numérique du temps reste à l'heure actuelle une problématique majeure. Elle est au cœur du projet ASICS-MED centré sur compréhension des mécanismes de formation d'eaux denses en Méditerranée et qui s'inscrit dans le cadre de la thématique " Échanges air-mer intenses " du programme HyMeX dédié à l'étude du cycle de l'eau en Méditerranée. Les processus qui s'opèrent au sein de la couche limite atmosphérique marine (CLAM) et de la couche de mélange océanique (CMO) interagissent entre eux à différentes échelles spatiales et temporelles. La compréhension de l'évolution globale de la CLAM mais également des mécanismes locaux nécessitent la prise en compte de l'ensemble des processus. L'étude présentée ici est consacrée à la structure moyenne et turbulente de la CLAM en conditions de vents forts. L'objectif est de déterminer comment l'organisation du champ turbulent est impactée lors d'épisodes de CAO et d'estimer les flux de surface associés à ces conditions de vents forts. La méthodologie adoptée est basée sur l'utilisation conjointe d'observations aéroportées collectées lors de la campagne de mesure SOP2 d'HyMeX et de simulations numériques. La campagne de mesure SOP2 d'HyMeX qui a eu lieu au cours de l'hiver 2013 dans le golfe du Lion a permis de documenter grâce à l'avion de recherche ATR42 la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors de 11 épisodes de CAO. Une analyse spectrale s'appuyant sur un modèle analytique a été réalisé sur 181 paliers (i.e. segments de vol rectilignes et stabilisés en altitude). Les profils verticaux des échelles turbulentes caractéristiques ainsi que la forme du spectre de la vitesse verticale ont permis de mettre en évidence un allongement des structures énergétiques dans l'axe du vent moyen associé à l'organisation du champ turbulent sous la forme de rouleaux longitudinaux. Une description unidirectionnelle du champ turbulent tridimensionnel peut conduire à une représentativité limitée des structures cohérentes au sein des échantillons. Cependant, la connaissance des profils de flux sur toute l'épaisseur de la CLAM est nécessaire pour l'estimation des échanges air-mer. Une méthode de correction des flux turbulents calculés par eddy correlation a été appliqué afin de prendre en compte les erreurs systématique et aléatoire relatives à la mesure et au traitement de données. Cette correction a permis de déterminer les meilleures estimations possibles des flux extrapolés à la surface avec une marge d'incertitude pour les 11 épisodes de CAO documentés lors de la campagne SOP2 d'HyMeX. La comparaison de ces estimations aéroportées aux autres sources d'information dérivées de paramétrisations des flux a permis de mettre en évidence une sous-estimation systématique du flux de chaleur latente en conditions de vents forts. Une approche numérique a permis de compléter l'analyse de la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors d'épisodes de CAO. / During winter, local strong winds (Mistral or Tramontana) occurred in the Gulf of Lion which bring cold and dry continental air over a warmer sea. Those events, the cold air outbreaks, can lead to intense air-sea interactions which favour dense water formation and deep oceanic convection. The representation of air-sea exchanges is a fundamental aspect of of climate modelling and numerical weather forecasting. The ASICS-MED project aims to identify fine-scale processes leading to dense water formation and is a part of the "Intense air-sea exchanges" topic of the HyMeX program devoted to hydrological cycle in the Mediterranean. The processes occurring within the marine atmospheric boundary layer (MABL) and the oceanic mixing layer (ML) interact with one another at different spatial and temporal scales. Understanding the overall evolution of the MABL but also the local mechanisms requires taking into account all the processes. The study presented here is devoted to the mean and turbulent structure of the MABL under strong wind conditions. The objective is to determine how the organization of the turbulent field is impacted during CAO events and to estimate the surface fluxes associated with these strong wind conditions. The methodology adopted is based on the joint use of airborne observations collected during the HyMeX-SOP2 field campaign and numerical simulations. The HyMeX-SOP2 field campaign took place during the winter of 2013 in the Gulf of Lion. The research aircraft ATR42 was operated to document the mean and turbulent structure of the MABL during 11 CAO events. A spectral analysis based on an analytic model was carried out on 181 legs (i.e. stacked straight and level runs stabilized in altitude). The vertical profiles of the turbulent characteristic scales as well as the shape of the vertical velocity spectrum revealed an elongation of the energy structures in the mean wind direction associated with the organization of the turbulent field into longitudinal rolls. A unidirectional sampling of the three-dimensional turbulent field may lead to a limited representativeness of the coherent structures within the samples. However, knowledge of kinematic fluxes profiles over the entire thickness of the CLAM is necessary to estimate air-sea exchanges. A correction method was applied to turbulent fluxes calculated by eddy correlation in order to take into account systematic and random errors related to measurement and data processing. This correction made it possible to determine the best possible estimates of the extrapolated surface fluxes with a margin of uncertainty for the 11 CAO events documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. The comparison of these airborne estimates with the other sources of information derived from bulk parameterizations show a systematic underestimation of the latent heat flux under strong wind conditions. A numerical approach allowed to complete the analysis of the mean and turbulent structure of the MABL during CAO events. The numerical study, based on the non-hydrostatic Meso-NH model, focuses on an episode of strong Tramontana with winds greater than 25m/s documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. In a first step, a one-dimensional framework made it possible to understand the forcing terms necessary to reproduce in a realistic way the development of the observed MABL. This reference configuration allowed, in a second time, a Large-Eddy Simulation of the CAO event. This simulation has been validated using airborne data and has allowed to deepen the description of the turbulent field as well as the evolution of the coherent structures oriented in the axis of the mean wind.

Nous proposons dans ce mémoire de thèse une méthodologie permettant la résolution du problème de la décomposition de Hodge-Helmholtz discrète sur maillages polyédriques. Le défi de ce travail consiste à respecter les propriétés de la décomposition au niveau discret. Pour répondre à cet objectif, nous menons une étude bibliographique nous permettant d'identifier la nécessité de la mise en oeuvre de schémas numériques mimétiques. La description ainsi que la validation de la mise en oeuvre de ces schémas sont présentées dans ce mémoire. Nous revisitons et améliorons les méthodes de décomposition que nous étudions ensuite au travers d'expériences numériques. En particulier, nous détaillons le choix d'un solveur linéaire ainsi que la convergence des quantités extraites sur un ensemble varié de maillages polyédriques et de conditions aux limites. Nous appliquons finalement la décomposition de Hodge-Helmholtz à l'étude de deux écoulements turbulents : un écoulement en canal plan et un écoulement turbulent homogène isotrope. / We propose in this thesis a methodology to compute the Helmholtz-Hodge decomposition on discrete polyhedral meshes. The challenge of this work isto preserve the properties of the decomposition at the discrete level. In our literature survey, we have identified the need of mimetic schemes to achieve our goal. The description and validation of our implementation of these schemes are presented inthis document. We revisit and improve the methods of decomposition we then study through numerical experiments. In particular, we detail our choice of linear solvers and the convergence of extracted quantities on various series of polyhedral meshes and boundary conditions. Finally, we apply the Helmholtz-Hodge decomposition to the study of two turbulent flows: a turbulent channel flow and a homogeneous isotropic turbulent flow.

Les cascades log-infiniment divisibles fournissent un cadre général à l'étude de la propriété d' invariance d'échelle. Nous introduisons ces objets en décrivant l'évolution historique des différents modèles proposés pour décrire le phénomène d'intermittence statistique en turbulence. Nous nous appliquons alors à préciser une définition formelle des cascades log-infiniment divisibles. Nous remplaçons aussi les accroissements, usuels en turbulence, par les coefficients d'une transformée en ondelettes associée à une analyse multirésolution, outil dédié à l'analyse temps-échelle. Une réflexion approfondie sur la signification du formalisme nous amène à démontrer sa flexibilité pour la modélisation, ainsi que sa richesse en lien avec les cascades multiplicatives, les processus de Markov, l'équation de Langevin, l'équation de Fokker-Planck...Grâce à l'étude des cascades log-Poisson composées, nous proposons une vision originale du phénomène d'intermittence statistique. Ensuite, des estimateurs des exposants de lois d'échelle (éventuellement relatives) sont étudiés en insistant sur la correction du biais et la détermination d'intervalles de confiance. Nous les appliquons à des données de télétrafic informatique. Nous expliquons pourquoi une procédure usuelle d'estimation du spectre multifractal appliquée aux mouvements linéaires stables fractionnaires risque de mener à une méprise. Enfin, le lien entre intermittence statistique et intermittence spatio-temporelle (structures cohérentes) en turbulence est étudié à partir de l'enregistrement de signaux de vitesse et de pression conjointement en espace et en temps dans un écoulement turbulent. De fortes dépressions associées à des tourbillons filamentaires sont détectées. Une analyse statistique des coefficients d'ondelette de la vitesse conditionnée à ces événements nous permet de décrire l'influence de ces structures cohérentes à différents nombres de Reynolds.