On étudie des phénomènes de séparation d'écoulement avec deux approches différentes. Dans la première partie, on considère des écoulements 2D, instationnaires, incompressibles et non visqueux. Un modèle analytique-numérique, basé sur la jonction d'une transformation conforme et d'une méthode aux tourbillons ponctuels, est construit pour définir l'écoulement potentiel dans un domaine doublement connecté où les corps sont caractérisés par une variation temporelle de leur circulation. En particulier, on s'intéresse à l'étude de l'écoulement autour d'un VAWT avec deux pales. Dans la seconde partie on considère des écoulements visqueux et compressibles. On construit un solveur qui résoud les équations de Navier-Stokes en y introduisant une technique de pénalisation: les corps sont modélisés comme des milieux poreux ayant une porosité très petite par rapport à la porosité du fluide extérieur. Cette technique permet d'utiliser des maillages cartésiens pour des géométries très complexes. / In the present work flow separation phenomena are investigated by means of two different approaches. In the first part, 2D unsteady incompressible inviscid flows are studied. An analytical-numerical model, based on the conjunction of a conformal mapping and a point vortex method, is built to define the potential flow field in a doubly connected domain where bodies are characterized by a variation in time of their circulation. In particular, the study of the unsteady flow past a 2-blade Darrieus VAWT is addressed. Until now the study of vortex motions has only been described in doubly-connected flow fields where the circulations have a constant null value. The flow field here analysed has a deep unsteadiness, which determines the circulations varying in time: so a technique is developed to uniquely define the circulations around the bodies. Three conditions result necessary to be imposed: in addition to the two Kutta conditions at the trailing edges, another one has to be imposed in order to respect the Kelvin theorem. With a classical configuration, this machine, experiencing angles of attack of opposite values, gives rise to complex vortex shedding phenomena that reduce its performances and stress its structure. In order to control the flow separation from the blades, an innovative solution is qualitatively investigated which consists of taking blade profiles provided with vortex trapping cavities. Interesting results are obtained, even if in the limit of inviscid flow. In the second part compressible viscous flows are taken into account. A fully Navier-Stokes equations solver is implemented introducing the penalization technique. The idea is to replace the bodies by the fluid, in a way that also into the bodies the penalized Navier-Stokes equations remain valid, respecting the boundary conditions on their contours. Starting from this purpose, the bodies are considered as porous media with a little porosity with respect to that of the external flow, which tends to infinity. This technique allows simple Cartesian meshes to be used, also for very complex geometries like those of industrial interest. The resulting code is tested on different flow fields, both steady and unsteady, both subsonic and supersonic, obtaining always a good agreement with other theoretical and numerical results described in literature.

Les tourbillons hélicoïdaux générés derrière les rotors sont étudiés. Pour les générer, une méthode basée sur le couplage entre la technique de la ligne active et un solveur des équations de Navier-Stokes (ENS), incompressibles et tridimensionnelles, a été développée. Elle consiste à modéliser la pâle par son équivalent de forces volumiques. Les équations, écrites en coordonnées cylindriques, sont résolues par un schéma de différences finies, écrit en parallèle. La méthode est d'ordre deux en temps et en espace. Le solveur des ENS a été validé par la reproduction des taux de croissance d'un écoulement de jet, instable, trouvés par la théorie d'instabilité linéaire. La comparaison avec des données expérimentales a montré que la méthode prédit bien l'aérodynamique de la pâle. Ensuite, le tourbillon de bout de pâle a été, en particulier, caractérisé. La vorticité et la vitesse azimutale ont été trouvées auto-similaire et la taille du coeur suit asymptotiquement la loi de diffusion linéaire 2D. Un modèle simple du coeur du tourbillon a été proposé. La présence d'une vitesse axiale dans le coeur du tourbillon a été montrée et a été caractérisée en fonction du rapport de vitesse au bout de la pâle. Finalement, une étude de stabilité du tourbillon a été faite en utilisant une vitesse angulaire variable pour perturber l'écoulement. Les taux de croissances des modes les plus instables sont en bon accord avec celui de l'instabilité d'appariement 2D des tourbillons. Trois types de modes ont été identifiés en fonction de la fréquence des perturbations et ont été trouvés similaires aux modes décrits par la théorie et aussi trouvés, précédemment, par l'expérience. / This present work is aimed to study helical vortices encountered in the wakes of rotating elements. For this, the generation of a helical wake of a one-bladed-rotor in a laminar velocity field, is simulated by the actuator line method. This method is a coupling of a Navier-Stokes (NS) solver with the Actuator Line Method where the blade is replaced by the body forces. This method has been implemented in a finite difference code, that we have written in parallel to solve the 3D incompressible NS equations written in cylindrical coordinates. The order of accuracy of the method is two both in time and space. The NS solver was validated comparing growth rates of an unstable jet, found numerically, and those of linear instability theory. A good agreement was found. A good agreement was also found comparing numerical results to analytical formulations and experimental data. It was shown that the method predicts well the blade aerodynamics . Then, the helical tip vortex is characterized for different Reynolds numbers and Tip Speed Ratios. The vorticity and the azimuthal velocity were found self-similar and the vortex core follows asymptotically the linear 2D diffusion law. A simple model for the helical vortex core was proposed. The presence of an axial velocity inside the vortex core was highlighted. Then, a stability study of the helical tip vortex was done using an angular velocity dependent on time to perturb the flow. The largest growth rates were found in good agreement with those of the (2D) pairing instability. Three types of modes were identified based on the perturbation frequency. The results are similar to those found in previous analytical and experimental works.

Ce travail de thèse aborde l'hydrodynamique régissant un grand nombre d'applications industrielles mettant en œuvre des fluides à seuil de contrainte. Il s'intéresse plus particulièrement à l'étude du problème de base de la mécanique des fluides que constitue l'écoulement d'un fluide autour d'obstacles cylindriques. <br />Dans un premier temps, le domaine des grands nombres d'Oldroyd, peu abordé dans la littérature, a été examiné en s'intéressant plus particulièrement aux aspects cinématiques et dynamiques. Les effets d'inertie sont négligés. Le cas d'un seul obstacle cylindrique et celui de deux obstacles cylindriques en interaction ont été étudiés numériquement. Les résultats concernant les zones rigides, la stabilité, la couche limite viscoplastique ont été présentés en fonction du nombre d'Oldroyd. Expérimentalement, le cas du cylindre seul a été examiné par la mesure de la traînée et la caractérisation des champs de vitesses par vélocimétrie par image de particules. Le fluide à seuil de contrainte utilisé a été l'objet d'une caractérisation rhéométrique approfondie. Les résultats expérimentaux ont permis de comparer les effets de la nature élastoviscoplastique du gel utilisé aux résultats obtenus avec des lois viscoplastiques existantes. <br />Dans un second temps, les effets d'inertie ont été pris en compte. Une étude expérimentale a été menée sur l'écoulement autour d'un obstacle cylindrique plongé dans une cuve tournante. Cette étude, complétée par une simulation numérique, a permis d'identifier l'influence de la plasticité, de la rhéofluidification et de l'élasticité sur le sillage derrière un obstacle cylindrique dans un fluide à seuil de contrainte. La zone de recirculation présente dans le régime laminaire stable et la transition entre ce régime et le régime laminaire avec détachement de tourbillons ont été spécialement examinées.

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 T_N = 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 T_A = 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'effondrement 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.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'un jet en interaction avec un écoulement transverse de paroi (Jet In Cross-Flow, JICF). L'écoulement est monophasique et isotherme. Le ratio des vitesses (VR) de jet et d'écoulement est bas, et le jet est affleurant à la paroi, avec des géométries d'injection diverses : circulaires, elliptiques, rectangulaires, et chevrons. Cette étude a été réalisée en canal hydraulique à l'aide d'une méthode de vélocimétrie volumique optique (V3V) qui permet la mesure instantanée des 3 composantes du champ de vitesses, et l'ensemble du processus expérimental a été optimisé. La physique du JICF est analysée à l'aide des champs moyen et instantané, de statistiques et du suivi spatial de structure tourbillonnaire cohérentes. L'influence du VR sur la topologie d'écoulement est étudiée, et met en évidence l'existence d'une transition de soufflage à très bas ratios de vitesse. Nous étudions en détail les trajectoires et l'évolution des intensités tourbillonnaires des vortex composant le JICF, et un nouveau scaling de trajectoire est proposé. Les outils développés pour l'analyse du JICF rond ont été appliqués aux JICF non circulaires. La géométrie d'injection chevron conserve à la fois une intensité tourbillonnaire élevée et une trajectoire basse de jet, maximisant ainsi l'effet sur la couche limite. L'ensemble de ces résultats permettent une meilleure connaissance des jets transverses à bas VR, et seront très utiles pour la conception d'expériences de contrôle d'écoulement, en apportant des critères quantitatifs pour choisir les bons paramètres physiques et géométriques définissant les générateurs de vortex fluidiques.

Ce mémoire se propose d'examiner le comportement asymptotique en temps long des fluides visqueux bidimensionnels, homogènes ou faiblement inhomogènes. On y examine souvent la dynamique des écoulements en fonction de l'évolution de la densité et, plutôt que de la vitesse, du vecteur de rotation instantanée appelé tourbillon ou vorticité. Les travaux de Thierry Gallay et C. Eugene Wayne ont mis en relief le rôle primordial d'une famille de solutions auto-similaires --- les tourbillons d'Oseen ou vortex --- pour décrire l'asymptotique des écoulements à densité constante. Toute solution de l'équation de Navier-Stokes, ayant une mesure finie comme tourbillon initial et de circulation non nulle, est asymptotique en temps long à un tourbillon d'Oseen. Le résultat de Gallay et Wayne ne présente que l'inconvénient de ne pas être explicite, la première tâche de ce mémoire est de l'expliciter, ce qui fournit ainsi une borne sur le temps de vie de la turbulence bidimensionnelle. On montre ensuite que les tourbillons d'Oseen sont asymptotiquement stables en tant que fluides à densité variable, retrouvant également, par là-même, le résultat de Gallay et Wayne pour des écoulements incompressibles faiblement inhomogènes et lents. Quant aux fluides compressibles faiblement inhomogènes, on établit qu'ils se comportent essentiellement comme des fluides à densité constante dès lors que l'on considère des écoulements lents et de circulation nulle.

La sensibilité des propriétés globales d'un sillage turbulent derrière un cylindre en forme de "D" est étudiée expérimentalement. Un petit cylindre de contrôle (de forme et de diamètre variable) est inséré dans le sillage pour créer une perturbation locale. Un ensemble de mesures basé sur de l'anémométrie à fil chaud et vélocimétrie par images de particules est mis en oeuvre pour obtenir des informations locales et globales du sillage turbulent. Les forces aérodynamiques agissant sur le cylindre principal sont dérivées de mesures de pression autour de son périmètre. Les résultats sont présentés sous la forme de cartes de sensibilité du nombre de Strouhal et la pression de base. La sensibilité des propriétés globales est interprétée par la capacité de la perturbation locale à changer la taille de la région de formation de l'allée de Kármán en agissant principalement sur les propriétés turbulentes de la couche de mélange perturbée. Les mécanismes physiques correspondants sont discutés pour interpréter les origines de réduction de traînée et la modification de fréquence globale. L'impact de la perturbation sur les propriétés 3D du sillage est examiné par corrélation de vitesse à deux points et visualisation. Les configurations bi-stable de l'écoulement pour certaines positions du cylindre de contrôle sont étudiées.

Un corps qui se déplace dans l'eau y laisse des empreintes qui deviennent visibles s'il se rapproche de la surface. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement et théoriquement trois types différents d'empreintes, les "explosives", les "tourbillonnantes" et les "ondulantes". Les premières sont créées par des explosions à la surface de l'eau et engendrent des cavités dont on étudie la taille maximale et à la dynamique. Contrairement aux cavités d'impact, ces cavités explosives se caractérisent par une ouverture isotrope (cavité hémisphérique) et une fermeture anisotrope qui donne lieu à la formation d'un jet central. Si l'explosion est confinée par un cylindre ouvert de "petit" diamètre, on montre que la cavité se développe dans le cylindre mais n'en sort jamais, quelle que soit l'énergie de l'explosion. Pour les empreintes "tourbillonnantes", on étudie l'impact d'un tourbillon toroïdal sur une surface libre avec une attention particulière pour la taille maximale de la région perturbée et la durée de l'interaction. On montre que la nature chimique de l'interface joue un rôle crucial sur l'interaction: dans l'eau, celle-ci engendre des tourbillons secondaires qui limitent à deux diamètres la taille de la zone perturbée. Ces tourbillons sont supprimés dans l'éthanol et l'interaction s'y poursuit sur des dizaines de diamètres. La troisième partie "ondulante" porte sur la trainée de vague de sphères immergées. Expérimentalement, nous observons un fort écart entre les modèles théoriques classiques et la mesure, dans la gamme de profondeur et de vitesse pour laquelle celle-ci est importante. En étudiant le sillage de surface formé par les sphères, on montre que la saturation en amplitude de celui-ci est à l'origine de cet écart.

The transition from a laminar to a turbulent flow strongly modifies the boundary layer properties.Understanding the mechanisms leading to transition is crucial to reliably predict aerodynamicperformances. For boundary layers subjected to high levels of external disturbances, the naturaltransition due to the amplification of the least stable mode is replaced by an early transition, calledBypass transition. This is the result of non-normal mode interactions that lead to a phenomenon oftransient growth of disturbances. These disturbances are known as Klebanoff modes and take theform of streamwise velocity streaks.This thesis aims at understanding this linear mechanism of transient growth and quantifying itsinfluence on the classical modal amplification of disturbances. This is done by computing theso-called optimal perturbations, i.e. the initial disturbances that undergo maximum amplificationin the boundary layer.These optimal perturbations are first determined for two-dimensional compressible boundary layersdeveloping over curved surfaces. In particular, we show that Klebanoff modes naturally evolvetowards Görtler vortices that occur over concave walls. Three-dimensional boundary layers arethen considered. In such configurations, transient growth provides an initial amplitude to crossflowvortices. Finally, applying the tools developed in this thesis to new flow cases such as swept wingsprovides further understanding of the phenomenon of transient growth for realistic geometries. / Le passage du régime laminaire au régime turbulent s’accompagne d’importantes modifications despropriétés physiques de la couche limite. La détermination précise de la transition est donc crucialedans de nombreux cas pratiques. Lorsque la couche limite se développe dans un environnementextérieur faiblement perturbé, la transition est gouvernée par l’amplification du mode propre le moinsstable. Lorsque l’intensité des perturbations extérieures augmente, des interactions multimodalesentraînent une amplification transitoire des perturbations. Ce phénomène peut conduire à unetransition prématurée, appelée transition Bypass. Les perturbations prennent alors la forme destries longitudinales de vitesse appelées modes de Klebanoff.L’objectif de cette thèse est d’étudier ce mécanisme linéaire de croissance transitoire et soninfluence sur l’amplification modale classique des perturbations. Cela passe par la déterminationdes perturbations les plus amplifiées au sein de la couche limite, appelées perturbations optimales.Ces perturbations optimales sont d’abord calculées pour des couches limites bidimensionnelles etcompressibles se développant sur des surfaces courbes. En particulier, on montre que les modes deKlebanoff évoluent vers les tourbillons de Görtler qui se forment sur des parois concaves. Le cas plusgénéral de couches limites tridimensionnelles est ensuite envisagé. Pour de telles configurations, lacroissance transitoire fournit une amplitude initiale aux instabilités transversales. Enfin, l’applicationdes outils développés dans cette thèse fournit de nouveaux résultats pour des cas d’écoulementsautour de géométries réalistes comme une aile en flèche.

La nécessité d’améliorer la performance aérodynamique des véhicules aériens est à l’origine d’intenses recherches sur l’optimisation en temps réel de la forme de la voilure. Cette optimisation en temps réel ne peut être atteinte que par le morphing de la surface portante en utilisant des matériaux et des actionneurs appropriés. L’objet de cette thèse est d’étudier des actionneurs basés sur des matériaux intelligents pour l’optimisation de la performance aérodynamique sur différentes échelles de temps (d’actionnement basse fréquence et haute fréquence). Premièrement, différents types d’actionnement , qu’ils soient basse fréquence et grand déplacement grâce aux AMF ou qu’ils soient haute fréquence et faible déplacement utilisant des matériaux piézoélectrique sont considérés. Leurs effets sur l’écoulement environnant ont été analysés séparément en utilisant des mesures PIV dédiées. Les expériences ont montré la capacité de déformation de la technologie AMF sous des charges aérodynamiques réalistes. Il a été souligné que malgré la fréquence d’actionnement limitée l’hypothèse "quasi-statique" doit être soigneusement adaptée à la gamme de nombres de Reynolds de 200.000. Les mesures PIV menées derrière le bord de fuite à actionnement piézoélectrique ont montré la capacité de l’actionneur à réduire les modes d’instabilité de la couche de cisaillement. Une fréquence optimale d’actionnement de 60 Hz a été identifiée à l’aide d’une analyse en boucle ouverte. Dans un deuxième temps, une hybridation des deux technologies précédemment étudiés a été proposée. Les actionneurs utilisés, AMFs et MFCs, ont été modélisés et la capacité d’action combinée a été démontrée. Le prototype conçu, suivant le profil aérodynamique NACA4412 a été testé en la soufflerie et il a été montré que la combinaison de ces deux technologies permet d’agir sur les tourbillons de la zone de cisaillement ainsi que de contrôler la portance. / The need to improve the aerodynamic performance of air vehicles is the origin of intense research on the real-time optimization of the airfoil shape. This real-time optimization can only be achieved by morphing the airfoil using adequate materials and actuators. The object of this thesis is to study smart-material actuators for aerodynamic performance optimization on different time scales (low-frequent and high-frequent actuation). First, the effects of the distinct actuation types, low-frequency large-displacement shape-memory alloy (SMA) and high-frequency low-displacement piezoelectric, on the surrounding flow are analyzed separately using dedicated time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements. The experiments showed the deformation capacity of the SMA technology under realistic aerodynamic loads. Furthermore, it was highlighted that despite the limited actuation frequency the “quasi-static” hypothesis has to be carefully adapted for the Reynolds number range of 200.000. The PIV measurements conducted behind the piezoelectrically actuated trailing edge showed the capacity of the actuator to reduce the shear-layer instability modes. An open-loop optimum actuation frequency of 60 Hz has been identified. Secondly, a hybridization of the two previously studied technologies has been proposed. The implied actuators, SMAs and macro fiber composites (MFCs), have been modelled and the combined actuation capacity has been demonstrated. The designed prototype NACA4412 airfoil has been tested in the S4 wind-tunnel of IMFT and it was shown that the combination of the two technologies allows acting on the shear-layer vortices as well as control the lift.