L’hydrodynamique à deux dimensions est d’un intérêt majeur pour la compréhension des phénomènes atmosphériques divers comme la formation de structures tels les cyclones ou les ouragans. La convection thermique comme moteur est probablement essentielle. Depuis quelques années déjà, les films de savon représentent un outil idéal dans le cadre de l'étude de la turbulence à deux dimensions. Le sujet de cette thèse est l’étude de la convection thermique dans une demi-bulle de savon. Le gradient thermique entre l’équateur et le pôle en- gendre une turbulence autour de l’équateur et donne naissance à des struc- tures tourbillonnaires uniques de grandes tailles proches du pôle. Ces tour- billons évoluent de manière aléatoire à la surface de la demi-bulle. Je me suis donc intéressée à la caractérisation du mouvement de ces structures. L’étude du déplacement quadratique moyen du centre du tourbillon montre une loi d’échelle qui illustre un comportement super-di?usif. Au-delà d’une analogie qualitative de nos vortex avec les structures de grandes échelles tels les cy- clones, nous avons mis en évidence une dynamique identique à nos tourbillons pour les ouragans et cyclones, à savoir un comportement super-di?usif. Une étude de la turbulence engendrée par la convection thermique a éga- lement été réalisée. Plus particulièrement, nous avons étudié les ?uctuations d’épaisseur mais aussi du champ de vitesse et de température. En ce qui concerne l’épaisseur, les résultats obtenus sont en accord avec la théorie concernant la turbulence strati?ée. Parallèlement, 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 tempéra- ture. Cette dynamique est corrélée avec celle du champ de vitesse qui montre également cette transition. / Abstract

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.

Nous présentons des résultats numériques et théoriques concernant les cascades en turbulence bidimensionnelle, et plus spécialement la cascade d'un traceur, en développant une approche dans l'espace physique. Une telle approche permet de mettre en évidence l'absence d'intermittence dans la cascade inverse d'énergie, y compris dans des situations dominées par les structures cohérentes. Le coeur de la thèse est consacré à l'analyse et à la modélisation de la cascade d'un traceur. Nous proposons une méthode de diagnostic de la cascade d'un traceur : considérant l'évolution d'un incrément de traceur, nous définissons dans l'espace physique le flux entre échelles de la variance de traceur. Nous nous intéressons ensuite au problème de la paramétrisation du mélange turbulent. Nous justifions l'emploi une paramétrisation anisotrope, que nous baptisons diffusivité de déformation (strain diffusivity, SD)[Dubos01]. Nous relions ses propriétés diffusives aux propriétés géométriques de l'écoulement. La vorticité est en deux dimensions un traceur actif, et la paramétrisation sous-maille pour la vorticité agit sur la vitesse. La cascade inverse d'énergie impose aux paramétrisations admissibles de conserver l'énergie. Nous montrons que la SD conserve l'énergie, et qu'elle est la seule d'une classe de modèles simples. Nous étudions numériquement les propriétés des outils introduits. Nous montrons que, contrairement à une diffusivité/hyperdiffusivité isotrope, la SD induit une diffusion bien corrélée au flux local de variance de traceur. Le filtre effectif qu'elle impose correspond au filtre gaussien à partir duquel elle est calculée. Cependant la réduction de l'erreur commise en cas d'utilisation d'une méthode spectrale et d'un filtre raide n'est pas évidente. Appliquée à la vorticité dans une situation où le forçage est à très petite échelle, la SD démontre en revanche une bien meilleure représentation des grandes échelles qu'une hyperdiffusivité. Enfin, nous analysons comparativement les propriétés de cascade de la vorticité et d'un traceur passif. Les critères de comparaison reposent sur des moyennes conditionnelles des dérivées lagrangiennes du carré du gradient du traceur. Nous mettons en évidence pour un champ aléatoire une différence cinématique entre traceur passif et vorticité, dont il subsiste une trace dans des champs turbulents.

De faibles quantités de polymères flexibles de haut poids moléculaire induisent des effets significatifs sur les propriétés d'écoulement de fluides. Cette thèse présente une étude expérimentale détaillée de l'interaction Polymère -Ecoulement dans deux situations modèles : La première se focalise sur un processus singulier : le détachement d'une goutte d'un capillaire. Le caractère purement élongationnel que présente l'approche du point de rupture, permet de mettre en évidence une inhibition abrupte de cette singularité en temps fini. Ceci donne lieu, lorsque les taux d'élongation sont de l'ordre de l'inverse du temps de relaxation des polymères, à la formation de filaments s'amicissant exponentiellement et qui sont associés à des viscosités élongationnelles non stationnaires extrêmement importantes. La seconde expérience quant à elle, utilise des films de savon afin de générer un écoulement quasi-bidimensionnel turbulent. La présence de polymères induit alors une suppression des transferts d'énergie vers les grandes échelles par le biais d'une réduction des forts taux d'élongation présents dans l'écoulement. La dynamique des fluctuations d'épaisseur du film qui joue le rôle d'un scalaire passif de l'écoulement se trouve également profondément modifiée. Mots-Clés : Physique des Polymères, Instabilité interfaciale, Singularités en temps fini, Rhéologie, Viscosité élongationnelle Turbulence bidimensionnelle, Films de savon, Réduction de Traînée turbulente, Scalaire passif.

Cette thèse étudie la turbulence bidimensionnelle au moyen de simulations numériques. La turbulence bidimensionnelle intéresse surtout les météorologues et les océanographes car elle constitue une première approximation de leurs écoulements. Mon travail sur le modèle de turbulence bidimensionnelle du Laboratoire de Météorologie Dynamique a consisté à la fois en l'amélioration du modèle et la réalisation de diverses expériences sur ce modèle. La principale amélioration apportée au modèle est la mise au point d'une bonne modélisation de la cascade inverse d'énergie, i.e. une simulation plus réaliste des plus grandes échelles de l'écoulement. Les expériences réalisées sur ce modèle amélioré concernent la dispersion (absolue ou relative), i.e. nous simulons l'advection de flotteurs lagrangiens par l'écoulement. Les résultats obtenus diffèrent sensiblement des conjectures théoriques et nous obligent à envisager une approche différente de la dispersion turbulente. J'ai ajouté le travail d'une année, réalisé comme scientifique du contingent à l'Institut de Mécanique de Grenoble, sur les instabilités qui se développent dans une couche de mélange bidimensionnelle.

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.