La compréhension de la dynamique de la turbulence de paroi a déjà fait l'objet de nombreuses études expérimentales et numériques depuis des décennies. Le principal intérêt pratique de ces études tient au fait que la contrainte de cisaillement pariétale (et donc le frottement) est étroitement liée à la dynamique des structures à la proximité de la paroi. Les techniques expérimentales en mécanique des fluides ont également fait de grands progrès ces dernières années. Ce travail présente le développement d'une méthode expérimentale visant à fournir des mesures 3D-3C de l'écoulement dans la région de très proche paroi, en vue de mesurer la contrainte de cisaillement à la paroi avec une précision améliorée. Dans ce but, une technique originale de Vélocimétrie Holographique par Images de Particules a été mise au point. Les mesures sont effectuées dans un petit volume à proximité de la paroi dans la soufflerie au Laboratoire de Mécanique de Lille. Des mesures détaillées dans un de l'ordre de 1.5mm3 sont rendues possibles grâce l'utilisation d'un objectif de microscope pour l'agrandissement du champ objet. Les particules sont éclairées par le côté, la lumière diffusée a 90o se recombine avec l'onde de référence pour un enregistrement holographique en ligne de type Gabor. Une procédure d'étalonnage a été développée afin de relier l'espace de reconstruction de l'image holographique aux coordonnées dans le volume de mesure. L'analyse des résultats montre que les images de particules sont reconstruites avec une très bonne résolution axiale, ce qui conduit à penser que la configuration est bien adapté à cette type de mesure. Ces résultats montrent également qu'une optimisation et des ajustements sont nécessaires pour d'améliorer les résultats de suivi de particules

Un code de résolution des équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible a été développé en utilisant une approche mixte spectral/différences finies, compatible avec une mise en \oe uvre dans un environnement massivement parallèle. On procède, grâce à ce nouvel outil, à des simulations directes de la turbulence dans une configuration où l'agitation est synthétisée à l'aide d'un forçage aléatoire. La production de turbulence est confinée dans une couche centrale du domaine et s'auto-diffuse en direction d'une surface libre ou d'une paroi adhérente. Dans cette configuration on obtient un état statistiquement stationnaire où le cisaillement moyen, généralement à l'origine de la production de la turbulence, est nul. Ces conditions permettent de mieux comprendre l'origine du transfert intercomposantes, caractéristique de la partie lente du terme de corrélation pression-déformation dans les équations-bilan des tensions de Reynolds. L'accent est mis sur l'analyse de ce transfert lorsqu'il s'effectue sous l'influence de l'effet de blocage au voisinage d'une surface. Les résultats obtenus permettront de mieux appréhender la modélisation des termes de corrélation pression-déformation au voisinage d'une paroi dans les modèles de fermeture au second ordre.

La compréhension de la dynamique de la turbulence de paroi a déjà fait l'objet de nombreuses études expérimentales et numériques depuis des décennies. Le principal intérêt pratique de ces études tient au fait que la contrainte de cisaillement pariétale (et donc le frottement) est étroitement liée à la dynamique des structures à la proximité de la paroi. Les techniques expérimentales en mécanique des fluides ont également fait de grands progrès ces dernières années. Ce travail présente le développement d'une méthode expérimentale visant à fournir des mesures 3D-3C de l´écoulement dans la région de très proche paroi, en vue de mesurer la contrainte de cisaillement à la paroi avec une précision améliorée. Dans ce but, une technique originale de Vélocimétrie Holographique par Images de Particules a été mise au point. Les mesures sont effectuées dans un petit volume à proximité de la paroi dans la soufflerie au Laboratoire de Mécanique de Lille. Des mesures détaillées dans un de l’ordre de 1.5mm3 sont rendues possibles grâce l'utilisation d'un objectif de microscope pour l'agrandissement du champ objet. Les particules sont éclairées par le côté, la lumière diffusée a 90o se recombine avec l'onde de référence pour un enregistrement holographique en ligne de type Gabor. Une procédure d'étalonnage a été développée afin de relier l'espace de reconstruction de l’image holographique aux coordonnées dans le volume de mesure. L'analyse des résultats montre que les images de particules sont reconstruites avec une très bonne résolution axiale, ce qui conduit à penser que la configuration est bien adapté à cette type de mesure. Ces résultats montrent également qu’une optimisation et des ajustements sont nécessaires pour d'améliorer les résultats de suivi de particules / Continuously improving the understanding of wall turbulence dynamics has been the goal of many experimental and numerical studies for decades. The main practical aspect that makes this knowledge so crucial is the fact that the wall shear stress is closely related to the dynamics of the near-wall structures. Experimental techniques in fluid mechanics have also experienced a great amount of advances in recent years. The present work details the development of an experimental configuration aimed at providing 3D-3C flow measurements in the very near-wall region of a large wind tunnel facility, leading to the assessment of the wall shear stress with improved accuracy. With that goal, a technique known as Holographic Particle Image Velocimetry is used, and measurements are made in small volumes close to the wall in the wind tunnel at Laboratoire de Mécanique de Lille. Full measurements in volumes as small as 1.5mm3 are made possible with the use of a microscope objective for magnification of the object field. Particles are illuminated from the side and the 90o scattered field recombines with reference wave for holographic inline recording. A calibration procedure is performed in order to relate reconstruction space coordinates to real measurement volume coordinates. Analysis of resulting particle fields shows that particle images reconstruct with very good axial accuracy, leading to believe that the configuration is indeed suited for this type of measurement. However, some optimization and adjustments are needed in order to improve the particle tracking results

Au cours de cette thèse, le rôle joué par la turbulence de paroi dans le transport de particules a été étudié. Pour ce faire, deux types d'expériences ont été réalisés. Les premières ont porté sur un écoulement de turbulence de paroi naturelle chargé en billes de verre et de céramique, pour 4 conditions hydrauliques données. Les secondes expériences ont été réalisées en turbulence contrôlée. En effet, nous avons choisi de générer artificiellement des éjections en créant des hairpin vortex. Les premières expériences sont réalisées dans des conditions de fort transport par suspension et les secondes sont faites pour des conditions très proches du seuil de suspension, les particules étant majoritairement transportées par saltation.<br />Afin de mesurer simultanément le champ de vitesse de l'écoulement ainsi que la position et la vitesse des particules, nous avons utilisé la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules) qui permet d'avoir sur la même paire d'image l'information liquide et solide. Nous pouvons ainsi analyser l'écoulement autour de chaque particule et mettre en évidence l'action locale du fluide sur les particules.<br />L'analyse de l'écoulement se fait dans le voisinage de chaque particule, dont la taille varie entre 5 à 10d. Tout d'abord, l'analyse par quadrants montre que les éjections sont fortement impliquées dans le transport par suspension et par saltation, notamment dans la montée des particules. Elle indique aussi que certaines particules qui descendent sont dans des éjections. Nous cherchons donc à déterminer ce qui fait qu'une éjection est capable ou non de contrer la gravité et de faire monter les particules. <br />L'étude du flux de quantité de mouvement des éjections montre que plus ce flux est important, plus les particules ont tendance à monter dans les éjections. Nous déterminons donc un seuil permettant de détecter les éjections faisant monter systématiquement les particules. Ce seuil, adimensionalisé , est compris de l'ordre de 0,5 et est quasiment constant en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement, de la hauteur et des caractéristiques des particules. <br />Nous observons qu'une différence importante entre la suspension et la saltation est le temps de résidence des particules dans les éjections. En effet, plus ce temps est long, plus la particule va pouvoir monter dans l'éjection et plus elle sera transportée par suspension. En revanche quand elle ne reste que peu de temps dans l'éjection, la particule n'a pas le temps de monter et elle est alors transportée par saltation. A partir de l'analyse de ces expériences, nous proposons un modèle conceptuel de transport par suspension dans les éjections en fonction du flux de quantité de mouvement autour des particules, de leur position dans les éjections et des trajectoires de suspension qui ont pues être reconstruites pour les expériences en turbulence contrôlée.

Le traitement des conditions aux limites et la modélisation fine des interactions de sous-maille ont été abordés dans cette thèse. La formulation caractéristique des conditions aux limites a été analysée et une nouvelle procédure 3D-NSCBC est proposée qui autorise la prise en compte de l'évolution de la vitesse et de la pression dans le plan des frontières, afin d'introduire le caractère tridimensionnel de l'écoulement dans les conditions limites. Des nouvelles formulations pour resoudre le couplage des ondes caractéristiques au niveau des arêtes et des coins ont été développées. Dans le cadre de la Simulation des Grandes Échelles, pour reproduire correctement la dynamique de la turbulence à la paroi et pour mieux prendre en compte l'anisotropie du tenseur des contraintes de sous-maille, un modèle structural fondé sur l'hypothèse de similarité est développé pour des écoulements modérément compressibles et validé sur la simulation d'un jet rond en impaction sur une paroi plane.

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.

Un code de résolution des équations de Navier-Stokes pour un fluide incompressible a été développé en utilisant une approche mixte spectral/différences finies, compatible avec une mise en oeuvre dans un environnement massivement parallèle. On procède, grâce à ce nouvel outil, à des simulations directes de la turbulence dans une configuration où l'agitation est synthétisée à l'aide d'un forçage aléatoire. La production de turbulence est confinée dans une couche centrale du domaine et s'auto-diffuse en direction d'une surface libre ou d'une paroi adhérente. Dans cette configuration on obtient un état statistiquement stationnaire où le cisaillement moyen, généralement à l'origine de la production de la turbulence, est nul. Ces conditions permettent de mieux comprendre l'origine du transfert intercomposantes, caractéristique de la partie lente du terme de corrélation pression-déformation dans les équations-bilan des tensions de Reynolds. L'accent est mis sur l'analyse de ce transfert lorsqu'il s'effectue sous l'influence de l'effet de blocage au voisinage d'une surface. Les résultats obtenus permettront de mieux appréhender la modélisation des termes de corrélation pression-déformation au voisinage d'une paroi dans les modèles de fermeture au second ordre. / A Navier-Stokes solver for incompressible flow has been developed using a mixed spectral/finite-difference approach, while being compatible with a massively parallel environment. We use it to perform direct numerical simulations in a situation where the turbulent agitation is synthesized under the action of a random forcing. The turbulence production is confined in a central layer and self-diffuses towards a free-slip or no-slip surface. With this set-up, we obtain a statistical steady state in which the mean shear, usually associated with the turbulence production, is zero. These conditions allow a better understanding of the intercomponent energy transfer, induced by the slow part of the pressure-strain correlation in the Reynolds tensor budget. We focus on this transfer when it occurs in combination with the blocking effect, in the vicinity of the surface. The results will help to model the pressure-strain correlation in a second- order-closure context.

La perspective lagrangienne, décrivant un écoulement selon les trajectoires de traceurs fluides, est une approche naturelle pour étudier les phénomènes de dispersion dans les écoulements turbulents. En turbulence de paroi, le mouvement des traceurs est influencé par le cisaillement moyen et par une forte inhomogénéité et anisotropie en proche paroi. On étudie les propriétés lagrangiennes d’un écoulement de canal turbulent par simulation numérique directe à un nombre de Reynolds modéré. Les statistiques d’accélération lagrangienne sont comparées aux expériences de suivi de particules réalisées en parallèle à ce travail. Comme en turbulence homogène isotrope (THI), les composantes d’accélération le long des trajectoires lagrangiennes se décorrèlent sur des temps comparables aux plus petites échelles de l’écoulement, tandis que la norme de l’accélération reste corrélée plus longtemps. La persistance d’anisotropie à petite échelle loin de la paroi est constatée par l’existence d’une corrélation croisée non nulle entredeux composantes de l’accélération. On montre que, en conséquence des flux moyens d’énergie cinétique en turbulence de paroi, près des parois les traceurs se déplacent et s’étalent sur des plus grandes distances quand ils sont suivis en arrière dans le temps qu’en avant. La dispersion relative de paires de traceurs est aussi étudiée. Aux temps courts, la séparation des paires est balistique pour toutes les distances à la paroi. Comme en THI, les traceurs se séparent plus rapidement lorsqu’ils sont suivis en arrière dans le temps. Aux temps plus longs, le cisaillement moyen accélère la séparation dans la direction de l’écoulement moyen. Un modèle de cascade balistique initialement proposé pour la THI est adapté aux écoulements inhomogènes / The Lagrangian perspective, describing a flow from the trajectories of fluid tracers, isa natural framework for studying dispersion phenomena in turbulent flows. In wall-boundedturbulence, the motion of fluid tracers is affected by mean shear and by strong inhomogeneityand anisotropy near walls. We investigate the Lagrangian properties of a turbulent channel flowusing direct numerical simulations at a moderate Reynolds number. Lagrangian accelerationstatistics are compared to particle tracking experiments performed in parallel to this work. Asin homogeneous isotropic turbulence (HIT), the acceleration components along Lagrangianpaths decorrelate over time scales representative of the smallest scales of the flow, while theacceleration norm stays correlated for much longer. The persistence of small-scale anisotropy farfrom the wall is demonstrated in the form of a non-zero cross-correlation between accelerationcomponents. As a result of the average fluxes of kinetic energy in wall turbulence, tracers initiallylocated close to the wall travel and spread over longer distances when tracked backwardsin time than forwards. The relative dispersion of tracer pairs is finally investigated. At shorttimes, pair separation is ballistic for all wall distances. As in HIT, relative dispersion is timeasymmetric, with tracers separating faster when tracked backwards in time. At longer times,mean shear dominates leading to rapid separation in the mean flow direction. A ballisticcascade model previously proposed for HIT is adapted to inhomogeneous flows

Le traitement des conditions aux limites et la modélisation fine des interactions de sous-maille ont été abordés dans cette thèse. La formulation caractéristique des conditions aux limites a été analysée et une nouvelle procédure 3D-NSCBC est proposée qui autorise la prise en compte de l’évolution de la vitesse et de la pression dans le plan des frontières, afin d’introduire le caractère tridimensionnel de l’écoulement dans les conditions limites. Des nouvelles formulations pour resoudre le couplage des ondes caractéristiques au niveau des arêtes et des coins ont été développées. Dans le cadre de la Simulation des Grandes Échelles, pour reproduire correctement la dynamique de la turbulence à la paroi et pour mieux prendre en compte l'anisotropie du tenseur des contraintes de sous-maille, un modèle structural fondé sur l'hypothèse de similarité est développé pour des écoulements modérément compressibles et validé sur la simulation d'un jet rond en impaction sur une paroi plane. / The treatment of boundary conditions and sub-grid scale interactions’ modeling, with particular attention to the asymptotic behavior near the wall, were addressed in this thesis. The characteristic formulation of boundary conditions has been analyzed and a novel procedure 3D-NSCBC is proposed, which, accounting for the evolution of velocity and pressure on the boundary planes, allows a better representation of the three-dimensional character of the flow at the boundary. New formulations to solve characteristic wave coupling on edges and corners are developed. Within the framework of the Large-Eddy Simulation, in order to give a correct reproduction of near-wall turbulence dynamics and in order to better account for the sub-grid scale stress tensor’s anisotropy, a structural model based on the similarity hypothesis has been developed for weakly compressible flows and validated on the simulation of a round jet impinging over a flat plane.