Les effets de taille finie et de densité de particules sur leur dynamique Lagrangienne dans un écoulement turbulent ont été étudiés, dans ce travail de recherche. L'écoulement de choix est la turbulence de grille en soufflerie. Des bulles de savon, gonflée au gaz ont été utilisés comme particules, la densité est la taille de les quelles peuvent ajuster à souhait dans une gamme réalisable. Celles-ci sont injectées dans l'écoulement, et sont suivies de manière Lagrangienne, en se basant sur l'état de l'art en Vélocimétrie Doppler Acoustique. Pour un même configuration d'écoulement, les tailles et les densités de particules ont été varié à l'intérieur d'une gamme faisable. Pour chaque série de particules, la vitesse et l'accélération statistiques Lagrangienne ont été déterminées, après avoir enregistré quelques mille signaux de vitesses. Les résultats montrent que les PDFs de vitesse Lagrangienne sont Gaussiennes et : indépendantes de la taille et de la densité des particules ; et sont similaire aux PDFs des vitesses Eulérienne de l'écoulement porteur. Aucuns effets de taille et de densité n'ont été trouvés sur la PDF d'accélération normalisée. Par contre, ces effets sont dominant dans la variance d'accélération, qui pour les particules iso densité décroit dans une façon monotone avec la taille de particule. Par contre, pour les bulles lourdes ces effets de taille finie peut traduire ni à partir des modèle limite de point particule ni du cas de particule iso densité. La dynamique de toutes les séries étudiées a été trouvé intermittente. Le temps de forçage turbulente été calculé à partir de l'auto corrélation d'accélération qui ont été trouvé de n'est pas varié beaucoup et qui reste dans l'ordre de temps de kolmogorov par rapport aux temps de réponses de particules calculé normalement.

Une campagne expérimentale, effectuée dans la soufflerie atmosphérique continue transsonique/supersonique S8Ch de l'Onera, a permis d'analyser en détail les aspects stationnaires et instationnaires des écoulements symétrique et dissymétrique produits par la surdétente d'une tuyère plane supersonique fonctionnant en régime surdétendu. Les fluctuations des structures de chocs ont été obtenues par un système de visualisation d'ombroscopie rapide : la Chronoloupe. A l'aide de l'analyse du champ aérodynamique tridimensionnel obtenu par des mesures effectuées au vélocimètre laser Doppler (LDV) et des visualisations des lignes de frottement pariétales, la topologie de l'écoulement comportant une structure de chocs dissymétrique a été reconstituée. L'analyse des deux zones décollées produites par les interactions onde de choc/couche limite ont permis de mettre en évidence des phénomènes basse fréquence (50-60Hz) associés à la convection de grosses structures tourbillonnaires. Les analyses spectrales des fluctuations de pression pariétale pour des configurations symétrique et dissymétrique ont permis de retrouver ces phénomènes basse fréquence et de caractériser des pics autour de 240Hz traduisant les battements de la structure des chocs.<br />Des simulations numériques bidimensionnelles et stationnaires réalisées en régime turbulent ont permis de confronter les modèles de turbulence les plus employés. Les résultats montrent des configurations de chocs différentes suivant les modèles adoptés. Une configuration dissymétrique a été obtenue par la simulation du transitoire d'amorçage de la soufflerie.

L'explosion en enceinte fermée de suspensions de particules issues de la biomasse végétale (amidon, cellulose et particules ligno-cellulosiques) a été étudiée en vue de leur utilisation dans des systèmes propulsifs. Les performances susceptibles d'être obtenues avec ces particules ont été évaluées à l'aide d'un code thermochimique. Les pressions théoriques de combustion isochore des mélanges cellulose/air sont supérieures à celles des mélanges classiques hydrocarbure/air. Des expériences ont été effectuées dans une chambre cylindrique de volume 20l et de rapport d'allongement L/D = 2,2. Les pressions maximales d'explosion mesurées présentent un déficit de 30% par rapport aux pressions théoriques. Elles dépendent de la nature et de la concentration des particules et de l'état initial de la suspension. Il reste une proportion significative de particules imbrûlées dans la chambre pour les mélanges riches. Une étude spécifique du processus de génération de la suspension a été effectuée sur trois dispositifs : d'une part, par diagnostics optiques (mesure PIV et tomographie laser rapide) et, d'autre part, par des simulations numériques. Pour améliorer les performances, des expériences ont été effectuées dans des mélanges " hybrides " (particules de cellulose/méthane/air) et ont montré qu'à richesse globale équivalente, la pression d'explosion dans les mélanges hybrides est supérieure à celle dans les mélanges méthane/air et particules solides/air seuls et, la qualité d'imbrûlés est fortement diminuée. De plus, il est possible d'enflammer des mélanges méthane/air très pauvres lorsqu'ils sont en mélange avec une suspension de particules solides de concentration adéquate.

Cette étude est consacrée à la dynamique ultralente et non - stationnaire d'un gel de vésicules multi lamellaires, dit oignons. Nous avons développé un expérience basée sur l'observation du système par microscopie optique et utilisé un ensemble de techniques d'analyse d'images, qui permettent de déterminer un champ de déplacement "coarse grained" au sein de l'échantillon. A partir des champs de déplacement obtenus lors d'expériences à température imposée, nous avons montré que le système présentaient des élongations et contractions d'ensemble, stationnaires et induites par des petites fluctuations de température expérimentalement inévitables, ainsi qu'une dynamique interne hétérogène spatialement et temporellement. <br />Nous avons démontré que la dynamique interne suit une loi de vieillissement exponentiel et que la température, et plus particulièrement ses fluctuations, semble jouer un rôle important en tant que "moteur" des réarrangements du système par le biais des sollicitations mécaniques imposées par les élongations/contractions. En nous intéressant à la fois à la structure temporelle et spatiale des déplacements, nous avons vu que deux types d'évènements ont lieu au sein du système. Tout d'abord des cisaillements, réversibles et orientés selon l'axe longitudinal du capillaire contenant l'échantillon, sont induits par les fluctuations de température de manière intermittente. Simultanément, d'autres évènements prennent place que nous avons pu montrer être irréversibles et correspondent à une évolution balistique du déplacement avec le temps. Pour les deux types d'évènements, nous avons montré que les réarrangements au sein du système sont corrélés sur de longues distances environ 1000 fois supérieures à la taille typique des vésicules.

Le champ proche des jets est une zone où cohabitent des contributions de pression de nature hydrodynamique et acoustique. Leurs caractéristiques sont méconnues, conduisant à une définition controversée des frontières de cette région ainsi qu'à l'impossibilité d'y prédire les niveaux de pression effectivement rencontrés. Cette zone présente un fort intérêt pour l'étude de la dynamique du jet ainsi que pour celle du rôle que peuvent jouer les structures cohérentes dans les mécanismes de génération de bruit aéroacoustique. L'étude présentée ici porte sur un jet subsonique, de nombre de Mach Mj=0,3, et un jet supersonique, Mj=1,4. Elle s'appuie sur des mesures acoustiques en champs proche et lointain ainsi que des mesures de pression champ proche synchrones à des mesures de vitesse dans l'écoulement par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV). Une interaction forte entre les deux contributions de pression est mise en évidence par des pertes de cohérence importantes. Ce phénomène, dont un modèle est proposé, permet de définir précisément la frontière du champ proche par le produit du nombre d'onde et de la position radiale kr=1,3. L'analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD), sur la base de laquelle est également proposée une méthode de normalisation des données, montre le caractère très cohérent du champ de pression proche à basse fréquence ainsi que l'importance de la prise en compte des contributions azimutales. Une séparation des contributions hydrodynamique et acoustique de pression est obtenue grâce à un filtrage POD. La champ de pression instantanée est déterminé sur une surface entourant le jet grâce à une extension au domaine spectral de l'estimation stochastique linéaire (LSE). Ces données sont utilisées pour estimer le rayonnement acoustique du jet par une formulation intégrale de Kirchhoff ainsi que pour extraire la structuration tridimensionnelle de l'écoulement.

L'effet du vol d'avancement sur le bruit de choc de jets supersoniques sous-détendus est étudié de manière expérimentale. La structure de tels jets est d'abord explorée, avec et sans vol simulé. L'analyse employée allie des visualisations strioscopiques à des mesures quantitatives de pression statique et de vitesse, par vélocimétrie laser Doppler et vélocimétrie par images de particules. L'accent est mis sur l'étude de l'écoulement moyen et des propriétés de la turbulence dans la couche de mélange. L'effet du vol sur la composante tonale du bruit de choc, le screech, est ensuite examiné. A l'aide d'une antenne azimutale de microphones placée dans le champ proche acoustique, une analyse fine des modes du screech est notamment proposée. Par ailleurs, plusieurs effets de cette composante de bruit sur la dynamique du jet sont mis en évidence, en particulier l'oscillation des chocs ; on montre que cette oscillation est intimement liée au mode du screech. De manière à étudier spécifiquement la composante large bande du bruit de choc, diverses techniques de suppression du screech sont ensuite explorées.L'utilisation d'une tuyère crénelée s'est révélée satisfaisante pour l'éliminer de manière non-intrusive et a permis de déduire son influence sur le bruit de choc large bande. Enfin, l'effet du vol sur cette dernière composante est déterminé par l'étude de l'évolution de sa fréquence centrale, de son amplitude et de sa forme spectrale en situation de vol simulé. Une explication des tendances observées est alors proposée à la lumière des résultats aérodynamiques obtenus.

Cette thèse vise à améliorer le fonctionnement de la boîte à eau d'un véhicule automobile, organe destiné à évacuer l'eau de pluie et à alimenter l'habitacle en air propre et sec. Elle se concentre plus particulièrement sur le phénomène de tourbillon de vidange qui a pour effet de limiter le débit d'évacuation et d'augmenter le niveau d'eau dans la boîte. Cette hausse de niveau peut être source de problèmes allant de l'inconfort pour les occupants du véhicule jusqu'à une panne du boîtier de ventilation, chauffage et climatisation. Une étude expérimentale de l'écoulement est d'abord réalisée sur une géométrie simplifiée. La vélocimétrie par images de particules (PIV) et des mesures de niveau par sonde capacitive sont mises en oeuvre. A partir d'images obtenues par caméra rapide, un algorithme d'analyse d'images est développé pour mesurer le diamètre du noyau d'air au coeur du tourbillon. Ces techniques de mesure permettent d'étudier la structure du tourbillon et montrent qu'il existe une interaction entre le tourbillon et l'écoulement d'air destiné à la ventilation de l'habitacle. Cette interaction est liée à la dépression générée par l'écoulement d'air : elle modifie temporairement la structure du tourbillon et conduit à un nouvel état d'équilibre à un niveau inférieur au niveau initial. Un dispositif permettant de réduire efficacement le niveau d'eau en modifiant l'écoulement en amont du tourbillon est aussi étudié et a fait l'objet d'un dépôt de brevet. Des simulations numériques sont ensuite réalisées à l'aide du code de calcul OpenFOAM et reproduisent qualitativement l'écoulement observé expérimentalement. Bien que des différences existent sur la valeur du niveau d'eau, les dimensions et la position du noyau d'air sont correctement simulées. Enfin, les résultats expérimentaux et numériques sont comparés aux modèles de tourbillon de la littérature.

L’ Holographie acoustique de champ proche (NAH) est une méthode d’imagerie acoustique robuste, mais son application en écoulement peut être limitée par l’utilisation de mesures intrusives de pression ou de vitesse acoustique. Dans cette étude, une procédure holographique applicable en écoulement utilisant des mesures de vitesse non-intrusives est proposée. Cette méthode est basée sur le théorème intégral de Kirchhoff-Helmholtz convecté. La fonction de Green convectée est alors utilisée pour déterminer des propagateurs spatiaux convectés définis dans l’espace réel et incluant l’effet d’un écoulement subsonique uniforme. Les transformées de Fourier discrètes de ces propagateurs permettent alors d’évaluer les champs acoustiques à partir de la mesure du champ de pression ou de vitesse acoustique normale. Le but étant de développer une méthode de caractérisation de sources aéroacoustiques à partir de mesures de vitesse non-intrusives, cette étude se concentre essentiellement sur les propagateurs réels convectés basés sur la mesure de vitesse acoustique. Afin de valider cette procédure,des simulations ont été menées dans le cas de combinaisons de sources monopolaires et dipolaires convectées corrélées ou non. La procédure holographique développée donne de bons résultats par comparaison aux champs acoustiques théoriques. Une comparaison des résultats obtenus par les propagateurs convectés réels, développés dans cette thèse, avec ceux obtenus par leurs formes spectrales, développés par Kwon et al. fin 2010 pour des mesures de pression acoustique, montre l’intérêt d’utiliser la forme réelle pour la reconstruction de la pression acoustique à partir de la mesure de vitesse acoustique normale. L’efficacité de la procédure développée est confirmée par une campagne de mesure en soufflerie avec un haut-parleur affleurant rayonnant au sein d’un écoulement à Mach 0.22, et des mesures non-intrusives effectuées par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Les champs de vitesse acoustique utilisés pour la procédure holographique sont dans ce cas extraits des mesures LDV par corrélation avec un microphone de référence. La faisabilité de prendre en compte des variations de l’écoulement dans la direction de reconstruction holographique est également vérifiée. / Nearfield Acoustic Holography (NAH) is a powerful acoustic imaging method but its application in flow can be limited by intrusive measurements of acoustic pressure or velocity. In this work, a moving fluid medium NAH procedure using non-intrusive velocity measurements is proposed. This method is based on the convective Kirchhoff-Helmholtz integral formula. The convective Green’s function is then used to derive convective realspace propagators including uniform subsonic airflow effects. Discrete Fourier transforms of these propagators allow then the assessment of acoustic fields from acoustic pressure or normal acoustic velocity measurements. As the aim is to derive an aeroacoustic sources characterisation method from non-inrusive velocity measurements, this study is especially focused on real convective velocity-based propagators. In order to validate this procedure, simulations in the case of combinations of monopolar and dipolar sources correlated or not, radiating invarious uniform subsonic flows, have been performed. NAH provides very favorable results when compared to the theoretical fields. A comparison of results obtained by real convective propagators, developed in this work, and those obtained by the spectral ones, developed by Kwon et al. at the end of 2010 for acoustic pressure measurements, shows the interest of using the real-form for NAH acoustic pressure reconstruction from normal acoustic velocity measurements. The efficiency of the developed procedure is confirmed by a wind tunnel campaign with a flush-mounted loudspeaker radiating in a flow at Mach 0.22 and non-intrusive Laser Doppler Velocimetry (LDV) measurements. Acoustic velocity fields used for the NAH procedure are in this case extracted from LDV measurements by correlation with a reference microphone. The feasibility of taking into account mean flow variations in the direction of NAH reconstruction is also checked.

Le choc laser est un procédé de plus en plus répandu qui utilise l’énergie laser pour générer des ondes de choc et inclure des effets mécaniques dans les matériaux ciblés. Lorsque l’énergie laser est absorbée par la cible, un plasma d’interaction est créé à la surface du matériau. Ce plasma, lors de sa détente, génère une onde de choc qui se propage. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’inscrivent donc dans une démarche globale de compréhension des phénomènes liés à l’interaction laser-matière. Dans le domaine des ondes de choc générées par laser, on peut distinguer deux procédés : Le traitement de surface par choc laser (LSP - Laser Shock Peening) et le test d’adhérence par choc laser (LASAT - LASer Adhesion Technique). Aujourd’hui la question se pose sur les limitations des procédés de choc par laser et sur les solutions à mettre en place pour pallier à ces limitations. Des idées sur l’amélioration des confinements, comme substitution à l’eau, ou encore l’optimisation des revêtements protecteurs ont été proposées. Par ailleurs, au cours de ces travaux de thèse, l’utilisation de deux impulsions laser a permis, dans le cas du procédé LASAT, l’optimisation de la traction générée aux interfaces des multimatériaux et ainsi de rendre le procédé plus robuste. De plus, dans le cas du procédé LSP, les aspects de rentabilité liés à la cadence de traitement ont été étudiés. Finalement, que ce soit pour les décalages en temps faibles (entre 0 et 1000 ns) ou bien les décalages importants (entre 200µs à 200ms), l’étude des phénomènes liés à l’interaction laser-matière a permis de franchir certaines limitations pour les deux procédés. / The laser shock wave generation is a novel process becoming more and more common. The shock waves are used to generate mechanicals effects in the sample. The laser absorption results in the creation of a plasma at the surface. This plasma during its expansion creates a shock wave propagating through the sample. This work aims to study the various phenomena involved in the laser-matter interaction. In the field of laser generated shock waves, two different processes exist: the Laser Shock Peening (LSP) and the LASer Adhesion Technique (LASAT). The new challenge deals with the limitations of those processes and the solutions to be setting up to improve them. Some ideas concerning the confinement improvement as water substitution or thermal coatings optimization are suggested in this work. Moreover, the use of double delayed laser pulses allows, for LASAT, the location of main tensile stresses near interfaces. However, for LSP, some aspects dealing with the profitability linked to the peening rate are investigated here. Last but not least, whether the very short (0 to 1000 ns) or very long delays (from 200µs to 200ms), the study of the laser-matter interaction phenomena allows to overcome some limitations for both laser shock processes.

Cette thèse se focalise sur un système récupérateur de l’énergie des vagues qui est constitué d’un flotteur contenant des cuves partiellement remplis d’eau. Lorsque les vagues mettent en mouvement le flotteur, un tourbillon de type vidange apparaît dans une des cuve. Pour extraire l’énergie, une turbine, reliée à une génératrice, est plongée dans ce tourbillon. Tout d’abord, le tourbillon de vidange est étudié expérimentalement dans un contenant fixe. Les hauteurs d’eau et les vitesses du liquide sont mesurées. Ces vitesses sont estimées par vélocimétrie laser (LaserDoppler Velocimetry, LDV). Cet écoulement est modélisé numériquement en résolvant les équations de Navier-Stokes dans les deux phases (eau et air) par la méthode des volumes finis (avec le logiciel OpenFOAM). L’interface entre les deux phases est déterminée par la méthode des Volume of Fluid (VoF). Des comparaisons entre les résultats de ces deux approches sont menées. Ensuite, l’écoulement à l’intérieur du système houlomoteur est étudié en plaçant une maquette du dispositif sur un Hexapode (machine capable d’imposer des mouvements à la maquette à la manière d’un flotteur en mer). Les hauteurs d’eau et les efforts hydrodynamiques sur la maquette et, le cas échéant, la puissance électrique produite sont mesurés. Ces données sont comparées aux résultats d’un modèle numérique similaire à celui utilisé pour la première campagne expérimentale mais appliqué à ce dispositif. Enfin, l’influence de la turbine sur le reste du système est étudiée et son comportement en puissance est évalué pour différents mouvements imposés. Un premier modèle numérique de cette turbine est comparé aux données expérimentales. / This thesis focuses on the physical and numerical model of a wave energy converter (WEC). This device is made up of a buoy with compartments aboard partially filled with water. When the waves move the buoy, a bathtub vortex appears in one of these compartments. The energy is harvested with a turbine placed at the vortex’s center. First, the bathtub vortex is studied numerically and experimentally in a fixed compartment. Water levels are measured using acoustics sensors and water velocities are measured by Laser Doppler Velocimetry (LDV). This flow is modeled solving the Navier-Stokes equations in the two phases (air and water) with a finite volume method (with the software OpenFOAM). The interface is determined using the volume of fluid (VoF) method. Comparisons between experimental data and numerical data are presented. Afterwards, a second experimental campaign is conducted to study the complete flow inside the WEC. Therefore a model of the inside part of the WEC is fixed at the top of a Hexapod. This device can translate and rotate the model in the same way the waves would move a buoy. Water levels and hydrodynamic forces on the model are measured. When the turbine is there, the tension delivered by its generator is measured. This experimental device is modeled numerically. This model is closed to the first one. The results are compared with experimental data. Finally, a preliminary study of the turbine shows its influence on the general flow in the WEC and the evolution of the turbine power with the imposed motion. A first model of the turbine in a fixed compartment is presented and compared with experimental data.