Ce travail présente des résultats expérimentaux obtenus dans une cavité différentiellement chauffée de 4 m de hauteur. Dans cette étude, des cartographies de température (microthermocouples) et de vitesse (LDV 2D et PIV standard) ont été établies pour des écoulements de convection naturelle turbulente à grands nombres de Rayleigh (4,0×1010 ≤ RaH ≤ 1,2×1011) tout en respectant l'approximation de Boussinesq. L'exploitation des résultats expérimentaux a, entre autre, permis de caractériser la stratification thermique au centre de la cavité ainsi que son évolution en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes émissivités des parois passives. En outre, cette caractérisation a permis de connaitre les répartitions des flux échangés à la paroi, la typologie des écoulements au voisinage des parois actives et dans le plan vertical médian, ainsi que le cheminement du fluide dans la partie haute de la cavité. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus dans d'autres cavités différentiellement chauffées de moindres dimensions étudiées antérieurement au laboratoire. L'ensemble de ces résultats montre une grande cohérence et nous permet de déterminer des lois d'évolution de la vitesse maximale atteinte dans la cavité et du transfert de chaleur aux parois en fonction du nombre de Rayleigh en régime laminaire et turbulent. En parallèle, une étude numérique 2D a été réalisée. Son objectif est d'étudier l'influence du rayonnement de surface ou volumique sur la structure de l'écoulement et sur les modes de transfert de chaleur. A cette fin, un module de transferts radiatifs a été implanté dans un code Volumes Finis de convection naturelle turbulente existant. La modélisation de la turbulence est réalisée par une approche LES avec un modèle de diffusivité de sous maille adapté à la convection naturelle. La partie rayonnement est traitée à l'aide d'un modèle de gaz gris par bande, associé à une méthode aux ordonnées discrètes. Une analyse de l'influence du rayonnement de parois et/ou de gaz sur les écoulements turbulents de convection naturelle est réalisée pour un nombre de Rayleigh de 1,21011.

L'objectif de cette étude est de valider les mesures prises avec le système de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). Dans ce but, l'écoulement dans une conduite à section rectangulaire est ici étudié. Les résultats de Hussain et Reynolds (1975) et de Moser et al (1999) servent d'éléments de comparaison. Des mesures 2D de la totalité de la hauteur de la conduite furent faites avec le système PIV. Les nombres de Reynolds choisis pour ces mesures sont de 32300 et 42600. Les résultats montrent que l'écoulement observé ne semble pas pleinement développé. Par ailleurs, deux modes d'interrogation d'images sont testés, ainsi qu'une validation locale. Le mode d'interrogation qui donne les meilleurs résultats est la corrélation avec décalage des zones d'interrogation. Cependant, les deux modes d'interrogation, pâtissent de l'effet de " peak-locking ". Les structures turbulentes de petite échelle ne sont pas observées dans cette étude.

La recherche expérimentale, présentée dans cette thèse, a pour objectif l'étude de l'influence d'un écoulement amont turbulent ou non sur les tourbillons coniques (primaire et secondaire) engendrés à partir d'une configuration de montant de baie. Cette configuration d'écoulement est rencontrée sur les véhicules terrestres et l'interaction des tourbillons avec les vitres latérales du véhicule est le principal responsable du bruit aérodynamique transmis dans le véhicule. Une maquette du type dièdre a été conçue et testée en soufflerie afin de générer et d'étudier ces tourbillons coniques. Les propriétés spatiales et temporelles des champs de vitesse et de pression pariétale ont été étudiées en associant simultanément la mesure de la vitesse par PIV ou Stéréo-PIV à la mesure de pression pariétale fluctuante par capteurs déportés. Nous avons montré qu'un niveau modéré de turbulence amont (intensité : 4%) se traduit par une modification très importante de la dynamique du tourbillon et de la pression pariétale fluctuante associée (Cp'). Notre conjecture - basée sur l'étude des moments statistiques et des corrélations spatio-temporelles - est qu'en l'absence de turbulence externe, la contribution principale au Cp' est liée à l'empreinte du coeur tourbillonnaire et du décollement secondaire induit. Au contraire, en présence de turbulence amont, la forte augmentation du Cp' semble associée à une réponse globale de la structure tourbillonnaire et à la modification associée de l'aérodynamique autour du corps. L'inclusion de dispositifs géométriques simples de contrôle passif sur la maquette a fait objet d'essais supplémentaires. Nous avons montré que ces dispositifs permettent de modifier très significativement le développement de la structure tourbillonnaire et son empreinte en terme de pression pariétale fluctuante.

Dans une optique d'amélioration ou de construction de moteurs fusée dérivés du modèle Vulcain, ce projet propose une nouvelle géométrie d'injecteur permettant l'atomisation efficace d'une nappe annulaire liquide en un brouillard de gouttelettes, nécessaire à un rendement élevé de combustion de propergols. Les images de tomographie et de visualisations rapides ont permis de comprendre les mécanismes de rupture de la nappe liquide par un courant interne et/ou externe tandis que la phase diluée a été caractérisée par les techniques de Vélocimétrie par Images de Particules et d'Interférométrie par Phase Doppler. Plusieurs modes de rupture ont été identifiés dépendant principalement du rapport du flux de quantité de mouvement gaz/liquide et une étude fréquentielle a été réalisée sur les battements de la nappe. Le mode qui nous intéresse plus particulièrement, nommé « arbre de Noël », permet une atomisation primaire beaucoup plus efficace que celui d'un jet liquide assisté par une couronne annulaire de gaz mais aussi d'obtenir une granulométrie plus faible des gouttes produites. L'étude des différents paramètres : rapport des densités de flux de quantité de mouvement gaz/liquide, pression ambiante et rotation du gaz a montré que les deux premiers cités ont une influence très importante sur la granulométrie tandis que la longueur de rupture de la nappe dépend principalement du premier et du dernier. La rotation du gaz modifie fortement la forme du profil de vitesse en sortie d'injecteur et donc du spray généré par la suite. Elle permet également une fluctuation plus faible de la longueur de rupture de la nappe et surtout une bonne homogénéisation de la vitesse des gouttes. Bien que ce type d'atomisation soit déjà particulièrement efficace, l'ajout d'une couronne de gaz externe améliore nettement l'atomisation.

Ce travail concerne la mise au point d'une technique de mesure du frottement pariétal basée sur l'analyse de la dégradation d'une Peinture Sensible à la Pression (PSP). Cette dégradation est due à la diffusivité d'un de ses composants : le pyrène. L'échange de pyrène à l'interface est lié aux propriétés de l'écoulement à la paroi. Un modèle de dégradation est proposé puis testé expérimentalement dans une configuration de jet d'air subsonique axisymétrique impactant une plaque plane. L'écoulement est caractérisé par vélocimétrie laser (PIV et VLF). Ces techniques sont ensuite adaptées à la mesure de vitesse près de la paroi, afin de déterminer le frottement pariétal. L'analyse simultanée de la dégradation de la PSP sous l'effet du jet impactant et des mesures de frottement permet d'apprécier la validité du modèle associant les deux phénomènes. En particulier, le processus mis en évidence ne montre pas une dépendance directe au frottement pariétal. Il semble en effet que le phénomène responsable de la dégradation du revêtement soit lié aux fluctuations de pression et de vitesse à la paroi.

Lors de la combustion dans un moteur à allumage commandé, la flamme est affectée par la paroi alors que seulement 20% de la charge a été consommée. Il est donc indispensable de s'intéresser aux mécanismes de l'interaction flamme-paroi pour le développement et l'amélioration des moteurs à allumage commandé. Au cours de ces travaux, l'interaction flamme-paroi instationnaire a été étudiée expérimentalement en régime laminaire et turbulent dans des conditions initiales non isothermes. En effet, la température des parois Tw varie entre 300 et 500 K alors que les gaz frais sont à température ambiante. Le but de cette étude est de comprendre les phénomènes mis en jeu et de fournir des données de référence pour la simulation de l'interaction flamme-paroi. L'étude en régime laminaire montre que la densité de flux thermique pariétal maximale qwmax augmente avec Tw pour le coincement frontal et latéral. La distance de coincement diminue lorsque Tw augmente en coincement frontal mais est constante en latéral. Pour ce dernier type de coincement, l'étirement n'est pas négligeable. L'étude en régime turbulent montre que la turbulence fait diminuer qwmax à richesse 1 par rapport au cas laminaire alors qu'elle fait augmenter ce paramètre à richesse 0,7. Le front de flamme est donc cisaillé par l'écoulement des gaz frais à richesse 1 alors qu'il est convecté par cet écoulement à richesse 0,7. Le cisaillement du front de flamme, à richesse 1, a un effet prépondérant sur l'effet de la température de paroi concernant l'interaction flamme-paroi.

La compréhension des écoulements turbulents en aval d'un cylindre circulaire horizontal, soumis à un écoulement d'air transverse et en présence d'importants effets de flottabilité, constitue l'objectif principal de ce présent mémoire. Les approches expérimentale et numérique (DNS) sont utilisées afin de compléter les connaissances des mécanismes d'instabilité tourbillonnaire en régime de convection mixte. En dehors de la perte de symétrie du sillage induit par les effets de pesanteur, l'écoulement étudié ici est caractérisé par le développement de deux instabilités principales. Au niveau de la couche de cisaillement inférieure on assiste au développement d'instabilités intermittentes de Kelvin-Helmholtz. Nous montrons qu'en présence d'effets de gravité importants la transition vers la turbulence est accélérée dans cette région de l'écoulement. A l'arrière du cylindre un écoulement secondaire apparaît sous l'effet des forces de pesanteur. Cet écoulement est le lieu d'importants mouvements tridimensionnels tant sur le plan moyen que fluctuant et donne naissance à des dipôles de vorticité caractéristiques. Ces structures se forment dans la partie supérieure du sillage et évoluent librement au niveau de l'écoulement principal ou s'apparient avec les structures tourbillonnaires du sillage turbulent. Finalement, en présence d'effets de gravité non négligeables, on assiste à un enrichissement du spectre des structures turbulentes et à une augmentation des composantes tridimensionnelles du champ dynamique. Dans ces conditions la température agit comme un scalaire actif capable d'accélérer la transition vers la turbulence.

Cette étude expérimentale porte sur la mesure et l'analyse du comportement d'un rideau d'air plan, vertical descendant, lorsqu'il se développe dans un flux uniforme en co-courant. Le rapport r entre la vitesse du cocourant et la vitesse du jet évolue dans la gamme [0; 0, 3] qui comprend le cas du jet plan classique sans co-courant (r = 0). La motivation de l'étude est, pour le laboratoire d'accueil de la thèse (Irstea de Rennes, équipe Aéraulique et Contrôle des Atmosphères Turbulentes), l'apport de connaissances précises sur les rideaux d'air séparateurs d'ambiance, en propreté et en température, pour la maîtrise des ambiances locales dans l'industrie agroalimentaire et plus largement dans le domaine de la sécurité sanitaire des aliments. Cette étude porte principalement sur le cas isotherme, sans différence de température entre le jet et le co-courant, les cas anisothermes étant seulement abordés en investigation réduite dans le dernier chapitre (chap. IV). L'analyse de la turbulence est au centre de cette étude. Elle est menée à partir des différentes grandeurs caractéristiques, dont les profils de tensions de Reynolds et les échelles turbulentes caractéristiques. Elle sous-tend également l'analyse des évolutions des grandeurs moyennes, en particulier l'expansion du profil de vitesse moyenne. Le principal moyen d'investigation expérimentale est l'anémométrie par fils chauds croisés à température constante (CTA). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est utilisée dans le chapitre IV comme moyen insensible à la température, pour les études de cas anisothermes. Le rideau plan en co-courant a été mis en oeuvre dans une soufflerie verticale spécifique dont la veine d'essai a une hauteur utile de deux mètres (chap. II). L'étude s'appuie sur une analyse bibliographique (chap. I) centrée sur les équations de la turbulence appliquées aux jets plans. L'analyse du comportement dans le cas isotherme (chap. III) s'intéresse principalement à l'influence du rapport de vitesse r et du nombre de Reynolds. Un raisonnement mené sur le choix des variables d'adimensionnement pour décrire le comportement du jet amène à proposer un adimensionnement global, à la fois pour l'évolution de la vitesse moyenne sur l'axe, pour l'expansion de l'épaisseur du jet et pour l'évolution des fluctuations rms de vitesse. On obtient ainsi un modèle de comportement généralisable aux différentes valeurs de r pour les jets en co-courant, avec au passage une méthode intéressante pour évaluer par ce biais des caractéristiques du cas limite du jet plan sans co-courant. Les données complètes et précises obtenues par fils croisés permettent, en fin de chapitre III, de mener une description et analyse des échelles caractéristiques de la turbulence. Il apparaît que les échelles intégrales sont cohérentes avec le modèle proposé pour l'expansion du jet et que les échelles de Kolmogorov s'en déduisent ensuite par un recours à un rapport universel, fonction du nombre de Reynolds local.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / La présente thèse vise à améliorer notre compréhension de l’organisation interne des écoulements turbulents en analysant les caractéristiques des structures cohérentes dans une couche limite turbulente non canonique. L’écoulement étudié est la région externe d’une couche limite turbulente soumise à un gradient de pression adverse dans des con- ditions semblables à celles existant à l’extrados d’une aile d’avion à fort angle d’attaque en situation de décollement de bord de fuite. Diverses bases de données expérimentales et numériques ont été utilisées afin de réaliser les objectifs spécifiques de la thèse. Les principales bases de données ont été acquises en effectuant des mesures par vélocimétrie par images de particules (PIV) à deux composantes dans des plans dans une soufflerie à couche limite subsonique. Les autres bases de données ont été obtenues d’autres groupes de recherche ou ont été les anciennes bases de données de notre groupe. Deux grandes catégories de structures cohérentes, les structures à grande échelle de quantité de mouvement longitudinale et les structures tourbillonnaires, ont été prises en compte. Afin de détecter et de caractériser ces structures, de nouvelles techniques de reconnaissance de formes, de classification des structures et d’analyse statistique ont été mises au point. Il a été démontré que les structures cohérentes considérées sont présentes et fréquentes dans l’écoulement étudié. Les dimensions et l’organisation spatiale des structures à grande échelle sont généralement comparables à celles déjà rapportées pour de telles structures dans la région de recouvrement des couches limites turbulentes à gradient de pression nul. Il apparaît toutefois que le gradient de pression adverse affecte la fréquence d’apparition et la distribution des longueurs de ces structures allongées, surtout dans la partie inférieure de la région externe. Concernant les tourbillons, diverses analy- ses ont montré que des valeurs typiques de résolution spatiale et des niveaux typiques d’incertitudes aléatoires de mesures PIV ont des effets significatifs sur les paramètres des tourbillons. Les paramètres des tourbillons extraits des bases de données PIV exis- tantes doivent donc être interprétés avec prudence. En prenant en compte les effets de la résolution spatiale et des erreurs de mesure, nous trouvons que tous les paramètres des tourbillons, lorsque moyennés à travers la région externe, sont raisonnablement comparables dans les couches limites turbulentes à gradient de pression nul et adverse malgré le fait que ce sont des écoulements très différents. / The present thesis is an attempt to further enhance our understanding of the inner organization of turbulent flows by analyzing the characteristics of coherent structures in a non-canonical turbulent boundary layer. The flow studied was the outer region of an adverse-pressure-gradient turbulent boundary layer under external flow conditions similar to those found on the suction side of airfoils at high angle of attack with trailing edge detachment. Various experimental and numerical databases were employed in order to realize the specific objectives of the thesis. The main databases were acquired by performing two-component planar particle image velocimetry (PIV) measurements in a low-speed boundary-layer wind tunnel. The other databases were obtained from other research groups or were existing older database of the group. Two important categories of coherent structures, namely large-scale momentum structures and vortical structures were considered. In order to detect and characterize these structures novel techniques of pattern recognition, structure classification and statistical analysis were developed. It has been shown that the considered coherent structures are present and frequent in the present flow. The dimensions and arrangement of large-scale momentum struc- tures are generally comparable to those previously reported for such structures in the overlap region of zero-pressure-gradient turbulent boundary layers. It is however shown that the adverse pressure gradient affects both the frequency of appearance and the length distribution of these streaky structures especially in the lower part of the outer region. With regards to vortices, various analyses showed that typical values of spa- tial resolution and typical levels of random measurement uncertainties of planar PIV measurements have significant effects on the vortex parameters. The vortex parameters extracted from the existing PIV databases have therefore to be interpreted with caution. Taking spatial resolution and measurement error effects into account, it is found that all the vortex parameters, when averaged across the outer region, are reasonably com- parable in the zero-pressure-gradient and adverse-pressure-gradient turbulent boundary layers despite the fact that these are very different flows.

Dans ce mémoire est présentée l'étude expérimentale de l'écoulement dans une roue de turbine axiale de type hélice. Les performances de ces machines étant grandement influencées par le comportement de l'écoulement dans cette partie de la turbine, il est donc important de bien connaître les phénomènes hydrauliques qui y sont présents. Au cours de ce projet, afin de réaliser une campagne de mesures un système PIV stéréoscopique a été utilisé. La configuration du montage expérimental, la technique d'acquisition utilisée ainsi que les méthodes de traitement de données employées ont permis d'analyser l'écoulement moyen dans une section couvrant environs 20% de l'envergure d'un canal délimité par deux aubes consécutives de la roue. Les résultats ont permis d'analyser la relation entre les différentes composantes de la vitesse de l'écoulement, et ce, pour plusieurs points d'opération. De plus, deux écoulements secondaires qui ont été répertoriés dans la littérature ont été identifiés à l'intérieur de la zone de mesure. Le premier de ceux-ci est le tourbillon de coin de bord d'attaque qui est le plus intense des deux, et le second est le tourbillon relatif. Une comparaison entre les mesures expérimentales ainsi que des résultats issus de simulations numériques a aussi été réalisé, exhibant une bonne concordance entre les deux jeux de données, principalement au point de fonctionnement nominal.