Dans le contexte actuel de raréfaction de l'eau, une meilleure efficacité de l'utilisation de l'eau est essentielle pour maintenir une croissance économique durable. En France, en période ordinaire, 48% d'eau est utilisé pour l'irrigation. Ce pourcentage augmente jusqu'à 79% en période d'été. Cela souligne la nécessité d'utiliser des méthodes d'irrigation performantes. La micro-irrigation offre la meilleure efficience, cependant, son utilisation n'est pas très répandue. Dans le monde, ce système ne couvre que 3% des terres irriguées et 5% en France, du fait de la sensibilité de ce système au colmatage, ce qui augmente le coût de son installation et de sa maintenance. Ce colmatage est fortement lié aux faibles sections de passage du distributeur de micro-irrigation. En effet, un labyrinthe constitué de chicanes est généralement inséré dans les distributeurs. Les chicanes existantes, qui jouent un rôle important pour générer des pertes de pression et assurent la régulation du débit sur le réseau d'irrigation, produisent des zones de recirculation où la vitesse est faible voire nulle. Ces zones de recirculation favorisent le dépôt de particules ou autre développement biochimique provoquant le colmatage du goutteur. La caractérisation de la topologie de l'écoulement dans le labyrinthe du goutteur doit être décrite pour analyser la sensibilité du goutteur au colmatage qui réduit considérablement ses performances.Des expériences utilisant la micro-PIV et un ensemencement avec des particules de 1 µm sont menées sur dix motifs répétitifs pour analyser les régions qui peuvent être sensibles au colmatage. Un goutteur fonctionne avec un débit faible, et la section transversale du labyrinthe est d'environ 1mm2. Le nombre de Reynolds varie de 400 à 800. Ainsi, cette étude expérimentale permet d'analyser le régime d'écoulement et son influence. Un algorithme de traitement est développé pour obtenir la moyenne et les fluctuations des vitesses. Une attention particulière est apportée à la validation de la technique micro-PIV et aux courbes débit-pression qui quantifient la performance globale du goutteur. Plusieurs modèles de turbulence, implémentés dans ANSYS/Fluent, sont utilisés pour modéliser l'écoulement au sein du labyrinthe. Les résultats des expériences de micro-PIV et des modélisations sont comparés afin de valider le modèle numérique. Puis, des méthodes avancées d’analyses tourbillonnaires ont été utilisées pour détecter précisément la vorticité et les zones de recirculations. L'objectif global de ce manuscrit est d'identifier le meilleur modèle qui permettra ensuite de prédire et analyser les zones sensibles au colmatage afin de les réduire grâce à l'optimisation de géométrie. / In the present context of increasing water scarcity, a better water use efficiency is essential to maintain a sustainable economical growth. Moreover, water use efficiency covers also important environmental and social issues. Micro-irrigation system has the best water efficiency, nevertheless, its use is not much widespread. In the world, this system covers only 3 % of land irrigated against 4% in France, as this system is sensitive to clogging, which increases the installation cost.The baffle-fitted labyrinth-channel is largely used in micro-irrigation systems. The existing baffles, which play an important role for generating pressure losses and ensure the flow regulation on the irrigation network, produce vorticities where the velocity is low or zero. These vorticities favor the deposition of particles or other biochemical development causing emitter clogging. Flow topology characterization in the labyrinth-channel of emitter must be described to analyze emitter clogging sensibility which drastically reduces its performance.Micro-PIV experiments, using 1µm particles, are conducted on ten-pattern repeating baffles to characterize the labyrinth-channel flow and to analyze regions which can be sensitive to clogging. An emitter works with a weak flow rate, and the labyrinth-channel cross-section is about 1 mm2 Reynolds number varies from 400 to 800. So, this experimental investigation allows analyzing the flow regime and its influence. A treatment algorithm is developed to get the mean and fluctuating velocities. Advanced swirl analysis method is adapted to precisely detect the vorticity. Particular attention is focused on the technique acquisition and on pressure losses curves accuracy in the labyrinth-channel flow since this curve represents the emitter global performance.Several turbulent models, implemented in ANSYS/Fluent, are used to perform modelling of the labyrinth-channel geometry. The micro-PIV and modeling results comparisons are presented in order to validate numerical model. The global objective of this manuscript is to identify the best model which allows to predict and analyze the sensitive areas in order to reduce them thanks to geometry optimization.

Afin de mieux comprendre les mécanismes liés à l’érosion du sol sous l’effet du vent, le transport de particules solides dans un écoulement de couche limite turbulente à l’échelle d’une soufflerie est étudié à l’aide de simulations numériques. La présence d’une ou plusieurs collines Gaussiennes au sol permet d’étudier les effets de la topographie sur le transport, le dépôt et la réémission de particules solides. L’écoulement du fluide porteur est résolu par la Simulation des Grandes Échelles (SGE). Des modèles de paroi pour la vitesse du fluide sont implémentés afin de mieux représenter l’écoulement proche d’une colline. Le mouvement des particules est pris en compte par un suivi Lagrangien. Des modèles d’envol et de rebond sont développés et utilisés pour prendre en compte l’émission et l’impact au sol des particules. Dans la première partie, l’écoulement au-dessus de collines transversales est simulé et validé par des comparaisons avec différentes expériences. Selon Oke [1988], l’écoulement dans la canopée urbaine peut être schématiquement caractérisé par différents régimes en fonction du positionnement relatif des obstacles. Ce concept est appliqué au cas des dunes, assimilées à des collines dans notre étude. L’accent est mis sur la zone de recirculation (ZR) formée derrière ces collines. Les variations de la ZR sont examinées en fonction de différents paramètres dont la configuration des collines et le nombre de Reynolds. De plus, une étude portant sur la sous couche rugueuse est effectuée de façon à déterminer l’effet de la rugosité due à la couche de particules solides au sol. La seconde partie du travail porte sur la simulation des particules au-dessus des collines. L’objectif est l’amélioration des modélisations concernant l’envol, le rebond et le couplage entre le fluide et les particules. Un premier travail de validation est réalisé en utilisant le modèle complet de transport des particules solides. En particulier, l’évolution du flux d’émission des particules, estimé par le modèle d’envol, en fonction du nombre de Shields, donne des résultats comparables aux modèles classiques de saltation et aux expériences de la littérature. Au-dessus des collines, le transport des particules solides est étudié par des profils de concentration et de vitesse moyenne. Pour analyser les résultats, deux cartographies sont réalisées. La première donne l’intensité des événements locaux et instantanés qui seraient à l’origine de l’évacuation des particules piégées au sein de la ZR. La seconde montre la distribution des particules déposées au sol. Ces résultats permettent d’identifier des zones sujettes à l’érosion et à l’accumulation autour des collines. Enfin, les flux des particules piégées et déposées à l’intérieur de la ZR sont quantifiés et comparés aux flux des particules émises en amont. Ces flux, bien que faibles par rapport au flux entrant, contribueraient aux migrations des dunes et à l’avancée des déserts. / The transport of solid particles inside a laboratory-scale turbulent boundary-layer is studied by numerical simulations, to obtain a better understanding of the mechanisms associated with wind erosion of soil. The presence of one or several Gaussian hills allows a study of the topographic effects on the transport, deposition and re-emission of solid particles. The carrier fluid motion is resolved in a Large Eddy Simulation (LES). Wall models are implemented to better account for the effects of turbulent flow near the terrain. Particle trajectories are calculated using a Lagrangian tracking. Take-off and rebound models are developed in order to take into account particle emissions and impacts at the wall. In the first part, the flow over transversal Gaussian hills is simulated and validated by comparison with different experiments. According to Oke [1988], the flow inside an urban canopy can be schematically characterised into different flow regimes depending on the relative localisation of the obstacles at the ground. This concept is applied to the case of sand dunes, assimilated to 2D hills in this study. The focus is on the recirculation zone (RZ) on the lee side, which has the characteristic of increasing the residence time and the interaction fluid/particle in general, particle trapping and deposition in particular. The variations of RZ with different hill geometries and Reynolds numbers are examined. A study on the roughness sublayer is conducted in order to determine the roughness effects due to the layer of solid particles on the wall. The second part of the work is devoted to the simulation of solid particle transport over the Gaussian hills. The objective is to improve the modelling of particle take-off, rebound and the two-way coupling between the fluid and the particle. A first work of validation is conducted by using the complete model of solid particle transport developed in this thesis. In particular, the evolution of particle emission flux predicted by the take-off model is in accordance with classical saltation models and experiments from the literature. Over the Gaussian hills, analysis of particle transport is conducted using concentration and mean velocity fields. Two mappings are realised. The first indicates the intensity of the local and instantaneous flow structures that arguably regulate the re-entrainment of particles trapped inside the RZ. The second shows the accumulation of particles on the wall. These results highlight zones prone to wind erosion and particle deposition around the hills. Last but not least, the fluxes of particle trapping and deposition inside the RZ are quantified and compared to the incoming flux from upstream. These fluxes, albeit relatively weak in comparison to the incoming one, contribute potentially to dune migrations and desertification.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse en co-tutelle concerne deux domaines d’étude de l'interaction fluide-structure. Le premier relevant du Génie Minier traite de l'interaction entre une grille mobile au sein d'un sluice et de l'écoulement confiné associé. Le second relevant de l'Hydrodynamique fondamentale porte sur l'interaction d'un cylindre monté sur appuis souples et un écoulement à surface libre en présence de fond. Notre travail contribue à l’étude des écoulements confinés à surface libre par une approche expérimentale. Nous avons couplé des techniques de visualisation par caméra CCD, de mesures de champs de vitesse par PIV et d'efforts hydrodynamiques pour qualifier la dynamique des objets en mouvement dans l'écoulement. Les méthodes et dispositifs expérimentaux sont alors appliqués à l'étude de l'écoulement autour de deux maquettes simplifiées d'un JIG à grille mobile puis à celui du cylindre vibrant sous l'effet de l'écoulement. L’acquisition par PIV suivi des traitements statistique multi-variables par POD nous a permis d'étudier l'évolution des zones de recirculation dans le compartiment ainsi que le champ de vitesse instationnaire. L’étude expérimentale a été complétée par une simulation numérique par ANSYS14.5 pour la maquette de JIG et par un modèle numérique d’oscillation du sillage pour le cylindre. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence une technique simple pour mettre en mouvement, dans un sluice, un filet attaché à un cylindre et d'étudier les effets du confinement sur un cylindre vibrant en présence de surface libre. / The work realized under this co-supervised thesis concerns two study areas of fluid-structure interaction. The first concerned the Mineral Engineering and deals with the interaction between a moving grate in a sluice and the confined flow associated. The second concerns the fundamental Hydrodynamics and deals with the interaction of a cylinder mounted on flexible supports and a free surface flow in presence of plane wall. Our work contributes to the study a confined free surface flow by experimental approach. We coupled techniques of CCD camera visualization, velocity fields measurements by PIV and hydrodynamic forces to qualify the dynamics of structure motion in the flow. Experimental methods and devices are applied to the study the flow around two simplified models of a moving JIG grate and then to study a vibrating cylinder due to flow. Treatments of PIV data acquisitions by multivariable statistical POD enabled us to describe evolution of recirculation zones in the compartment and unsteady velocity field. Experimental study was completed by a numerical simulation of Jig model by using ANSYS14.5 and a numerical wake oscillator model for the case of the cylinder. This work highlighted a simple technique to give motion, in a sluice, a attached net to a cylinder and to study effects of free surface flow confinement on a vibrating cylinder

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.

Cette thèse est une contribution à la fois expérimentale, théorique et numérique à l'étude des écoulements bidimensionnels de fluides complexes dans une conduite cylindrique présentant des singularités et dans une géométrie annulaire à cylindres excentrés. Le fluide utilisé est une solution de xanthane à différentes concentrations présentant un caractère non newtonien rhéofluidifiant. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation de l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur le comportement des zones de recirculation, en terme de morphologie, de positionnement et d'intensité, par l'utilisation et le développement de techniques de mesures non intrusives et performantes. La première méthode expérimentale utilisée une technique laser classique: la vélocimétrie par images de particules. La seconde technique mise en oeuvre est une méthode originale: la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique. Elle est utilisée pour la première fois au laboratoire pour la mesure de champ de vitesse d'écoulement de fluides complexes en conduite cylindrique, représentant l'intérêt majeur de cette thèse. La première partie de notre travail consiste en une description rhéologique complète de nos fluides modèles avec la détermination de leur loi de comportement et la mise en évidence de leurs propriétés viscoélastiques, par ailleurs négligeables. Par la suite les mesures de champ de vitesse des écoulements bidimensionnels étudiés et la représentation des lignes de courant montrent que les propriétés rhéofluidifiantes influencent très fortement la structure et la morphologie de ces écoulements et le comportement des zones de recirculation. Par une étude fine nous observons qu'il existe une compétition entre les effets d'inertie et les effets rhéofluidifiants induisant un champ de contrainte variable qui modifie le positionnement et la taille de la zone de recirculation. Nous montrons également que l'augmentation du caractère rhéofluidifiant affaiblit son intensité de la zone de recirculation. Enfin, des simulations numériques utilisant la loi de comportement macroscopique déterminée par rhéométrie classique ont été réalisées avec le logiciel Fluent. Une bonne concordance est observée entre les résultats de ces simulations numériques et les expérimentaux. Cette comparaison permet ainsi de valider le code de calcul et la loi de comportement, utilisée pour les simulations numériques au travers de sa modélisation suivant la loi de Cross, pour les écoulements considérés / This thesis is an experimental and numerical study of structured fluids bidimensional flows in a cylindrical pipe with singularity and in an annular geometry with eccentric cylinders. The objective of this thesis is to characterize the influence of the shear thinning properties on the recirculation zones by using efficient and non-intrusive techniques: particle image velocimetry and velocimetry by nuclear magnetic resonance imaging. Materials are xanthane solutions at different concentrations. In the first part, we determine the rheological and viscoelastic properties of the fluids used. The second part concerns the measured velocity field. It is shown that the shear thinning behavior have a strongly influence on the structure and the morphology of these flows and the pattern of the recirculation zones. Simultaneously, numerical simulations performed by Fluent and using the rheological behavior. A good concordance is observed between the experimental and numerical results. For the flows considered here, this comparison allows to validate the computational code and the behavior law used in the numerical simulations and modelling by a Cross model