La convection thermique dans les objets naturels de grande taille est associée à de fortes variations de la pression, hydrostatique au premier ordre. C’est le cas pour l’atmosphère de la Terre (et d’autres planètes), les planètes gazeuses géantes, les étoiles, mais aussi l’intérieur des planètes telluriques. De part l’importance des effets de compressibilité, l’approximation de Boussinesq n’y est pas vérifiée et d’autres modèles, comportant également des approximations, sont utilisés : les modèles anélastiques. Toutefois, peu d’expériences ont été réalisées pour les vérifier. Cette thèse présente une expérience dont les paramètres ont été optimisés afin d’obtenir des effets de compressibilité importants en laboratoire. Pour ce faire, une gravité apparente forte est obtenue à l’aide d’une centrifugeuse et du xénon gazeux est utilisé, nous permettant d’atteindre un nombre de dissipation significatif. Ces expériences ont permis l’observation en laboratoire d’un gradient adiabatique de 3 K/cm et d’un exposant de 0,3 pour la loi de puissance caractérisant le transfert thermique turbulent entre le nombre de Nusselt et le nombre de Rayleigh superadiabatique.L’étude des fluctuations de pression et de température montrant que l’écoulement est quasi-geostrophique dû à la forte rotation imposée par la centrifugeuse, un modèle anélastique quasi-géostrophique est développé afin de réaliser des simulations numériques bidimensionnelles relatives à l’expérience. / In large natural objects, thermal convection is associated with large pressure differences, mainly due to hydrostatic balance. This is true in the atmosphere of the Earth (and other planets), in gas giant planets, in stars, but also in the interior of telluric planets. Boussinesq approximation is not valid owing to large compressibility effects, and other approximate models can be used to model these objects, like the anelastic approximation. However, very few experiments have been performed to assess these models. In the present PhD thesis, an experiment is shown, with parameters designed to maximize compressibility effects in a laboratory. In this perspective, an enhanced apparent gravity is obtained using a centrifuge, and Xenon gas is used, allowing us to reach a significant dissipation parameter. In our experiments, we have observed an adiabatic gradient of 3~K/cm and the power law between the superadiabatic Rayleigh number and the Nusselt number measuring the turbulent heat transfer is characterized by an exponent 0.3.Measurements of temperature and pressure fluctuations show that the flow is quasi-geostrophic as a result of the strong rotation rate of the centrifuge. An anelastic, quasi-geostrophic model has then been developed and solved numerically in the same configuration as the experiments.

Cette thèse est le fruit d’un partenariat entre la société Johnson Controls et l’université Bordeaux1. L’objectif s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement de pompe à chaleur innovante et est de développer un compresseur centrifuge à haute compression. Pour ce faire, un modèle numérique a été créé afin de simuler l’écoulement dans ce type de compresseur. Afin de respecter des impératifs industriels, une première géométrie a été établie par modifications itératives de divers paramètres et analyse des performances induites. L’écoulement a ensuite été étudié plus précisément, particulièrement pour mieux comprendre l’apparition des décollements. Enfin, une étude instationnaire de l’écoulement dans le diffuseur a été effectuée. Au delà des phénomènes physiques étudiés et appréhendés au cours de ce processus, c’est avant tout une méthodologie qui valorise ce travail. / This thesis is the result of a partnership between the company Johnson Controls and the university Bordeaux1. The objective is part of a project to develop innovative heat pump and involves the design of a high head centrifugal compressor. To do this, a numerical model is created to simulate the flow in this kind of compressor. To observe industriel deadlines, a first geometry was established by iterative changes of various parameters in analysing induced effiencies. The flow was then studied further, especially to better understand the onset of flow separation. Finally, a study of unsteady flow in the diffuser was performed. Beyond the physical phenomena investigated and comprehended during this process, it is firstly a methodology that values this work.

Cette thèse montre que l'acquisition d'images en filé au voisinage du disque d'épandage d'un distributeur centrifuge d'engrais constitue une solution pour déterminer les composantes de la vitesse d'éjection des granules. Un filtre linéaire récursif est appliqué sur l'image pour détecter les axes des traces laissées par les granules. Ce filtre est développé en appliquant la méthodologie de Canny à un modèle de contour dont le profil dérive d'une approche expérimentale. Ensuite, les trajectoires sont identifiées et caractérisées au moyen de la transformée de Hough en intégrant les connaissances issues de l'analyse du processus d'épandage. La vitesse d'éjection est alors déduite de l'angle d'éjection par le biais de relations cinématiques. La répartition angulaire du flux d'engrais est également estimée à partir de la fréquence d'identification des trajectoires dans l'image. La répartition au sol de l'engrais est déduite d'un modèle de vol balistique utilisant ces paramètres.

Pilot spatial disorientation (SD) is a significant cause of incidents and fatal accidents in aviation. The pilot is susceptible to SD especially in low visibility when the visual system is deprived of information from outside the cockpit. This thesis presents the notion of visual flow displays as enhancement of symbology on flight displays primarily in low visibility for improved support of the pilot’s spatial orientation (SO) and control actions. In Studies I and II, synthetic visual flow of forward ego-motion was presented on displays and postural responses were used as measures of display effectiveness in determining SO. The visual flow significantly affected SO, and although the increased stimulation of the visual periphery from a width of 45° to about 105° increased the effects there was no further effect at a width of about 150° (Studies I and II). Studies I and II also showed that omitting 20°- or 30°-wide central fields of view from the visual flow either reduced or not reduced the effects. Further, although inconclusive, Study II may indicate that horizon symbology in central visual field may enhance the effects of peripheral visual flow. The appropriate integration of peripheral visual flow with the head-up display symbology of the Gripen aircraft was presented. Acceleration in a human centrifuge was used in Study III to investigate the effects of synthetic visual flow on the primarily vestibular-dependent somatogravic illusion of pitch-up. Two experiments revealed a reduced illusion with the visual flow. The results of Experiment 2 showed the visual flow scene not only reduced the illusion compared with a darkness condition but also compared with the visual scene without visual flow. Thus, similar to the main findings of Studies I and II, synthetic visual flow can significantly affect SO and supports the visually dependent SO system in an essential manner.

L'utilisation des pompes centrifuges à volute joue un rôle important dans divers secteurs de l'industrie en général. Parmi eux on peut mentionner l'automobile, la construction des installations navales, etc. Elles sont couramment employées par leurs prestations concernant leurs performances globales et leur comportement hydroacoustique. Il est bien connu que le comportement du fluide interne est caractérisé par des fortes interactions entre les parties mobiles et fixes qui sont à l'origine du bruit et des vibrations. Dans les cas des pompes centrifuges, le bruit se caractérise particulièrement à la fréquence aubage dû à l'interaction hydrodynamique entre la roue et le bec de volute. L'intensité de cette excitation, qui dépend de la géométrie et des conditions de fonctionnement, peut être nuisible dans certaines conditions et exigences. Les travaux de recherche effectués nous ont permis de contribuer à l'analyse et à la maîtrise des fluctuations de pression dans les pompes centrifuges grâce aux apports conjugués de simulations numériques et d'études expérimentales spécifiques. Une procédure numérique de prédiction du bruit tonal à la fréquence aubage est développée et validée par comparaison aux essais expérimentaux. En outre, l'amélioration des algorithmes numériques ainsi que le développement du matériel informatique ont permis l'émergence de codes de simulation d'écoulements plus avancés. Cependant, étant donné les exigences de précision pour prédire les fluctuations de pression et la difficulté des codes commerciaux d'atteindre des schémas d'ordre élevé nous mènent à développer notre propre code. Ce nouveau code (FV-MLS) plus précis, basé sur la méthode de volumes finis et les approximations de moindres carrés mobiles (Moving Least Squares - MLS), est couplé avec la technique de maillage glissant pour être appliqué dans une configuration 2D d'une pompe centrifuge.

Seismic safety of underground structures (culvert, subway, natural gas and water sewage systems) plays a major role in sustainable public safety and urban development. Very few experimental data are currently available and there is not generally accepted procedure to estimate the dynamic pressures acting on underground structures. This study aims to enhance the state of prevalent information necessary in understanding the dynamic behavior of box culverts and the stresses acting under dynamic excitations through experimental analyses. For this purpose, a series of shaking table tests were conducted on box-type culverts buried in dry sand. To simulate the free-field boundary conditions, a laminar box was designed and manufactured for use in a 1-g shake table. Four culvert models having different rigidities were tested under various harmonic motions in order to examine the effect of flexibility ratio on dynamic lateral soil pressures. Based on the tests results, a simplified dynamic pressure distribution acting on sidewalls of the culvert model was suggested. Then, a dynamic lateral coefficient was defined for the proposed peak pressure value in the distribution. The values of this coefficient were obtained as a function of shear strain and relative stiffness between the soil and underground structure. Finally, a simplified frame analysis approach was suggested for the assessment of the forces on the structure, to help to carry out a preliminary design of box-type culverts. In this approach, it was assumed that the culvert was fixed at bottom and subjected to lateral stresses on sidewalls and shear stresses on the upper face. For the confirmation of the method, centrifuge tests were conducted on a box-type culvert model under the Seventh Framework Programme of European Union with Grant Agreement No.227887. Results show that the proposed simplified procedure can be used in reasonable accuracy as a practical approach for the preliminary assessment of box-type culverts buried in dry sand under seismic action.

Avec pour objectifs la modélisation des mécanismes de croissance par transport en phase gazeuse et l'influence du vecteur gravité sur l'anisotropie et la cinétique de croissance, des expériences ont été préparées et réalisées sur terre, en microgravité et en hypergravité. Les matériaux choisis sont le ternaire Pb0,8Sn0,2Te par transport physique et le binaire GaAS sur des demi-billes orientées de GaAs par transport chimique.<br />Une étude thermodynamique des différentes pressions partielles des éléments présents dans la phase gazeuse a été réalisée. La diffraction de Läue en retour et la microscopie électronique nous ont permis d'identifier les facettes de GaAs et leurs épaisseurs. Par spectroscopie RAMAN, nous avons mis en évidence des gradients de concentration en fonction de g du dopant Sn dans les couches déposées de GaAs.<br />Une modélisation numérique des écoulements basée sur une méthode spectrale de tye Tau - Chebyshev a été effectuée.

Cette thèse porte sur la prévision du comportement dynamique des rotors feuilletés à cage d'écureuil appelés moteur grande vitesse (MGV, [3 − 30] MW, [6 000 − 20 000] rpm). La difficulté majeure de la modélisation réside dans la complexité relative à l'assemblage de la masse magnétique des MGV, composée, d'une part, d'un empilement de tôles magnétiques (ou feuilletage) maintenues par des tirants excentrés précontraints, et d'autre part, d'une cage d'écureuil composée d'une distribution périphérique de barres de court-circuit connectées à deux anneaux de court-circuit situés aux extrémités du feuilletage. Un modèle éléments finis de poutres de Timoshenko prenant en compte le caractère monolithique des rotors MGV est développé. Une attention particulière est portée à la modélisation de la masse magnétique en considérant d'une part, les barres de court-circuit, et d'autre part, les tirants indépendamment du feuilletage. Le comportement dynamique latéral des rotors feuilletés est principalement régi par la rigidité de flexion de l'empilement dont les propriétés constitutives sont méconnues et essentiellement liées au procédé de fabrication de la machine électrique ce qui rend délicat la modélisation des rotors MGV. Le modèle établit conduit entre autre aux contraintes dans les éléments finis. L'identification mixte numérique-expérimentale menée aboutit à l'évolution des propriétés constitutives du feuilletage en fonction de la géométrie et des précontraintes d'assemblage. Pour cela, les quantités modales calculées et mesurées (sur le site de production de Champigneulles, France ou en laboratoire) sont incluses dans une fonctionnelle énergétique basée sur un quotient de Rayleigh hybride et combinée à des méthodes de réduction de Guyan ou de Craig & Bampton, ou d'expansion de Guyan ou SEREP. Toutes les fonctionnelles proposées ont été éprouvées dans diverses applications industrielles dans le but d'identifier des propriétés constitutives de structures réelles: empilement de tôles magnétiques, portions d'arbre ou rotor de palier magnétique. Le développement d'algorithmes de Levenberg-Marquardt et de dérivation des éléments propres ont été nécessaires pour minimiser la fonctionnelle, extraire les propriétés constitutives du feuilletage et prévoir les formes et fréquences propres les plus proches possible des mesures à l'arrêt. La modélisation des efforts centrifuges, raideur géométrique et contact tirants-feuilletage a montré que l'effet de la rotation a une influence non linéaire qui tend à augmenter les forces longitudinales agissant sur les feuilletage et tirants sans toutefois dépasser leur limite élastique. La conséquence de ce phénomène est l'augmentation de la rigidité de flexion de la masse magnétique lorsque le moteur électrique est en rotation. La maîtrise de la dynamique des rotors feuilletés et la connaissance des propriétés constitutives équivalentes du feuilletage, assemblage de la cage d'écureuil ou centrifugation des tirants accroissent la fiabilité des prévisions, notamment dans les phases de développement où il s'agit de prédire le comportement dynamique de rotors jamais réalisés auparavant, e.g. 30 MW à 6 000 rpm.

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d'au moins deux matériaux ayant une forte capacité d'adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d'une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l'aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l'inconvénient majeur associé à ces matériaux est l'apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l'oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d'avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l'I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure.

La résolution analytique du problème de la stabilité d'une suspension solide (particules rigides de forme sphérique) dans le système de Taylor-Couette cylindrique a été menée. On s'est basé sur les travaux de Ali and Lueptow (2002) pour formuler les équations régissant la stabilité de l'écoulement dans le cadre d'une théorie linéaire. Ces équations sont valables dans l'approximation du faible espace annulaire et ont pour but la prévision de l'instabilité primaire. A cet effet, nous avons utilisé une méthode variationnelle telle que la méthode de Galerkin pour résoudre le problème aux valeurs propres conduisant à établir le diagramme de stabilité liée au nombre d'onde au voisinage de l'état critique du développement de la première instabilité. Tout d'abord, on a cherché à mettre au point les calculs dans le cas de l'écoulement de Taylor-Couette classique en se référant aux travaux de Ali and Lueptow (2002). Ensuite on a procédé à la résolution systématique des équations du mouvement et l'on cherche à déterminer le critère d'apparition des instabilités en présence de particules en suspension et l'on détermine simultanément les paramètres de couplage entre forces d'interaction liquide-solide. L'ensemble des travaux ainsi réalisés permettront de lever la contradiction fondamentale entre la théorie et l'expérience. L'étude expérimentale a permis d'analyser les effets de la concentration des particules en suspension (disques) et du rapport d'aspect radial ' sur l'apparition des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Le dispositif expérimental utilisé est constitué d'un cylindre intérieur tournant et le cylindre extérieur est maintenu fixe. Le comportement rhéologique du fluide utilisé est viscoplastique obéissant au modèle de Herschel Bulkley. L'apparition des instabilités est examinée en utilisant une technique de visualisation. Pour une concentration donnée dans l'intervalle étudié, la nature des structures apparaissant dans le système d'écoulement dépend ', alors que pour une valeur donnée de ' dans l'intervalle étudié, la valeur du nombre de Taylor critique Tac dépend de la concentration des particules. Nous avons obtenu que le nombre de Taylor critique Tac correspondant au déclenchement de la première instabilité évolue non linéairement en fonction de '. De plus, nous avons examiné expérimentalement les effets de limitation axiale (effet de bords) sur le déclenchement des instabilités dans le système de Taylor-Dean. Les résultats obtenus montrent que les bords tournants n'affectent pas le type de structures qui apparaissent dans le système d'écoulement de Taylor-Dean. Cependant, ils influencent le seuil critique d'apparition des instabilités qui est marquée par des valeurs élevées du nombre de Taylor critique pour des bords tournants ce qui indique un effet stabilisant des bords mobiles.