Les écoulements cisaillés en rotation sont fréquents en ingénierie — par exemple en turbo- machines et dans la production d’énergie hydraulique — et en géophysique et astrophysique. L’étude de leurs propriétés de stabilité en lien avec la production de turbulence est donc essentielle. Dans la présente étude, nous ne considérons pas d’éventuels effets inhomogènes, et nous nous concentrons sur la complexité de la dynamique anisotrope, qui ne peut se représenter facilement par les seuls modèles statistiques en un point. La thèse porte donc sur l’étude des propriétés de la turbulence homogène anisotrope (HAT) avec champ moyen uniforme et effet Coriolis, à l’aide de modèles statistiques en deux points. Un modèle orig- inal est proposé qui permet de prédire la dynamique de la turbulence cisaillée en rotation, et sépare les effets de déformation linéaire de la dynamique turbulente non linéaire, afin de proposer un traitement adapté pour chaque contribution. Le modèle proposé porte sur les équations qui régissent l’évolution du tenseur spectral du second ordre des corrélations de vitesse en deux points. Il permet d’aborder les gradients de vitesse moyenne arbitraires, avec ou sans rotation d’ensemble du système. L’effet direct linéaire des gradients moyens est exact dans le modèle, alors que les effets non linéaires con- stitués des corrélations d’ordre trois en deux points sont fermés par un modèle anisotrope de type EDQNM. Dans ce modèle de fermeture, l’anisotropie est restreinte à un développe- ment tronqué en termes d’harmoniques angulaires d’ordre bas Mons et al. (2016). Notre nouveau modèle est validé pour le régime linéaire par comparaison à une solution trés pré- cise de distorsion rapide visqueuse (vRDT) dans plusieurs cas de cisaillement: stabilisant, déstabilisant ou neutre. Le modèle diffère des approches de simulation numérique directe (DNS) pseudo-spectrale pour les écoulements cisaillés proposées par Rogallo (1981) en ingénierie et par Lesur & Longaretti (2005) en astrophysique, en ce que l’opérateur de convection n’est pas résolu en suivant les courbes caractéristiques moyennes spectrales ou physiques, mais grâce à un schéma original de type différences finies d’ordre élevé qui permet de calculer les dérivées ∂ i iv par rapport au vecteur d’onde k. On évite ainsi la déformation du maillage et l’obligation de remailler, ce qui autorise l’obtention aisée des harmoniques angulaires à chaque instant, grâce au fait que l’espace physique ou spectral n’est pas déformé. La capacité de prédiction de cette nouvelle approche est significativement améliorée par rapport au modèle de Mons et al. (2016), pour lequel la solution linéaire peut être remise en cause à grand temps d’évolution, particulièrement pour le cas non tournant. Le nouveau modèle est suffisamment universel puisqu’il est implémenté pour plusieurs cas de gradients de vitesse moyenne compatibles avec l’approximation homogène. Les validations ont notamment été réalisées dans des cas de déformation plane. Pour la turbulence cisaillée, dont la modélisation est demeurée jusqu’à présent un point dur des approches en un point et aussi de l’approche en deux points de Mons, nous proposons une version adaptée de notre modèle en deux points, en l’hybridant avec un modèle de retour à l’isotropie proposé par Weinstock (2013). Ce nouveau modèle hybride pour la turbulence cisaillée fournit des résultats extrêmement satisfaisants. / Stability and turbulence in rotating shear flows is essential in many contexts ranging from engineering—as in e.g. turbomachinery or hydraulic energy production—to geophysics and astrophysics. Apart from inhomogeneous effects which we discard in the present study, these flows are complex because they involve an anisotropic dynamics which is difficult to represent at the level of one-point statistics. In this context, the properties of these flows, such as scale-by-scale anisotropy or turbulent cascade can be studied via two-point statistical models of Homogeneous Anisotropic Turbulence (HAT), in which the distorting mean flow is represented by uniform mean velocity and density gradients, and by body forces as the Coriolis one. The context of HAT can be relevant for flows in a plane channel with spanwise rotation, or for a Taylor-Couette flow. We propose a new model for predicting the dynamics of homogeneous sheared rotating turbulence. The model separates linear distortion effects from nonlinear turbulent dynamics, so that each contribution can be treated with an adapted model. Our model deals with equations governing the spectral tensor of two-point second-order velocity correlations, and is developed for arbitrary mean velocity gradients with or with- out system rotation. The direct linear effect of mean gradients is exact in our model, whereas nonlinear effects come from two-point third-order correlations which are closed by an anisotropic EDQNM model. In the closure, the anisotropy is restricted to an expansion in terms of low-degree angular harmonics (Mons et al., 2016). The present model has been validated in the linear regime, by comparison to the accurate solution of viscous Rapid Distortion Theory (vRDT), in several cases, stabilizing, destabilizing or neutral. In contrast with pseudo-spectral DNS adapted to shear flow by Rogallo (1981) in en- gineering and by Lesur & Longaretti (2005) in astrophysics, the advection operator is not solved by following characteristic lines in spectral or physical space, but by an original high- order finite-difference scheme for calculating derivatives ∂ i with respect to the wave vector k. One thus avoids mesh deformation and remeshing, thus one can easily extract angular ii harmonics at any time since physical or spectral space are not distorted. With this new approach, we are able to improve the prediction of the previous model by Mons et al. (2016), in which the linear resolution is questioned at large time, especially in the case without rotation. The proposed new model is versatile since it is implemented for several cases of mean velocity gradients consistent with the homogeneity approximation. Validations have been done for several cases of plane deformations. In the case of sheared turbulence, whose modelling resists most one-point approaches and even the two-point model by Mons, we propose an adaptation of our two-point model in a new hybrid model, in which return-to- isotropy is explicitly introduced in the guise of Weinstock (2013)’s model. Predictions of the new hybrid model are extremely good.

Deux problèmes concernant les milieux diphasiques du type liquide à bulles sont résolus. Premièrement, la stabilité linéaire de l'écoulement de Couette est établie dans l'approximation des ondes longues. Pour cela, le milieu est décrit par le modèle de Iordanski, Kogarko et Van Wijngaarden. Les spectres discret et continu sont déterminées. Le problème aux valeurs initiales est résolu. La deuxième est partie est consacrée aux interactions hydrodynamiques entre N bulles dans un liquide parfait. A l'aide des méthodes de la physique statistique, une fonction de partition est construite dans l'ensemble canonique: les bulles sont considérées comme un gaz de particules. Les potentiels effectifs d'interactions sont déterminés et exprimés analytiquement dans deux cas limites : la limite des sphères rigides et la limite des sphères immobiles oscillantes.

Dans cette étude, on s'intéresse à la compréhension de la dynamique de l'écoulement d'interaction d'une couche de mélange plane turbulente avec un cylindre circulaire. Cet écoulement trimensionnel et inhomogène dans les trois directions est analysé, dans un premier temps, à l'aide de mesures fils chauds et de mesures de pressions pariétales. A partir de ces données, on montre l'influence du nombre de Reynolds, du rapport d'aspect et du paramètre de cisaillement sur le nombre de Strouhal, le coefficient de succion et la longueur de formation. En particulier, les analyses montrent que, dans la région au dessus de l'impact de la couche de mélange (du côté basse vitesse), l'analyse spectrale présente systématiquement au moins deux cellules de fréquence constante. L'organisation principale est quant à elle analysée à l'aide de mesures PIV (Vélocimétrie par Image de Particule) et au moyen de la POD (Décomposition Orthogonale aux valeurs Propres). Les premiers modes POD, représentant l'organisation des structures cohérentes énergétiquement dominantes, montrent clairement la présence de structures inclinées de part et d'autre de la région d'impact de la couche de mélange. En dessous de l'impact (du côté haute vitesse), où l'écoulement est tridimensionnel, les modes POD plus élevés présentent des modes de coalescence de structures, de structures longitudinales et de dislocations de structures, proches de ceux trouvés lors de la tridimensionalisation des sillages (par leur nature intrinsèque ou par pertubation suivant l'envergure du cylindre). Par ailleurs, à l'aide d'une projection de Galerkin dans le plan derrière l'axe du cylindre, un LODS (Low Order Dynamical System) est construit. Son analyse révèle l'existence d'une ``injection'' de fluide du côté haute vitesse de fréquence de battement faible. Enfin, une analyse de données simulées à bas nombre de Reynolds (DNS) permet de conforter les résultats expérimentaux sur la présence de comportements caractéristiques à cette configuration d'écoulement.

Ce travail de thèse cherche à caractériser, à l'aide d’expériences de laboratoire, le mouvement d'un fluide stratifié à la fois tournant et cisaillé. Dans ce contexte on a considéré trois problèmes qui sont issus des observations géophysiques et astrophysiques où ces écoulements sont très communs. En premier nous avons observé expérimentalement et modélisé l'évolution en temps d'un anticyclone en milieu stratifié tournant, dans le but de comprendre la longévité des meddies, des vortex qui se forment à la sortie de la Méditerranée et peuvent perdurer pendant des années. Nos anticyclones modèles montrent une relaxation visqueuse anormale en raison de l’interaction entre stratification et cisaillement. Nos résultats expérimentaux ont été confirmés à l'aide d'un modèle géostrophique et de simulations numériques qui montrent aussi le rôle majeur joué par les circulations secondaires. Dans un deuxième temps nous avons considéré la stabilité linéaire de l'écoulement de Couette Plan, un des plus simple des écoulement plans cisaillés. On montre que cet écoulement devient instable lorsque l'on ajoute de la stratification verticale. Nous remarquons aussi que la structure spatiale de l'instabilité ressemble à celle de certains jets océaniques que l'on observe près de l'équateur. Enfin nous avons caractérisé une instabilité non linéaire dite des zombie vortex qui a été récemment découverte et pourrait jouer un rôle fondamental dans la déstabilisation des disques d'accrétion, une étape fondamentale de la formation des planétaire. Nous avons construit le diagramme de stabilité de la ZVI dans l'espace de trois fréquences caractéristiques et quantifié la dissipation visqueuse. / The present PhD work comes with the scope of characterizing, analysing and modelling some laboratory flows in the simultaneous presence of rotation, stratification and shear. To this aim we address three specific questions inspired by geophysics and astrophysics where these three ambient features are commonly relevant. First we characterize and model the time evolution of a compact anticyclone in a rotating and stratified laboratory flow. We aim to understand the longevity of analogous vortices known as meddies which populate the Atlantic ocean at the exit of the Mediterranean sea. We observe that viscous relaxation happens in an unusual way because of the balance between rotation and stratification. The results are confirmed by a quasi-geostrophic model and numerical simulations which show the crucial role played by secondary circulations. Secondly we consider the linear stability of one of the simplest parallel shear flow, namely the plane Couette Flow, and show that it becomes unstable when adding a vertical stratification. Interestingly the unstable pattern reminds of deep oceanic jets observed close to the equator. The signature of this instability is observed in an ad-hoc experimental flow and interpreted with the support of direct numerical simulations. Finally we characterize the behaviour of a recently disclosed finite amplitude instability, namely the zombie vortex instability or ZVI. This instability appears when rotation, stratification and shear are of the same order and may may destabilize proto-planetary disks. We construct a stability diagram for ZVI in the space of the three ambient frequencies and analyse the effect of viscous dissipation.

On dérive un nouveau modèle d’écoulements cisaillés et turbulents d’eau peu profonde. Les écarts de la vitesse horizontale par rapport à sa valeur moyenne sont pris en compte par une nouvelle variable appelée enstrophie, liée à la vorticité et à l’énergie turbulente. Le modèle comporte trois équations qui sont les bilans de masse, de quantité de mouvement et d’énergie. Le modèle est hyperbolique et peut être écrit sous forme conservative. L’énergie turbulente, dont l’intensité peut être importante, est produite par les ondes de choc qui apparaissent naturellement dans le modèle. Les écoulements rapidement variés étudiés sont caractérisés par l’existence d’une structure turbulente appelée rouleau dans laquelle la dissipation d’énergie turbulente joue un rôle majeur. Cette dissipation, qui détermine notamment le profil de profondeur, est modélisée par l’introduction d’un terme nouveau dans le bilan d’énergie. Le modèle comporte deux paramètres. L’un gouverne la dissipation de l’énergie turbulente du rouleau. L’autre paramètre, l’enstrophie de paroi, liée au cisaillement sur le fond, peut être considéré comme constant dans la partie rapidement variée d’un écoulement, sur laquelle il exerce une influence assez faible. Ce modèle a été appliqué avec succès aux vagues des trains de rouleaux et au ressaut hydraulique classique. Le profil de la surface libre est en très bon accord avec les résultats expérimentaux. L’étude numérique en régime non stationnaire permet notamment de prédire le régime oscillatoire du ressaut hydraulique. La fréquence d’oscillations correspondante est en accord satisfaisant avec les mesures expérimentales de la littérature. / We derive a new model of turbulent shear shallow water flows. The deviation of the horizontal velocity from its average value is taken into account by a new variable called enstrophy, which is related to the vorticity and to the turbulent energy. The model consists of three equations which are the balances of mass, momentum and energy. The model is hyperbolic and can be written in conservative form. The turbulent energy, which can be of high intensity, is produced in shock waves which appear naturally in the model. The rapidly varied flows we studied are characterized by the presence of a turbulent structure called roller in which the turbulent energy dissipation plays a major part. This dissipation, which determines, in particular, the depth profile, is modelled by the introduction of a new term in the energy balance equation. The model contains two parameters. The first one governs the dissipation of the turbulent energy of the roller. The second one, the wall enstrophy, related to the shearing at the bottom, can be considered as constant in the rapidly varied part of the flow on which it does not exert an important influence. This model was successfully applied to roll waves and to the classical hydraulic jump. The free surface profile was found in very good agreement with the experimental results. The numerical study in the non-stationary case can notably predict the oscillations of the hydraulic jump. The corresponding oscillation frequency is in good agreement with the experimental measures found in the literature.

Le but de cette étude est la génération de conditions d'entrée réalistes pour des simulations numériques instationnaires d'écoulements turbulents. La stratégie retenue consiste à générer, à partir de données expérimentales sous-résolues temporellement et d'une approche de type système dynamique d'ordre bas, des conditions d'entrée représentatives de la dynamique des structures à grande échelle de l'écoulement dans la section de mesure. Trois phases sont nécessaires à la réalisation d'un tel couplage : constitution d'une base de données expérimentale par mesures par Vélocimétrie par Imagerie de Particules Stéréoscopique deux plans décalés en temps (DT-SPIV), construction d'un modèle d'ordre bas (LODS) à partir de la base de données, adaptation du maillage expérimental au maillage de la face d'entrée de la simulation. La méthode de couplage proposée est testée dans deux configurations d'écoulement de couche de mélange plane turbulente se développant en aval d'une plaque au bord de fuite de type biseauté ou de type culot. La qualification de ces deux écoulements est réalisée à l'aide de mesures en deux points par anémométrie à fils chauds, permettant, entre autres, une analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD). Pour chaque écoulement, une base de données est constituée par DT-SPIV afin de pouvoir construire, par une méthode originale d'identification polynomiale de système dynamique, un modèle reproduisant la dynamique temporelle des structures cohérentes de l'écoulement. Finalement, les données instationnaires obtenues sont utilisées comme conditions d'entrée d'une simulation de type simulation aux grandes échelles d'une couche de mélange turbulente.

Le but de cette thèse est d'optimiser un modèle aux tensions de Reynolds. Des contraintes lui sont appliquées pour reproduire l'influence d'un gradient de pression sur la structure de la couche limite. Ceci a conduit à revoir le comportement des modèles de turbulence au voisinage d'une frontière libre. On obtient un comportement différent de celui classiquement supposé : la solution en puissance attendue est incluse dans une solution plus complexe. Les contraintes pour la frontière libre sont alors incompatibles avec les autres contraintes. Le caractère intermittent de la frontière libre a dû être pris en compte afin de découpler le comportement du modèle au voisinage d'une frontière libre de son comportement dans une région pleinement turbulente, ceci dans le but de satisfaire toutes les contraintes. Le modèle construit est optimisé sur les écoulements libres et la couche limite pour laquelle les contraintes imposées apportent une amélioration sensible.