L'utilisation de l'hélium a basse température en turbulence développée s'avère décisive pour l'étude des propriétés statistiques des champs de vitesse et de traceur passif, grâce a une gamme de nombres de Reynolds inégalée et a d'excellentes conditions de stabilité. Les expériences présentées dans cette thèse sont effectuées en géométrie confinée, entre deux disques en rotation. <br /><br />Nous décrivons dans un premier temps les transferts d'énergie a travers les échelles, et en particulier l'existence d'une tendance algébrique vers un régime asymptotique (loi des 4/5 de Kolmogorov) dans la limite des très grands nombres de Reynolds. Nous discutons en détail la validité de l'équation de Kolmogorov dans différentes configurations d'écoulement, et caractérisons en particulier l'influence des grandes échelles sur un tel régime asymptotique. <br /><br />Nous présentons dans un second temps de nouveaux résultats concernant des mesures de fluctuations de température, réalisées pour la première fois dans l'hélium a basse température. Nous caractérisons notamment l'intermittence du scalaire passif sous l'aspect des lois d'échelles anormales. Nous montrons que l'évolution des exposants de fonction de structure suggère la présence d'une saturation aux ordres élevés, signature de statistiques dominées par la présence de fronts intenses. Nous étudions les propriétés statistiques de ces fronts, et mettons en évidence leur répartition auto-similaire. <br /><br />Enfin, nous présentons de nouveaux résultats concernant les fluctuations de pression en turbulence, a partir d'une expérience originale de cavitation dans l'eau. Nous menons une étude qualitative des structures cohérentes de basse pression dans l'écoulement en contrarotation. Nous nous penchons ensuite sur leur contribution aux distributions de pression exponentielles, mesurées en volume, soulignant l'importance des grandes échelles dans la description des fluctuations de pression.

Cette étude s'inscrit dans l'effort de réduction des nuisances sonores des avions au décollage. Une des principales composantes est le bruit de jet, dont la partie à basse fréquence peut notamment être imputée au rayonnement acoustique directif des structures cohérentes de grande échelle engendrées par les instabilités dans la couche de mélange du jet. L'évolution de ces ondes d'instabilité peut être décrite au moyen des équations de Stabilité Parabolisées (PSE). Un premier objectif a été de déterminer si dans le cas d'un jet turbulent naturel, les interactions non linéaires entre les ondes d'instabilité ont un impact significatif sur sa dynamique et sur son rayonnement acoustique. À cet effet, une modélisation PSE non linéaire a été développée et appliquée à une configuration réaliste. La possibilité de manipuler ces ondes d'instabilité par non linéarité a ensuite été étudiée en vue d'une réduction du rayonnement acoustique. Pour cela, une analyse PSE a été menée pour déterminer l'effet sur le bruit de jet de l'excitation d'un ou plusieurs modes instables. Ces travaux de thèse ont permis de montrer, d'une part, que les non linéarités semblent avoir un impact mineur sur la dynamique des ondes d'instabilité dans le cas des jets turbulents naturels, et d'autre part, qu'il est possible de réduire le rayonnement acoustique des modes dominants par interactions non linéaires. / This study is part of the effort to reduce aircraft noise during take-off. Jet noise is oneof the main contributors, of which lower frequency component can be attributed to thedirective acoustic field generated by the large-scale coherent structures arising from jetmixing-layer instabilities. The development of these instability waves can be describedusing Parabolized Stability Equations (PSE). A first objective was to determine if inthe case of a natural turbulent jet, nonlinear interactions between instability waveshave a significant impact on its dynamic and acoustic behaviour. For this purpose,a nonlinear PSE model has been developed and applied to a realistic configuration.Then, the possibility to manipulate these instability waves by means of nonlinearity wasinvestigated with a view to reduce noise. To this end, a PSE analysis has been carried outto assess the impact on jet noise of exciting one or more unstable modes. The findingsof this doctoral work demonstrate a minor impact of nonlinearities on the dynamics ofinstability waves for natural turbulent jets on the one hand, and the possibility to makethe initially dominant instability acoustically ineffective using nonlinear interactions onthe other hand.

En période hivernale, le golfe du Lion est sujet à des conditions de vents régionaux forts (Mistral et/ou Tramontane) qui transportent des masses d'air continentales froides et sèches au dessus de la mer. Ces événements, les Cold Air Outbreaks (CAO) , conduisent à d'intenses échanges air-mer et donc à un pompage de chaleur qui favorise la formation d'eaux denses et le déclenchement de la convection océanique profonde. La bonne représentation de ces échanges air-mer intenses dans les modèles de climat et de prévision numérique du temps reste à l'heure actuelle une problématique majeure. Elle est au cœur du projet ASICS-MED centré sur compréhension des mécanismes de formation d'eaux denses en Méditerranée et qui s'inscrit dans le cadre de la thématique " Échanges air-mer intenses " du programme HyMeX dédié à l'étude du cycle de l'eau en Méditerranée. Les processus qui s'opèrent au sein de la couche limite atmosphérique marine (CLAM) et de la couche de mélange océanique (CMO) interagissent entre eux à différentes échelles spatiales et temporelles. La compréhension de l'évolution globale de la CLAM mais également des mécanismes locaux nécessitent la prise en compte de l'ensemble des processus. L'étude présentée ici est consacrée à la structure moyenne et turbulente de la CLAM en conditions de vents forts. L'objectif est de déterminer comment l'organisation du champ turbulent est impactée lors d'épisodes de CAO et d'estimer les flux de surface associés à ces conditions de vents forts. La méthodologie adoptée est basée sur l'utilisation conjointe d'observations aéroportées collectées lors de la campagne de mesure SOP2 d'HyMeX et de simulations numériques. La campagne de mesure SOP2 d'HyMeX qui a eu lieu au cours de l'hiver 2013 dans le golfe du Lion a permis de documenter grâce à l'avion de recherche ATR42 la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors de 11 épisodes de CAO. Une analyse spectrale s'appuyant sur un modèle analytique a été réalisé sur 181 paliers (i.e. segments de vol rectilignes et stabilisés en altitude). Les profils verticaux des échelles turbulentes caractéristiques ainsi que la forme du spectre de la vitesse verticale ont permis de mettre en évidence un allongement des structures énergétiques dans l'axe du vent moyen associé à l'organisation du champ turbulent sous la forme de rouleaux longitudinaux. Une description unidirectionnelle du champ turbulent tridimensionnel peut conduire à une représentativité limitée des structures cohérentes au sein des échantillons. Cependant, la connaissance des profils de flux sur toute l'épaisseur de la CLAM est nécessaire pour l'estimation des échanges air-mer. Une méthode de correction des flux turbulents calculés par eddy correlation a été appliqué afin de prendre en compte les erreurs systématique et aléatoire relatives à la mesure et au traitement de données. Cette correction a permis de déterminer les meilleures estimations possibles des flux extrapolés à la surface avec une marge d'incertitude pour les 11 épisodes de CAO documentés lors de la campagne SOP2 d'HyMeX. La comparaison de ces estimations aéroportées aux autres sources d'information dérivées de paramétrisations des flux a permis de mettre en évidence une sous-estimation systématique du flux de chaleur latente en conditions de vents forts. Une approche numérique a permis de compléter l'analyse de la structure moyenne et turbulente de la CLAM lors d'épisodes de CAO. / During winter, local strong winds (Mistral or Tramontana) occurred in the Gulf of Lion which bring cold and dry continental air over a warmer sea. Those events, the cold air outbreaks, can lead to intense air-sea interactions which favour dense water formation and deep oceanic convection. The representation of air-sea exchanges is a fundamental aspect of of climate modelling and numerical weather forecasting. The ASICS-MED project aims to identify fine-scale processes leading to dense water formation and is a part of the "Intense air-sea exchanges" topic of the HyMeX program devoted to hydrological cycle in the Mediterranean. The processes occurring within the marine atmospheric boundary layer (MABL) and the oceanic mixing layer (ML) interact with one another at different spatial and temporal scales. Understanding the overall evolution of the MABL but also the local mechanisms requires taking into account all the processes. The study presented here is devoted to the mean and turbulent structure of the MABL under strong wind conditions. The objective is to determine how the organization of the turbulent field is impacted during CAO events and to estimate the surface fluxes associated with these strong wind conditions. The methodology adopted is based on the joint use of airborne observations collected during the HyMeX-SOP2 field campaign and numerical simulations. The HyMeX-SOP2 field campaign took place during the winter of 2013 in the Gulf of Lion. The research aircraft ATR42 was operated to document the mean and turbulent structure of the MABL during 11 CAO events. A spectral analysis based on an analytic model was carried out on 181 legs (i.e. stacked straight and level runs stabilized in altitude). The vertical profiles of the turbulent characteristic scales as well as the shape of the vertical velocity spectrum revealed an elongation of the energy structures in the mean wind direction associated with the organization of the turbulent field into longitudinal rolls. A unidirectional sampling of the three-dimensional turbulent field may lead to a limited representativeness of the coherent structures within the samples. However, knowledge of kinematic fluxes profiles over the entire thickness of the CLAM is necessary to estimate air-sea exchanges. A correction method was applied to turbulent fluxes calculated by eddy correlation in order to take into account systematic and random errors related to measurement and data processing. This correction made it possible to determine the best possible estimates of the extrapolated surface fluxes with a margin of uncertainty for the 11 CAO events documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. The comparison of these airborne estimates with the other sources of information derived from bulk parameterizations show a systematic underestimation of the latent heat flux under strong wind conditions. A numerical approach allowed to complete the analysis of the mean and turbulent structure of the MABL during CAO events. The numerical study, based on the non-hydrostatic Meso-NH model, focuses on an episode of strong Tramontana with winds greater than 25m/s documented during the HyMeX-SOP2 field campaign. In a first step, a one-dimensional framework made it possible to understand the forcing terms necessary to reproduce in a realistic way the development of the observed MABL. This reference configuration allowed, in a second time, a Large-Eddy Simulation of the CAO event. This simulation has been validated using airborne data and has allowed to deepen the description of the turbulent field as well as the evolution of the coherent structures oriented in the axis of the mean wind.

Nous proposons dans ce mémoire de thèse une méthodologie permettant la résolution du problème de la décomposition de Hodge-Helmholtz discrète sur maillages polyédriques. Le défi de ce travail consiste à respecter les propriétés de la décomposition au niveau discret. Pour répondre à cet objectif, nous menons une étude bibliographique nous permettant d'identifier la nécessité de la mise en oeuvre de schémas numériques mimétiques. La description ainsi que la validation de la mise en oeuvre de ces schémas sont présentées dans ce mémoire. Nous revisitons et améliorons les méthodes de décomposition que nous étudions ensuite au travers d'expériences numériques. En particulier, nous détaillons le choix d'un solveur linéaire ainsi que la convergence des quantités extraites sur un ensemble varié de maillages polyédriques et de conditions aux limites. Nous appliquons finalement la décomposition de Hodge-Helmholtz à l'étude de deux écoulements turbulents : un écoulement en canal plan et un écoulement turbulent homogène isotrope. / We propose in this thesis a methodology to compute the Helmholtz-Hodge decomposition on discrete polyhedral meshes. The challenge of this work isto preserve the properties of the decomposition at the discrete level. In our literature survey, we have identified the need of mimetic schemes to achieve our goal. The description and validation of our implementation of these schemes are presented inthis document. We revisit and improve the methods of decomposition we then study through numerical experiments. In particular, we detail our choice of linear solvers and the convergence of extracted quantities on various series of polyhedral meshes and boundary conditions. Finally, we apply the Helmholtz-Hodge decomposition to the study of two turbulent flows: a turbulent channel flow and a homogeneous isotropic turbulent flow.

Les paysages ruraux et urbains sont caractérisés par une très forte hétérogénéité spatiale liée à la présence de végétation, bâtiments, clairières, routes, ..., ayant des propriétés physiques, des états hydriques et une résistance au vent très variables. Cette hétérogénéité locale des surfaces ajoutée à la topographie agissent sur les échanges entre la canopée et l'atmosphère, et donc sur les champs atmosphériques (vent, température, humidité), générant des conditions micrométéorologiques complexes sensibles à cette hétérogénéité. La modélisation des champs micrométéorologiques à l'échelle de paysages ruraux et urbains est important i) pour améliorer les prédictions météorologiques, en particulier les événements locaux, mais aussi ii) pour de nombreux domaines de la recherche environnementale liés par exemple à la climatologie urbaine, à la qualité de l'air, à la dissémination de grains de pollen transgéniques, à la stabilité des peuplements au vent, à la propagation des feux de forêt, aux échanges de CO2 entre la biosphère et l'atmosphère, etc. Ceci est d'autant plus vrai dans le contexte du changement climatique et notamment du possible accroissement des événements extrêmes aux conséquences environnementales, sanitaires et économiques lourdes. Bien que la modélisation des champs microméteorologiques ne puisse pas influer sur ce changement, elle peut être un outil pour comprendre l'impact du changement climatique sur les écosystèmes, pour explorer différents aménagements des surfaces rurales et urbaines, ou pour modifier les pratiques agricoles, afin de limiter les conséquences de ces événements extrêmes. Mes travaux de recherche au cours de ces dix dernières années ont principalement eu pour objectif de (i) développer et valider des modèles de canopées urbaine et rurale pour une meilleure simulation des champs micrométéorologiques à l'échelle paysages complexes, et (ii) d'étudier à partir de ces modèles l'impact des hétérogénéités de surface et de la petite topographie sur ces champs, sur la stabilité des arbres au vent, et sur la dispersion de pollen de maïs. Après une revue générale du contexte scientifique dans lequel mes travaux de recherche se situent, je décline mes principaux résultats de recherche suivant les quatre thématiques : 1) modélisation de la canopée urbaine, 2) dynamique du vent à l'échelle de couverts hétérogènes, 3) interaction vent-plante, et 4) dispersion environnementale de grains de pollen de maïs. Un bilan scientifique et académique est ensuite fait avant de présenter mon projet de recherche pour les années à venir.

Les cascades log-infiniment divisibles fournissent un cadre général à l'étude de la propriété d' invariance d'échelle. Nous introduisons ces objets en décrivant l'évolution historique des différents modèles proposés pour décrire le phénomène d'intermittence statistique en turbulence. Nous nous appliquons alors à préciser une définition formelle des cascades log-infiniment divisibles. Nous remplaçons aussi les accroissements, usuels en turbulence, par les coefficients d'une transformée en ondelettes associée à une analyse multirésolution, outil dédié à l'analyse temps-échelle. Une réflexion approfondie sur la signification du formalisme nous amène à démontrer sa flexibilité pour la modélisation, ainsi que sa richesse en lien avec les cascades multiplicatives, les processus de Markov, l'équation de Langevin, l'équation de Fokker-Planck...Grâce à l'étude des cascades log-Poisson composées, nous proposons une vision originale du phénomène d'intermittence statistique. Ensuite, des estimateurs des exposants de lois d'échelle (éventuellement relatives) sont étudiés en insistant sur la correction du biais et la détermination d'intervalles de confiance. Nous les appliquons à des données de télétrafic informatique. Nous expliquons pourquoi une procédure usuelle d'estimation du spectre multifractal appliquée aux mouvements linéaires stables fractionnaires risque de mener à une méprise. Enfin, le lien entre intermittence statistique et intermittence spatio-temporelle (structures cohérentes) en turbulence est étudié à partir de l'enregistrement de signaux de vitesse et de pression conjointement en espace et en temps dans un écoulement turbulent. De fortes dépressions associées à des tourbillons filamentaires sont détectées. Une analyse statistique des coefficients d'ondelette de la vitesse conditionnée à ces événements nous permet de décrire l'influence de ces structures cohérentes à différents nombres de Reynolds.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système de transmission optique bas coût en multiplexage temporel (OTDM), pour un débit global de 10 Gb/s. Le train de pulses optique nécessaire au système a été généré par modulation externe d'une source optique continue, avec une modulateur d'intensité. Les simulations ont été concluantes quant à la faisabilité du système étudié. Une étude théorique a permis de résoudre le problème lié aux interférences cohérentes dues à la nature de la source utilisée. Les performances du système de multiplexage expérimental ont été comparées pour deux sources optiques différentes. Le démultiplexage est réalisé avec un modulateur à électroabsorption (EAM). Des valeurs de Taux d'Erreur Binaire (TEB) inférieures à 10-10 ont été obtenues expérimentalement sur chaque canal extrait. Le système est adapté pour une combinaison avec la technique de multiplexage en longueur d'onde (WDM).

L'imagerie SAR considère les cibles comme un ensemble de diffuseurs ponctuels, isotropes et non-dispersifs. Ce modèle devient obsolète pour les nouvelles applications radar qui utilisent une large bande et une forte excursion angulaire. Il s'agit donc d'étudier les non-stationnarités par l'outil usuel : l'analyse temps-fréquence. Les transformées temps-fréquence usuelles permettent de construire des hyperimages (images à 4 dimensions) décrivant l'énergie en fonction de la fréquence émise et de l'angle de visée. Cette source d'information est reliée à la section efficace radar (SER). Une autre source d'information en imagerie radar est la polarimétrie. Il s'agit d'utiliser conjointement ces deux sources d'information afin de caractériser les diffuseurs. Par application des ondelettes continues et des décompositions cohérentes sur la matrice de Sinclair, des hyperimages polarimétriques sont générées. Ces hyperimages permettent de décrire le comportement polarimétrique en fonction de l'angle de visée et de la fréquence émise. Dans certains cas, elles décrivent globalement le mécanisme de rétrodiffusion, par sa nature, son orientation relative dans le plan horizontal et son orientation absolue dans le plan vertical. De plus, elles mettent en évidence un nouveau phénomène : la non-stationnarité polarimétrique. Celle-ci serait causée par le fait que le radar ne voit pas la même géométrie au cours de l'acquisition. De ces hyperimages polarimétriques, l'information est synthétisée et une nouvelle classification phénoménologique est proposée.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la dynamique temporelle ainsi que les différentes transitions associées à l'apparition des structures cohérentes à grandes échelles en turbulence bidimensionnelle (2D). Pour un taux de dissipation constant, l'augmentation progressive de l'énergie injectée dans le système favorise la formation de structures à l'échelle du système, dont la structure spatiale ainsi que la dynamique se distinguent de l'écoulement turbulent aux plus petites échelles. Nous avons ainsi quantifié à l'aide des distributions des amplitudes de l'écoulement à grande échelle une transition en présence d'un fond turbulent. De plus, nous avons montré la présence d'une signature spectrale singulière qu'on nomme communément "bruit en 1/f". Nous proposons un cadre théorique permettant d'expliquer l'origine de ce "bruit en 1/f" dans les écoulements présentant des structures cohérentes. À mesure que le forçage augmente, nous avons observé l'émergence d'une configuration spatiale de vorticité, caractéristique d'une interaction entre l'écoulement à grande échelle avec les échelles d'injection d'énergie. Cet état est souvent nommé, par analogie à la condensation de Bose-Einstein, le régime condensé. Du fait de la symétrie du forçage, l'écoulement à grande échelle peut tourner dans les deux sens. Nous avons alors observé des renversements erratiques du sens de la circulation, dont les propriétés sont comparées aux modèles de renversements récemment proposés pour expliquer les inversions du champ magnétique terrestre.

Les courants turbulents de bord ouest sont l'un des phénomènes les plus dominants des océans, il en existe aux faibles latitudes aussi. Ils sont caractérisés par une dynamique très turbulente avec une forte production d'énergie cinétique, et une forte variabilité interne. Plusieurs régions existent où les courants de bord ouest se rétrofléchissent (décollage de la côte) pour former des structures cohérentes: des anticyclones, des bursts (arrachements) et des dipoles. Circulant le long de la côte, les courants de bord ouest interagissent très fortement avec le bord ouest et la bathymétrie et sont donc un problème de couche limite. Cependant aucune étude du point de vue de la théorie de couche limite n'a été jamais été faite. Cette thèse aborde le problème d'un point de vue de couche limite par l'utilisation d'un modèle idéalisé "shallow water" à très haute résolution (2.5km) afin d'isoler et de comprendre les processus. Les résultats sont ensuite appliqués à des sorties de modèle réaliste Drakkar (~10km) basé sur le code NEMO. Le courant de Somali est ensuite pris pour cette application. / Strong western boundary currents are one of dominant features of the world oceans, also at low latitudes. They exhibit a turbulent dynamics and their region is a source of strong kinetic energy production and internal variability of the worlds oceans. Several places exists where the western boundary currents retrofect (i.e separation from the coast) and generate coherent structures as anticyclonic eddies, bursts and dipoles. The dynamics of turbulent western boundary currents has so far not been extensively studied in the viewpoint of turbulent boundary-layer theory. The approach followed in this thesis is to use a fine resolution (2.5km) reduced-gravity shallow water model to understand the turbulent boundary-layer processes and then apply these findings to the Ocean General Circulation Model NEMO in the Drakkar configuration (~10km). The case of the Somali Currentis considered for this application.