Ce travail est une étude expérimentale de l'influence du nombre de Reynolds sur les caractéristiques des tourbillons longitudinaux et transverses de la turbulence de paroi. Une campagne de mesure par PIV stéréoscopique est réalisée dans des plans longitudinaux/normaux à la paroi (XY), et dans des plans normaux/transversaux (YZ) des couches limites de la soufflerie du LML et du tunnel à eau du LTRAC, à six nombre de Reynolds compris entre Re_\theta=1300 et Re_\theta=18950. Les mesures ont une bonne résolution spatiale et une faible incertitude. La base de données est validée au travers de l'analyse de grandeurs statistiques de l'écoulement (moyenne et RMS de la vitesse, histogramme des fluctuations, spectres de puissance) , comparées à des profils de référence issus de la théorie, de mesures fils-chauds ou de données DNS. Une détection de tourbillon, basée sur le fit d'un tourbillon d'Oseen autour des maxima de "swirling strength", est ensuite entreprise sur les données stéréo-PIV ainsi que sur des données DNS à Re_\tau=950. L'évolution des caractéristiques des tourbillons (rayon, vorticité, circulation, vitesse de convection) avec la distance "y" à la paroi est ensuite analysée dans deux représentions adimensionnées: l'une en unités de paroi, et l'autre en unités de Kolmogorov. Une bonne universalité en nombre de Reynolds est obtenue en unités de paroi dans la zone tampon et la zone logarithmique, mais pas dans la zone externe de l'écoulement. Les unités de Kolmogorov permettent d'obtenir une bonne universalité dans les trois zones étudiées, à la fois en Reynolds et en "y". Finalement, les mécanismes responsables de la génération des tourbillons sont discutés / This work is an experimental study of the influence of the Reynolds number on the characteristics of the streamwise and spanwise vortices in near-wall turbulence. Stereo-PIV measurements in streamwise/wall-normal and spanwise/wall-normal planes of turbulent boundary layer flow are conducted in the LTRAC water-tunnel and LML wind-tunnel at six Reynolds numbers comprised between $Re_\theta=1300$ and $Re_\theta=18950$. The measurements feature good spatial resolution and low measurement uncertainty. The database is validated through an analysis of some single-points statistics (mean and RMS velocity, PDF of the fluctuations), and of the power spectra, compared with reference profiles from theory, hot-wire measurements and DNS data. A coherent structure detection is then undertaken on the SPIV database, as well as on a DNS dataset at $Re_\tau=950$. The detection is based on a fit of an Oseen vortex to the velocity field surrounding extrema of 2D swirling strength. The wall-normal evolution of some statistical quantities (mean, RMS, PDF) of the vortex characteristics (radius, vorticity, circulation, convection velocity...) is analyzed, using two different scalings: the wall-unit scaling and the Kolmogorov scaling. In wall-unit scaling, a good universality in Reynolds numbers is observed in the near-wall and logarithmic region, but some Reynolds number effects are visible in the outer region of the flow. In contrast, the Kolmogorov scaling was found to be universal both in Reynolds number and wall-normal distance across the three regions investigated. Finally, the results obtained are interpreted in terms of vortices generation mechanisms

Le modèle RANS à une équation de fermeture est utilisée avec une nouvelle longueur de mélange. par interpolation, notre loi est universelle. Nous avons étendue ce résultat pour considérer les fonds rugueux. L'existence d'une solution au système d'équation associée est montrée, c'est un problème elliptique avec un terme source dans L¹. Nous utilisons le modèle "under location uncertainty" pour obtenir un profil de vitesse cohérent dans toute la couche limite turbulente. Le raisonnement que nous apportons ici lie un terme sous-grille à ce profile. Nous apportons également une estimation des variances à temps courts dans la zone visqueuse. / The RANS one-closure equation is tested with a new formulation of the turbulent mixing length. By interpolation, the law is universal. It also take account of any roughness of the ground. The existence of solution of the RANS model is also proven and bring a new proof of elliptic problem with source term in L¹. We use the model under location uncertainty to derive a velocity profile in the whole boundary layer. An expression of the small-scale velocity component is also provided in the viscous zone.

L’objectif de cette étude est d’analyser expérimentalement l’interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d’écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d’ogivesafran de gouvernail ». L’originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d’écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l’ordre de l’épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d’hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d’inflow (zone d’apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l’alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

Dans cette thèse, nous analysons les phénomènes météorologiques régionaux révélés par les récentes missions martiennes. L'approche est numérique et observationnelle : nous avons construit un modèle météorologique méso-échelle complet pour la planète Mars, dont les applications potentielles sont nombreuses, et réalisé une cartographie à haute résolution de la pression de surface en nous appuyant sur les données du spectro-imageur OMEGA à bord du satellite Mars Express. Nous nous concentrons notamment sur les intenses circulations atmosphériques au voisinage des volcans, canyons et cratères martiens. Nous analysons également l'activité météorologique régionale des plaines martiennes, bien plus marquée que ne l'indique l'analyse synoptique. Les mouvements convectifs dans la couche limite martienne sont étudiés. Mars apparaît comme un environnement propice à d'intenses phénomènes météorologiques régionaux.

Cette thèse porte sur la caractérisation et l'analyse des sources de pollution avec les données aéroportées MOZAIC pendant la canicule européenne de l'été 2003. L'étude d'un tel événement extrème est nécessaire car sa fréquence est suceptible d'augmenter dans un contexte de changement climatique. L'apport des données MOZAIC avec de fréquents profils verticaux sur Francfort, Vienne et Paris, permet de caractériser et quantifier la dimension verticale des anomalies de polluants (ozone, monoxyde de carbone CO, oxydes d'azote) par rapport à une climatologie établie sur près de 11 ans. L'étude sur les conditions synoptiques de formation de la canicule identifie les facteurs favorables à la pollution et établit l'importance du développement intense de la couche limite planétaire. Dans une deuxième partie, une approche lagrangienne est utilisée pour estimer les importances respectives de différentes sources d'émissions primaires de CO vis-à-vis des observations MOZAIC : émissions anthropiques européennes et nord-américaines, et émissions par les feux de biomasse sur le Portugal. Dans une troisième partie, le modèle de chimie-transport global GEOS-Chem est utilisé pour étudier plus en détails certains processus importants lors de l'épisode (dépôt sec, émissions biogéniques). Une évaluation des simulations est d'abord menée avec les données MOZAIC puis des tests de sensibilité sont ensuite exploités pour montrer l'importance des processus de couplage sol-végétation-atmosphère et l'importance du transport depuis le Portugal des panaches des feux de biomasse documentés avec un cadastre d'émissions journalier.

Les objectifs de la recherche atmosphérique sont principalement la compréhension des processus de transfert et de transformation d'énergie, qui déterminent l'évolution du milieu atmosphérique, interagissent avec l'évolution météorologique et climatique et conditionnent leur prévisibilité. Ces objectifs de recherche se trouvent en amont et contribuent fortement aux besoins d'amélioration des prévisions météorologiques et climatiques. La tendance actuelle vers les études de petite échelle permet en outre d'aborder plus efficacement que par le passé des questions d'intérêt sociétal: l'étude des divers risques naturels engendrés par l'atmosphère (tempêtes, inondations,...), la qualité de l'air, la prévision à l'échelle locale, ... Dans ce contexte, la couche limite atmosphérique (CLA), à l'interface entre la surface terrestre et la troposphère libre, est une région particulièrement importante car elle est le siège de transferts d'énergie, d'humidité et de matière entre la surface et l'atmosphère libre, dont dépend la distribution horizontale et verticale des champs de vapeur d'eau, de nuages et d'aérosols. La compréhension globale des phénomènes qui se produisent dans la CLA et leur influence sur la grande échelle reste un sujet ouvert, et la prise en compte des processus les plus importants dans les modèles méso-échelle et dans les modèles de circulation générale constitue un enjeu majeur pour la compréhension du climat et de son évolution en relation avec l'activité humaine.<br /><br />Si les principaux processus physiques atmosphériques ont été identifiés et analysés depuis plusieurs décennies, l'amélioration des modèles météorologiques nécessite un ré-examen de ces processus pour quantifier plus précisément leurs effets, affiner les paramétrisations sous mailles nécessaires pour la modélisation climatique et évaluer les transports des constituants chimiques dans l'atmosphère. J'ai donc focalisé prioritairement mes actions de recherche sur la dynamique de la CLA et son impact à l'échelle régionale en couvrant un spectre large d'échelles spatio-temporelles, de l'échelle métrique, associée à la turbulence atmosphérique, à la centaine de kilomètres associée aux systèmes dynamiques de méso-échelle. En particulier, j'ai étudié:<br />1. les mécanismes d'échanges turbulents entre la surface et la CLA en concentrant mon effort de recherche sur la structure et paramétrisation de la turbulence à proximité de la surface;<br />2. les effets du relief et des héterogéneités de surface (contraste terre/mer, contraste urbain/périurbain, ...) sur l'atmosphère.<br />J'ai par ailleurs contribué aux développements instrumentaux et méthodologiques par lidar nécessaires à la documentation de la dynamique de la CLA sur la gamme d'échelles étudiée.<br /><br />Ces choix résultent d'un manque de connaissances scientifiques sur de nombreux mécanismes contrôlant la dynamique de l'écoulement atmosphérique à ces échelles dû en partie à l'inadaptation des moyens d'investigation expérimentaux et numériques de l'époque. Le développement récent de modèles numériques de recherche ou de prévisions opérationnels à fine échelle (de l'échelle de la turbulence à la méso-échelle), et de moyens d'observations de plus en plus résolus, spatialement et temporellement, que cela soit depuis le sol, une plateforme aéroporté, sous ballons ou depuis l'espace m'a permis d'étudier avec un "oeil nouveau" des mécanismes que l'on supposaient compris. La turbulence en est l'exemple le plus frappant puisqu'étudiée depuis des décennies avec, en 1941, l'avénement de la théorie de la turbulence homogène isotrope par Kolmogorov (Kolmogorov, 1941). Cette théorie universelle constitue les fondements de notre connaissance de la turbulence atmosphérique et est la base de toutes les paramétrisations sous-mailles dans les modèles météorologiques. Les nouveaux moyens d'observation et de simulation des mécanismes turbulents m'ont permis de rendre compte du caractère fortement anisotrope de la turbulence atmosphérique, de la structure du champ turbulent et de son impact sur l'intensité des échanges entre la surface et la CLA et sur sa paramérisation dans les modèles météorologiques.<br /><br />A l'autre bout du spectre, sur des échelles de la centaine de kilomètres, nous connaissons sur le plan quantitatif, les effets des hétérogéneités de la surface sur l'écoulement atmosphérique, que cette hétérogéneité prenne la forme de contrastes thermiques en surface (contraste terre/mer par exemple, voir Simpson, 1994, 1997 pour des revues) ou de montagnes (voir Smith, 1989 et Durran, 1990 pour des revues). Ainsi les résultats de l'expérience PYREX (1990) ont permis des progrès notables dans la compréhension et la modélisation des ondes de gravité et la réévaluation de la paramétrisation du relief dans les modèles de climat et de prévision numérique. Néanmoins, ces études ont porté sur des perturbations de l'écoulement à l'échelle du massif et sont donc apparues comme la continuité des travaux théoriques conduits dans la première moitié du 20ème siècle (e.g. Queney, 1948). J'ai donc étudié la structure fine de l'écoulement atmosphérique perturbé à des échelles variées par la surface, dont la complexité n'avait jusqu'alors pas été appréhendée faute de moyens d'observations et de modélisation adaptés: j'ai analysé la circulation atmosphérique dans les vallées et réseaux complexes de vallées et leur sillage, les interactions entre brise et écoulements de vallées, les aspects instationnaires et tridimensionels de ces écoulements en m'appuyant sur les nouveaux outils d'observations tels que les lidars au développement desquels j'ai largement contribué, et de modélisation à fine échelle (e.g. Méso-NH, MM5). J'ai conduit ces études dans le cadre des programmes MAP (Mesoscale Alpine Programme, 1999) et ESCOMPTE (Expérience sur Site pour COntraindre les Modèles de Pollution atmosphérique et de Transport d'Emissions, 2001).

Cette thèse porte sur la simulation numérique d'un écoulement interne compressible, ins- tationnaire et turbulent à l'aide de la Simulation des Grandes Echelles (SGE). Dans cette approche, les grandes échelles énergétiques et instationnaires de l'écoulement sont calcu- lées, tandis que les petites échelles sont modélisées. L'objectif de ce travail, réalisé en collaboration avec le Consortium Industrie-Recherche dans les Turbomachines (CIRT) et le LEMFI, est d'analyser les potentialités de la SGE pour le calcul d'écoulements confinés en géométrie 3D en vue d'applications aux turboma- chines. Le cas d'étude retenu pour la validation de la méthodologie est l'écoulement dans une tuyère 3D transsonique pour lequel il existe de nombreux résultats statistiques (LEMFI) et expérimentaux (ONERA). La tuyère est caractérisée par une bosse en flèche sur la paroi basse génératrice d'effets 3D. L'écoulement, sans rotation, présente cependant les phénomènes physiques complexes d'interaction onde de choc/couche limite et de large dé- collement, comme ceux rencontrés au sein des turbomachines. La SGE est obtenue à partir d'un modèle de sous maille d'échelles mixtes développé au LIMSI-CNRS. La discrétisa- tion temporelle des équations est réalisée par un schéma de Runge-Kutta explicite d'ordre deux. Les flux Euler sont discrétisés par un schéma TVD d'Harten-Yee d'ordre deux tandis que les flux visqueux le sont par un schéma centré. La SGE a permis d'obtenir des informations instationnaires sur l'écoulement, et de mettre en évidence la formation et le lâcher de tourbillons dans la tuyère. La solution insta- tionnaire est différente de la solution stationnaire RANS obtenue avec une modélisation statistique classique et montre l'oscillation du choc et la déstabilisation du décollement au cours du temps. Les résultats de la SGE obtenus sur le nombre de Mach isentropique, les profils de la vitesse moyenne et les tensions de Reynolds sont discutés et comparés aux résultats expérimentaux (ONERA) et statistiques, obtenus avec le modèle de Launder- Shima (LEMFI). Le bilan de l'énergie cinétique turbulente (k) est analysé et comparé à celui donné par la modélisation statistique, dans le décollement. Les résultats de la SGE montrent des différences notables avec les résultats statistiques dans le c÷ur de la tuyère : les termes de fluctuations de pression importants mesurés dans le choc sont pris en compte par la SGE.

Le but de cette thèse est de décrire en détail la dynamique linéaire et non linéaire d'une couche limite attachée sur une plaque plane à bas nombre de Reynolds. La dynamique linéaire, pilotée par les interactions entre les vecteurs propres non-orthogonaux, est étudiée à travers deux méthodes différentes d'instabilité globale : une analyse globale aux vecteurs propres et une optimisation directe-adjointe. Dans ces analyses globales, aucune structure spatiale n'est imposée à priori pour la perturbation, les effets convectifs dus au fort non parallélisme de l'écoulement sont pris en compte. Pour le cas de la couche limite décollée, le déclenchement des instationnarités a été clarifié : i) pour une forte amplification des perturbations de nature convective et bidimensionnelle ; ii) pour des effets de non normalité longitudinale engendrant le phénomène du flapping ; iii) pour une forte sensibilité vis-à-vis d'un forçage harmonique ; iv) pour un monde tridimensionnel globalement instable. Pour une couche limite attachée, le but a été d'identifier les perturbations localisées caractérisées par des fréquences multiples dans les directions longitudinales et transversales de l'écoulement, induisant une amplification de l'énergie des perturbations. Pour évaluer les effets les effets de la non linéarité dans les mécanismes d'instabilité identifiés par les analyses de stabilité globale, des simulations numériques directes ont été réalisées pour les écoulements de couche limite attachées ou décollées, bidimensionnelles et tridimensionnelles. La dynamique des perturbations permettant une plus rapide vers la turbulence a été étudiée. Différents scénarios de transition ont été observés, les différents mécanismes de transition ont été analysés.

Ce travail de thèse expérimental étudie les instabilités et la transition de la couche limite produite par un disque en rotation. Pour l'écoulement naturel (c.-à-d. sans forçage extérieur), les mesures des profils de vitesse moyenne, de spectres en fréquence et de moyennes de phase des séries temporelles de vitesse ont permis de distinguer différents régimes en fonction de la distance adimensionnelle R à l'axe du disque. Pour les faibles valeurs de R, les profils de vitesse moyenne suivent la solution de von Kármán. Pour des valeurs plus importantes de R, des écarts à cette solution analytique sont observés et augmentent avec R. Ces écarts sont dus à la croissance spatiale de modes instables de la couche limite (vortex .cross-flow.), et la mesure du taux de croissance spatiale de ces modes correspond bien aux prédictions théoriques de l'analyse de stabilité linéaire. Dans cet écoulement, la transition se produit vers R ≈ 530 et la turbulence pleinement développée s'installe vers R ≈ 600. Les profils dans la région pleinement turbulente suivent la loi logarithmique des couches limites turbulentes et les spectres de vitesse présentent une loi en puissance de type Kolmogorov. Pour étudier la réponse au forçage, un dispositif expérimental a été mis au point qui permet d'exciter des perturbations stationnaires (dans le référentiel du laboratoire) ou en rotation à une fréquence qui peut être réglée indépendamment de la fréquence de rotation du disque. La réponse de l'écoulement à ces deux types de forçage et avec deux formes différentes pour l'élément de forçage a été étudiée. Un forçage stationnaire produit un sillage qui décroît avec la distance à l'élément de forçage, en accord avec la théorie. Le forçage avec des éléments en rotation peut produire un paquet d'ondes amplifié qui, bien que non linéaire, suit des trajectoires proches de celles prédites par la théorie linéaire.

Le problème de la dissipation par les écoulements macroscopiques est abordé par l'entremise de deux de ses manifestations les plus représentatives, la dissipation par les écoulements plasmas dans la limite de faible collisionalité, et la dissipation par les écoulements fluides dans la limite de faible viscosité. On part du principe que la dissipation peut avoir deux causes distinctes, soit l'effet résiduel d'un paramètre de couplage au niveau microscopique, soit l'effet purement macroscopique du mélange non-linéaire. La combinaison de ces deux phénomènes rend le problème impossible à traiter par les méthodes habituelles qui ont été appliquées avec succès aux systèmes conservatifs, et soulève des questions mathématiques fondamentales. De plus, le calcul explicite à toutes les échelles de tels écoulements n'est pas encore envisageable dut fait des limitations actuelles de la taille mémoire et de la vitesse des opérations. Il est donc communément admis que de nouvelles méthodes doivent être développées. Dans ce but, on explore le potentiel d'une approche multi-échelles en ondelettes. Tout d'abord, les équations aux dérivées partielles décrivant l'écoulement doivent être reformulées dans le cadre d'une représentation discrète en ondelettes qui reste compatible avec les mécanismes dissipatifs soulignés plus haut. Cette étape, appelée régularisation, fait l'objet de deux chapitres de cette thèse, concernant les cas particuliers des équations de Vlasov-Poisson d'une part, et des équations d'Euler bi-dimensionelles incompressibles d'autre part. On évalue la faisabilité d'un calcul des écoulements en utilisant les schémas ainsi développés, et on compare ces derniers à d'autres schémas proposés précédemment. Pour aller plus loin, il faut remonter aux origines de la dissipation résiduelle et la relier aux propriétés mathématiques des solutions. On obtient quelques éléments allant dans cette direction en étudiant numériquement le phénomène de collision d'un dipôle de vorticité avec une paroi dans la limite de faible viscosité. Lorque les solutions se comportent bien mathématiquement, comme c'est le cas pour les écoulements turbulents bi-dimensionels homogènes que nous abordons ensuite, on peut dors et déjà passer à l'étape suivante qui est la définition de la dissipation macroscopique dans la représentation en ondelettes. Finalement, on présente une analyse en ondelettes d'un écoulement turbulent tri-dimensionel dans une couche limite, ce qui ouvre des perspectives pour l'extension de la méthode.