Dans ce mémoire, une étude des conditions de contrôles d’écoulements aérodynamiques par des réseaux de générateurs de tourbillons fluidiques pulsés est menée pour établir un cahier des charges des micro-actionneurs instrumentés de faible coût, indispensables à la réalisation de ce type de contrôle actif à l’échelle industrielle. Une discussion des problématiques rencontrées dans la mise en place de ces dispositifs permet de définir des solutions techniques pertinentes. Une micro-valve encapsulée, constituée d’un canal micro-fluidique en silicium dont l’ouverture est contrôlée par un résonateur annulaire en PDMS, actionnée par différents dispositifs macroscopiques magnétiques, est alors modélisée, fabriquée et caractérisée. Le dispositif permet de générer des jets d’air pulsés complètement contrôlés jusqu’à des vitesses de 150m/s sur la gamme de fréquence [0 ; 500 Hz]. Des réseaux de ces micro-actionneurs polyvalents sont ensuite utilisés en soufflerie pour démontrer sur différents profils aérodynamiques classiques l’intérêt du contrôle par jet pulsé. Le recollement du flux d’air décollé est obtenu sur chacune de ces maquettes pour des conditions réalistes et avec un rendement fluidique supérieur à celui des jets continus.Un débitmètre massique composé d’un capteur de température, d’un capteur de frottement pariétal et d’un capteur de pression de type Pirani, réalisés dans le même procédé de fabrication, est intégré au micro-actionneur. Il permet de caractériser in-situ les jets d’air produits.Enfin un prototype répondant complètement au cahier des charges industriel est obtenu. Sa taille est minimisée par l’optimisation de l’actionneur grâce à un algorithme génétique / This thesis starts with a study of aerodynamic flow control conditions by arrays of pulsed fluidic vortex generators. Detailed specifications are synthesised for the conception of low cost, sensors equipped, micro-actuators required to manage industrial scale active flow control experiments. Devices implementation is discussed to define relevant technical solutions.A packaged micro valve is modelled, fabricated and characterized. It is composed of a micro fluidic channel modulated by an annular membrane resonator made of PDMS. The membrane is controlled by different kinds of magnetic actuation. Fully controlled pulsed air jets are obtained in the frequency range [0; 500 Hz] with velocities up to 150 m/s. Arrays of these micro actuators are used in wind tunnel experiments to demonstrate the ability of pulsed jet to manage control on a wide range of classical separated flows. Reattachment is achieved under industrial flow conditions with improved fluidic yield compared to continuous jets.A mass flow meter constituted of a thermal sensor, a shear flow sensor and a Pirani pressure sensor, all of them built in a single fabrication step, is integrated in the micro-actuator. It allows in-situ characterization of the produced air jets.Finally, a fully satisfying demonstrator is obtained. Its sized is minimized through the use of a genetic algorithm

Dans ce mémoire, une étude des conditions de contrôles d'écoulements aérodynamiques par des réseaux de générateurs de tourbillons fluidiques pulsés est menée pour établir un cahier des charges des micro-actionneurs instrumentés de faible coût, indispensables à la réalisation de ce type de contrôle actif à l'échelle industrielle. Une discussion des problématiques rencontrées dans la mise en place de ces dispositifs permet de définir des solutions techniques pertinentes. Une micro-valve encapsulée, constituée d'un canal micro-fluidique en silicium dont l'ouverture est contrôlée par un résonateur annulaire en PDMS, actionnée par différents dispositifs macroscopiques magnétiques, est alors modélisée, fabriquée et caractérisée. Le dispositif permet de générer des jets d'air pulsés complètement contrôlés jusqu'à des vitesses de 150m/s sur la gamme de fréquence [0 ; 500 Hz]. Des réseaux de ces micro-actionneurs polyvalents sont ensuite utilisés en soufflerie pour démontrer sur différents profils aérodynamiques classiques l'intérêt du contrôle par jet pulsé. Le recollement du flux d'air décollé est obtenu sur chacune de ces maquettes pour des conditions réalistes et avec un rendement fluidique supérieur à celui des jets continus.Un débitmètre massique composé d'un capteur de température, d'un capteur de frottement pariétal et d'un capteur de pression de type Pirani, réalisés dans le même procédé de fabrication, est intégré au micro-actionneur. Il permet de caractériser in-situ les jets d'air produits.Enfin un prototype répondant complètement au cahier des charges industriel est obtenu. Sa taille est minimisée par l'optimisation de l'actionneur grâce à un algorithme génétique

Le contrôle d'écoulement permet d'éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s'intéressent plus particulièrement au contrôle actif d'écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l'équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l'écoulement autour du modèle à l'aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l'écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d'une séparation sur le volet, un peu comme sur l'extrados d'une aile d'avion. L'utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d'étudier et d'optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi

Les écoulements décollés sont omniprésents dans la nature comme dans les écoulements industriels (aérodynamique externe des véhicules, des bâtiments, écoulements autour d’aubes de turbines, aérodynamique interne dans des tuyaux...) où ils sont en général sources de nuisances (vibrations, bruit aéroacousitque, forces de traînée ou de portance). Les enjeux associés à la compréhension et à la maîtrise de tels écoulements, caractérisés par une bulle de recirculation, sont donc considérables.Un capteur "visuel" non invasif développé au laboratoire PMMH est d'abord amélioré afin d'accéder en temps réel aux champs de vitesses - et à leurs grandeurs dérivées - des écoulements rencontrés en soufflerie industrielle. Basé sur un algorithme de flot optique issu de la vision par ordinateur, cette approche expérimentale novatrice permet de faciliter les études paramétriques et peut être implémenté dans des boucles de contrôle réactif.Ensuite, les mesures obtenues pour un écoulement sur une plaque plane sont analysées dans le cadre de l'identification de système. Un modèle d’ordre réduit est alors construit par apprentissage, permettant de prédire la dynamique de la transition de la couche limite laminaire vers la turbulence.Enfin, le sillage pleinement turbulent derrière une géométrie modélisant une voiture simplifiée est caractérisé, de façon classique et en tant que système dynamique. Différentes modifications de l'écoulement à l'aide de micro-jets sont testées. Une loi de contrôle réactif consistant à suivre et forcer la recirculation est mise en œuvre avec succès. / Separated flows are ubiquitous in nature and industrial systems, such as diffusers, airfoils, air conditioning plants, moving vehicles... As the separation can strongly influence the performances of such devices, investigating their dynamics and their control is of great interest.A visual sensor developed at PMMH laboratory is first improved to measure in real time the velocity fields and its derived values for flows available in wind tunnels. Based on an optical flow algorithm from the computer vision domain, this new experimental approach makes easier parametric studies and may be used in closed-loop controls.The dynamics of the flow over a flat plate are then investigated. A system identification method - the dynamic observer - is successfully implemented to build a reduced-order model of the transient flow, which captures and predicts well the instabilities generated.Finally, the fully turbulent wake of the square-back Ahmed body is described. Dynamical system tools are applied to characterize it. Using continuous and pulsed micro-jets, different forcing strategies are analyzed. An opposition closed-loop control is implemented, tracking and driving the recirculation.

Nous présentons une classe de nouveaux modèles pour décrire les écoulements d’eau dans des aquifères peu profonds non confinés. Cette classe de modèles offre une alternative au modèle Richards 3d plus classique mais moins maniable. Leur dérivation est guidée par deux ambitions : le nouveau modèle doit d’une part être peu coûteux en temps de calcul et doit d’autre part donner des résultats pertinents à toute échelle de temps. Deux types d’écoulements dominants apparaissent dans ce contexte lorsque le rapport de l’épaisseur sur la longueur de l’aquifère est petit : le premier écoulement apparaît en temps court et est décrit par un problème vertical Richards 1d ; le second correspond aux grandes échelles de temps, la charge hydraulique est alors considérée comme indépendante de la variable verticale. Ces deux types d’écoulements sont donc modélisés de manière appropriée par le couplage d’une équation 1d pour la partie insaturée de l’aquifère et d’une équation 2d pour la partie saturée. Ces équations sont couplées au niveau d’une interface de profondeur h (t,x) en dessous de laquelle l’hypothèse de Dupuit est vérifiée. Le couplage est assuré de telle sorte que la masse globale du système soit conservée. Notons que la profondeur h (t,x) peut être une inconnue du problème ou être fixée artificiellement. Nous prouvons (dans le cas d’aquifères minces) en utilisant des développements asymptotiques que le problème Richards 3d se comporte de la même manière que les modèles de cette classe à toutes les échelles de temps considérées (courte, moyenne et grande). Nous décrivons un schéma numérique pour approcher le modèle couplé non linéaire. Une approximation par éléments finis est combinée à une méthode d’Euler implicite en temps. Ensuite, nous utilisons une reformulation de l’équation discrète en introduisant un opérateur de Dirichlet-to-Neumann pour gérer le couplage non linéaire en temps. Une méthode de point fixe est appliquée pour résoudre l’équation discrète reformulée. Le modèle couplé est testé numériquement dans différentes situations et pour différents types d’aquifère. Pour chacune des simulations, les résultats numériques obtenus sont en accord avec ceux obtenus à partir du problème de Richards original. Nous concluons notre travail par l’analyse mathématique d’un modèle couplant le modèle Richards 3d à celui de Dupuit. Il diffère du premier parce que nous ne supposons plus un écoulement purement vertical dans la frange capillaire supérieure. Ce modèle consiste donc en un système couplé non linéaire d’équation Richards 3d avec une équation parabolique non linéaire décrivant l’évolution de l’interface h (t,x) entre les zones saturées et non saturées de l’aquifère. Les principales difficultés à résoudre sont celles inhérentes à l’équation 3D-Richards, la prise en compte de la frontière libre h (t,x) et la présence de termes dégénérés apparaissant dans les termes diffusifs et dans les dérivées temporelles. / We present a class of new efficient models for water flow in shallow unconfined aquifers, giving an alternative to the classical but less tractable 3D-Richards model. Its derivation is guided by two ambitions : any new model should be low cost in computational time and should still give relevant results at every time scale.We thus keep track of two types of flow occurring in such a context and which are dominant when the ratio thickness over longitudinal length is small : the first one is dominant in a small time scale and is described by a vertical 1D-Richards problem ; the second one corresponds to a large time scale, when the evolution of the hydraulic head turns to become independent of the vertical variable. These two types of flow are appropriately modelled by, respectively, a one-dimensional and a two-dimensional system of PDEs boundary value problems. They are coupled along an artificial level below which the Dupuit hypothesis holds true (i.e. the vertical flow is instantaneous below the function h(t,x)) in away ensuring that the global model is mass conservative. Tuning the artificial level, which even can depend on an unknown of the problem, we browse the new class of models. We prove using asymptotic expansions that the 3DRichards problem and eachmodel of the class behaves the same at every considered time scale (short, intermediate and large) in thin aquifers. We describe a numerical scheme to approximate the non-linear coupled model. The standard Galerkin’s finite element approximation in space and Backward Euler method in time are used for discretization. Then we reformulate the discrete equation by introducing the Dirichlet to Neumann operator to handle the nonlinear coupling in time. The fixed point iterative method is applied to solve the reformulated discrete equation. We have examined the coupled model in different boundary conditions and different aquifers. In the every situations, the numerical results of the coupled models fit well with the original Richards problem. We conclude our work by the mathematical analysis of a model coupling 3D-Richards flow and Dupuit horizontal flow. It differs from the first one because we no longer assume a purely vertical flow in the upper capillary fringe. This model thus consists in a nonlinear coupled system of 3D-Richards equation with a nonlinear parabolic equation describing the evolution of the interface h(t,x) between the saturated and unsaturated zones of the aquifer. The main difficulties to be solved are those inherent to the 3D-Richards equation, the consideration of the free boundary h(t,x) and the presence of degenerate terms appearing in the diffusive terms and in the time derivatives.

Le marché des voitures diesel a explosé ces dernières années. Cependant pour respecter les contraintes de pollution de plus en plus drastiques, des efforts restent à faire sur ces motorisations. L'amélioration de la qualité du mélange air-carburant qui permettra une diminution des émissions polluantes et de la consommation passe par une meilleure connaissance de la formation du spray. L'évolution du spray issu de la détente brutale du carburant liquide sous haute pression (jusqu'à 2000 bar) dans la chambre de combustion (à plusieurs dizaines de bar de contre pression) est caractérisée par ses paramètres morphologiques : longueur de pénétration, angle d'ouverture, volume. Au cours de ces travaux de recherche, un système automatique de diagnostic optique a été développé pour le suivi du spray. Le système est composé : - d'une partie « matérielle » comprenant une chambre pressurisée (permettant de simuler les conditions de pression moteur), une source de lumière, une caméra et le débitmètre associé. – d'une partie « logicielle » comprenant les logiciels de contrôle du système et de traitement des données. L'injection étant un phénomène rapide, l'utilisation de caméra numérique intensifiée a permis un bond en avant des expérimentations. Un logiciel de pilotage et de traitement permet d'acquérir et de traiter simultanément l'ensemble des images nécessaires à la caractérisation. Après une étude critique de différentes méthodes de segmentation, fondée sur les critères de rapidité, de simplicité et d'absence de paramètres de réglages, nous avons choisi de travailler avec un algorithme basé sur une seuillage automatique des images. Les résultats obtenus sur les sprays grâce à ce système peuvent être classés en 2 catégories. – D'un point de vue macroscopique, le système fournit automatiquement la longueur de pénétration, l'angle d'ouverture et le volume de chaque jet, l'évolution temporelle moyenne et les écarts type de ces paramètres. Nous avons étudié et comparé différents types d'injecteurs, pour différentes conditions de pression d'injection et de contre pression. Une nouvelle loi de la pénétration du front de jet pour les injecteurs diesel haute pression (modification de la loi d'Hiroyasu) a été proposée ainsi qu'une loi d'évolution de la richesse globale du mélange à partir du volume mesuré sur les images. – D'un point de vue microscopique, nous avons pu réaliser des visualisations confirmant les observations faites dans la littérature au niveau du break up primaire. Mais surtout nous avons initié une nouvelle technique de mesure basée sur l'holographie numérique qui a donné de premiers résultats très encourageants.

L'effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d'un gradient de tension interfaciale induit par la présence d'un gradient de température sur une interface fluide. Il se manifeste par (i) la migration d'un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion de l'interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notamment en microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaire induit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiques élémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative. La déstabilisation d'un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est également présentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact, pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d'une microfabrication dédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites, et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectronique simple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé.

Les travaux présentés dans ce mémoire se répartissent en deux principaux thèmes : l'analyse de singularités par ondelettes et le traitement numérique d'hologrammes. Pour effectuer des mesures sur les images il peut être utile de rechercher des formes particulières ou des primitives élémentaires telles que des points, des contours, les droites,... En pratique, de part la nature des images rencontrées dans les applications, ces primitives n'apparaissent pas nettement à cause de la présence de bruit ou de flou. Il convient alors de définir des opérateurs de détection adaptés capables d'obtenir de bonnes performances dans ces conditions. Nous montrons comment, à partir d'un modèle de singularités lissées, l'analyse en ondelettes permet de répondre à cette problématique. Deux opérateurs sont alors présentés : un opérateur de détection de points caractéristiques et un opérateur de détection de contours. Ces opérateurs sont capable d'estimer les caractéristiques locales de chaque point détecté (type, amplitude et degré de flou) en adaptant l'échelle de détection au degré de flou. Nous présenterons également des applications traitées dans le cadre de l'imagerie en mécanique des fluides et l'imagerie biomédicale. Pour obtenir des mesures tridimensionnelles en tous les points d'un volume de mesure, la technique de référence est l'holographie. Cette technique a été appliquée à l'analyse des écoulements dès les années 70, en utilisant des plaques photosensibles comme support de stockage de l'information. Depuis quelques années, grâce au développement des capteurs CCD et des techniques de traitement numérique, l'holographie numérique a pu être utilisée pour des mesures quantitatives tridimensionnelles. Le travail que nous présentons dans le deuxième thème, se place dans le contexte du traitement d'hologrammes numériques en vue de mesurer la position, la taille, ou la vitesse d'un ensemble de particules enregistrées sur cet hologramme. En faisant le lien avec les ondelettes et l'analyse de singularités lissées, nous proposons d'abord une fonction de restitution adaptée à la localisation axiale des particules. Nous déduisons ensuite une technique d'inter-corrélation permettant la mesure du champ de déplacement des particules.

Cette thèse est consacrée au mécanisme conduisant à des taux de collisions importants dans les suspensions turbulentes de particules inertielles. Le travail a été effectué en suivant numériquement des particules, par simulations directes des équations de Navier-Stokes, et également par étude de modèles simplifiés. Les applications de ce domaine sont nombreuses aussi bien dans un contexte industriel que naturel (astrophysique, géophysique). L'approximation des collisions fantômes (ACF), souvent utilisée pour déterminer les taux de collision numériquement, consiste à compter dans une simulation, le nombre de fois que la distance entre les centres de deux particules devient plus faible qu'une distance seuil. Plusieurs arguments théoriques suggéreraient que cette approximation conduit à une surestimation du taux de collision. Cette thèse fournit non seulement une estimation quantitative de cette surestimation, mais également une compréhension détaillée des mécanismes des erreurs faites par l'ACF. Nous trouvons qu'une paire de particules peut subir des collisions répétées avec une grande probabilité. Ceci est relié à l'observation que, dans un écoulement turbulent, certaines paires de particules peuvent rester proches pendant très longtemps. Une deuxième classe de résultats obtenus dans cette thèse a permis une compréhension quantitative des très forts taux de collisions souvent observés. Nous montrons que lorsque l'inertie des particules n'est pas très petite, l'effet " fronde/caustiques ", à savoir, l'éjection de particules par des tourbillons intenses, est responsable du taux de collision élevé. En comparaison, la concentration préférentielle de particules dans certaines régions de l'espace joue un rôle mineur.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vibrations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phénomène, appelé vibrations induites par vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes. Une méthode de frontières immergées (IBM) a été intégrée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écoulements fluides incompressibles. La méthode IBM permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans une boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités singulières). La méthode a été étendu au formalisme d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée permettant de modéliser la couche limite à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé. / This thesis is related to the simulation and the control of the vortex induced vibrations phenomenon (VIV), which can result from the fluid structure interactions between an unsteady wake and the body, when the shedding frequency in the wake is close to the natural frequency of the body. The control of VIV is a critical issue when optimizing many systems. An Immersed Boundaries Method (IBM) was implemented into the PISO algorithm as a new library of OpenFOAM, in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies.To compute the divergence of the momentum equation and the interpolation of the fluxes, an hybrid calculation with an analytical resolution of the quantities involving the force term (singular quantities) has been proposed. The mesh convergence of several errors was shown by means of a manufactured solution, allowing to analyze both the errors irelated to the discretization and to the IBM. The new algorithm was subsequently extended to the RANS and DDES formalism proposed in OpenFOAM for the simulation of turbulent flows. A wall law was integrated into theIBM method to model the boundary layers that develop around the bodies at large Reynolds numbers. Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving solid bodies (cylinderand sphere) have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers. With the objective of developing optimal control laws for VIV, based on the linear instability mechanisms of the coupled system within the framework of the control theory, a new adjoint solver was also developed and validated in OpenFOAM.