La structure locale et la dynamique de l'eau et des cations dans l'espace interfoliaire des argiles montmorillonitiques, faiblement hydratées et avec des cations compensateurs Na+ et Cs+, sont étudiées par une combinaison de simulation microscopique et de diffusion quasi-élastique des neutrons. Les prédictions des simulations sur la dynamique de l'eau et des ions aux températures élevées (0°C–80°C, gamme pertinente pour le stockage des déchets radioactifs) sont présentées. Une différence marquée est observée entre les modes de diffusion des deux cations compensateurs. Pour la dynamique de l'eau, la transition entre les états mono- et bicouche est une étape marquante vers le comportement de l'eau bulk. Une comparaison détaillée entre simulations et diffusion quasi-élastique des neutrons (écho de spin et temps de vol) est présentée pour la dynamique de l'eau à température ambiante. Globalement, les approches sont en bon accord et les limitations de chacune sont clairement montrées.

A cause de sa température élevée, le jet propulsif d'un avion de combat est une source de rayonnement infrarouge qui rend l'appareil très vulnérable. Ce rayonnement peut toutefois être réduit en accélérant le mélange du jet avec l'atmosphère. <br />Cette thèse est consacrée à la simulation numérique d'un jet propulsif réaliste contrôlé par des injections radiales et à l'analyse physique des mécanismes d'augmentation de son mélange. <br />Deux types de simulations, RANS et ZDES, ont été réalisés sur la base du modèle de Spalart-Allmaras. Dans le modèle ZDES, une nouvelle longueur caractéristique de maille est formulée et améliore sensiblement la prévision de la région initiale du jet. Globalement, les simulations ZDES restituent fidèlement le champ moyen du jet supersonique sans et avec contrôle, aussi bien les cellules de détente/compression que la diffusion turbulente. <br />L'analyse physique est dédiée à la compréhension d'une part des mécanismes compressibles concentrées au coeur du jet et d'autre part des mécanismes tourbillonnaires périphériques ainsi qu'à l'évaluation de leurs rôles respectifs dans l'augmentation du mélange. Il en ressort que l'augmentation du mélange est exclusivement due aux mécanismes tourbillonnaires. Une étude paramétrique fournit des indications pour concevoir un mélangeur efficace. L'analyse des tourbillons focalisée sur le régime lointain quasi-bidimensionnel souligne leur dynamique moyenne et fait apparaître l'action des fluctuations turbulentes sur leur taux de dégénérescence. Enfin, deux régimes de contrôle sont identifiés et associés aux pénétrations respectivement quasi-stationnaire et intermittente des jets secondaires.

Nous présentons dans ce mémoire deux études centrées sur l'écoulement expérimental de von Karman.<br />Nous confrontons d'une part des prédictions théoriques obtenues dans le cadre idéal d'une mécanique statistique développée pour les écoulements axisymétriques non visqueux et non forcés à des mesures de vitesse réalisées par Vélocimétrie par Imagerie de particule stéréoscopique (SPIV). Nous obtenons des relations globales caractérisant les états stationnaires du système et prouvant une tendance à l'alignement vitesse-vorticité pour les grands nombres de Reynolds. Cette observation nous permet de dériver théoriquement deux théorèmes de fluctuation-dissipation qui sont testés sur des mesures de SPIV à hauts nombres de Reynolds.<br />D'autre part, nous étudions dans le cadre de la collaboration VKS l'effet dynamo dans un écoulement non contraint de sodium liquide. Cet effet est une instabilité qui serait responsable des champs magnétiques des objets astrophysiques dont la Terre. L'expérience en sodium liquide VKS2 a, pour la première fois, permis d'observer au laboratoire un effet dynamo donnant lieu à des dynamiques temporelles variées de champs magnétiques. Des régimes stationnaires, oscillants, intermittents ou encore présentant des inversions erratiques similaires à celle du champ magnétique terrestre sont en effet présentés. Nous montrons que ces différents régimes se classent en fonction du nombre de Rossby de l'expérience et mettons en évidence les liens qui existent entre les bifurcations magnétiques et hydrodynamiques observées.

Le problème de l'initiation de l'explosion de vapeur est abordé ici en étudiant la fragmentation thermique (faibles perturbations en pression) d'une goutte chaude entourée d'un film de vapeur stable. La fragmentation semble consécutive à des contacts locaux entre la goutte et le réfrigérant. Néanmoins, le mécanisme exact qui déforme la goutte suite à ces contacts est incertain. Après une étude des ordres de grandeur mis en jeu, nous nous apercevons qu'un contact peut fragmenter la goutte en un temps très bref. Nous adoptons alors une approche consistant à utiliser comme critère d'explosion la simple réalisation d'un contact. Afin de valider cette approche, nous cherchons à retrouver les variations expérimentales des seuils d'explosion en fonction de la pression ambiante et en fonction de la température du réfrigérant. Le modèle retrouve les variations expérimentales, les seuils sont retrouvés avec une certaine incertitude. Le contact est obtenu par deux mécanismes rapprochant les liquides : une compression globale du film de vapeur due à la perturbation et une amplification des défauts de l'interface entre le réfrigérant et la vapeur. Il est apparu que c'est le mécanisme de compression globale qui explique principalement les variations expérimentales. Suite à ces résultats, nous avons effectué des extrapolations du modèle afin de nous approcher des conditions dans lesquelles une explosion de vapeur peut se produire industriellement (c'est à dire dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée).

L'objectif de cette thèse était de cerner l'effet de la rugosité sur l'écoulement et les transferts de chaleur. Nous avons mené des calculs numériques tridimensionnels afin de caractériser les interactions entre l'écoulement du liquide en simple phase et les éléments rugueux. Ces calculs ont révélé que l'écoulement dans la région rugueuse peut être modélisé comme bidimensionnel. Par conséquent, les calculs 2D ont été employés afin de déterminer le coefficient de traînée et le coefficient d'échange de chaleur. Ces résultats ont été utilisés dans un modèle unidimensionnel baptisé RLM développé parallèlement et basé sur la méthode des éléments discrets. Le coefficient de frottement dans un microcanal rugueux issu du modèle a été comparé aux résultats expérimentaux obtenus pour des microcanaux avec des rugosités de forme et de distribution contrôlées. Cette comparaison a montré un bon accord entre les deux approches. Ceci signifie que l'influence de la rugosité dans des microcanaux n'est pas changée par rapport à l'influence observée dans les conduits de taille conventionnelle. L'analyse des résultats a montré que l'influence de la rugosité dépend des paramètres géométriques caractéristiques locaux (porosité et fractionnement) lorsque la hauteur relative (k/0.5H) des éléments est inférieure à 0.5. Nous avons aussi montré la possibilité d'employer le modèle RLM afin de déterminer la performance thermique des échangeurs munis de micro-ailettes.

La dispersion de colorant dans des écoulements newtoniens ou rhéofluidifiants a été étudiée optiquement dans deux fractures modèles rugueuses et transparentes. L'évolution du front de déplacement est analysé en fonction du temps et de la vitesse moyenne $U$ . Pour des rugosités de parois monodisperses et distribuées aléatoirement, l'étalement du front est diffusif ($\Delta x \propto t^{0.5}$) et caractérisé par une dispersivité $l_d$. Aux faibles vitesses, $l_d \simeq$ cst: la dispersion est dominée par les fluctuations spatiales de la vitesse et est amplifiée pour les fluides rhéofluidifiants ; aux vitesses élevées, $l_d$ augmente avec $U$ à cause de la dispersion de Taylor mais plus faiblement pour les fluides rhéofluidifiants. Pour une fracture avec deux parois autoaffines complémentaires décalées perpendiculairement à $U$, des chenaux macroscopiques s'étendent sur toute la longueur de la fracture suivant $U$ : l'épaisseur globale du front augmente alors linéairement avec le temps et plus fortement dans le cas rhéofluidifiant (étalement advectif). La croissance de l'épaisseur locale du front est par contre diffusive et due à la dispersion de Taylor.

Soumises à des écoulements, les interfaces des liquides peuvent subir des déformations importantes. Nous étudions dans la première partie les formes adoptées par des gouttes d'eau en chute dans l'air. En particulier, nous décrivons un mécanisme de désintégration des plus gros globules et proposons une loi d'évolution de cette forme. Nous nous penchons ensuite sur la dynamique de films fluides dans des environnements visqueux. Le temps de vie des antibulles est déterminé par le drainage du film d'air sous l'influence de la gravité. L'éclatement des films d'eau savonneuse ou d'air immergés dans un environnement très visqueux est fortement affecté. Nous proposons un modèle décrivant la dynamique de l'ouverture des trous dans ces films. Lors de l'éclatement, le fluide constituant le film est collecté dans un bourrelet qui, du fait de sa géométrie<br />cylindrique et des écoulements qu'il subit, se déstabilise. Enfin, nous abordons le problème de l'entraînement d'air lors de l'impact d'un jet liquide sur un bain du même liquide. Nous montrons que le seuil d'entraînement est décalé par l'évasement et le ralentissement du jet juste avant son impact.<br /><br />Un premier complément tente une approche expérimentale simplifiée de la propulsion par un moteur pop-pop. Le second est un travail visant à comprendre le comportement de l'angle de contact dynamique au voisinage de la transition d'entraînement.

Le problème du transport de moment cinétique dans les disques d'accrétion<br />astrophysiques fait l'objet d'un vif débat depuis maintenant une trentaine<br />d'années. On<br />propose ici une étude de ce transport en considérant plusieurs instabilités<br />pouvant conduire à de la turbulence développée dans les disques. La première<br />instabilité proposée est l'instabilité hydrodynamique sous critique de<br />cisaillement. Une étude numérique de cette instabilité nous permet de montrer<br />que, bien que non détectable dans les simulations, le transport obtenu sera<br />très probablement bien trop faible pour expliquer les observations actuelles.<br />Nous étudions ensuite l'instabilité strato-rotationnelle et nous montrons<br />par un développement analytique que les contraintes sur les conditions aux<br />limites empêchent la formation de cette instabilité dans un vrai disque. Enfin,<br />nous nous intéressons à l'instabilité magnéto-rotationnelle en présence d'effets<br />non idéaux (viscosité et résistivité magnétique). Nous montrons alors que ces<br />effets non idéaux, bien que faibles a priori, ont un fort impact sur<br />l'efficacité de la turbulence finalement engendrée. Ce dernier point montre le<br />rôle que peut avoir la microphysique dans le processus de saturation, et la<br />nécessité d'avoir une modélisation de ces effets afin d'obtenir un<br />modèle de transport cohérent dans les disques d'accrétion.

Dans cette thèse, nous présentons une étude expérimentale des instabilités de flambage<br />hélicoïdal pour un liquide visqueux et une corde. Puis nous comparons nos résultats à un<br />modèle numérique. Nous montrons ici que dans une petite région le flambage de la bobine <br />conduit a l'emprisonnement de bulles d'air d'une manière très particulière, formant ainsi des<br />structures en spirale étonnantes. Nous présentons une étude expérimentale du flambage<br />hélicoïdal pour des cordes et des spaghettisoit lorsqu' ils sont laissés tomber librement. Nous<br />démontrons qu'il existe trois régimes différents de flambage hélicoïdal possibles. Nous<br />donnons ici un cadre expérimental et théorique pour comprendre le comportement des cordes<br />dans les différents régimes et nous expliquons la relation entre les propriétés élastiques des<br />matériaux et leurs propriétés de flambage hélicoïdal.

La thèse réalisée est à la fois expérimentale et numérique. Une expérience de lévitation<br />électromagnétique a été mise en oeuvre avec un traitement d'images. Les vidéos<br />obtenues ont servi de base pour avoir des données géométriques et électriques afin de<br />confronter les résultats de divers codes de calcul à des expériences maîtrisées et afin de<br />mettre en évidence l'effet de l'hélicité de l'inducteur sur la forme de la surface libre ;<br />ainsi que pour comprendre et maîtriser le comportement d'une goutte sous champ<br />magnétique modulé pour des fréquences de modulation proches de la fréquence de résonnance<br />naturelle de la charge. Le travail numérique a permis de valider des codes de<br />simulation axisymétrique pour la description de l'électromagnétisme, pour la forme<br />moyenne de la surface libre et pour les mouvements de la surface et à l'intérieur de la<br />goutte. Un critère de déstabilisation basé sur la déformation initiale de la goutte tenant<br />compte du brassage électromagnétique a été mis en avant.