Ce travail présente une étude analytique, numérique et expérimentale de l'hydrodynamique d'un cylindre soumis à un choc sinus. L'étude analytique consiste à développer un modèle général permettant de prédire les forces et la répartition de pressions sur le cylindre soumis à un mouvement transitoire quelconque dans un fluide visqueux bidimensionel. La simulation numérique s'attache à la modélisation en maillage mobile d'un cylindre évoluant dans un domaine fluide infini bidimensionel sous le code généraliste STAR-CD. Un dispositif expérimental avec la chaîne de mesure associée est conçu permettant d'imposer différents types de mouvements (choc sinus, mouvement oscillatoire entretenu) à un cylindre baignant dans un bassin. Ces trois approches complémentaires montrent que l'écoulement est régi par deux nombres adimensionnels : le nombre de Stokes, Beta, et le nombre de Keulegan-Carpenter, KC. Beta mesure le rapport entre le temps de diffusion visqueuse et le temps caractéristique du choc et KC le rapport entre le déplacement maximum du corps et son diamètre. Dans le cas où Beta est très grand (fluide parfait), la force sur le cylindre est régie par l'effet inertiel quelque soit KC. A petit KC, la pression est contrôlée uniquement par l'effet inertiel alors que pour des grands KC, un effet d'advection vient s'ajouter. A Beta modéré et pour des petites valeurs de KC, la force et la pression subissent trois effets : un effet d'inertie, d'histoires et de traînée. Pour des grandes valeurs de KC, l'écoulement devient plus riche : des zones dynamiques de vorticité apparaissent. Elles induisent de fortes fluctuations locales de pression sans modifier la force totale. Ce travail se termine par l'étude d'un cas d'interaction fluide-structure où les outils de prédiction et de simulation développés récédemment sont mis en oeuvre. Les phénomènes d'inertie, de trainée et les effets d'histoire apparaissent simultanément et sont couplés avec le mouvement du cylindre.

La transition entre la turbulence isotrope 3D et la turbulence anisotrope quasi-2D sous l'effet d'une rotation d'ensemble est étudiée expérimentalement. Un écoulement turbulent est généré par la translation d'une grille dans une cuve remplie d'eau en rotation, et un système de vélocimétrie par images de particules est utilisé pour mesurer les champs de vitesse instantanés dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. Nous décrivons dans un premier temps les différents régimes qui caractérisent la décroissance de la turbulence : une loi approximativement autosimilaire est présente pour des temps plus petits que le temps d'Ekman, tandis qu'une décroissance exponentielle de l'énergie prend place à temps long. Les exposants de déclin mesurés expérimentalement sont en assez bon accord avec les valeurs prédites par un modèle phénoménologique, dans lequel les effets de la rotation et du confinement sont pris en compte. Même à très faible vitesse, la rotation a une grande influence sur la loi de déclin de l'énergie en faisant que l'échelle intégrale verticale croît beaucoup plus rapidement à travers la propagation d'ondes d'inertie. Nous décrivons, par la suite, l'influence de la rotation sur les transferts d'énergie à travers les échelles. Le coefficient d'asymétrie des dérivées de vitesse décroît comme le nombre de Rossby microscopique, reflétant l'inhibition des transferts d'énergie par la rotation d'ensemble. Enfin nous présentons des résultats nouveaux concernant l'asymétrie cyclone-anticyclone qui caractérise les écoulements en milieu tournant. L'analyse temporelle de cette asymétrie a montré une croissance en loi de puissance tant que le confinement n'est pas présent.

Analyse et simulation numérique d'écoulements supersoniques réactifs. Étude de la stabilisation d'une flamme par effet Mach au sein d'un écoulement air-hydrogène prémélangé bidimensionnel. Analyse phénoménologique des conditions d'allumage et de stabilisation d'une flamme à l'aval d'un système stationnaire d'ondes de choc ; cette analyse montre qu'il faut tenir compte de la réaction chimique dans la structure considérée. Exploration de méthodes de résolution des équations de la cinétique chimique complexe explosive air-hydrogène ; analyse de la stabilité de ces méthodes.

Le travail de cette thèse vise à contrôler la formation d'une structure fortement ordonnée à l'échelle supramoléculaire d'un liquide associé, par dilution dans un liquide aprotique, le toluène, ou par confinement dans des silicates mésoporeux, le MCM-41. Le tert-butanol est probablement l'une des molécules les plus simples qui forme des agrégats stabilisés par liaisons d'hydrogènes. En volume, une forte perturbation de la distribution des agrégats est étudiée dans le mélange par la diffusion de neutrons (disparition du prépic), la diffusion Raman (disparition des agrégats de types n-mères) et par la RMN (déplacement chimique du proton hydroxyle). Sous confinement, un phénomène remarquable de nanoségrégation des mélanges dans les pores conduit à des structures concentriques tubulaires de type coeur-gaine. Ces nanostructurations peuvent être similaires à une nano-démixtion induite par l'interface des pores, dont l'observation pour un mélange miscible et homogène macroscopiquement est tout à fait originale. En plus, la variation de la densité et des fluctuations de la concentration à l'échelle mésoscopique a été observée sous confinement par des mesures de diffraction s'appuyant sur l'effet de contraste isotopique. Enfin, l'étude de la dynamique vitreuse et rotationnelle, mesurée par spectroscopie diélectrique, montre une distribution importante des modes de relaxation. Le comportement non-trivial des propriétés dynamiques indique la présence d'une compétition entre effets de dilution, d'interaction de surface et de nanoségrégation.

néant

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de la spirale turbulente, le régime de coexistence laminaire-turbulent en forme d'hélice observé dans l'écoulement de Taylor-Couette, l'écoulement cisaillé entre deux cylindres coaxiaux. A cette fin nous avons réalisé des écoulements de Couette aux dimensions inégalées. Nous montrons que la spirale turbulente est un motif de grande longueur d'onde devant l'écartement des cylindres et ne peut exister si le rapport d'aspect azimutal est inférieur à 50. Nous révélons pour la première fois, l'existence d'un régime équivalent, partageant les mêmes propriétés d'un point de vue qualitatif et quantitatif, dans l'écoulement de Couette plan, l'écoulement cisaillé entre deux parois planes circulant à vitesses égales mais opposées, pourvu que ses rapports d'aspect soient suffisamment grands. Ceci nous incite à considérer la spirale turbulente comme la manifestation propre à l'écoulement de Taylor-Couette d'un motif de coexistence laminaire-turbulent ordonné de grande longueur d'onde générique des écoulements cisaillés. Nous avons étudié son émergence à partir de l'écoulement turbulent et constaté que le motif apparaît progressivement suivant un scénario identique pour les deux écoulements. L'étude quantitative conduite dans l'écoulement de Taylor-Couette, montre qu'il apparaît comme le résultat d'une instabilité de l'écoulement turbulent homogène, la coexistence laminaire-turbulent étant obtenue loin du seuil lorsque l'amplitude des modulations est suffisamment forte pour qu'il y ait relaxation vers l'état laminaire dans les minima. Le motif apparaît via une bifurcation supercritique et un jeu d'équations de Ginzburg-Landau couplées à coefficients réels suffisent pour reproduire nos observations à condition d'y ajouter du bruit. La cohérence de cette démarche est confirmée par la détermination des coefficients et nous proposons un schéma global de la transition dans le cadre d'une dynamique potentielle en présence de bruit.

La propagation d'une flamme dans un milieu réactif désordonné met en jeu des disparités d'échelles de longueur si importantes que l'étude en est inaccessible sans un effort important de modélisation. Cette thèse s'appuie sur le fait qu'un tel cadre est propice à l'emploi du concept de percolation, par le biais duquel on modélise les amas que forment les régions inflammables du milieu. On se restreint à la combustion d'un réactif solide, et à une forme de désordre telle que le milieu présente des chemins (ou canaux) privilégiés pour la propagation d'une flamme. Des modèles théoriques pour l'étude d'une flamme initiée au sein d'un canal unique sont d'abord considérés. Ils mettent à jour une extinction lorsque le canal est trop étroit et fournissent des relations entre célérité de flamme et largeur du canal. Leurs conclusions sont validées par similations numériques directes. Ces résultats sont alors utilisés pour établir et exploiter un modèle dérivé de la percolation de lien, étudié d'un point de vue dynamique pour caractériser la propagation à grande échelle d'une flamme dans le milieu. Diverses lois d'échelle sont ainsi mises en évidence.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel.

L'objectif de la thèse est de contrôler, à partir d'un écoulement recirculant, la densification en 2-D de biomolécules amphiphiles à une surface liquide. Pour cela, une expérience basée sur une cuve annulaire est développée et l'on étudie le comportement d'une monocouche d'acide pentadecanoïque (PDA) soumise à des cisaillements volumique et surfacique. Une organisation mésoscopique avec deux phases 2-D (liquide expansée et liquide condensée) est mise en évidence par microscopie Brewster. A partir de la fraction aréolaire de phase condensée, on montre que l'écoulement centrifuge le long du fond tournant engendre une compression radiale centripète le long de l'interface et compacte les domaines condensés vers les petits rayons. Pour un niveau suffisant de centrifugation, le film de Langmuir expérimente une transition morphologique due à une forte atomisation des domaines condensés et pilotée par l'équilibre entre cisaillement de surface et tension de ligne effective. A vitesse de rotation élevée (nombre de Reynolds de l'ordre de 1000 ou plus), lorsque la phase condensée est organisée sous forme de films stratifiés, le cisaillement volumique engendre une fragmentation, en bon accord avec la littérature. Finalement, une formulation intégrale de l'écoulement annulaire cisaillé est proposée afin d'estimer au mieux le nombre de Boussinesq et la stratification visqueuse.

Cette thèse étudie l'induction magnétohydrodynamique et la faisabilité expérimentale d'une dynamo par des écoulements non-contraints de fluides conducteurs à haut nombre de Reynolds magnétique (Rm). Nous considérons plus particulièrement des écoulements von Kármán de gallium (Rm<5) et de sodium (Rm<40). Des mesures de champ magnétique induit sont réalisées pour différentes configurations d'écoulement, de champ appliqué B0 et pour des valeurs croissantes de Rm. Nous interprétons ces mesures par une approche perturbative des équations MHD. Les mécanismes d'induction résultent alors d'une succession d'étapes élémentaires, où B0 induit B1 qui induit à son tour B2 et ainsi de suite. La résolution numérique de ce schéma itératif donne accès à la structure spatiale du champ induit sur l'ensemble de la gamme expérimentale de Rm. Nous pouvons ainsi interpréter des mécanismes spécifiques tels que l'effet Ω, l'effet "α" et l'expulsion. Dans l'approche mécaniste développée, une dynamo correspond à un bouclage magnétique. Ceci se ramène à un problème aux valeurs propres formellement équivalent à l'approche traditionnelle par le calcul des taux de croissance. Un bouclage "α"Ω est mis en évidence expérimentalement et numériquement. Dans les configurations étudiées, l'expulsion reste néanmoins le mécanisme le plus efficace et s'oppose à l'auto-entretien magnétique. La compétition "α"Ω-expulsion est arbitrée par la topologie de l'écoulement et par les conditions aux limites électriques. Des mécanismes d'induction spécifiques, dus à la présence d'un gradient de conductivité à la paroi ont été identifiés et observés expérimentalement. Du fait de leur très faible nombre de Prandtl magnétique les écoulements de métaux liquides étudiés sont fortement turbulents. Les fluctuations magnétiques les plus rapides peuvent être interprétées dans le cadre de la phénoménologie Kolmogorov. Le champ magnétique moyen est en revanche toujours correctement décrit par le profil moyen de l'écoulement.