Dans ce document sont présentées des expériences sur les instabilités de cisaillement dans l'écoulement concentrique à co-courant de deux fluides miscibles. Les deux fluides sont de même masse volumique mais le fluide à la paroi a une viscosité supérieure à celle du fluide de coeur. Deux paramètres de contrôle sont utilisés, le nombre de Reynolds et le rayon du fluide de coeur. Nous avons toujours obtenu un écoulement instable et deux motifs d'instabilités ont été observés : perles et champignons. Nous avons établi le diagramme d'existence de ces motifs dans le plan des paramètres de contrôle. Pour les motifs de la forme de champignons et pour certaines valeurs de paramètres de contrôle, les instabilités apparaissent très près de l'injection et montre une largeur de spectre fine. Ce comportement pourrait être la signature d'une transition entre des instabilités convectives et des instabilités absolues. Nous avons essayé de caractériser l'état absolu ou convectif du système par des mesures expérimentales, notamment par des expériences de forçage de la fréquence. Nous avons comparé nos résultats à des simulations numériques qui s'accordent en partie à nos résultats expérimentaux, et à une analyse de stabilité linéaire aux grandes longueurs d'onde.

Ce document présente l'ensemble des travaux de l'auteur dans le domaine de la thermohydraulique appliquée aux écoulements rencontrés dans les réacteurs nucléaires. Il présente en particulier les développements réalisés pour la simulation numérique des écoulements diphasiques dans les générateurs de vapeur. Il présente une méthode aux éléments finis permettant de calculer ces écoulements.

Les écoulements turbulents gaz-particules sont présents dans une large gamme d'applications, des procédés naturels (dispersion de polluants, sédimentation...) aux procédés industriels (turbomachines, lits fluidisés...).<br />La modélisation numérique de tels écoulements offre en conséquence un large panel de modèles. La prédiction de la phase dispersée est ainsi effectuée dans le formalisme lagrangien ou dans le formalisme eulérien.<br /><br />Il n'existe pourtant pas actuellement d'outil numérique permettant d'obtenir une résolution à moindre coût de l'écoulement (de l'ordre du coût d'une résolution eulérienne) tout en conservant une prédiction précise<br />dans toutes les zones de l'écoulement (comme le font les approches lagrangiennes suffisamment résolues).<br />Une méthode élégante pour résoudre ce type de problèmes réside dans l'utilisation d'une méthode hybride<br />couplant des approches issues de formalismes différents.<br /><br />Ce travail vise donc à développer une méthode hybride eulérienne-lagrangienne pour la modélisation numérique de la phase dispersée dans les écoulements turbulents gaz-particules. A cette fin, le domaine spatial de l'écoulement est décomposé en sous-domaines dans lesquels une seule des deux approches est utilisée. Les deux approches couplées ont en commun la description en termes statistiques de la phase dispersée, effectuée à l'aide d'une fonction densité de probabilité (pdf) jointe fluide-particule. La première repose sur une discrétisation directe de l'équation d'évolution de la pdf à l'aide d'une méthode particulaire stochastique. La deuxième est basée sur la résolution des équations eulériennes des moments déduites de l'équation de la pdf (densité, vitesse moyenne et contraintes cinétiques particulaires . . . ), fermées à l'aide d'hypothèses supplémentaires, et discrétisées par volumes-finis.<br /><br />Le couplage des deux approches est basé sur la description cinétique des flux de moments au travers des interfaces entre sous-domaines, permettant la mise en place de conditions aux limites bien posées. La condition à la limite de couplage concernant le lagrangien est spécifiée par la distribution des vitesses (ou pdf) des particules entrantes dans le domaine lagrangien. Cette pdf est déduite d'informations provenant à la fois des calculs lagrangien et eulérien de l'itération de couplage précédente. Cette pdf est alors simulée par une méthode statistique dite de réjection, permettant ainsi d'imposer les caractéristiques entrantes au domaine lagrangien. Les conditions aux limites imposées au domaine eulérien peuvent être de type Dirichlet (calcul lagrangien des moments à imposer) ou de type flux (décomposition des flux en une partie donnée par les particules sortantes du domaine lagrangien, l'autre par le calcul eulérien précédent). <br /><br />Les deux approches, ainsi que les méthodes de couplage, sont codées en FORTRAN90, permettant une validation dans des configurations d'écoulements homogènes (écoulements cisaillés homogènes) et inhomogènes (écoulement de canal plan ascendant) par comparaison avec des résultats d'expériences numériques. La méthode hybride est ainsi appliquée dans des situations fortement déséquilibrée (canal plan) pour lesquelles l'approche eulérienne ne permet une prédiction adéquate de l'écoulement. L'utilisation de la méthode hybride améliore sensiblement cette prédiction et démontre ainsi la faisabilité et l'intérêt d'une telle méthode.

La déstabilisation et la fragmentation de systèmes liquides en couches minces se rencontrent fréquemment dans la nature, ainsi que dans des contextes industriels. Cette éude expérimentale entreprend de décrire, comprendre et prévoir les mécanismes des instabilités et de formation des fragments liquides.<br /><br />Une première étude concerne la brisure d'une fine bandelette liquide chutant librement dans une cellule de Hele-Shaw. Les lignes de contact mobiles introduisent des pressions différentes au niveau des interfaces et établissent un gradient de pression dans le fluide, favorisant ainsi sa déstabilisation. Une analyse de stabilité linéaire prédit correctement les taux de croissance et montre l'existence d'un plateau sur la relation de dispersion. <br /><br />Une seconde étude analyse la déformation et la brisure d'une goutte liquide au sein d'un jet gazeux. Nous montrons que la d´eformation se produit à partir d'un certain nombre de Weber critique et nous proposons un modèle sur la formation et le gonflement du sac qui s'en suit, également appelé bag-breakup.<br /><br />Une troisième étude concerne l'impact d'une goutte sur un solide de taille comparable. Nous montrons que la goutte se déorme pour former une nappe liquide entouré d'un bourrelet. Nous montrons que l'extension de la nappe déend du nombre de Weber contrairement à sa dynamique. Nous proposons également un modèle qui prédit correctement la taille de la nappe ainsi que la taille des fragments obtenus.<br /><br />Une quatrième étude est dédiée au phénomène de vieillissement des mousses. Nous exposons un nouveau dispositif expérimental de soufflerie à mousse. Nous donnons une comparaison entre les systèmes expérimentaux classiques et notre dispositif. Nous montrant également une preuve expérimentale de la loi de von Neumann.

Dans les fluides conducteurs de l'électricité, le champ électromagnétique est couplé au mouvement du fluide par des effets d'induction. Nous avons étudié différents effets magnétohydrodynamiques, à partir de deux expériences impliquant un métal liquide en écoulement turbulent.La première de taille moyenne utilise du Gallium. La seconde, utilisant du sodium, est menée au sein de la collaboration VKS (Von Karman Sodium). Celle-ci a permis d'observer l'effet dynamo, à savoir la conversion d'une part de l'énergie cinétique du fluide en énergie magnétique. Nous avons montré, qu'en fonction des conditions de forçage de l'écoulement, une dynamo statistiquement stationnaire, ou au contraire, des régimes dynamiques du champ magnétique, peuvent être engendrés. En particulier, des renversements de polarité similaires à ceux du champ magnétique terrestre ont été observés. Parallèlement, l'expérience avec du Gallium a été développée pour étudier les effets d'induction sous un champ magnétique appliqué par des écoulements turbulents plus homogènes et isotropes que celui de l'expérience VKS. Plus fondamentalement nous avons étudié, en utilisant les données des deux expériences, l'advection du champ magnétique par un écoulement et la phénoménologie des fluctuations turbulentes du champ induit. La mise au point de sondes de mesure de différence de potentiel électrique nous a permis en plus de mettre en évidence le freinage magnétique d'un écoulement turbulent de Gallium par la force de Laplace. Ce mécanisme intervient pour saturer l'instabilité dynamo.

L'étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L'expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l'influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu'une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles.

La prévision des états de mer est un domaine d'une extrême importance pour la planification des opérations en mer, pour des raisons évidentes de sécurité des personnels et des matériels mis en oeuvre. Les modèles de prévision actuels reposent sur une description stochastique de l'état de mer et ne prédisent pas de façon déterministe l'évolution de la houle, mais seulement celle des données spectrales dont on tire des grandeurs statistiques moyennes caractéristiques d'un état de mer. Face au besoin réel de données précises à court terme, un modèle de prévision déterministe a été développé dans le but d'améliorer l'efficacité des opérations offshore requérant une connaissance précise de la houle sur un site d'intérêt. Après avoir réalisé une étude théorique permettant de déterminer la zone spatio-temporelle de prévision disponible en fonction des caractéristiques du champ de vagues courant et des conditions de mesure, nous avons élaboré deux procédures d'assimilation de données variationnelles afin de combiner au mieux les mesures recueillies sur site et le modèle de propagation de houle choisi. Ce modèle est d'ordre deux dans le cas de houles faiblement à moyennement cambrées, ou d'ordre élevé reposant sur le modèle numérique High-Order Spectral (HOS) pour les houles cambrées non-linéaires. Les modèles à l'ordre deux étendu et à l'ordre HOS M = 3 ont été validés pour la prévision de houles 2D synthétiques et expérimentales : les erreurs moyennes de prévision obtenues sont au moins divisées par deux par rapport à une approche linéaire, l'amélioration étant d'autant plus probante que la cambrure de la houle et l'ordre du modèle sont élevés.

La Décomposition Modale Empirique (Empirical Mode Decomposition - EMD) ou la Transformation de Hilbert-Huang (HHT) est une nouvelle méthode d'analyse temps-fréquence qui est particulièrement adaptée pour des séries temporelles nonlinéaires et non stationnaires. Cette méthode a été proposée par NE. HUANG. il y a plus de dix ans. Pendant les dix dernières années, plus de 1000 articles ont appliqué cette méthode dans le cadre de diverses applications ou domaines de recherche. Dans cette thèse, nous appliquons cette méthode à des séries temporelles de turbulence, pour la première fois, et à des séries temporelles environnementales. Nous avons obtenu comme résultat le fait que la méthode EMD correspond à un banc de filtre dyadique (ou quasi-dyadique) pour la turbulence pleinement développée. Pour caractériser les propriétés intermittentes d'une série temporelle invariante d'échelle, nous avons généralisé l'analyse spectrale de Hilbert-Huang classique à des moments d'ordre arbitraire $q$, pour effectuer ce que nous avons appelé ``analyse spectrale de Hilbert d'ordre arbitraire''. Ceci fournit un nouveau cadre pour analyser l'invariance d'échelle directement dans un espace amplitude-fréquence, en estimant une intégrale marginale d'une pdf jointe $p(\omega,\mathcal{A})$ de la fréquence instantanée $\omega$ et de l'amplitude $\mathcal{A}$. Nous validons tout d'abord la méthode en analysant des séries temporelles de mouvement Brownien fractionnaire, et en analysant des séries temporelles multifractales synthétiques, en tant que modèle respectivement de processus monofractals et multifractals. Nous comparons les résultats obtenus avec la nouvelle méthode, à l'analyse classique utilisant les fonctions de structure: nous trouvons numériquement que la méthodologie utilisant l'approche de Hilbert fournit un estimateur plus précis pour le paramètre d'intermittence. Avec une hypothèse de stationarité, nous proposons un modèle analytique pour la fonction d'autocorrélation des incréments de séries temporelles de vitesse $\Delta u_{\ell}(t)$, où $\Delta u_{\ell}(t)=u(t+\ell)-u(t)$, et $\ell$ est l'incrément temporel. Dans le cadre de ce modèle, nous prouvons analytiquement que, si une loi de puissance est valide pour la série d'origine, la position minimisant la fonction d'autocorrélation de la variable d'origine est égale exactement au temps de séparation $\ell$ lorsque $\ell$ appartient à la zone invariante d'échelle. Ce modèle prédit une loi de puissance pour la valeur minimum, comportement vérifié par une simulation de mouvement Brownien fractionnaire et à partir de données expérimentales de turbulence. En introduisant une fonction cumulative pour la fonction d'autocorrélation, la contribution en échelle est alors caractérisée dans l'espace de fréquence de Fourier. Nous observons que la contribution principale à la fonction d'autocorrélation provient des grandes échelles. La même idée est appliquée à la fonction de structure d'ordre 2. Nous obtenons que celle-ci est également fortement influencée par les grandes échelles, ce qui montre que ceci n'est pas une bonne approche pour extraire les exposants invariants d'échelle d'une série temporelle lorsque les données sont caractérisées par des grandes échelles énergétiques. Nous appliquons ensuite cette méthodologie Hilbert-Huang à une base de données de turbulence homogène et presque isotrope, pour caractériser les propriétés multifractales invariantes d'échelle des série temporelles de vitesse en turbulence pleinement développée. Nous obtenons un comportement invariant d'échelle pour la pdf jointe $p(\omega,\mathcal{A})$ avec un exposant proche de la valeur de Kolmogorov. Nous estimons les exposants $\zeta(q)$ dans un espace amplitude-fréquence, pour la première fois. L'hypothèse d'isotropie est testée échelle par échelle dans l'espace amplitude-fréquence. Nous obtenons que le rapport d'isotropie généralisé décroit linéairement avec le moment $q$. Nous effectuons également l'analyse d'une série temporelle de température (scalaire passif) possédant un effet de rampe marqué (ramp-cliff). Pour ces données, l'approche traditionnelle utilisant les fonctions de structure ne fonctionne pas. Mais la nouvelle méthode développée dans cette thèse fournit un net régime invariant d'échelle jusqu'au moment $q=8$. Les exposants $\xi_{\theta}(q)-1$ sont très proches des exposants $\zeta(q)$ obtenus par l'approche des fonctions de structure pour la vitesse longitudinale. Nous nous intéressons ensuite à l'auto-similarité étendue (Extended Self Similarity - ESS) dans le cadre Hilbert-Huang. En ce qui concerne la méthode ESS, qui est devenue classique en turbulence, nous adaptons l'approche pour le cas Hilbert-Huang dans un espace de fréquence, et nous constatons que le modèle lognormal, avec un coefficient adéquat, fournit une très bonne estimation des exposants invariants d'échelle. Finalement nous appliquons la nouvelle méthodologie à des données environnementales: des débits de rivières, et des données de turbulence marine dans la zone de surf. Dans ce dernier cas, la méthode ESS permet de séparer les ondes de vent de la turbulence à petite échelle.

Cette étude fondamentale présente des résultats expérimentaux et numériques concernant la dynamique et la stabilité de tourbillons avec écoulement axial, pour des nombres de Reynolds modérés. La première partie de la thèse s'attache à étudier l'instabilité elliptique dans des paires de tourbillons co- et contrarotatifs, avec écoulement axial. L'étude de stabilité de deux tourbillons corotatifs de Batchelor, réalisée avec un code à éléments spectraux, a permis d'identifier clairement des modes de l'instabilité elliptique à structure spatiale complexe, pour différentes valeurs de l'écoulement axial et du nombre d'onde axial. Expérimentalement, l'instabilité elliptique a été mise en évidence dans des paires de tourbillons co- et contra-rotatifs, générées au moyen de deux demi-ailes placées dans un canal hydrodynamique. L'analyse POD (Proper Orthogonal Decomposition) d'images acquises par une caméra rapide a mené à une caractérisation précise du mode de l'instabilité observé, qui implique des perturbations avec des nombres azimutaux m=0 et m=2, remplissant la condition de résonance de l'instabilité elliptique. L'analyse numérique de stabilité des vortex expérimentaux, caractérisés par une méthode de Vélocimétrie Stéréoscopique par Images de Particules, a montré le même mode instable. Les longueurs d'onde et taux de croissance expérimentaux et numériques sont en bon accord. La deuxième partie de l'étude porte sur le "vortex meandering", abord expérimentalement en générant un vortex de bout d'aile. Une analyse détaillée des perturbations du tourbillon permet de mettre ce phénomène en relation avec la théorie de croissance transitoire des perturbations d'un vortex isolé.

Une étude numérique et expérimentale de l'écoulement autour de corps roulants ou glissants est présentée. La géométrie des corps étudiés est soit sphérique soit cylindrique, et le nombre de Reynolds, basé sur le diamètre et la vitesse de translation du corps, est limité à des valeurs inférieures à 500. Le but de cette étude est de comprendre l'interaction des effets d'une rotation et de la proximité d'une paroi sur le sillage d'un corps non-profilé, quand ces deux effets sont présents simultanément. Dans le cas d'un cylindre roulant le long d'une paroi, des simulations bi- et tri-dimensionnelles ainsi qu'une étude de stabilité linéaire ont été effectuées. L'écoulement autour d'une sphère, roulant ou glissant le long d'une paroi, est étudié expérimentalement et par des simulations numériques tri-dimensionnelles. L'espace des paramètres de cet écoulement est défini par le nombre de Reynolds et le taux de rotation adimensionné du corps. Cinq valeurs de rotation ont été considérées. Cette plage décrit des situations allant du roulement "normal", sans glissement entre le corps et la paroi, au roulement "inversé", où le corps tourne dans la direction opposée. Une approche numérique avec une méthode à éléments spectraux a été utilisée pour simuler l'écoulement en deux et trois dimensions. Des expériences en laboratoire ont été effectuées dans un canal à eau en circuit fermé, équipé d'un tapis roulant avec aspiration de la couche limite. La visualisation par colorant a été utilisée afin d'identifier les différents structures tourbillonnaires dans le sillage du cylindre et de la sphère.