La fragmentation d'un jet liquide en un spray de gouttelettes est étudiée lorsque sa surface est soumise à un fort courant de gaz parallèle au jet. La visualisation du jet révèle qu'une étape transitoire précédent la formation des gouttelettes est la croissance de ligaments liquides à partir de la surface. En effet la surface est instable vis-à-vis du cisaillement imposé par le courant gazeux. Initialement lisse elle est soumise à des ondulations axisymétriques grandissantes, dont la longueur d'onde est déterminée par l'épaisseur de la couche limite gazeuse. Les crêtes de ces ondulations présentent des modulations transverses dont l'espacement résulte d'une compétition entre les forces capillaires et l'inertie du gaz. L'allongement de ces modulations dans le courant gazeux crée les ligaments de liquide. Le devenir des ligaments est étroitement lié à l'espacement des modulations transverses. Leur brisure, qui se produit lorsque les forces capillaires les fragmentent, est l'acte de naissance de gouttes dont la taille moyenne est proportionnelle à cet espacement. Les tailles sont largement réparties autour de cette moyenne et un modèle basé sur l'interaction des tailles pendant la brisure rend compte de leur distribution. Le spray de gouttelettes qui résulte des brisures des ligaments présente aussi un large éventail de diamètres. Leur répartition est telle que le nombre de gouttelettes d'un diamètre donné décroît exponentiellement avec le diamètre. Le diamètre moyen est aussi proportionné à l'espacement transverse, il est inversement proportionnel à la vitesse du courant de gaz.

Un ferrofluide est une solution colloïdale stable de particules magnétiques, de taille de l'ordre de 100 Angstroms, dans un liquide porteur. Lorsqu'une couche de ferrofluide est soumise à un champ magnétique uniforme et vertical, une instabilité interfaciale se développe au dessus d'une valeur critique du champ. La surface libre, initialement plane, se hérisse de pics disposés selon un réseau hexagonal. Si l'on augmente encore le champ magnétique, le réseau hexagonal se transforme progressivement en réseau carré, au dessus d'une second seuil. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la phénoménologie de la transition hexagones-carrés. Nous avons montré que les défauts penta-hepta, présents dans le réseau hexagonal, agissent comme des centres de nucléation de la transition et que les caractéristiques de la phase carrée y sont contenues. Ensuite, nous présentons les résultats de sélection de nombre d'onde par variation quasistatique et brutale du champ magnétique. La comparaison des résultats obtenus nous permet de montrer que le réseau carré est un état métastable induit par compression du réseau hexagonal, lorsqu'on augmente le champ. Ce fait est vérifié à l'aide d'une expérience supplémentaire, durant laquelle nous comprimons mécaniquement le réseau hexagonal et induisons la transition à champ constant et inférieur au seuil de la transition.

L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.

Cette thèse se situe dans une démarche de transfert de connaissances fondamentales vers un domaine appliqué : la compréhension de mécanismes interfaciaux intervenant dans les processus de sols pollués par des hydrocarbures. Nous avons entrepris l'étude de systèmes modèles par des techniques neutroniques à partir d'un phénomène bien décrit théoriquement : le profil d'adsorption critique. La technique de réflectivité de neutrons est appliquée à l'interface liquide-vapeur de différents mélanges binaires (méthanol deutéré-cyclohexane, méthanol-cyclohexane deutéré et perfluorohexane-hexane). Les données expérimentales sont analysées selon les prédictions théoriques de Fisher et De Gennes et Liu et Fisher, qui prévoient une décroissance du profil de concentration en loi de puissance (avec un exposant valant 0,52) prolongée par une exponentielle. La valeur universelle de l'exposant est confirmée. Les amplitudes trouvées pour les mélanges méthanol-cyclohexane obéissent aux relations prévues mais l'adsorption est plus importante pour le mélange perfluorohexane-hexane. La réussite de cette expérience nous a permis d'une part d'étendre l'étude des profils d'adsorption à la zone non critique et d'autre part d'appliquer les techniques neutroniques (réflectivité et diffusion de neutrons aux petits angles) à un système modèle eau/polluant/sol : eau/2,5 dimethylpyridine/silice. Ces mesures ont mis en évidence des difficultés expérimentales nouvelles, qui n'ont pu toutes être résolues dans le cadre de ce travail, ainsi que des difficultés d'analyse qui demandent un travail spécifique de modélisation. Cependant, elles montrent que les techniques en question sont potentiellement utilisables dans l'étude de certains mécanismes environnementaux et une partie des résultats obtenus constituent une base intéressante pour le développement d'études ultérieures.

Au cours de cette thèse, nous avons effectué une étude de l'instabilité de Saffman-Taylor dans les fluides complexes. En particulier, nous avons mené une étude systématique de la relation entre les propriétés rhéologiques de fluides non-newtoniens et la formation de motif, en cellule de Hele-Shaw. Pour cela, nous avons utilisé des fluides modèles ne possédant chacun essentiellement qu'une seule propriété non-newtonienne. Une étude rhéologique a montré que la propriété non-newtonienne dominante d'une solution du polymère rigide Xanthane est la viscosité rhéofluidifiante, qu'une solution du polymère flexible PEO montre des effets élastiques, notamment une contrainte normale élevée, et qu'un gel de polymères possède un seuil d'écoulement. Pour des fluides classiques, la largeur des doigts de Saffman-Taylor est déterminée par le rapport entre les forces visqueuses et les forces capillaires. Dans le cas d'un fluide rhéofluidifiant, les forces visqueuses sont modifiées ce qui entraîne un amincissement des doigts par rapport aux résultats classiques. La modification des contraintes visqueuses par un seuil d'écoulement mène à des structures très ramifiées avec une largeur caractéristique de doigts, fonction de ce seuil. Pour un fluide élastique, la contrainte normale exerce une pression supplémentaire sur le doigt qui s'ajoute aux forces capillaires et qui entraîne un élargissement des doigts. Nous pensons que la connaissance des effets sur l'instabilité des Saffman-Taylor de chacune de ces propriétés, considérée séparément, constitue une base pour l'étude de l'instabilité dans des fluides plus complexes. Les propriétés non-newtoniennes étudiées ici sont parmi les propriétés non-newtoniennes les plus courantes, ce qui devrait permettre de mieux comprendre l'instabilité dans des fluides présentant simultanément plusieurs de ces propriétés non-newtoniennes.

Cette étude traite de la convection thermique présente dans toute sa diversité dans les systèmes géophysiques. Celle-ci est par exemple présente dans les différentes enveloppes internes de la Terre. En effet, le système "Terre" fait intervenir, en plus d'une convection purement thermique, un ou plusieurs ingrédients supplémentaires. Dans le noyau, la solidification de la graine libère des éléments légers et entretient une convection thermo-solutale. Les mouvements de convection prennent alors une forme particulière due à la rotation de la Terre. L'instabilité de marées pourrait également perturber ces mouvements. Dans le manteau, c'est sans doute une convection impliquant des fluides de propriétés différentes qui a lieu. Enfin, lors de la formation de la Terre, des gouttelettes de fer ont sédimenté dans un écoulement convectif formé de matériau moins dense. C'est donc au sens le plus large qu'il faut prendre le mot "hétérogène" du titre. Dans cette étude, la convection hétérogène désigne la convection thermique à laquelle vient s'ajouter un ou plusieurs ingrédients.

Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés au phénomène de convection thermique turbulente. La première partie du manuscrit analyse l'influence de la rugosité sur l'efficacité du transport thermique dans des cellules de convection de Rayleigh-Bénard cylindrique et rectangulaire. Au vu des mesures thermiques, une transition claire apparaît lorsque l'épaisseur de la couche limite thermique est égale à la hauteur caractéristique de la rugosité. Au delà de la transition, un nouveau régime apparaît et il ne peut être expliqué par une simple augmentation de la surface d'échange de la plaque rugueuse avec le fluide. Nous proposons ici un modèle qui rend compte de ces observations. Dans la seconde partie, la convection thermique turbulente a été étudiée dans un canal vertical long. Dans cette configuration, des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) ont montré que l'écoulement était décomposable en deux colonnes de fluide : le fluide chaud montant sur la partie droite du canal et le froid descendant sur la partie gauche ou réciproquement. Nous avons étudié de façon systématique l'influence de la puissance injectée sur l'écoulement aux temps longs (retournement global des colonnes de fluide) et courts (obtention des profils de vitesse et de leur fluctuation et mesure de la vitesse des panaches thermiques). Dans une troisième et dernière partie, en plus de la puissance, nous ajoutons un second degré de liberté : l'angle d'inclinaison du canal. Des mesures PIV et des mesures thermiques nous ont permis d'étudier la compétition entre la turbulence et la stratification dans ce canal incliné. Un modèle rendant compte des mesures turbulentes est également proposé.

Depuis les premiers travaux d'Einstein en 1906, le comportement des suspensions granulaires macroscopiques a fait l'objet de nombreuses études notamment en rhéologie. Cependant, la question des mécanismes susceptibles d'intervenir aux interfaces de ces suspensions reste ouverte et peu abordée. C'est précisément l'objet de cette thèse.<br /> Nous proposons de sonder les propriétés d'une interface grains/fluide en injectant un fluide dans une suspension granulaire isodense dont nous contrôlons la fraction de grains. Cette suspension est confinée dans une cellule de Hele-Shaw et nous pouvons injecter soit de l'air soit du fluide interstitiel pur.<br /> Pour les fractions de grains inférieures à 50%, l'injection d'air s'apparente à la digitation de Saffman-Taylor. Nous montrons que le mode de sélection des largeurs relatives et la stabilité des doigts sont modifiés par la présence des grains et que ces modifications ne peuvent se réduire à la simple considération d'un fluide effectif.<br /> Pour les fractions plus importantes, des phénomènes de blocage liés au réseau des contacts entre grains apparaissent et nous nous trouvons dans le cas d'un milieu poreux réorganisable. L'écoulement de fluide peut alors se faire de deux façons : soit au travers de la structure granulaire restée fixe, soit en mobilisant en partie cette structure.<br /> Dans le cas de l'injection d'air, des réarrangements localisés permettent d'obtenir des structures dont la taille dépasse celle des pores mais reste fine. Dans le cas de l'injection de fluide interstitiel pur, une mobilisation plus globale est observée qui mène à une décompaction homogène du milieu et à des structures de digitation plus larges.

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.

Nous étudions ici expérimentalement l'écoulement de von Kármán, produit dans un cylindre entre deux turbines coaxiales. Nous nous plaçons plus particulièrement en régime de turbulence pleinement développée, pour un écoulement contrarotatif forcé inertiellement. Nous étudions dans un premier temps la transition à la turbulence de cet écoulement fermé, depuis les régimes laminaires. Nous insistons sur le rôle des grandes échelles lentement variables<br />de la couche de mélange. Nous étudions alors la stabilité de l'écoulement moyen et mettons en évidence une bifurcation des grandes échelles en régime turbulent. Nous étudions statistiquement le rôle des fluctuations sur le déclenchement des transitions. Ces transitions peuvent également avoir une dynamique intermittente à temps long.<br />Dans un deuxième temps, nous étudions la possibilité d'un effet dynamo pour le champ de vitesse moyenné dans le temps. L'effet dynamo est une instabilité du champ magnétique dans un fluide conducteur en écoulement. Nous définissons ainsi la configuration de l'expérience VKS2, en sodium liquide, et discutons enfin les premiers résultats de l'expérience. Nous y retrouvons la trace des instationnarités des grandes échelles de l'écoulement.