Ce manuscrit aborde le problème de l'atomisation des films liquides à travers diverses expériences portant sur leur formation, déstabilisation et fragmentation. Une première partie identifie et décrit deux mécanismes de désintégration à l'œuvre lors de la rétractation d'un film de savon. Lorsque le film se détache sur une frontière, le bord de Plateau est entrainé et son accélération explique la déstabilisation. Lorsque le perçage a lieu au centre, le battement du film résultant de l'interaction avec l'atmosphère au repos conduit à sa fragmentation. Une second étude explique le plissement singulier de certaines cloches liquides par un ressaut hydraulique à interfaces libres assurant la transition d'un écoulement super-critique vis-à-vis des ondes capillaires à un écoulement sub-critique. La courbure marquée associée à cette transition impose au liquide une accélération centripète susceptible de déstabiliser la cloche en aval. La formation des embruns par l'intermédiaire de l'éclatement des bulles de surface est abordée dans une troisième partie. La géométrie des bulles, le mécanisme de drainage de leurs films et les événements de perçage sont étudiés afin de rendre compte de l'épaisseur de la bulle au début de l'éclatement. La dynamique ultérieure de fragmentation est détaillée conduisant à une caractérisation du spray produit. Une dernière partie étudie l'atomisation effervescente sur une expérience modèle : une nappe liquide plane ensemencée en fines bulles d'air favorisant la nucléation de trous. Sur la base de mesures des taux de nucléation et croissance des trous, un modèle statistique du réseau de ligaments liquides formés par la réunion des bourrelets ceinturant les trous permet un description du spray issu de la fragmentation du réseau.

Ce travail porte sur trois problèmes d'hydrodynamique à petite échelle, dans lesquels des structures déformables interagissent avec un fluide visqueux. Ces structures sont des filaments flexibles, inspirés des flagelles biologiques. Dans chaque cas, une étude expérimentale quantitative est associée à un modèle théorique minimal afin de saisir l'essentiel de la physique mise en jeu. Le premier système est un filament élastique macroscopique, entraîné en rotation. Lorsque la fréquence augmente, le filament subit une transition d'un état peu déformé à un profil hélicoïdal. Selon les conditions d'ancrage, cette transition de forme peut être associée à une branche instable dans la relation force/couple. Le second système est constitué de microcils artificiels, obtenus par auto-assemblage de colloïdes superparamagnétiques. Nous avons étudié la dynamique individuelle et collective de ces microcils actionnables. Nous présentons leur fabrication et leur organisation en réseaux de géométrie contrôlée, dans des canaux microfluidiques. Les filaments sont actionnés en précession autour de l'axe vertical. Il existe une inclinaison critique de champ magnétique par rapport à l'axe de précession, au-delà de laquelle la réponse d'un filament à haute fréquence n'est plus synchrone. Cette transition dynamique repose sur un critère géométrique, lié à la nature de l'interaction magnétique dipolaire. Enfin, sous l'effet des interactions hydrodynamiques à longue portée, les trajectoires des extrémités libres d'un réseau de filaments subissent une évolution morphologique inattendue. Un modèle minimal à deux corps apporte une compréhension semi-quantitative de nos résultats expérimentaux.

L'aspirateur d'une centrale hydraulique est le composant où l'écoulement issu de la roue est décéléré, convertissant l'excès d'énergie cinétique en pression statique. Cet écoulement en rotation est turbulent et évolue dans une géométrie tridimensionnelle complexe. Dans le cas de la réhabilitation d'une centrale existante seule la turbine et les directrices sont modifiées. Dans certains cas, l'installation d'une nouvelle roue conduit à une chute de rendement. Cet accident correspond à une variation brutale du coefficient de récupération de pression de l'aspirateur pour une très faible variation de débit au voisinage du point de rendement optimal. Le modèle d'une installation récemment réhabilitée et présentant ce phénomène, est étudié numériquement. La méthode de simulation des grandes échelles a été choisie pour simuler l'écoulement. Afin de réduire le coût du maillage, un modèle analytique de loi de paroi est développé, prenant en compte à la fois le frottement pariétal et le gradient longitudinal de pression. Une méthode est proposée pour créer un champ de vitesses turbulent à partir de champ moyen issus de mesures expérimentales. Ces méthodes sont implémentées dans le logiciel libre OpenFOAM et testées dans un premier temps sur des géométries simplifiées. Plusieurs simulations ont été réalisées sur l'aspirateur à différent point de fonctionnement de part et d'autre du point de meilleur rendement. Les résultats ainsi obtenus ont été comparés à des mesures expérimentales. Ces comparaisons ont permis de valider la méthodologie utilisée. Le phénomène de chute de rendement recherché a ainsi pu être mis en évidence et expliqué.

Cette thèse traite de l'action des ondes acoustiques sur des bulles micrométriques excitées à leur fréquence de résonance. En effet, les bulles peuvent être considérées comme des oscillateurs mécaniques et les forces acoustiques à leur résonance, appelées forces de Bjerknes, ont des propriétés non triviales. De plus, les bulles interagissent entre elles par l'émission d'un champ secondaire, menant à leur auto-organisation sur un motif périodique. Ici, les bulles sont confinées dans des microcanaux, elles ne sont pas sphériques et frottent fortement sur les parois. L'étude expérimentale des forces acoustiques (primaire et secondaire) est alors précédée par la modélisation de l'écoulement des bulles, liant la friction sur les parois aux forces externes appliquées. Plusieurs applications aux laboratoires sur puce sont développées, dont le tri en taille, la division asymétrique contrôlée, l'aiguillage automatique à une bifurcation, et la manipulation de goutte.

Le cadre de cette étude est le stockage de l'hydrogène par adsorption sur charbon actif sous pression à température ambiante. Cette thèse porte sur les effets thermiques intervenant lors des remplissages à l'hydrogène de réservoirs à lit fixe adsorbant. La partie expérimentale a été effectuée au LIMHP et l'étude numérique à l'aide du logiciel Fluent a été menée au LEGI à Grenoble. Un dispositif expérimental permettant la mesure dynamique de champs de températures et de pression a été mis en place. Une étude expérimentale des effets thermiques au sein du lit en fonction du débit et de la température du lit fixe a été faite pour le gaz hydrogène. Une étude comparative a été faite avec l'hélium. Ensuite une validation des simulations, à l'aide du logiciel Fluent, de remplissages de réservoirs à lit fixe adsorbant a été effectuée par comparaisons des résultats expérimentaux et numériques. Puis des simulations prédictives des effets thermiques ont été faites pour différentes valeurs de la conductivité thermique effective du lit, de températures de parois et de température initiale du lit. L'étude de dissipateurs thermiques internes a été menée à l'aide du logiciel Fluent sur des réservoirs de volume plus important en géométrie 3D. L'augmentation de la conductivité effective du lit permet d'améliorer significativement la quantité stockée par adsorption lorsque les températures du gaz entrant et des parois sont relativement basses, de l'ordre de 233 K. L'étude de dissipateur thermique, sous forme de d'empilements de disques, a montré qu'il existe un nombre optimal de disques.

Nous avons, dans cette thèse, étudié, à l'échelle locale, le mélange induit par gravité de deux fluides miscibles de densités différentes dans un long tube incliné. Nous avons mesuré, sur des expériences indépendantes, les champs de vitesse (PIV) et les champs de concentration (LIF) dans un plan diamétral vertical. Avec l'aide des profils de vitesse et de concentration moyenne nous avons pu établir une carte des régimes d'écoulement observés en fonction des paramètres de contrôles : angle d'inclinaison du tube $\theta$ (repéré par rapport à la verticale) variant de 15°à 60°, et contraste de densité caractérisé par le nombre d'Atwood At allant de $10^{-3}$ à $10^{-2}$. Nous avons étudié le transport de quantité de mouvement dans les régimes d'écoulement quasi-stationnaires en comparant les résultats expérimentaux à des modèles simples et à des simulations numériques. Nous nous sommes également intéressés et la stationnarité et la stabilité des écoulements.

Les corps flottants servant de capteur pour la récupération de l'énergie des vagues sont exposés, par nature, à des mers fortes et leur conception fait qu'ils seront a priori animés de grands mouvements. Cette particularité fait que la simulation numérique de leur comportement sur houle ne pourra pas se satisfaire de l'approche linéarisée. Une part importante et fortement non-linéaire de l'excitation du flotteur tient dans les termes dits « hydrostatiques » des efforts de pression dès lors que l'on tient compte de la déformation de la surface libre et du déplacement du corps. Ils se calculent par une intégrale dont le noyau est simple, mais dont le support (la surface instantanément mouillée) est ici bien plus difficile à déterminer. Ainsi, la première partie du travail présentée est consacrée au développement d'algorithmes permettant ce suivi de surface déterminé par l'intersection de la surface libre réelle et du corps (de forme non nécessairement simple) dans sa position déplacée. Pour la partie proprement hydrodynamique du problème, il a été utilisé une approche de champ complémentaire, déjà utilisée au LMF dans d'autres contextes, et en particulier pour les modélisations couplées fluide parfait/ fluide réel. Le champ incident est donné par une représentation spectrale qui permet d'avoir dans tout l'espace une expression analytique du champ incident en formulation non-linéaire. Le problème de la perturbation du champ incident est ensuite résolu par une méthode linéaire (singularités de Kelvin), en se basant sur des logiciels développés antérieurement au LMF. Les applications présentées concernent essentiellement la modélisation numérique du comportement du module SEAREV de récupération d'énergie des vagues.

En mouillage partiel, l'arrière de gouttes glissant sur un plan incliné développe, au-delà d'une vitesse critique, une singularité en coin, arrondie à petite échelle. L'inclinaison ou la courbure de la ligne de contact retardent la transition de mouillage. À plus grande vitesse, un filet liquide dont la largeur croît avec la vitesse des gouttes, se développe et se rompt en déposant des gouttes satellites sur le substrat. Un modèle de lubrification permet de retrouver divers aspects de ces phénomènes : interface conique, retard au démouillage, largeur du ligament...<br /> Une augmentation du débit conduit à un écoulement en filet droit qui se déstabilise au-delà d'un débit seuil pour former des méandres stationnaires. L'équilibre entre inertie, tension de ligne et hystérésis de mouillage rend compte du rayon de courbure des virages, mais également du seuil de méandrage. Les méandres présentent une très forte hystérésis en débit provenant de l'accrochage sur le substrat. L'augmentation de la viscosité induit des changements de comportement : déclenchement non spontané des méandres et croissance de leur amplitude avec la distance à l'injection. Ces méandres avec hystérésis sont comparés à des méandres sans hystérésis, en mouillage total, confinés dans une cellule de Hele-Shaw. Privés d'accrochage sur le substrat, ces derniers sont alors mobiles. Nous avons étudié quelques effets de la physico-chimie sur ces méandres et montré que les surfactants ne sont pas nécessaires au méandrage. L'équilibre entre inertie et capillarité donne le seuil de ces méandres sans hystérésis.

Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche effectués depuis mon recrutement au laboratoire FAST en septembre 2000. Mes travaux sont essentiellement organisés autour de 4 axes~: les instabilités dans les écoulements de von Kármán, les ondes d'inertie, la turbulence en rotation, et les ondes de surface. Ces 4 axes de recherche ont entre eux un certain nombre de connections, comme l'influence de la rotation sur la nature d'un écoulement laminaire ou turbulent, ou encore les systèmes d'ondes dispersives en interaction, qu'il s'agisse des ondes capillaires ou des ondes d'inertie en référentiel tournant. D'un point de vue expérimental, ces axes de recherche ont également en commun l'utilisation de méthodes de mesure optiques, qu'il s'agisse de la Vélocimétrie par Images de Particules (PIV), méthode aujourd'hui standard en mécanique des fluides, ou encore du ``Synthetic Schlieren'', que nous avons étendu au cas des ondes de surface.

La réduction de la traînée est un phénomène d'écoulement qui, par la présence de très petites quantités d'additifs (polymères ou tensio-actifs) dans un fluide quelconque, consiste en une réduction significative du frottement à la paroi en régime turbulent. Certaines solutions d'additifs, en interagissant avec la structure de la turbulence conduisent à une réduction du frottement pouvant aller jusqu'à 90 % par rapport au solvant pur. Ceci induit une réduction de la puissance de pompage de l'ordre de 30 %. La réduction de la traînée peut trouver son application dans des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains, dans le domaine pétrolier (pipelines), ... Dans ce travail de thèse une contribution à l'étude de ce type d'écoulement a été menée. Une solution réductrice de la traînée à base de « CTAC/NaSal » à faible concentration a été largement explorée. La rhéométrie, la vélocimétrie par images de particules (PIV) et des modèles numériques sont utilisés. Ainsi, les solutions de tensio-actifs ont été caractérisées rhéologiquement. Plusieurs paramètres influençant la réduction de la traînée en conduite ont été étudiés. Le phénomène de glissement à la paroi a été abordé par une étude dans une géométrie de Couette. Enfin, un modèle de comportement rhéologique issu des mesures rhéologiques a été testé par Simulation Numérique Directe (DNS). Les principaux résultats qui ressortent de ce travail montrent que le mécanisme de la réduction de la traînée est conditionné par plusieurs paramètres par contre, le glissement à la paroi n'est pas forcement responsable de la réduction de la traînée.