Partindo do Método dos Painéis e do Método dos Vórtices, bem conhecidos em Aerodinâmica, desenvolvemos um método para cálculo da distribuição de pressão real sobre a superfície externa de corpos arbitrários, imersos num fluxo estável, levemente viscoso. A abordagem utilizada é predominantemente fenomenológica, e a linha de raciocínio seguida é particularmente direta: ênfase é dada ao entendimento da turbulência - seus mecanismos, origem, espectros, estruturas organizadas e sua aplicação a situações práticas. Como primeira aproximação, foi usado o bem conhecido Método de Painéis de Primeira-Ordem para calcular os campos de pressão e velocidade (sem a separação de camada-limite). Em seguida, as pressões reais (após a separação da camada-limite) foram estimadas através do acoplamento entre o Método de Painéis (que fornece valores iniciais) e o Método dos Vórtices (Chorin, Leonard), usando, para o cálculo da escala dissipativa, as hipóteses de Heisenberg da transferência espectral de energia. Os obstáculos têm formas de automóveis. A fim de simplificar o trabalho numérico, somente foi analisada a secção média longitudinal de corpos simétricos, na qual o fluxo local pode ser considerado quase-bi-dimensional. Todavia, não há, nesse procedimento, nenhuma falta de generalidade. Alguns aspectos importantes da aerodinâmica do automóvel, (tais como forças aerodinâmicas, coeficientes de pressão e de arrasto, etc.), bem como da teoria da turbulência homogênea e isotrópica, também foram estudados. Nossas previsões teóricas estão em bom acordo com os resultados experimentais. Isto mostra a plausibilidade e efetividade de nosso método computacional / From well-estabelished in Aerodynamic Panel Method and Vortex Method, we have developed a method to calculate the real pressure distribution along the external surface of arbitrary bodies immersed in a steady, slightly viscous flow. Our approach is predominantly phenomenological, and our objectives are clearly defined: the understanding of turbulence its mechanism, origin, spectra and organized structures, and its direct application to practical situations. As a first approximation, the well-known first-order Panel Method was used to calculate pressure and velocity fields (without boundary-layer separation). In the following, real pressures (after boundary-layer separation) were estimated coupling the Panel Method (which yields initial values) and Vortex Method (Chorin, Leonard), by using the Heisenbergs spectral energy-transfer hypotheses to calculate the dissipative scale. Obstacles are automobile-shaped. In order tro simplify the numerical calculation only longitudinal midsections of symmetric bodies, in which the local flow can be considered as quasi-two-dimensional, were analyzed. However, there is no lack of generality in such procedure.

Partindo do Método dos Painéis e do Método dos Vórtices, bem conhecidos em Aerodinâmica, desenvolvemos um método para cálculo da distribuição de pressão real sobre a superfície externa de corpos arbitrários, imersos num fluxo estável, levemente viscoso. A abordagem utilizada é predominantemente fenomenológica, e a linha de raciocínio seguida é particularmente direta: ênfase é dada ao entendimento da turbulência - seus mecanismos, origem, espectros, estruturas organizadas e sua aplicação a situações práticas. Como primeira aproximação, foi usado o bem conhecido Método de Painéis de Primeira-Ordem para calcular os campos de pressão e velocidade (sem a separação de camada-limite). Em seguida, as pressões reais (após a separação da camada-limite) foram estimadas através do acoplamento entre o Método de Painéis (que fornece valores iniciais) e o Método dos Vórtices (Chorin, Leonard), usando, para o cálculo da escala dissipativa, as hipóteses de Heisenberg da transferência espectral de energia. Os obstáculos têm formas de automóveis. A fim de simplificar o trabalho numérico, somente foi analisada a secção média longitudinal de corpos simétricos, na qual o fluxo local pode ser considerado quase-bi-dimensional. Todavia, não há, nesse procedimento, nenhuma falta de generalidade. Alguns aspectos importantes da aerodinâmica do automóvel, (tais como forças aerodinâmicas, coeficientes de pressão e de arrasto, etc.), bem como da teoria da turbulência homogênea e isotrópica, também foram estudados. Nossas previsões teóricas estão em bom acordo com os resultados experimentais. Isto mostra a plausibilidade e efetividade de nosso método computacional / From well-estabelished in Aerodynamic Panel Method and Vortex Method, we have developed a method to calculate the real pressure distribution along the external surface of arbitrary bodies immersed in a steady, slightly viscous flow. Our approach is predominantly phenomenological, and our objectives are clearly defined: the understanding of turbulence its mechanism, origin, spectra and organized structures, and its direct application to practical situations. As a first approximation, the well-known first-order Panel Method was used to calculate pressure and velocity fields (without boundary-layer separation). In the following, real pressures (after boundary-layer separation) were estimated coupling the Panel Method (which yields initial values) and Vortex Method (Chorin, Leonard), by using the Heisenbergs spectral energy-transfer hypotheses to calculate the dissipative scale. Obstacles are automobile-shaped. In order tro simplify the numerical calculation only longitudinal midsections of symmetric bodies, in which the local flow can be considered as quasi-two-dimensional, were analyzed. However, there is no lack of generality in such procedure.

Le phénomène de transport de particules dans un fluide se rencontre dans de nombreux domaines d’application : énergétique, agroalimentaire… Nous avons entrepris la modélisation et la simulation numérique de l’ascension d’une particule fondante pour un régime de nombre de Reynolds modéré. Nous vérifions dans un premier temps la validité du code de calcul. Puis, l’étude de l’ascension d’une particule indéformable (sans fusion) froide évoluant dans un fluide chaud permet de constater l’influence des échanges de chaleur entre la particule et le fluide à la fois sur la vitesse et l’établissement du champ de température. L’analyse du processus d’ascension d’une particule fondante permet de mieux comprendre l’hydrodynamique, les échanges thermiques liquide-solide et le phénomène de fusion dans le cas d’une ascension. / Flows of melting particles are involved in a wide field of industrial applications such as energetics, agroalimentary… We undertook the modeling and the numerical simulation of the rise of a single melting particle for a mode of moderate Reynolds number. We initially check the validity of the computer code. Then, the study of the rise of an indeformable particle (without fusion) cold moving in a hot fluid makes it possible to note the influence of the heat transfers between the particle and the fluid at the same time on the speed and the establishment of temperature field. The analysis of the process of rise of a single melting particle makes it possible to better understand the hydrodynamics, heat exchange liquid-solid and the phenomenon of fusion in the case of a rise.

Nous avons démontré dans ce mémoire une nouvelle méthode de séparation d'espèces microscopiques quasi-isodensité, applicable à la séparation d'espèces biologiques ou bio-mimétiques, comme les vésicules lipidiques ou les globules rouges. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un champ de force acoustique programmé dans une cellule de SPLITT. Nous avons commencé par rappeler l'expression de la force acoustique subie par des micro-particules en suspensions dans un fluide résultant de la présence d'une onde ultrasonore, et montré que les conditions expérimentales de notre séparateur correspondent au domaine sur lequel cette expression est valide. L'effet principal de cette force acoustique est d'attirer les particules vers les noeuds de pression de l'onde stationnaire, dont le nombre et la position sont contrôlés par la fréquence de l'onde. Nous avons alors montré que la trajectoire de particules dans un canal mince sous l'effet d'un écoulement de fluide et d'une onde ultrasonore stationnaire peut être prédite en comparant deux temps, le temps de relaxation dans l'onde, pris par les particules pour converger vers les noeuds de pression, et le temps de résidence dans l'onde. Si le temps de résidence est plus grand que le temps de relaxation, les particules atteignent leur position d'équilibre ; dans le cas contraire, leur migration transverse est faible. Nous avons ensuite présenté l'outil principal dont nous nous sommes servis pour étudier le séparateur acoustique fluidique : le microscope holographique. Celui-ci permet d'extraire les positions tridimensionnelles d'objets en suspension dans un liquide en écoulement dans le canal. Ceci nous permet en particulier de suivre la migration des particules dans l'épaisseur du canal, ce qui est impraticable par une technique de microscopie classique. Nous avons ainsi mesuré la vitesse de sédimentation de particules de latex de 10 m de diamètre, et obtenue une valeur de 3 m/s est bon accord avec la valeur théorique valant 2,7 m/s. Nous avons ensuite tiré parti de notre capacité à mesuré les distributions de particules dans l'épaisseur du canal pour démontrer l'effet de focalisation acoustique à un et deux nœuds. Nous avons montré comment déterminer les fréquences de résonances du canal correspondant à la présence d'une onde stationnaire dans celui-ci par l'observation conjointe de la transmission acoustique du canal et de la distribution in situ. Aux pics de transmission sont associés des focalisations prononcées des particules à des hauteurs précises du canal, correspondant aux noeuds d'une onde de pression stationnaire. En variant le débit et ainsi le temps de résidence des particules dans l'onde, nous avons pu en déduire les temps de relaxations des particules et ainsi un ordre de grandeur de l'énergie acoustique moyenne présente dans le canal, de l'ordre de quelques J/m3. Nous avons alors proposé une méthode originale pour mesurer plus précisément la valeur de l'énergie acoustique, par l'observation de la position d'équilibre des particules pour diverses intensités du champ de pesanteur. Cette expérience est rendue possible par l'embarquement du dispositif dans un avion effectuant des vols paraboliques, au cours duquel s'enchaînent des phases pour lesquelles l'intensité du champ de pesanteur vaut 0 g, 1 g ou 1,8 g. La valeur obtenue, de près d'un J/m3, est compatible avec les mesures aux sols. Pour ces expériences, le contact canal/transducteur était assuré par du gel à ultrasons ; nous espérons que le collage des transducteurs au moyen d'une colle epoxy permettra d'améliorer le couplage. Une nouvelle expérience de mesure de l'énergie acoustique par ce procédé à été menée avec des transducteurs collés, et son analyse est en cours. Nous avons alors introduit le principe du séparateur acoustique fluidique, reposant sur la juxtaposition en série selon la longueur du canal de deux transducteurs générant une onde à un et deux noeuds. Une modélisation numérique de celui-ci montre qu'il est possible d'effectuer des séparations de particules micrométrique quasi-isodensité avec une excellente résolution et un flux de production plus grand que celui obtenu par SPLITT gravitationnel. Le flux de production peut être d'autant plus grand que l'énergie acoustique est grande, ce qui est encourageant dans la perspective de l'utilisation industrielle ou pharmaceutique de ce séparateur. Nous avons également montré comment cette méthode de programmation spatiale d'un champ de force acoustique peut être étendue pour améliorer encore le flux de production et la sélectivité de séparateur de type SPLITT, en permettant la préfocalisation d'espèces dans le canal sans utiliser deux entrées ; on obtient ainsi une nappe initiale très fine sans diluer l'échantillon. Nous nous sommes alors consacrés à la présentation de la réalisation expérimentale de ce séparateur acoustique fluidique, au moyen de cellules de step-SPLITT. Nous avons étudié son efficacité pour la séparation de mélanges de particules de latex de deux diamètres différents, et mesuré un facteur de séparation de 4,5 pour des particules de 5 m et 10 m, ce qui veut dire que l'on récupère en proportions cinq fois plus de petites que de grosses parti-cules à l'une des sortie, soit une purification d'un facteur 5. Nous espérons que l'amélioration du résonateur, par l'utilisation de parois en verre, nous permettra d'augmenter encore l'efficacité du dispositif. Nous avons ensuite montré que les vésicules lipidiques peuvent être manipulées efficacement au moyen de la force acoustique. Il est donc possible de les trier au moyen de notre dispositif. Nous avons mené des expériences préliminaires de séparations d'échantillons de vésicules très polydisperse, qui ont montré que nous pouvions enrichir le mélange en vésicules de faible diamètre, obtenant ainsi après un passage dans le dispositif près de 90% de vésicule de diamètre inférieur à 12 m, avec un flux de production de quelques 104 vésicules/h. De tel échantillons peuvent être utiles dans la perspective de l'étude des vésicules en tant que modèle du comportement mécanique de cellules biologique, dont les diamètres sont de l'ordre de quelques microns. Pour terminer, nous avons présenté une expérience préliminaire montrant la grande sensibilité des globules rouges à la force acoustique, par l'observation d'une striation d'un échantillon de sang total dilué en écoulement dans une de nos cellules sous l'effet d'une onde ultrasonore. Ce résultat laisse entrevoir l'utilisation potentielle de notre séparateur pour la séparation des globules rouges du plasma, ce qui présente un grand intérêt pharmaceutique.

Cette thèse est une contribution à la compréhension de certains phénomènes d'ondes de surface sur des problèmes d'intérêts actuels. Des résultats significatifs ont été obtenus grâce à une nouvelle technique de mesure de la surface libre qui a étémise au point pour ces études. Cette technique de profilométrie optique consiste à projeter un réseau de franges sinusoïdales de caractéristiques connues sur la surface libre et à observer l'image projetée depuis une autre direction. La déformation de la surface, ainsi que la perspective introduisent une modulation locale de fréquence du réseau de franges. L'analyse de l'image déformée et sa comparaison avec une image de référence permet de reconstruire la déformation de la surface libre. En particulier, cette technique à l'avantage de déterminer le profil de la surface étudiée à partir de l'acquisition d'une seule image, ce qui permet l'étude des écoulements en temps réel et des processus dynamiques fortement non-stationnaires. La haute résolution spatiale et temporelle atteinte permettent pour la première fois l'exploration d'une grande variété de phénomènes à la surface d'un liquide. Principalement deux études expérimentales sur des ondes de surface ont été effectuées. Dans la première, nous nous concentrons sur l'étude des résonances d'ondes de surface autour d'un cylindre circulaire de rayon a dans un guide d'onde de largeur 2d (modes piégés). Les paramètres adimensionnels pertinents sont, d'une part la fréquence des ondes kd (k étant le nombre d'onde) et, d'autre, le rapport d'aspect a/d entre le cylindre et le guide. Dans le cadre de cette étude, un grand nombre de rapports d'aspect ont été explorées. Ce travail fournit la première caractérisation expérimentale complète des modes piégés dans l'espace des fréquences ainsi qu'une analyse détaillée de leur structure spatiale. Cette caractérisation a été obtenue en décomposant le champ de déformation de la surface libre en harmoniques du forçage, ce qui nous a permis d'évaluer la contribution relative des modes linéaires et non linéaires. Nos résultats montrent que la composante linéaire est dominante dans nos expériences, ce qui valide les approches théoriques basées sur la théorie linéaire des ondes de surface. Une décomposition de la partie linéaire du champ de déformation de la surface libre en fonction des symétries naturelles du problème permet, pour la première fois, la mise en évidence expérimentale de la structure spatiale des modes piégés. Ils se manifestent comme des oscillations non propagatives de la surface libre, antisymétriques par rapport à l'axe longitudinal du guide, confinées au voisinage du cylindre. Deux types de modes piégés ont été observés : symétriques et antisymétriques perpendiculairement à l'axe du canal. Alors que le premier type de mode est toujours présent, le second n'a été observé que dans le cas des plus grands rapports d'aspect. Nos résultats sur la structure spatiale de ces modes confirment les prédictions théoriques issus d'une méthode d'expansion en multipôles. La caractérisation en fréquence des modes piégés a été obtenue par une analyse en champ lointain plus précise qu'une simple mesure locale. En introduisant des coefficients de réflexion et de transmission pour les perturbations antisymétriques dans le guide, nous avons pu construire des courbes de résonance pour chacun des rapports d'aspect a/d étudiés. Sur ces courbes, l'apparition des modes piégés est mise en évidence par la présence d'un ou de deux pics de résonance. Une forte asymétrie est observée dans ces courbes, qui ne s'ajustent pas au modèle classique de Breit-Wigner. Cette asymétrie a été aussi mise en évidence dans une étude numérique complémentaire. Afin de pouvoir décrire correctement ce comportement, nous avons proposé un modèle qui tient compte de la proximité de la fréquence de coupure du guide. Ce modèle nous a permis de reproduire l'asymétrie de nos courbes de résonance et a été validé expérimentalement par nos résultats. Les résultats de cette étude sont synthétisés sur une courbe maîtresse qui illustre la dépendance de la fréquence adimensionnelle kd avec le rapport d'aspect a/d. Cette courbe est composée, comme attendue, de deux branches, qui correspondent aux deux types de modes piégés observés. Ces résultats montrent un excellent accord avec les prédictions théoriques existantes dans la littérature. Dans la seconde étude expérimentale conduite dans cette thèse, la turbulence des ondes de flexion sur une plaque élastique mince est étudiée. Dans ce cas, des mesures de la déformation de la plaque (intégralement résolue dans l'espace et le temps) ont été utilisées pour déterminer, pour la première fois, le spectre tridimensionnel d'énergie de la turbulence d'ondes. L'analyse de ce spectre met en évidence la présence d'une cascade turbulente d'énergie : les petits nombres d'ondes étant caractérisés par une forte anisotropie associée au forçage, tandis que les grands nombres récupèrent l'isotropie. D'autre part, l'analyse du spectre tridimensionnel montre aussi que l'énergie est concentrée au voisinage d'une surface 2D, qui représente une relation de dispersion faiblement non-linéaire. Ce résultat expérimental indique la persistance de la structure spatio-temporelle des ondes dans la plaque. Notre approche expérimentale de la turbulence d'onde a aussi révélé les principales caractéristiques des ondes faiblement couplées qui peuvent être comparées avec les prédictions de la théorie de la turbulence faible. Cette étude a confirmé et quantifié le comportement faiblement non linéaire des ondes composant la cascade turbulente. En outre, nos résultats ont confirmé que la puissance fournie et le spectre d'énergie suivaient la même loi d'échelle. Nous avons montré un bon accord entre les résultats expérimentaux et la théorie de la turbulence faible. D'autres études préliminaires sont brièvement évoquées concernant le retournement temporel d'ondes de surface et l'évolution spatio-temporelle de la déformation de la surface d'une couche mince de liquide après l'impact d'une goutte.

Cette thèse étudie l'influence du vent sur l'instabilité modulationnelle. Une première partie unifie les travaux de Segur et al. qui intègrent la dissipation et ceux de Leblanc qui prennent en compte le vent. Une équation non linéaire de Schrödinger est établie avec un terme additionnel linéaire résultant de la compétition entre le vent et la dissipation. La dissipation est traduite par le modèle de Lundgren et l'effet du vent se manifeste par l'intermédiaire de la pression atmosphérique selon le modèle de Miles. La profondeur est finie. Une étude de stabilité de l'onde de Stokes est détaillée, et des simulations numériques sont menées pour illustrer les résultats. Des expérimentations sont menées pour apporter une validation qualitative à ces travaux. Cette première partie a été validée par une publication au Journal of Fluid Mechanics~(2010). La deuxième partie étudie l'influence du vent sur l'instabilité modulationnelle par l'intermédiaire de la vorticité qu'il crée en surface. Le modèle est simplifié par l'hypothèse d'un écoulement unidirectionnel et d'une vorticité constante. La profondeur est encore supposée finie. Une équation non linéaire de Schrödinger est établie, qui prend en compte cette vorticité constante. La stabilité de l'onde de Stokes est alors étudiée en détail (diagramme d'instabilité en fonction de la vorticité et de la profondeur, bande d'instabilité, taux d'instabilité, etc.). Il est démontré qu'une vorticité négative, au delà d'un certain seuil, supprime l'instabilité modulationnelle indépendamment de la profondeur. Cette deuxième partie a été soumise pour publication au journal Physics of Fluids.

Il y a un peu plus de vingt ans se produisait, dans le domaine de la turbulence, une de ces mutations dont la Science bénéficie périodiquement et qui lui impriment, pour de longues années, une impulsion vigoureuse. Délaissant les phénomènes de turbulence usuels qui avaient, jusque-là, défié l'analyse, G. I. Taylor introduisait un schéma simple caractérisé par l'absence de vitesses moyennes, l'homogénéité et l'isotropie. L'écoulement à l'aval d'une grille dans une soufflerie lui fournissait même une réalisation facile d'une telle turbulence isotrope, circonstance considérée alors comme naturelle, regardée aujourd'hui avec un peu plus de surprise comme un accident heureux. Parallèlement, enfin, le petit instrument merveilleux qu'est le fil chaud parvenait, à force d'ingéniosité et d'électronique, à livrer à l'observation des propriétés de plus en plus fines des fluctuations de vitesse.

Des travaux importants sont conduits depuis plus de 15 ans pour réduire la traînée aérodynamique des véhicules automobiles et améliorer la sécurité lors des phases transitoires. Ces travaux nécessitent d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques complexes associés aux écoulements tridimensionnels décollés instationnaires et s'effectuent sur des géométries simplifiées à partir d'approches analytiques, expérimentales et/ou numériques. Dans une première partie, des solutions récentes de contrôle passif et actif développées pour réduire la traînée aérodynamique sont présentées pour fournir des ordres de grandeur. La seconde partie traite de l'influence des lois horaires de transport des structures tourbillonnaires de sillage, des processus de formation des structures tourbillonnaires longitudinales de lunette arrière puis de l'analyse des écoulements autour des disques de jantes utilisés comme ventilateur axial. Une troisième partie s'intéresse enfin à l'influence des effets aérodynamiques transitoires sur le comportement dynamique des véhicules automobiles. Les résultats montrent sans ambiguïté l'intérêt de poursuivre la recherche pour mieux comprendre la complexité des phénomènes physiques et mettre au point des systèmes efficaces de contrôle aérodynamique pour réduire la traînée et améliorer la sécurité.

Le développement de machines à forte vitesse spécifique et de taille réduite en régime subsonique suscite actuellement une forte demande dans de nombreux domaines industriels. Les machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant de nombreux avantages : réduction de la vitesse de rotation, de l'encombrement radial et une grande flexibilité d'utilisation. Cependant, leur utilisation dans des applications subsoniques courantes nécessite une meilleure compréhension de leur fonctionnement et notamment de l'interaction inter-rotors pour mieux les concevoir. Ce travail a pour objectif d'étudier et de caractériser expérimentalement un étage contrarotatif fonctionnant en conduit, conçu avec le code de conception et d'analyse pour rotor et rotor-stator, MFT auquel on a implémenté une méthode de conception simple et rapide pour dessiner le rotor aval. On analyse en particulier l'effet de la distance axiale entre les rotors et l'effet du rapport de leur vitesse. Il met en évidence une nette amélioration des caractéristiques et du rendement global par rapport à une machine conventionnelle. Par ailleurs, plusieurs aspects de l'interaction entre les rotors sont constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales.

L'usage de gouttes comme microréacteurs movite le développement rapide de la microfluidique de gouttes. En effet, une goutte peut être utilisée pour collecter, transporter et analyser du matériel chimique, biologique ou génétique. Ainsi, la microfluidique de goutte porte la promesse d'une miniaturisation et d'une automatisation sur puce des process actuellement mis oeuvre sur microplaques. Toutefois, l'architecture des dispositifs reste essentiellement sérielle et en opposition avec le format intrinsèquement 2D des microplaques. Ce travail de thèse fournit une nouvelle stratégie de gestion de gouttes sur puce qui permet d'implémenter des procédés de microfluidiques de goutte au sein de chambres bidimensionnelles. Les méthodes mises au point emploient des gradients de confinement pour agir sur les gouttes.