Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence du modèle d'interprétation du JET. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées.

Parmi les disciplines scientifiques qui sont utilisées pour prévoir la dynamique des incendies, la mécanique des fluides a un rôle particulier, car elle sert d'interface entre les disciplines, en propageant, si l'on peut dire, l'aléa vers les personnes et les biens. De plus, cette mécanique des fluides est tout sauf évidente : on rencontre des écoulements à masse volumique fortement variable qui conduisent souvent à utiliser les modèles bien au delà de leurs validations académiques. Cela peut en particulier conduire à des incertitudes non maîtrisées. L'objet du présent mémoire est de mettre en perspective ces enjeux et de proposer une vision des progrès récents et des pistes à explorer pour la recherche en mécanique des fluides dans le contexte des incendies en bâtiment.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker--Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker--Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus.

Le principal objectif de cette thèse est de caractériser l'écoulement dans un anévrisme abdominal aortique (AAA) sous différentes conditions physiologiques et à différents stades de son développement. Cette étude est consacrée aux AAA ax- isymétriques, modélisés comme une dilatation de profil gaussien et de section circu- laire. Ainsi, les résultats s'appliquent surtout aux étapes précoces du développement d'un AAA. Le modèle d'AAA est caractérisé par une hauteur maximale H et une largeur W , l'unité de mesure étant le diamètre d'entrée de l'artère. Pour com- mencer, la dynamique est étudiée pour les écoulements stationnaires. La stabilité globale de ces écoulements de base est analysée en calculant les valeurs propres et les fonctions propres pour des perturbations de faible amplitude. Pour comprendre les mécanismes d'instabilité, le transfer d'énergie entre l'écoulement de base et les perturbations est calculé. L'écoulement pour des AAA peu profonds (ou de grande longueur) se déstabilise par un mécanisme de 'lift-up' et les perturbations ampli- fiées sont stationnaires. Des anévrismes plus localisés (ou plus profonds) deviennent instables pour des nombres de Reynolds plus élevés, sans doute par instabilité el- liptique ; dans cette situation, les perturbations sont des modes oscillants. Dans le cas des écoulements pulsés, deux types de profil de débit physiologique ont été considérés dans cette étude, correspondant à une situation de repos ou d'exercice physique. Ces écoulements restent collés aux parois pendant la phase de systole et un écoulement décollé est généralement observé pendant la décélération après le maximum de systole. Dans cette phase, un vortex se forme à l'extrémité aval. Ce vortex s'agrandit au cours du temps et impacte l'extrémité aval de l'AAA, ce qui conduit à de forts gradients de contrainte pariétale, qui ne sont pas observés dans les cas sains. Il a été observé que les conditions d'écoulement varient significative- ment avec les nombre de Womersley (Wo) et de Reynolds (Re); l'écoulement reste attaché aux parois plus longtemps pour des nombres de Womersley croissants. Le principal effet d'une augmentation de Re est un renforcement du vortex primaire qui se forme après le maximum de systole. Les décollements de l'écoulement, l'impact de vortex au bord aval de l'AAA ou encore de faibles contraintes pariétales oscil- lantes (des caractéristiques importantes dans les cas d'anévrismes pathologiques) sont observés même pour des anévrismes de faible profondeur. Pour des anévrismes plus développés, des vortex multiples sont observés tout au long du cycle dans la cavité de l'AAA. Une analyse de stabilité de ces écoulements de base pulsés a mon- tré que le maximum des perturbations se développe vers l'extérmité aval des AAA. Cependant, les perturbations ne sont pas complètement confinées dans la cavité de l'AAA et se développent aussi au-delà en aval. On en déduit qu'une fois qu'un AAA s'est développé, les perturbations affectent aussi les artères saines en aval de l'AAA. Enfin, en considérant deux profils équivalents d'AAA, de formes sinusoï- dale et gaussienne, la sensibilité des résultats aux détails de la géométrie a pu être établie.

Les oiseaux et poissons se déplacent dans leur environnement fluide en interagissant avec l'air/eau qui les entoure. Pour des régimes inertiels, les mécanismes de propulsion se basent sur un transfert de quantité de mouvement au fluide; les battements d'ailes ou de nageoires générant un jet dans le sillage de l'animal qui le propulse vers l'avant. Pour les oiseaux comme pour les poissons, les structures utilisées possèdent une certaine flexibilité, et sont donc susceptibles de plier de façon importante. La littérature montre que ces déformations passives peuvent améliorer les performances de propulsion lorsqu'elles sont exploitées de façon constructive. Le détail des mécanismes en jeu reste cependant mal compris. L'objectif de cette thèse est d'étudier, à travers deux modèles biomimétiques, la façon dont une structure battante déformable génère des forces de propulsion. Le premier modèle est une version mécanique simplifiée d'insecte dotée d'ailes flexibles, tandis que le deuxième est un nageur dont le corps élastique reproduit le mouvement d'ondulation d'une anguille. Nous montrons que la façon dont ces systèmes se déforment passivement est déterminante pour leurs performances, et que leur réponse élastique peut être décrite par des modèles théoriques simplifiés d'oscillateurs forcés. Ces modélisations mettent par ailleurs en avant le rôle crucial joué par le frottement fluide quadratique qui s'oppose aux mouvements de battements de la structure. Ce résultat introduit l'idée, un peu contre-intuitive, qu'il peut s'avérer avantageux de dissiper une part de son énergie dans le fluide pour améliorer ses performances.

L'objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique instationnaire permettant de simuler l'évolution du climat distribué sous serre pour des conditions de nuit en présence de chauffage et pour des conditions diurnes où l'influence du rayonnement solaire est prépondérante. La thèse s'appuie sur des approches expérimentales et numériques qui ont pour ambition d'être appliquées à deux situations, hivernales et pré-estivales correspondant aux problématiques auxquelles les producteurs doivent faire face : gestion de la température et de l'humidité avec une préoccupation de réduction des consommations énergétiques. Des campagnes de mesures ont été menées au printemps 2010 et à l'hiver 2011 pour, d'une part, améliorer la compréhension des interactions entre les paramètres climatiques, et d'autre part, fournir des données d'entrée et de validation aux modèles numériques. Les campagnes de mesures de nuit (hiver 2011) en présence de chauffage ont mis en évidence les besoins plus importants en chauffage et les températures de toiture plus basses lors des nuits claires. Les campagnes de mesure menées au printemps 2010 ont permis mettre en évidence l'influence prépondérante du rayonnement solaire sur la température et la transpiration du végétal ainsi que le phénomène de stockage-restitution de chaleur dans le sol. Enfin, la forte sensibilité du taux d'humidité ainsi que la moindre dépendance de la température vis-à-vis de la " qualité " de la ventilation a été démontrée. Les données expérimentales sont exploitées afin de mettre en œuvre les modèles de transpiration adaptés aux conditions de culture sous serre. Les bilans hydriques réalisés sur le végétal divisé en deux couches fournissent des informations précieuses sur la distribution de la transpiration et des contributions de chaque couche. Les simulations numériques sont réalisées en 2D instationnaire, en application sur une situation nocturne (nuit claire et nuit nuageuse) et une situation diurne (journée parfaitement ensoleillée). Elles intègrent deux éléments novateurs : la résolution de l'ETR dans le couvert végétal et l'utilisation d'une routine permettant de simuler la condensation. L'évolution des paramètres climatiques simulés est validée sur la base des données expérimentales. Il apparait cependant que les écarts de température et d'humidité entre l'air dans et au dessus du végétal sont sous estimés. Enfin, les modèles numériques sont exploités pour réaliser des bilans hydriques et énergétiques.

Cette thèse étudie des méthodes d'assimilation de données par filtrage particulaire à l'estimation d'écoulements fluides observés au travers de séquences d'images. Nous nous appuyons sur un filtre particulaire spécifique dont la distribution de proposition est donnée par un filtre de Kalman d'ensemble, nommé filtre de Kalman d'ensemble pondéré. Deux variations à celui-ci sont introduites et étudiées. La première consiste à utiliser un bruit dynamique (permettant de modéliser l'incertitude du modèle et de séparer les particules entre elles) dont la forme spatiale suit une loi de puissance, cohérente avec la théorie phénoménologique de la turbulence. La deuxième variation repose sur un schéma d'assimilation multi-échelles introduisant un mécanisme de raffinements successifs à partir d'observations à des échelles de plus en plus petites. Ces deux méthodes ont été testées sur des séquences synthétiques et expérimentales d'écoulements 2D incompressibles. Ces résultats montrent un gain important sur l'erreur quadratique moyenne. Elles ont ensuite été testées sur des séquences d'images satellite réelles. Sur les images réelles, une bonne cohérence temporelle est observée, ainsi qu'un bon suivi des structures de vortex. L'assimilation multi-échelles montre un gain visible sur le nombre d'échelles reconstruites. Quelques variations additionnelles sont aussi présentées et testées afin de s'affranchir de problèmes importants rencontrés dans un contexte satellitaire réel. Il s'agit notamment de la prise en compte de données manquantes sur les images de température de surface de l'océan. En dernier lieu, une expérience d'un filtre de Kalman d'ensemble pondéré avec un modèle océanique complet est présentée pour une assimilation de champs de courants de surface en mer d'Iroise, à l'embouchure de la Manche. Quelques autres pistes d'amélioration sont également esquissées et testées.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS et en partenariat avec l'IVK, se place dans un contexte d'amélioration des performances des turbines axiales équipant les turboréacteurs d'hélicoptère. Un des points critiques du dimensionnement de tels moteurs est la maitrise de la durée de vie des pales de la turbine haute pression qui font face à de très hautes températures provenant de la chambre de combustion. Les prédictions numériques de l'environnement aérothermique des pales (écoulements dans la veine et système de refroidissement) sont réalisées aujourd'hui dans le milieu industriel à l'aide de la modélisation Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Grâce à des capacités de calculs grandissantes, l'approche Simulation aux Grandes Echelles (SGE) offre désormais un nouveau potentiel de prédictions d'écoulements. Les travaux de cette thèse s'intéressent ainsi à la capacité de la SGE à prédire l'écoulement du circuit de refroidissement interne d'une pale de turbine. Pour simplifier l'analyse de ce problème ou plusieurs phénomènes physiques sont en jeu, une progression en trois parties est proposée. La première s'intéresse à l'étude aérothermique de géométries simplifiées de canaux de refroidissement (coude à 180° et canal avec promoteurs de turbulence) en configuration statique. Aux régimes d'écoulement considérés, une approche résolue en paroi avec maillage non-structuré hybride est proposée et validée en vue d'une application industrielle facilitée. La seconde partie étend l'analyse de l'écoulement à un cas de canal avec promoteurs de turbulence en rotation utilisant une méthode de résolution numérique dans un repère absolu. Les investigations des résultats de la SGE fournissent des prédictions moyennes et instationnaires en bon accord avec les expériences disponibles et les travaux précédents aussi bien pour la dynamique de l'écoulement que les transferts de chaleur. Enfin, une troisième partie présente une application de la méthode sur un cas de pale réelle avec couplage thermique entre le circuit de refroidissement et le solide de la pale. Cette dernière partie classée confidentielle n'est pas présente dans le manuscrit disponible publiquement. Les résultats de l'approche résolue en paroi et de la rotation dans le repère absolu comparés aux résultats RANS disponibles pour le cas applicatif montrent d'importante différences locales et ainsi le potentiel de la méthode proposée.

At the interface of physics, mathematics, and computer science, Uncertainty Quanti cation (UQ) aims at developing a more rigorous framework and more reliable methods to characterize the impact of uncertainties on the prediction of Quantities Of Interest (QOI). Despite signi cant improvements done in the last years in UQ methods for Fluid Mechanics, there is nonetheless a long way to go before there can be talk of an accurate prediction when considering all the numerous sources of uncertainties of the physical problem (boundary conditions, physical models, geometric tolerances, etc), in particular for shock-dominated problems. This manuscript illustrates my main contributions for improving the reliability of the numerical simulation in Fluid Mechanics: i) the development of e cient and exible schemes for solving at low-cost stochastic partial di erential equations for compressible ows, ii) various works concerning variancebased and high-order analysis, iii) the design of some low-cost techniques for the optimization under uncertainty. The application of interest is the robust design of turbines for Organic Rankine Cycles (ORC). Some contributions to the numerical ow prediction of the thermodynamically complex gases involved in ORC will be presented. This manuscript is divided in two parts. In the rst part, some intrusive algorithms are introduced that feature an innovative formulation allowing the treatment of discontinuities propagating in the coupled physical/stochastic space for shock-dominated compressible ows. Then, variance and higher-order based decompositions are described, that could alleviate problems with large number of uncertainties by performing a dimension reduction with an improved control. Some ANOVAbased analyses are also applied to several ows displaying various types of modeling uncertainties, be it cavitation, thermodynamic or turbulence modeling. Two algorithms for handling stochastic inverse problems are then introduced for improving input uncertainty characterization by directly using experimental data. Finally, robust-optimization algorithms are introduced, that are e cient when dealing with a large number of uncertainties, relying on di erent formulations, i.e. with decoupled/ coupled approaches between the stochastic and the optimization solvers. The second part is devoted to the study of dense gas ow in ORC-cycles, which represent a highly demanding eld of application as far as ow simulation reliability is concerned. The numerical ingredients necessary for this kind of simulation are described. Then, some recent results are illustrated : i) high- delity turbine computations; ii) a feasibility study concerning the appearance and the occurrence of a Rarefaction Shock Wave, using experimental data and di erent operating conditions (in monophasic and two-phase ows); iii) a stochastic study concerning the thermodynamic model uncertainties. This set of research works has produced several papers in international journals and peer-reviewed conferences.

Un sillage est la zone de perturbations turbulentes que laisse derrière lui tout corps en mouvement dans un fluide. Parmi les sillages de corps profilés auxquels on s'intéresse ici, il convient de différencier les sillages de traînée, des sillages de corps propulsés. Dans ce dernier cas, la connaissance des caractéristiques de l'écoulement présente un intérêt certain pour la détection des véhicules. L'objectif de cette étude est d'apporter les informations expérimentales les plus complètes possibles sur l'évolution du champ de vitesse. Pour cela nous avons mis en place une expérience en soufflerie aérodynamique. Le nombre de Reynolds calculé à partir de la vitesse de l'écoulement amont et du diamètre de la maquette est de 5,8.104. Un système d'acquisition automatisé des trois composantes du vecteur vitesse instantanée qui utilise une sonde anémométrique à films chauds triples a été développé spécialement. Une exploration axiale comparative entre les sillages pur et autopropulsé du même corps est effectuée pour un vaste domaine qui s'étend du sillage proche au sillage lointain (de 0,2 à 50 diamètres de maquette en aval du corps) ce qui constitue un ensemble très complet de données. La connaissance de toutes les caractéristiques temporelles du champ de vitesse permet de disposer : - des trois composantes de la vitesse moyenne - des six composantes du tenseur de Reynolds - des moments d'ordre 3 de la vitesse - des densités spectrales de puissance selon les directions axiale, radiale et tangentielle - des trois composantes de la vitesse moyenne et des six composantes du tenseur de Reynolds, analysés en phase avec la rotation de l'hélice. Un résultat original de cette étude est la mise en évidence expérimentale de l'existence d'une affinité pour un sillage lointain de corps autopropulsé par hélice. Cependant, les lois d'évolution fournies par l'analyse des équations du mouvement et reposant sur la distinction entre deux régimes extrêmes d'écoulement ne paraît pas justifiée expérimentalement. Nous avons déterminé tous les termes de l'équation d'énergie cinétique turbulente accessibles à la mesure. On a ainsi pu montrer l'affinité des échanges turbulents en champ lointain dans les deux configurations. Pour le sillage de corps autopropulsé par hélice, le fait que la production d'énergie cinétique turbulente soit négligeable dans la zone affine est un résultat expérimental important. En reprenant l'analyse dimensionnelle du problème et en ajoutant à l'approximation dite de la " couche limite " la condition d'autopropulsion, on montre que ce terme de production est effectivement négligeable devant les autres. Dès la zone intermédiaire, la forme de la densité spectrale de puissance relative se conserve selon une direction radiale, en sillage pur ou autopropulsé. Cela traduit la conservation en proportion de la répartition de l'énergie entre les différentes structures turbulentes. Dans le cas du sillage autopropulsé, l'analyse des densités spectrales de puissance met en évidence un signal " large bande " auquel viennent s'ajouter des raies spectrales. La zone de sillage proche, jusqu'à deux diamètres en aval de la maquette, est très fortement marquée par ces phénomènes d'excitation induits par le passage périodique des pales. Ce constat nous a conduits à effectuer un traitement statistique de la vitesse en phase avec la rotation de l'hélice. On a obtenu une visualisation des structures organisées de l'écoulement présentes pour une région qui s'étend jusqu'à deux diamètres du corps en aval de celui-ci.