Ces travaux de recherche portent sur la caractérisation des phénomènes instationnaires associés aux écoulements décollés induits à la fois par un gradient de pression adverse et un effet de courbure. Ce type de décollement est très couramment rencontré, en particulier dans le secteur des transports. Cette étude repose sur une approche purement expérimentale réalisée en canal hydrodynamique à l’aide de techniques de mesure non intrusives permettant de ne pas dénaturer la dynamique très sensible du phénomène de décollement de couche limite. Le décollement est, dans notre cas de figure, provoqué par un obstacle 2dne présentant pas de rupture de pente. Le régime d’écoulement étudié est principalement turbulent et la gamme des nombres de Kármán analysée s’étale de 60 à 730. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les effets Reynolds sur l’étendue et l’existence même du phénomène de décollement de couche limite, mais également sur la dynamique des instabilités, identifiées à plus bas régime dans la littérature. Les mesures effectuées dans le cadre de ces travaux ont tout d’abord permis de constituer une base de donnéesexpérimentale étoffée, et d’établir que le décollement de couche limite ainsi que les instabilités induites par celui-ci, identifiées en régime laminaire, persistent à plus haut nombre de Kármán. Les fréquences associées aux instabilités ont également été identifiées ainsi que les paramètres caractéristiques pilotant leur dynamique. La dynamique spatio-temporelle de ces instabilités et en particulier celle du phénomène debattement du bulbe décollé a été détaillée notamment par le biais d’une analyse stochastique. Finalement, la répartition relativement étendue des grandes échelles tourbillonnaires associées aux mécanismes instables (soulignée notamment par leur émergence spectrale large bande) a également été mise en évidence, ainsi que certains phénomènes dynamiques secondaires. L’ensemble de ces résultats et en particulier l’identification des paramètres clés pilotant la dynamique du décollement de la couche limite s’avèreront très utiles en vue de concevoir par la suite des modèles simplifiés reproduisant le plus fidèlement possible la dynamique des décollements afin de mieux pouvoir les contrôler. / These investigations concern the characterization of unsteady phenomena associated to the boundary layer separation induced by both an adverse pressure gradient and a curvature effects. This kind of separation is very usual, particularly in the transport field. This study, essentially based on an experimental approach, is carried out in an hydrodynamic channel using non intrusive measurement techniques. They respect the very sensitive dynamics of the boundary layer separation phenomenon. The separation is, in our case, induced by a 2d obstacle without sharp corner. The studied flow regime is mainly turbulentand the analyzed Kármán number ranges from 60 to 730. The main aim of this study is to estimate the Reynolds number effects on the boundary layer separation length and even on the existence of such phenomenon, but also on the instabilities dynamics, identified in the literature especially for laminar flow regime. The measurements made within the framework of these works allowed, first to built a large experimental database, and secondly to establish that the boundary layer separation and also the associate instabilities, identified for laminar flow, persist even for higher Kármán number. The frequencies associated to the instabilities phenomena have been also identified as well as the characteristic parameters driving their dynamics. The instabilities space-time dynamic, in particular those of the flapping phenomenon were detailed using stochastic analysis. Finally, the large scales distribution associated with the unstable mechanisms (underlined by their spectral broadband frequency range) were also highlighted, as well asothers secondary dynamic phenomena. All these results, especially the identification of the key parameters driving the boundary layer separation, will turn out very useful to design afterward simplified models reproducing as faithfully as possible the separation dynamics and to be able to control them better.

L’objectif de cette étude est d’analyser expérimentalement l’interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d’écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d’ogivesafran de gouvernail ». L’originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d’écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l’ordre de l’épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d’hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d’inflow (zone d’apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l’alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

Le contrôle d'écoulement permet d'éliminer le phénomène de décollement de couches limites, très néfaste pour les performances des machines interagissant avec un fluide (avions, voitures, turbomachines ...). Ces travaux s'intéressent plus particulièrement au contrôle actif d'écoulement au moyen de jets continus. Une maquette permettant de manipuler l'équilibre de la couche limite a été conçue et installée dans la soufflerie du Laboratoire de Mécanique de Lille. La première partie du travail a consisté en la caractérisation de l'écoulement autour du modèle à l'aide de visualisations par fils de laine et par enduit gras, de mesures de répartition de pression, de mesures par anémométrie à fils chauds et par PIV. Ceci a permis de définir la configuration du modèle la plus appropriée pour les études de contrôle mais aussi de connaître précisément les caractéristiques de l'écoulement sélectionné. La configuration retenue correspond à un écoulement en gradient de pression adverse suivi d'une séparation sur le volet, un peu comme sur l'extrados d'une aile d'avion. L'utilisation de sondes de frottement associées à des visualisations aux fils de laine ont permis d'étudier et d'optimiser des actionneurs passifs, puis des actionneurs à jets continus. Certaines des configurations actives optimales ont ensuite été caractérisées plus en détail par une mesure par PIV englobant toute la zone de séparation. Il apparaît que les jets continus ne suppriment pas complètement les mécanismes de la séparation mais réduisent leur intensité et les concentrent plus ou moins près de la paroi

L'objectif de cette étude est d'analyser expérimentalement l'interaction entre un tourbillon longitudinal isolé et une couche limite se développant sur un profil portant bi-dimensionnel de type NACA0015 pour des incidences faibles et autour du décrochage statique. Le travail a été réalisé en tunnel hydrodynamique à Reynolds 5 105, le tourbillon est généré en amont par une aile elliptique de section NACA0020. Les campagnes de mesures ont été réalisées par LDV et PIV en ce qui concerne le champ de vitesse et par balance hydrodynamique en ce qui concerne les efforts globaux. Ce type de configuration peut être retrouvé dans les applications de contrôle d'écoulement (par utilisation de générateurs de vortex) ou en hydrodynamique navale dans les interactions « tourbillon d'ogivesafran de gouvernail ». L'originalité de la configuration étudiée réside dans le fait que le vortex est généré hors couche limite, contrairement à la configuration classique du contrôle d'écoulement en aérodynamique, où le vortex est généré à une distance de l'ordre de l'épaisseur de couche limite. Les résultats ont montré que la présence du tourbillon inhibe le phénomène d'hystérésis lors du décrochage statique du profil NACA0015, ceci étant associé à une modification notable des états de couche limite tant en valeur moyenne que fluctuante. En effet, pour les faibles incidences, la présence du tourbillon longitudinal modifie le gradient de pression, retarde de manière globale le décollement de la couche limite en réaccélérant le fluide à la paroi. Pour les incidences plus élevées, on observe un ré-attachement de la couche limite dans la région d'inflow (zone d'apport de fluide rapide à la paroi). La dynamique de cet écoulement est analysée par décomposition orthogonale en modes propres (POD) dans le but de mieux appréhender l'alignement spatial tourbillonnaire dans le sillage des corps mis à grande incidence et contrôlé.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les matériaux cimentaires ont été retenus afin de composer la barrière ouvragée du site français de stockage des déchets nucléaires en formation géologique profonde. Ce choix se justifie par les capacités physico-chimiques propres aux bétons : les hydrates de la matrice cimentaire (CSH) et le pH de sa solution interstitielle contribuent à la rétention des radionucléides ; d'autre part la compacité de ces matériaux limite le transport d'éléments. <br />Il convient de s'assurer de la pérennité de cette structure pendant une durée au moins égale à celle de la vie des déchets (jusqu'à 100 000 ans). Sa durabilité a été éprouvée par l'évolution des propriétés de transfert en fonction de la décalcification de matériaux cimentaires, altération traduisant le vieillissement de l'ouvrage. <br /><br />Deux modes de dégradation ont ainsi été appliqués tenant compte des différentes interactions physico-chimiques induites par la formation hôte. <br /><br />Le premier, de type statique, a consisté en une décalcification accélérée par le nitrate d'ammonium. Il simule l'altération de la barrière ouvragée par les eaux souterraines. La cinétique de la dégradation a été estimée par le suivi du calcium lixivié et l'avancée du front de dissolution de l'hydroxyde de calcium.<br />Pour évaluer l'impact de la décalcification, les échantillons ont été caractérisés à l'état sain puis dégradé, en termes de microstructure (porosité, distribution porosimétrique) et de propriétés de transfert (diffusivité, perméabilité au gaz et à l'eau). <br />L'influence de la nature du liant (CEM I et CEM V/A) et des granulats (calcaires et siliceux) a été observée en répétant les essais sur différentes formulations de mortiers.<br />A cette occasion, une importante réflexion sur la métrologie de cet essai a été menée.<br /><br />Le deuxième mode de dégradation, dynamique, a été réalisé par un perméamètre environnemental. Il recrée les sollicitations subies par l'ouvrage lors de sa phase de resaturation post-fermeture (pression hydraulique imposée par la couche géologique et exothermicité des déchets).<br />Cet appareillage, basé sur le principe d'une cellule triaxiale, a permis de fixer un gradient de pression entre 2 et 10 MPa et une température de 20 à 80°C. La variation de la perméabilité à l'eau en fonction de ces deux paramètres expérimentaux, découplés et couplés, a été mesurée et reliée aux modifications microstructurales des échantillons. <br /><br />Mots clés : décalcification, CEM I, CEM V/A, diffusivité, perméabilité au gaz, perméabilité à l'eau, porosimétrie mercure, dégradation par nitrate d'ammonium, perméamètre environnemental, gradient de pression, température, stockage nucléaire souterrain.

La dynamique des plasmas de fusion par confinement magnétique dans la configuration Reversed Field Pinch (RFP) est ´étudiée en utilisant la description magnétohydrodynamique (MHD) incompressible. Une méthode pseudo-spectrale et une technique de pénalisation en volume sont utilisées pour résoudre le système d’équations dans un cylindre. Les simulations numériques montrent que la pression joue un rôle important dans la dynamique des RFP et ne peut pas être négligée. Ainsi, ß n’est plus le paramètre principal pour décrire la dynamique des RFPs mais plutôt ß’ ∇, un nouveau paramètre qui équivaut le rapport du module de gradient de pression et le module de la force de Lorentz. A un autre niveau, l’effet du changement de la section poloïdale du RFP sur la dynamique est étudié. Les simulations des écoulements RFP ayant le même nombre de Lundquist et des sections différentes (circulaire et elliptique), montrent une grande différence dans les spectres et la diffusion turbulente radiale. Finalement, les écoulements RFP sont utilisés pour étudier l’effet dynamo. Les résultats obtenus montrent que les écoulements RFP sont capables d’amplifier un champ magnétique passif qui aura une tendance à être plus non-linéaire que le champ magnétique du RFP dans les régimes turbulents. / The dynamics of magnetic fusion plasmas in the Reversed Field Pinch (RFP) configuration are studied using an incompressible magnetohydrodynamics (MHD) description. A pseudospectral method combined with a volume penalization method are used to resolve the governing equations in a straight cylinder. Numerical simulations show that the pressure effects on the RFP dynamics cannot be neglected, and thus the _ parameter is not adequate to characterize the importance of pressure in the dynamics. A new parameter, _0r , which is the ratio of the pressure gradient’s magnitude to the Lorentz force’s magnitude, is proposed to be the proper parameter to describe the RFP dynamics. Another investigated influence on the RFP dynamics is the shaping of the poloidal cross-section. Simulations of flows with the same Lundquist number and different cross-sections (circular and elliptic) show a clear change in the spectral behaviour, as well as in the radial turbulent diffusion. Finally, the RFP flows are used to study the dynamo effect. Numerical results show that RFP flows are capable of amplifying a seed magnetic field, which will have tendency to be more nonlinear than the RFP magnetic field in the turbulent regime.

Deux expériences ont été menées sur la plate-forme expérimentale "SCERES" afin d'évaluer les concentrations et les flux de vapeurs de TCE dans SCERES en présence de deux dalles de béton fissurées installées, l'une après l'autre, à la surface de SCERES. Cet aquifère poreux est un milieu hétérogène de grande échelle (25 x 12 x 3 m3). Les résultats ont montré que le panache de vapeur de TCE couvre la plupart du bassin au bout de 3 semaines depuis la création de la zone source de TCE dans le sous sol. L'hétérogénéité du site SCERES a engendrée une distribution verticale non uniforme de la concentration de vapeurs de TCE. La simulation du panache de vapeur dans SCERES a été effectuée au moyen du code de calcul multiphasique "SIMUSCOPP". La présence sur SCERES de la dalle de béton, un milieu peu perméable et peu diffusif, a constitué une "barrière" en vue du transfert de vapeurs de TCE vers l'interface dalle/atmosphère. Afin de mieux quantifier le flux de vapeurs à travers la dalle de béton, une étude de coefficient de diffusion et de perméabilité des deux dalles a été réalisée. Un mouvement vertical ascendant du toit de la nappe a généré un fort gradient de pression motrice de l'air du sol. Ceci a engendré une forte augmentation des flux de vapeurs à l'interface sol/atmosphère. La quantification de ces flux de vapeurs a été effectuée à l'aide d'une solution semi analytique basée sur la loi de Fick et la loi de Darcy en tenant compte à la fois de l'effet de gradient de pression motrice et l'effet de densité de vapeurs sur le transfert de vapeurs vers la surface du sol. L'intrusion de vapeurs de TCE dans le bâtiment modèle, installé sur la dalle de béton, a été générée par une mise en dépression dans ce dernier. Ce qui a fait augmenter la concentration de vapeurs de TCE sous la dalle ainsi dans le bâtiment. La simulation de l'intrusion de vapeurs dans l'air intérieur de bâtiment a été réalisée par l'intermédiaire du code de calcul multiphysics "COMSOL", avec lequel nous avons démontré l'évolution de la concentration de vapeurs obtenues expérimentalement dans le bâtiment et qui dépend directement de la variation spatio-temporelle du flux massique à travers la dalle.

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées. Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire.

Deux expériences ont été menées sur la plate-forme expérimentale "SCERES" afin d'évaluer les concentrations et les flux de vapeurs de TCE dans SCERES en présence de deux dalles de béton fissurées installées, l'une après l'autre, à la surface de SCERES. Cet aquifère poreux est un milieu hétérogène de grande échelle (25 x 12 x 3 m3). Les résultats ont montré que le panache de vapeur de TCE couvre la plupart du bassin au bout de 3 semaines depuis la création de la zone source de TCE dans le sous sol. L'hétérogénéité du site SCERES a engendrée une distribution verticale non uniforme de la concentration de vapeurs de TCE. La simulation du panache de vapeur dans SCERES a été effectuée au moyen du code de calcul multiphasique "SIMUSCOPP". La présence sur SCERES de la dalle de béton, un milieu peu perméable et peu diffusif, a constitué une "barrière" en vue du transfert de vapeurs de TCE vers l'interface dalle/atmosphère. Afin de mieux quantifier le flux de vapeurs à travers la dalle de béton, une étude de coefficient de diffusion et de perméabilité des deux dalles a été réalisée. Un mouvement vertical ascendant du toit de la nappe a généré un fort gradient de pression motrice de l'air du sol. Ceci a engendré une forte augmentation des flux de vapeurs à l'interface sol/atmosphère. La quantification de ces flux de vapeurs a été effectuée à l'aide d'une solution semi analytique basée sur la loi de Fick et la loi de Darcy en tenant compte à la fois de l'effet de gradient de pression motrice et l'effet de densité de vapeurs sur le transfert de vapeurs vers la surface du sol. L'intrusion de vapeurs de TCE dans le bâtiment modèle, installé sur la dalle de béton, a été générée par une mise en dépression dans ce dernier. Ce qui a fait augmenter la concentration de vapeurs de TCE sous la dalle ainsi dans le bâtiment. La simulation de l'intrusion de vapeurs dans l'air intérieur de bâtiment a été réalisée par l'intermédiaire du code de calcul multiphysics "COMSOL", avec lequel nous avons démontré l'évolution de la concentration de vapeurs obtenues expérimentalement dans le bâtiment et qui dépend directement de la variation spatio-temporelle du flux massique à travers la dalle. / Two experiments were conducted on the experimental platform "SCERES" to assess the TCE vapour concentrations and fluxes in SCERES with two concrete slabs installed, one after the other, on the ground surface. This artificial aquifer is a large scale (25 x 12 x 3 m3) heterogeneous porous medium. The results showed that the TCE vapour plume covers most of the basin 3 weeks after the creation of the TCE source area in unsaturated zone. The heterogeneity of SCERES has generated a non uniform vertical distribution of the TCE vapour concentration. Simulation of vapour plume in SCERES was carried out by the multiphase code "SIMUSCOPP".The presence in SCERES of a low permeability and low diffusive medium compared to the sand in the basin,as a concrete slab, constituted a "barrier" for the transfer of TCE vapour to the interface concrete slab / atmosphere. To better quantify the TOE fluxes through the concrete slab, a study of diffusion coefficient and permeability of both concrete slabs was done. An upward vertical movement of the water table has generated a strong soil air pressure driving gradient, which led to a strong increase in the TCE vapour concentrations near the surface which has increased the vapour fluxes at the interface soil / atmosphere. Quantification of vapour fluxes at the interfaces soil / atmosphere and concrete slab / atmosphere was performed using a semi analytical approach based onFick's and Darcy's laws by taking into account both the effect of the driving pressure gradient and the effect of density vapour on the vapour transfer towards the soil surface.The intrusion of TCE vapours into the model building installed on the concrete slab was generated by creating a vacuum. The results showed that, during the TCE vapour suction from the model building, the concentration of TCE vapours under the concrete slab and in the building increases. Simulation of vapour intrusion into indoor air was done by the computational Multiphysics code "COMSOL", allowing simulation of the evolution of the vapour concentration obtained experimentally in the building. Il was shown that they depend directly on the spatial-temporal variation of the mass flux through the slab.