Cette thèse est dédiée à l'étude d'ondes non linéaires dans des écoulements en rotation. Dans une première partie, je me suis intéressé aux ondes de Rossby apparaissant par instabilités de thermoconvection dans une coquille sphérique en rotation représentant un modèle simplifié de noyau planétaire tellurique, et ce pour deux types de forçage: un chauffage interne correspondant à une activité radioactive du noyau et un chauffage différentiel lié à la différence de température entre les frontières interne et externe. Selon le théorème de Proudman-Taylor, l'écoulement possède une faible dépendance en la coordonnée axiale à cause de la rotation rapide. Cela permet de simplifier les modèles 3D en des modèles quasi géostrophiques 2D reposant sur une intégration axiale. Cette thèse présente la première comparaison systématique entre modèles 2D et 3D (Simitev, U-Glasgow) concernant des ondes de Rossby faiblement non linéaires. En 2D l'équation de Landau régissant l'amplitude de l'onde critique est calculée; l'amplitude de la convection et celle des écoulements zonaux ainsi prédites se comparent assez bien aux résultats 3D. L'existence d'une bifurcation sous-critique est établie à très bas nombre d'Ekman en chauffage interne et en chauffage différentiel, à condition dans ce dernier cas que le nombre de Prandtl soit petit. La seconde partie est une étude expérimentale de l'écoulement d'eau et de ses premières instabilités dans un canal annulaire creusé dans un plateau éventuellement en rotation surmonté d'un couvercle tournant. Trois cas sont étudiés: le cisaillement pur correspondant à la rotation du couvercle seul, la corotation rapide et la contrarotation pure. Le seuil d'instabilité détecté par mesures globales (visualisations par caméra vidéo) et locales par Vélocimétrie Laser Doppler se caractérise par des ondes spiralées. Dans le cas de la contrarotation pure, des structures localisées dans l'espace-temps peuvent coexister avec les ondes. Une comparaison est effectuée avec des calculs numériques (Serre, CNRS-Marseille). Un accord relativement bon est obtenu pour l'écoulement de base (vitesse azimutale) et la première instabilité (nombre de Reynolds, nombre d'onde et fréquence angulaire critiques) / A first part is devoted to the study of the Rossby waves that appear in a rotating spherical shell representing the core of a terrestrial planet by thermal instabilities for two heating types. Internal heating is driven by radioactive sources and differential heating is driven by a difference of temperature between the internal and external frontiers. According to the Proudman-Taylor theorem, the flow depends only weakly on the axial coordinate because of the high rotation rate. Thus the 3D models can be simplified into quasi-geostrophic 2D models \textit{via} an axial integration. I present the first systematic comparison between 2D and 3D models (Simitev, U-Glasgow) for weakly nonlinear Rossby waves. In 2D the Landau equation that controls the amplitude of the critical wave is calculated. Predicted convection' amplitude and zonal flows agree rather well with the 3D results. The existence of a subcritical bifurcation is established at very low Ekman numbers with internal and differential heating; in this latter case, the Prandtl number also has to be small for the bifurcation to be subcritical. The second part is an experimental study of water flows and its first instabilities in an annular channel digged in a plate which may rotate, and which is sheared by a rotating lid. Three cases are studied: a pure shear where only the lid turns, a rapid corotation and a pure contrarotation. The onset of instability is studied with global measurements (using a video camera) and local ones (Laser Doppler Anemometry) and is characterized by spiralling waves. In the case of contrarotation, patterns localized in space and time may coexist with the waves. The comparison of these results with numerical ones (Serre, CNRS-Marseille) is done and shows a rather good agreement for the basic azimutal flow and the first instability (critical Reynolds number, wavenumber and angular frequency)

This thesis provides a numerical and theoretical investigation of transitional and turbulent enclosed rotating flows, with a focus on the formation of macroscopic coherent flow structures. The underlying processes are strongly threedimensional due to the presence of boundary layers on the discs and on the walls of the outer (resp. inner) cylindrical shroud (resp. shaft). The complexity of these flows poses a great challenge in fundamental research however the present work is also of importance for industrial rotating machinery, from hard-drives to space engines turbopumps - the design issues of the latter being behind the motivation for this thesis. The present work consists of two major investigations. First, industrial cavities are modeled by smooth rotor/stator cavities and therein the dominant flow dynamics is investigated. For the experimental campaigns on industrial machinery revealed dangerous unsteady phenomena within the cavities, the emphasis is put on the reproduction and monitoring of unsteady pressure fluctuations within the smooth cavities. Then, the LES of three configurations of real industrial turbines are conducted to study in situ the pressure fluctuations and apply the diagnostics already vetted on academic problems.

On calcule les amplifications d’énergie optimales de structures quasi longitudinales dans le sillage d’un corps épais axisymétrique à culot droit et dans une couche de mélange parallèle. Les amplifications d'énergie sont seulement modérées dans le sillage du corps axisymétrique tandis qu'elles sont grandes dans la couche de mélange. Les amplifications maximales augmentent avec le nombre de Reynolds et lorsque le nombre d’onde transverse (azimutal) décroît. Les structures amplifiées optimalement sont des stries longitudinales. Lorsqu’elles sont forcées à amplitudes finies, les stries optimales réduisent considérablement l’instationnarité du sillage du corps épais axisymétrique. Pour des nombres de Reynolds modérés, l’instationnarité du sillage peut être complètement supprimée si le forçage optimal est combiné avec un soufflage au culot uniforme. Dans le cas de la couche de mélange 2D, le taux de croissance maximal de l'instabilité de KelvinHelmholtz et le ratio de vitesse critique d'apparition de l'instabilité absolue peuvent être soit réduits soit augmentés en fonction des symétries des stries forcées. Dans ce cas, on montre que la déformation non linéaire moyenne doit être incluse dans l'analyse de sensibilité de l'instabilité et que cela n'influe pas sur la dépendance quadratique par rapport à l'amplitude des stries. / Optimal energy amplifications of quasi-streamwise structures are computed in the wake of a bluntbased axisymmetric bluff body and in a parallel mixing layer. Only moderate energy amplifications are observed in the wake of the axisymmetric body while they are large in the mixing layer. The maximum amplifications increase with the Reynolds number and with decreasing spanwise (azimuthal) wavenumbers. The optimally amplified structures are streamwise streaks. When forced with finite amplitudes, optimal streaks greatly reduce the unsteadiness in the wake of the axisymmetric bluff body. At moderate Reynolds numbers the wake unsteadiness can be completely suppressed if the optimal forcing is combined with uniform base bleed. In the case of the 2D mixing layer, the maximum growth rate of the Kelvin-Helmholtz instability and the critical velocity ratio for the onset of the absolute instability can be either reduced or increased depending on the symmetries of the forced streaks. It is shown that in this case the nonlinear mean flow distortion must be included in the sensitivity analysis of the instability and that this inclusion preserves the quadratic dependence on the streaks amplitude.

Cette thèse est consacrée à l’étude en microfluidique de la fabrication de fibres. Les deux étapes critiques sont : - la mise en forme du matériau : nous avons étudié des instabilités qui peuvent se déclencher dans des coécoulements coeur/écorce faisant intervenir des fluides complexes (polymères, suspensions concentrées), celles-ci peuvent empêcher un contrôle de cette étape ; - le figeage de cette forme : nous avons étudié la gélification de l’alginate (un biopolymère formant un gel par l’ajout d’ions calcium) sous écoulement. Nous avons étudié des phénomènes de diffusion-réaction sous écoulement pour comprendre les points de fonctionnement de nos dispositifs. Une fois ces étapes contrôlées, nous nous sommes intéressés à la fabrication des fibres d’alginates fortement chargées en cellules pour l’ingénierie tissulaire. / Abstract

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The aerodynamic performance of lifting surfaces operating at low Reynolds number conditions is impaired by laminar separation. Understanding of the physical mechanisms and hydrodynamic instabilities that are associated with laminar separation and the formation of laminar separation bubbles (LSBs) is key for the design and development of effective and efficient active flow control (AFC) devices. For the present work, laminar separation and its control were investigated numerically by employing highly-accurate direct numerical simulations (DNS).For a LSB on a curved plate, the primary and secondary instability of the uncontrolled flow were investigated. An inviscid Kelvin-Helmholtz (KH) instability was found to be responsible for the shedding of predominantly two-dimensional (2D) vortices. The onset of transition was caused by temporally-growing three-dimensional (3D) disturbances inside the separated region, which were supported by elliptical and hyperbolic secondary instabilities. The hyperbolic instability was demonstrated to be of absolute/global nature. High-amplitude forcing using pulsed vortex generator jets and 2D time-periodic blowing was found to exploit the KH instability and lead to a significant reduction in bubble size. In addition, the 2D forcing was found to suppress the secondary instabilities such that transition to turbulence was delayed.The role of free-stream turbulence (FST) in the transition process was investigated for a LSB on a flat plate. FST was shown to cause the formation of streamwise-elongated streaks inside the boundary layer. For the uncontrolled LSB, increasing the FST levels led to accelerated transition and a reduction in bubble size. The stage of linear disturbance growth due to the inviscid KH instability was not ``bypassed''. Flow control by means of 2D periodic excitation was found to remain effective, since it could exploit the KH instability and suppress secondary absolute instabilities. Transition was initiated by an interaction of the 2D wave introduced by the forcing and the streamwise boundary-layer streaks. The interaction led to a spanwise modulation of the 2D wave, which was amplified due to a convective elliptical instability.

Ce manuscrit présente une étude couplée, numérique et théorique, portant sur les écoulements tournants transitionnels et turbulents. L'accent y est mis sur la formation de structures macroscopiques cohérentes au sein de l'écoulement, générées par des procédés rendus fortement tri-dimensionnels par la présence des couches limites sur les disques et le long des parois cylindriques extérieure (carter) et/ou intérieure (moyeu). La complexité de ces écoulements pose de véritables difficultés en recherche fondamentale mais les résultats de ces travaux ont aussi une importance non négligeable pour les machines industrielles tournantes, depuis les disque-durs jusqu'aux turbopompes spatiales, la conception de ces dernières étant la motivation première pour ces travaux de thèse. Ce travail peut être divisé en deux sous-parties. Dans un premier temps, les cavités industrielles sont modélisées par de simples cavités rotor/stator lisses pour y étudier la dynamique de l'écoulement. Comme les campagnes expérimentales sur les machines industrielles ont révélé de dangereux phénomènes instationnaires en leur sein, l'accent est mis sur l'obtention et l'étude des fluctuations de pression dans les écoulements modèles. Ensuite, les SGE de trois configurations de turbine industrielle réelle sont réalisées pour étudier les fluctuations de pression in situ et appliquer les diagnostiques éprouvés sur les géométries modèles. / This thesis provides a numerical and theoretical investigation of transitional and turbulent enclosed rotating flows, with a focus on the formation of macroscopic coherent flow structures. The underlying processes are strongly threedimensional due to the presence of boundary layers on the discs and on the walls of the outer (resp. inner) cylindrical shroud (resp. shaft). The complexity of these flows poses a great challenge in fundamental research however the present work is also of importance for industrial rotating machinery, from hard-drives to space engines turbopumps - the design issues of the latter being behind the motivation for this thesis. The present work consists of two major investigations. First, industrial cavities are modeled by smooth rotor/stator cavities and therein the dominant flow dynamics is investigated. For the experimental campaigns on industrial machinery revealed dangerous unsteady phenomena within the cavities, the emphasis is put on the reproduction and monitoring of unsteady pressure fluctuations within the smooth cavities. Then, the LES of three configurations of real industrial turbines are conducted to study in situ the pressure fluctuations and apply the diagnostics already vetted on academic problems.

A computational and experimental study of the Richtmyer-Meshkov instability is presented here for an inclined interface perturbation. The computational work is composed of simulation studies of the inclined interface RMI performed using the Arbitrary Lagrange Eulerian (ALE) code called ARES. These simulations covered a wide range of Mach numbers (1.2 to 3.5), gas pairs (Atwood numbers 0.23to 0.95), inclination angles (30° to 85°), and explored various perturbation types (both inclined interface and sinusoidal). The computational work included the first parametric study of the inclined interface RMI. This study yielded the first scaling method for the inclined interface RMI mixing width growth rates. It was extended to explore the effect of perturbation linearity and identified that a sharp transition in growth regimes occurs for an initial perturbation inclination angle of 75° with angles below (above) this growing faster (slower). Finally a study of the effects of incident shock strength on the refracted shock wave perturbation decay rate is presented. This study examined how the perturbations induced on the transmitted shock front by the RMI decay with time and found that the decay rates follow a power law model, Alpha=Beta∗S^(Epsilon). When the coefficients from the power law decay model were plotted versus Mach number, a distinct transition region was found which is likely a result of the post-shock heavy gas velocity transitioning from the subsonic to supersonic range. The experimental portion of this work was conducted using the TAMUFMSTF, completed in May of 2012. This facility uses a variable inclination shock tube, with a modular construction design for incident shock strengths of up to Mach 3.0. It employs optical systems for measuring density and velocity fields simultaneously using the planar laser induced fluorescence and particle imaging velocimetry techniques. The design and construction of this facility is reviewed in detail in chapter 4 of this work. The initial experiments performed in the TAMUFMSTF provided the first known extensive experimental data for an inclined interface RMI. Planar laser Mie scattering images and velocity vectors were obtained for a N_(2)/CO_(2) interface at a 60° inclination angle and an incident shock strength of Mach 1.55. These images have been compared with simulations made using the ARES codes and have been shown to have some distinct differences. Some of these differences indicate that the initial conditions in the experiments deviate from the ideal planar interface. Other differences have revealed features which have not been resolved by the simulations due to resolution limitations.

Cette thèse traite des instabilités hydrodynamiques survenant dans les ligaments liquides en présence d’écoulement axial, afin de comprendre la formation des gouttes lors des processus d’atomisation. Il a été montré par des études précédentes que tout processus d’atomisation passe par l’étape de la formation des ligaments, qui se déstabilisent en gouttelettes. Le processus de fragmentation des ligaments est régi par deux instabilités : l’instabilité de Rayleigh-Plateau lorsque le ligament est infini, le phénomène du « end pinching », lorsque le ligament est semi-infini. Dans les deux cas le mécanisme responsable du pincement du ligament est la capillarité. Dans cette thèse, nous avons montré que, sous certaines conditions, le pincement du ligament peut être retardé ou évité : c’est le phénomène d’évitement de l’étranglement. Une exploration détaillée de la zone de constriction du ligament (là où le rayon est minimal), révèle des effets non linéaires liés à la viscosité du fluide : la couche visqueuse se développe, s’enroule puis décolle de l’interface sous forme de jet, en aval du cou avec formation d’anneau tourbillonnaire. L’écoulement dans cette zone du ligament est soumis à une accélération axiale correspondant à une baisse de la pression : c’est l’effet Venturi. Ce type d’écoulement a été étudié à travers l’instabilité du pont capillaire entre deux tubes, soumis à un écoulement axial. Tout au long de ces travaux, deux approches ont été utilisées : les simulations numériques et des observations expérimentales. L’essentiel des résultats présentés a fait l’objet de publication ou d’une soumission d’article. / This thesis deals with the hydrodynamic instabilities which occur in a liquid ligament in presence of axial flow. We investigate the formation of drops during the atomization process. Previous studies highlighted a common step to all types of atomization processes: the initial formation of the ligament which later evolves into droplets. The ligaments fragmentation process is governed by two possible instabilities: the “Rayleigh-Plateau” instability which is characteristic of an infinite ligament and the “end-pinching” phenomenon, which occurs in semi-infinite ligaments. In both cases, capillarity is the driving mechanism underlying the ligament segmentation. In this thesis we show that, under certain conditions, the liquid ligament can surprisingly escape from pinch-off through creation of a vortex ring (“escape phenomenon”). A detailed analysis of the constriction zone (neck of the ligament) during the “escape phenomenon” suggested that nonlinear effects associated to fluid viscosity might play an important role in the escape process. Both our experimental observations and numerical results confirmed the occurrence of the detachment of the viscous layer into a jet downstream of the neck through creation of a vortex ring, when fluid viscosity exceeds a threshold. Accordingly, the fluid in the constriction zone undergoes an axial acceleration associated to a decrease in the pressure: this is the so-called “Venturi effect”. This type of flow is characteristic of the instability which emerges at the capillary bridge between two tubes subjected to axial flow. Part of the results obtained were the subject of a publication or article submission.

Les écoulements biphasiques en milieux poreux sont généralement accompagnés par des phénomènes d'émulsification d'une phase dans l'autre. Les causes peuvent être nombreuses, de la digitation visqueuse aux instabilités purement capillaires. Cette thèse expérimentale a pour objet l'étude d'un mécanisme particulier d'émulsification de l'huile en milieu poreux, ainsi que le transport des gouttes produites dans des milieux confinés. Dans la première partie de cette thèse, l'instabilité gravito-capillaire de Rayleigh-Taylor est revisitée dans un coin formé entre deux plaques de verre centimétriques. La présence d'un gradient de confinement introduit une force capillaire supplémentaire à cette instabilité canonique, susceptible de stabiliser une couche de liquide suspendue au-dessus du vide. Le seuil de stabilité, les longueurs d'onde caractéristiques et les taux de croissance sont bien modélisés par une analyse de stabilité linéaire de l'interface. La caractérisation de cette force capillaire induite par le gradient de confinement nous amène par la suite à l'étude d'une instabilité purement capillaire se produisant lorsqu'un fluide en mouillage très favorable migre vers les régions les plus confinées d'un coin, occupées initialement par un fluide en mouillage moins favorable. Le gradient de confinement introduit alors une force déstabilisante, aboutissant à l'inversion de la position respective des deux phases. Le liquide le moins mouillant est complètement émulsifié et transporté vers les régions les moins confinées sous la forme de gouttelettes. Une analyse de stabilité linéaire de l'interface permet, là encore, de prédire cette sélection de taille. Les taux de croissance mesurés ne sont en revanche pas en accord avec la modélisation, basée sur la loi de Darcy. Leur valeur suggère une localisation de la dissipation visqueuse dans les lignes de contact déplacées durant le développement de l'instabilité, ainsi que dans les films de lubrification également déposés. Ces dynamiques "non-darciennes" nous ont amenés dans une seconde partie de la thèse à l'étude du transport de gouttes d'huile très visqueuses confinées dans de l'eau en mouillage total. Dans cette configuration, la présence de films de lubrification d'eau entre la goutte et le substrat assure la localisation de la dissipation dans les films peu visqueux, favorisant ainsi la mobilité des gouttes. Nous montrons également que la présence de rugosités sur les parois du confinement induit un ralentissement significatif de la vitesse des gouttes, lié à l'amincissement du film de lubrification par ces rugosités. L'interdépendance subtile entre friction visqueuse à l'avant de la goutte et dans son volume est notamment mise en lumière. Dans une dernière partie, nous étudions l'instabilité capillaire se produisant lorsqu'une goutte binaire d'eau et d'alcool est déposée à la surface d'un bain d'huile. L'évaporation majoritaire de l'alcool à la surface de la goutte induit des variations locales de la tension de surface. Des écoulements interfaciaux de Marangoni se produisent, et aboutissent à la déstabilisation spectaculaire de la goutte en étalement. / Biphasic flows in porous media generally lead to the emulsification of one phase into the other. This may be due to several phenomena, such as viscous fingering or pure capillary instabilities. In this experimental thesis, we study a particular emulsifying phenomenon of oil in a model porous medium, as well as the transport of the produced droplets in confined regions. In the first part of the manuscript, the Rayleigh-Taylor instability is revisited in a wedge formed between two centimetric glass plates. The gradient of confinement leads to a capillary force not present in the canonical Rayleigh-Taylor instability. This new force can stabilize liquid layer above air submitted to gravity. The threshold of the instability, the characteristic wavelength and the growth rate are captured by a linear stability analysis of the interface. This characterization of the confinement-induced capillary force drove us to the study of a pure capillary instability occurring when a wetting liquid migrates toward the most confined regions of a wedge, initially filled with a less wetting liquid. The gradient of confinement generates a destabilizing force, leading to the complete inversion of the position of both phases. The less wetting liquid is fully emulsified and the produced droplets are convected towards the less confined regions. A linear stability analysis of the interface here again predicts the characteristic size of the droplets. However, the measured growth rates are not in agreement with the model, based on the Darcy law. This suggests a localization of viscous dissipation in the contact lines displaced during the development of the instability. Another source of viscous dissipation can be in the deposited lubrication films. Those "non-Darcian" dynamics motivated the second part of this thesis, which focuses on the motion of very viscous and non-wetting droplets confined in water. In this configuration, the lubrication film of water between the drop and the substrate ensures the localization of viscous dissipation in those films of low viscosity. This favors the extremely high mobility of the droplets. We also show that wall roughness may induce a thinning of these lubrication films. We shed light on the intricate coupling between viscous friction at the front of the drop and in its bulk. In a last part of this work, we study the capillary instability occurring when a binary droplet of water and alcohol is deposited at the surface of a vegetable oil bath. The dominant evaporation of alcohol at the surface of the drop induces local variations of surface tension. Interfacial Marangoni flows are thus observed, leading to the spectacular destabilization of the spreading droplet