L'objectif de cette thèse est de comprendre la structure des binaires gamma, binaires à collision de vents composées d'une étoile massive et d'un pulsar jeune. Ces binaires possèdent probablement une structure similaire aux binaires à collision de vents composées de deux étoiles massives, avec des particularités liées à la nature relativiste du vent de pulsar. L'interaction de deux vents supersoniques d'étoiles massives crée une structure choquée qui présente des signatures observationnelles du domaine radio aux rayons X. Plusieurs instabilités ainsi que le mouvement orbital des étoiles influent sur la structure choquée. Afin de comprendre leur impact, j'ai effectué des simulations à haute résolution de binaires à collision de vents à l'aide du code hydrodynamique RAMSES. Ces simulations sont numériquement coûteuses à réaliser, surtout lorsque un des vents domine fortement l'autre. A petite échelle, les simulations soulignent l'importance de l'instabilité de couche mince non-linéaire dans les collisions isothermes alors que l'instabilité de Kelvin-Helmholtz peut fortement modifier la structure choquée dans une collision adiabatique. A plus grande échelle, cette instabilité peut parfois détruire la structure spirale à laquelle on s'attend si la différence de vitesse entre les vents est trop importante. WR 104 est une binaire dont on observe la structure spirale grâce à l'émission de poussières. Les simulations de ce système montrent un bon accord avec la structure observée et indiquent que des processus de refroidissement du gaz sont nécessaires à la formation de poussières. Pour modéliser les vents de pulsar dans les binaires gamma, RAMSES a été étendu à l'hydrodynamique relativiste. J'utilise ce nouveau code pour réaliser des simulations préliminaires de binaires gamma. Elles montrent effectivement une structure similaire aux binaires stellaires, avec de légères corrections relativistes . Ce code est adapté à l'étude de divers systèmes astrophysiques tels que les jets relativistes, les sursauts gamma ou les nébuleuses de pulsar et fera partie de la prochaine version de RAMSES qui sera rendue publique.

L'objectif de cette thèse est de comprendre la structure des binaires gamma, binaires à collision de vents composées d'une étoile massive et d'un pulsar jeune. Ces binaires possèdent probablement une structure similaire aux binaires à collision de vents composées de deux étoiles massives, avec des particularités liées à la nature relativiste du vent de pulsar. L'interaction de deux vents supersoniques d'étoiles massives crée une structure choquée qui présente des signatures observationnelles du domaine radio aux rayons X. Plusieurs instabilités ainsi que le mouvement orbital des étoiles influent sur la structure choquée. Afin de comprendre leur impact, j'ai effectué des simulations à haute résolution de binaires à collision de vents à l'aide du code hydrodynamique RAMSES. Ces simulations sont numériquement coûteuses à réaliser, surtout lorsque un des vents domine fortement l'autre. A petite échelle, les simulations soulignent l'importance de l'instabilité de couche mince non-linéaire dans les collisions isothermes alors que l'instabilité de Kelvin-Helmholtz peut fortement modifier la structure choquée dans une collision adiabatique. A plus grande échelle, cette instabilité peut parfois détruire la structure spirale à laquelle on s'attend si la différence de vitesse entre les vents est trop importante. WR 104 est une binaire dont on observe la structure spirale grâce à l'émission de poussières. Les simulations de ce système montrent un bon accord avec la structure observée et indiquent que des processus de refroidissement du gaz sont nécessaires à la formation de poussières. Pour modéliser les vents de pulsar dans les binaires gamma, RAMSES a été étendu à l'hydrodynamique relativiste. J'utilise ce nouveau code pour réaliser des simulations préliminaires de binaires gamma. Elles montrent effectivement une structure similaire aux binaires stellaires, avec de légères corrections relativistes . Ce code est adapté à l'étude de divers systèmes astrophysiques tels que les jets relativistes, les sursauts gamma ou les nébuleuses de pulsar et fera partie de la prochaine version de RAMSES qui sera rendue publique. / The aim of this thesis is to understand the structure of colliding wind binaries composed of a massive star and a young pulsar, called gamma-ray binaries. They are expected to display a similar structure to colliding wind binaries composed of massive stars, with some particularities due to the relativistic nature of the pulsar wind. The interaction of the supersonic winds from massive stars creates a shocked structure with observational signatures from the radio domain to the X-rays. The structure is affected by various instabilities and by the orbital motion of the stars. To understand their impact, I carried out high resolution simulations of colliding wind binaries with the hydrodynamical code RAMSES. They are computationally demanding, especially when one of the winds strongly dominates the other one. Small scale simulations highlight the importance of the Non-linear Thin Shell Instability in isothermal collisions while the Kelvin-Helmholtz instability may strongly impact the dynamics of adiabatic collisions. I found that, at larger scales, this instability can destroy the expected large scale spiral structure when there is an important velocity gradient between the winds. WR 104 is a system that displays a spiral structure with important dust emission. The simulation of this system shows a good agreement with the observed structure and indicates cooling processes are necessary to enable dust formation. To model the pulsar wind in gamma-ray binaries, an extension of RAMSES has been developed, that incorporates relativistic hydrodynamics. I used this new relativistic code to perform preliminary simulations of gamma-ray binaries. They display a similar structure to colliding wind binaries with small relativistic corrections. We expect to use this code to perform large scale simulations of gamma-ray binaries. It will be part of the next public release of RAMSES and is suited for the study of many astrophysical problems such as relativistic jets, pulsar wind nebulae or gamma-ray bursts.

L’utilisation des plantes aquatiques comme indicateurs de la qualité des eaux de rivière a débuté dès le XXème siècle. Parmi les macrophytes utilisés, le myriophylle à fleurs alternes, Myriophyllum alterniflorum a démontré dans plusieurs études sa capacité bioaccumulatrice des métaux et son intérêt en tant que bioindicatrice de qualité de l’eau. L’objectif de cette étude est d’identifier chez cette espèce des biomarqueurs sensibles pour la détection précoce de pollution d’une rivière par un métal, le cuivre et un métalloïde, l’arsenic. Pour atteindre cet objectif, un milieu synthétique dont la composition est représentative de la qualité des eaux de la rivière Vienne, a été préparé (milieu Vienne). Une fois les conditions opératoires maîtrisées, le développement du macrophyte est suivi dans trois milieux : un milieu témoin, un milieu contaminé en cuivre et un autre en arsenic avec des concentrations d’exposition au polluant de 100 µg/L pendant 21 jours. Durant cette période, des biomarqueurs physiologiques (activités respiratoires et photosynthétiques, potentiel osmotique), biochimiques (les concentrations en chlorophylle a, b et en caroténoïdes, les teneurs en malondialdéhyde, les phytochélatines) ont été analysés. Ces suivis ont été réalisés en système fermé dans des boites de culture de 400mL in vitro en tenant compte de la trophie du milieu (condition eutrophe et oligotrophe), puis en système recirculé dans des aquariums de 150 L, toujours dans le milieu Vienne, mais cette fois en se plaçant dans différentes conditions hydrodynamiques (zones turbulente, laminaire à une vitesse de 3 cm/s et calme). / Alternate watermilfoil, Myriophyllum alterniflorum is an aquatic macrophyte presented in the rivers of the Limousin region in France whose potential for bioindication of metal pollution has been demonstrated. The objective of this study is to identify in this species sensitive biomarkers for the early detection of pollution in a river by a metal copper, and a metalloid, arsenic. To achieve this goal, a synthetic medium whose composition is representative of the water quality of the river Vienne, was prepared (Vienne medium). The composition of the medium studied is verified by ICP-MS and ion chromatography (IC). The development of the macrophyte was followed in a control medium, a copper contaminated medium and another contaminated with arsenic at a concentration of 100 µg/L for 21 days. During this period, the respiratory and photosynthetic activities of Myriophyllum alterniflorum, the concentrations of chlorophyll a, b and carotenoids, levels of malondialdehyde, osmotic potential, and phytochelatins were recorded. This monitoring has been made in a closed system (400mL culture boxes) taking into account the trophy of the medium (eutrophic and oligotrophic conditions), and then in a recirculating system (aquariums of 150 L) taking into account the hydrodynamic conditions (turbulent, laminar and quiet areas).

Le rôle des tourbillons anticycloniques dans l'évolution des disques protoplanétaires et, en particulier, dans les mécanismes de formation des planétésimaux, est au coeur des défis actuels de l'astrophysique moderne. C'est pourquoi une étude approfondie de leur structure et de leur dynamique est primordiale.Grâce à un outil numérique spécifiquement développé pour l'étude des disques, nous avons revisité l'Instabilité en Ondes de Rossby dans le régime non linéaire, et découvert l'existence d'une cascade des modes de perturbation qui permet de mieux comprendre la formation des tourbillons par cette instabilité.Leur structure à été décrite par un modèle gaussien innovant, remarquablement en accord avec les résultats numériques. Grâce à un échantillon de près de 300 tourbillons, nous avons borné le domaine des dimensions radiales, azimutales et de la vorticité. Deux familles de tourbillons possibles ont été distinguées : (i) les tourbillons incompressibles, stables et quasi-stationnaires; (ii) les tourbillons compressibles, très mobiles et associés à l'émission d'ondes de densité. Leur persistance sur plus de 1000 rotations confirme l'observabilité de tous ces tourbillons. Enfin, nous avons caractérisé leur migration vers l'étoile en fonction de leur géométrie, du gradient de pression et de l'échelle de hauteur du disque. Pour la première fois, une expression analytique permet d'estimer le taux de migration en fonction de ces paramètres; l'échelle de temps pour tomber sur étoile peut aller de 10^6 à 100 rotations. Suivant un modèle de viscosité alpha, la perte de moment cinétique pourrait être suffisante pour maintenir un taux d'accrétion significatif dans la zone morte. / The role of anticyclonic vortices in the protoplanetary disk evolution and in how do planetesimals form are among the most important chalenges of the modern astrophysics. That is why an exhaustive study of the structure and the evolution of these vortices is necessary.Thanks to a numerical code specificly designed for the study of these disks, we have revisited the Rossby Wave Instability in the nonlinear regime, and have discovered that a cascade of the perturbation modes can explain the formation of the vortices created by this instability.We have described the structure of these Rossby vortices with a new gaussian vortex model, which accurately fits the numerical results. A sample of 300 different vortices led us to define the bondaries of the radial and azimuthal extent as well as the vorticity of the vortices. We have distinguished two main families : (i) the incompressible family, which is stable and quasi stationnary ; (ii) the compressible family, moving and exciting density waves. We found them surviving more than 1000 orbits, a clear confirmation of their observability.Finaly, we have caracterized the inward migration of the vortices as a fonction of their shape, their vorticity, but also of the pressure gradient and the scale height of the disk. For the first time, we exhibit a equation relating the migration rate to these parameters. The time scale of the migration ranges from 10^6 to just 100 rotations of the disk. Extremely steep pressure gradients are needed to reverse the migration to an outward regime. Following the alpha viscosity approch, the loss of kinetic momentum due to this migration would be sufficient to sustain the accretion in the dead zone.

Dans cette thèse, nous nous intéressons essentiellement à trois sujets : les inégalités fonctionnelles à contenu probabiliste, les limites hydrodynamiques pour les systèmes de spins continus en interaction et la discrétisation des équations différentielles stochastiques. Ce document, outre l'introduction, comporte trois parties. La première s'intéresse aux inégalités fonctionnelles, et notamment aux inégalités de Sobolev logarithmiques, pour les mesures canoniques, ainsi qu'aux limites hydrodynamiques pour les systèmes des spins continus. La convergence vers la limite hydrodynamique pour plusieurs variantes du modèle de Ginzburg--Landau équipé de la dynamique de Kawasaki y est obtenue, avec notamment des bornes quantitatives en le nombre de spins. On y étudie également la convergence de l'entropie microscopique vers l'entropie hydrodynamique. La deuxième partie étudie les liens entre flots gradients dans les espaces de mesures de probabilités et grandes déviations pour les suites de lois de solutions d'équations différentielles stochastiques. On y obtient l'équivalence entre le principe de grandes déviations et la Gamma-Convergence d'une suite de fonctionnelles apparaissant dans la formulation en flots gradients du flot de marginales des lois des solutions des équations différentielles stochastiques. Comme application de ce principe, on obtient les grandes déviations par rapport à la limite hydrodynamique pour deux variantes du modèle de Ginzburg--Landau. La troisième partie concerne la discrétisation des équations différentielles stochastiques. On y prouve une inégalité transport-Entropie pour la loi du schéma d'Euler explicite. Cette inégalité implique des bornes sur les intervalles de confiance pour l'estimation de quantités de la forme $\mathbb{E}[f(X_T)]$. On y étudie également l'erreur de discrétisation pour l'évaluation des coefficients de transport avec l'algorithme MALA (qui est une combinaison du schéma d'Euler explicite et de l'algorithme de Metropolis--Hastings). / In this thesis, we are mainly interested in three topics : functional inequalities and their probabilistic aspects, hydrodynamic limits for interacting continuous spin systems and discretizations of stochastic differential equations. This document, in addition to a general introduction (written in French), contains three parts. The first part deals with functional inequalities, especially logarithmic Sobolev inequalities, for canonical ensembles, and with hydrodynamic limits for continuous spin systems. We prove convergence to the hydrodynamic limit for several variants of the Ginzburg--Landau model endowed with Kawasaki dynamics, with quantitative bounds in the number of spins. We also study convergence of the microscopic entropy to its hydrodynamic counterpart. In the second part, we study links between gradient flows in spaces of probability measures and large deviations for sequences of laws of solutions to stochastic differential equations. We show that the large deviations principle is equivalent to the Gamma--Convergence of a sequence of functionals that appear in the gradient flow formulation of the flow of marginals of the laws of the diffusion processes. As an application of this principle, we obtain large deviations from the hydrodynamic limit for two variants of the Ginzburg-Landau model. The third part deals with the discretization of stochastic differential equations. We prove a transport-Entropy inequality for the law of the explicit Euler scheme. This inequality implies bounds on the confidence intervals for quantities of the form $\mathbb{E}[f(X_T)]$. We also study the discretization error for the evaluation of transport coefficients with the Metropolis-Adjusted Langevin algorithm (which is a combination of the explicit Euler scheme and the Metropolis algorithm).

Comprendre la phénoménologie du mélange turbulent de fluides hétérogènes reste à ce jour l'un des défis majeurs dans le domaine de la turbulence. Contrairement à une croyance répandue, la viscosité a une influence non négligeable sur le mélange. Dans cette étude, nous comparons un jet rond à viscosité constante (CVF) avec un jet à viscosité variable (VVF). Les différences dans la naissance et la croissance de la turbulence sont mises en lumière via l'utilisation de statistiques classiques et conditionnées. Le calcul du coefficient d'entraînement nous permet de montrer que, si un processus d'entraînement classique est à l'oeuvre dans le cas CVF, le mélange est assuré par le detrainment dans le cas VVF. Augmenter le nombre de Reynolds conduit à une apparition plus tardive de ce dernier, ainsi que des effets visqueux en général. Ainsi, une meilleure compréhension du mélange à viscosité variable est nécessaire pour, par exemple, améliorer l'efficacité des systèmes de combustion existants. / Understanding the phenomenology associated with heterogeneous mixtures of gases is one of the mort persistent challenges in turbulent mixing. Contrary to what has been thought, it was previously found that viscosity variations have a non-negligible impact on mixing and should be taken into account. In this study, we carry out a comparison between Constant Viscosity Flows (CVF) and Variable Viscosity Flows (VVF), in a round jet. The disparity in the birth and growth of turbulence was highlighted using traditional and conditional statistics. The computation of the entrainment ratio allowed us to conclude that, while a classical entrainment phenomenon is observed for the CVF configuration, the VVF case exhibits a detrainment process. Increasing the Reynolds number leads to a delayed apparition of the latter and of the viscous effects. Thus, a better understanding of the heterogeneous fluid mixing phenomenology is necessary to improve the efficiency of existing combustion systems.

Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, nous présentons une analyse des effets du champ magnétique sur le développement linéaire des instabilités de Richtmyer-Meshkov, en magnétohydrodynamique idéale d'une part, et de Rayleigh-Taylor au front d'ablation, dans les phases d'accélération et de décélération d'autre part.A l'aide d'un code linéaire de perturbation, nos simulations mono mode nous permettent de confirmer, pour l'instabilité de Richtmyer-Meshkov, la stabilisation apportée par la composante du champ magnétique parallèle au vecteur d'onde des perturbations de l'interface, dont l'amplitude oscille au cours du temps. Nous montrons que la prise en compte de la compressibilité n'apporte pas de changements significatifs par rapport au modèle impulsionnel incompressible existant dans la littérature. Dans nos simulations numériques bidimensionnelles, en géométrie plane, de l'instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase d'accélération, nous prenons en compte le phénomène d'auto-génération de champ magnétique induite par cette instabilité. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre des valeurs de champ de l'ordre de quelques teslas et que la croissance de l'amplitude des perturbations transite plus rapidement vers un régime de croissance non-linéaire avec, notamment, un développement accru de la troisième harmonique. Nous proposons également une adaptation d'un modèle existant, étudiant l'effet d'anisotropie de conductivité thermique sur le taux de croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor au front d'ablation, pour tenter de prendre en compte les effets des champs magnétiques auto-générés sur le taux de croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor. Enfin, dans une étude numérique à deux dimensions, en géométrie cylindrique, nous analysons les effets des champs magnétiques auto-générés par l'instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase de décélération. Cette dernière étude révèle l'apparition de champs magnétiques pouvant atteindre plusieurs milliers de teslas sans pour autant affecter le comportement de l'instabilité de Rayleigh-Taylor.

Le phénomène de mouvement collectif est présent parmi beaucoup de systèmes biologiques comme dans les volées d'oiseaux ou des bancs de poissons. Dans ces systèmes, le mouvement collectif apparait sans aucun leader ni force extérieure et est exclusivement dû à l'interaction parmi les individus et à la nature hors-équilibre de tout le système. Nous voulons étudier des modèles simples de mouvement collectif afin d'établir des classes d'universalité parmi la matière active sèche, c'est-à-dire des individus interagissant sans l'aide d'un fluide. Beaucoup de ces systèmes ont déjà été étudiés microscopiquement. Nous voulons obtenir des équations hydrodynamiques de ces systèmes pour confirmer les résultats microscopiques et pour prédire des propriétés nouvelles. Nous effectuons une dérivation d'équations hydrodynamiques en utilisant l'approche Boltzmann-Ginzburg-Landau introduit dans cette thèse. Quatre modèles de type Vicsek sont considérés. Un modèle polaire simple identique au modèle de Vicsek, un modèle mixte avec des particules polaires avec interactions nématiques, un modèle avec des particules polaires et interactions nématiques et finalement un modèle avec des particules polaires avec des interactions non-métriques. Dans chaque cas les équations obtenues sont étudiées de façon analytique et numérique. Nous trouvons que les équations obtenues reproduisent de façon fidèles les propriétés qualitatives des modèles microscopiques considérées, comme les différentes phases observées et la nature de transition entre ces phases. Dans certains cas des phases nouvelles sont trouvées, qui n'ont pas été reportées auparavant dans les modèles microscopiques. Beaucoup d'entre elles ont été confirmées a posteriori dans les simulations numériques de ces modèles.

Pour améliorer les performances des robots sous marins, l’une des approches poursuivie par les roboticiens, appelée biomimétisme, consiste à imiter ou à s’inspirer des systèmes vivants pour concevoir des robots de nouvelle génération. C’est dans ce contexte que s’est récemment déroulé un projet européen nommé ANGELS, dont l’objectif est la réalisation d’un robot bio-inspiré de l’anguille. Ce travail expérimental s’inscrit dans ce projet et est consacré à l’étude de la nage du robot. Les expériences ont été réalisées dans un canal hydraulique conçu pour cette étude. Dans un premier temps, nous avons caractérisé par traitement d’images les allures (i.e. les lois de déformation du corps) adoptées par une anguille nageant soit dans un écoulement uniforme frontal ou dans un courant traversier. Cette étude a donné lieu à l’établissement d’un modèle mathématique corrélatif de la déformation du corps de l’anguille dans ces conditions de nage. Dans un second temps, afin d’étudier les effets de la déformation du corps sur l’écoulement latéral, produit lors de la nage, des expériences par PIV ont été réalisées sur différents modèles de cylindres elliptiques rigides. Ces résultats nous ont permis de mieux comprendre et de valider une approche théorique permettant de calculer la force de propulsion en réponse à la loi de déformation du corps. Enfin, des expériences portant sur la nage anguilliforme dans un écoulement de type allée de von-Kàrmàn ont été réalisées en vue d’étudier les interactions hydrodynamiques et en particulier les mécanismes d’extraction de l’énergie de l’écoulement incident. Ces expériences ont été réalisées avec une anguille et un robot anguilliforme. Les expériences menées sur le robot montrent que pour une même loi de déformation du corps, la force de propulsion générée, en comparaison avec le cas de l’écoulement uniforme, peut sous certaines conditions être augmentée de près de 30 ont, quant à elles, permis de mettre clairement en évidence une modification de l’allure de nage de l’anguille lorsqu’elle est placée dans une allée de von-Kàrmàn. L’analyse qualitative de cette nouvelle allure nous a conduit à proposer un mode particulier d’extraction d’énergie de l’écoulement. / In order to improve the performance of the submarine robots, the robotics community has been considered a new approach known as the biomimetic. It consist on the study of a living systems such, fish, to design and construct a bio-inspired robot. In this context, recently was took place an European project called ANGELS, in which the objective is to design and construct a fish-like robot inspired from the swimming of the eel. This thesis takes place in this project and is dedicate to the study of the swimming of the robot. Experiments were carried out in a hydrodynamic test bed designed and entirely set up for this study. At first,the kinematic shapes (i.e. deformation of the body) adopted by living eel during its swimming against or slantwise a uniform flow, were characterized by mean ofan image processing analysis technique. This study has allowed the establishing of a mathematical correlative model, describing the deformation of the eel’s body in these swimming conditions. Secondly, we studied the effects of the body’s deformation on the lateral flow produced during swimming. PIV experiences were carried out on different elliptic cylinder shapes. These experiments have allowed the understanding and the validation of a theoretical approach, concerning the swimming dynamic of the fish, used to obtain the propulsion force produced in reply of the body deformation during swimming. Finally, experiments were carried out during the anguilliform swimming in a non-uniform flow such as, avon-Kàrmàn vortex street. The goal was to study the hydrodynamics interactions and in particular the mechanisms of the exploited vortices adopted by fish. These experiences were realized on the swimming of a living eel and an anguilliform robot. Experiments led on the robot show that under certain conditions, the propulsive force of the robot swimming in a von-Kàrmàn vortex street can be increased of about 30 comparison to its swimming in a uniform flow. Experiments with eel have allowed the highlighting of a particular shape of its body deformation formed when it’s swimming in a reverse von-Kàrmàn vortex street. The qualitative analysis realized on this kinematic observation led us to propose a mechanism adopted by the eel to exploited energy from altered flow.

Les simulations des écoulements diphasiques à l’échelle réelle de l’application nécessitent des modèles pour les termes non fermés des équations macroscopiques. Des simulations numériques directes à particule résolue utilisant la méthode de pénalisation visqueuse ont été réalisées afin de mesurer les interactions entre des particules de différentes formes (sphérique et ellipsoïdale) et le fluide porteur à différents régimes d'écoulement (de stokes à l'inertiel). Deux méthodes ont été développées durant cette thèse afin d'extraire les forces hydrodynamiques ainsi que le transfert de chaleur sur les frontières immergées représentant les particules. Plusieurs validations ont été conduites pour différentes configurations de particules : de la simulation d’une particule isolée à un réseau aléatoire de sphères en passant par réseau cubique face centrée de sphères. Une corrélation du nombre de Nusselt est proposée pour un sphéroïde allongé plongé dans un écoulement uniforme. / The simulations of multiphase flows at real application scale need models for unclosed terms in macroscopic equations. Particle-Resolved Direct Numerical Simulations using Viscous Penalty Method have been carried out to quantify the interactions between particles of different shapes (spheres, ellipsoids) and the carrier fluid at different regimes (from Stokes to inertial). Two methods have been developed to extract hydrodynamic forcesand heat transfers on immersed boundaries representing the particles. Validations have been conducted for various configuration of particles: from an isolated sphere and spheroid to Face-Centered Cubic to a random arrangement of spheres. A correlation of the Nusselt number for an isolated prolate spheroid past by a uniform flow is proposed.