Cette thèse est centrée sur le développement d’outils expérimentaux permettant de mieux caractériser l’étude du couplage entre l’évaporation de gouttelettes et un écoulement turbulent gazeux environnant. Dans notre étude on cherche à se placer dans un régime de couplage fort entre les gouttelettes évaporantes et la turbulence. Dans ce régime peu renseigné dans la littérature, les gouttelettes se trouvent dans un régime intermédiaire entre le régime de traceur et le régime inertiel. Dans un premier temps nous présentons un dispositif expérimental capable de générer une turbulence homogène isotrope avec de fortes fluctuations de vitesse, ainsi que la réalisation de l’injection de gouttelettes initialement monodisperses. Puis, l’instrumentation Lagrangienne développée (en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de St Etienne) : l’holographie numérique en ligne, est ensuite testée et validée pour un fluide non évaporant. Une méthode de tracking des gouttelettes a été mise au point afin de reconstruire les trajectoires des gouttelettes dans le volume turbulent homogène isotrope. La précision obtenue sur les diamètres (2% pour des gouttes de 60 μm) vient complètement valider cette métrologie pour l’étude de l’évaporation. Les premiers résultats obtenus avec des gouttelettes évaporantes de fréon R114 font apparaître la visualisation, à notre connaissance inédite, des sillages évaporants. Une première reconstruction de trajectoire avec l’évolution du diamètre de la goutte au cours du temps est enfin présentée. / This experimental thesis is based on the developpement of experimental tools in order to better understand the coupling between evaporation process and turbulent flow. Our studies focuses on evaporating droplets with strong interaction with turbulent flow, i.e. droplets between fluid particles behaviour and inertial behaviour. This pecular situation is hardly studied regarding to scientific litterature. We first present experimental set up generating homogeneous isotropic turbulence with high Reynolds number and strong fluctuations. Then we present injection process of initially monodisperse droplets in the turbulent flow. Lagrangian instrumentation consists of the use of digital in-line holography (in collaboration with Laboratoire Hubert Curien à St Etienne). This metrology is definitely validated regarding to the accuracy on the droplet diameter measurements. Tracking algorithm is then proposed in order to reconstruct Lagrangian droplet trajectories. First results obtained with evaporating droplets are finally presented like evaporating trails, and time evolution of the diameter of a freon droplet.

Ce travail de thèse vise à améliorer la compréhension du mécanisme de transport des parcelles d'air nuageuses dans la tropopause tropicale (TTL). Les sommets des nuages convectifs profonds sont déterminés à partir des données de température de brillance CLAUS. Un bon accord statistique entre les trajectoires, intégrées en avant et en arrière dans le temps entre ces sommets et la surface 380K, a été obtenu entre 2005 et 2008. La contribution verticale des sources convectives et les temps de transit associés à chaque sous-régions tropicales ont été quantifiés. Tout au long de l'année, environ 85% des parcelles tropicales à 380K proviennent d'un sommet de nuage convectif. De novembre à avril, les sources de la warm pool prédominent et contribuent jusqu'à 70% du flux de masse ascendant. Durant l'été, la région de la mousson asiatique est le plus grand contributeur. Les régions océaniques et continentales asiatiques contribuent similairement mais les propriétés de transit diffèrent significativement. Le plateau Tibétain, faible contributeur, est la région pour laquelle l'impact de la convection à 380K est la plus importante. Les différences de taux de chauffage entre les réanalyses impacte le transport. Les propriétés de transit sont très largement expliquées par un simple modèle régional unidimensionnel soulignant l'importance de la proximité du niveau de chauffage radiatif nul. / This work aims to improve understanding of the cloudy air transport mechanism in the tropical tropopause layer (TTL). Deep convective clouds tops are determined from brightness temperature provided by CLAUS dataset. A good statistical agreement is obtained over the period 2005-2008, between forward and backward trajectories, integrated between these clouds tops and the 380K surface. This agreement allowed to quantify the vertical contribution of convective sources and their transit time for each tropical sub-regions. Throughout the year, about 85% of the tropical parcels at 380K originate from convective sources. From November to April, the warm pool sources dominate and account for up to 70% of the upward flux. During summer, Asian monsoon region is the largest contributor with similar contributions from oceanic regions and Asian mainland. However, the transit properties differ significantly. The Tibetan plateau, although a minor contributor, is the region with the highest impact of convection at 380K. The differences in heating rates between reanalysis impact the transport.Transit properties can be largely explained by a simple one-dimensional regional model emphasizing the importance of proximity of the level of zero radiative heating rate.

Lors de cette thèse nous avons étudié le phénomène de convection thermique turbulente. La compréhension des mécanismes du flux thermique induit est encore un défi. Dans cette optique, deux approches innovantes ont été utilisées. La première a consisté en une approche Lagrangienne. Dans un premier temps, nous avons immergé une particule instrumentée munie de capteurs de température. Sa vitesse a été mesurée simultanément afin de calculer le flux thermique local transporté. En comparant les mesures effectuées à des simulations numériques et à des mesures Eulériennes, la pertinence de cette méthode a été révélée. Nous avons ensuite ensemencé l'écoulement avec des particules de diamètre inférieur à l'échelle dissipative du système. Nous avons alors pu effectuer les suivre en 3D et nous intéresser aux statistiques turbulentes, ainsi qu'à la dispersion de paires. Nous avons ensuite étudié une configuration où la plaque du bas comporte des rugosités contrôlées. Il est reconnu que cela amène une augmentation du transfert thermique supérieure à celle reliée à l'augmentation de surface. Nous avons mis en évidence des mécanismes possibles qui expliquent ce phénomène. Des mesures thermométriques dans une cellule remplie d'eau ainsi que des mesures vélocimétriques dans une cellule six fois plus grande remplie d'air ont permis d'observer un changement radical de la structure des couches limites au voisinage des rugosités, notamment l'apparition d'une couche limite turbulente. Ces mesures ont été accompagnées de mesures de vitesse de l'écoulement global qui ont révélé une augmentation drastique des fluctuations de vitesse ainsi que l'apparition d'un nouveau régime de turbulence. / In this work, turbulent thermal convection is studied. Undestanding the mechanisms of induced thermal flux is still a challenge. In this context we used two innovative approaches.The first one consists in a Lagrangian approach. An instrumented particle, designed for temperature measurements, is immersed in the flow. The simultaneous measurement of the temperature view from the particle and its velocity allowsto obtain local Lagrangian heat flux. By comparing these measurements with numerical simulation and Eulerian investigations we can assert the relevance of this method. Then we seeded the flow with particles whose diameter is smaller than the dissipative scale of the system. We performed 3D tracking to access to turbulent statistics and pair dipersion.On the other hand we study a configuration with controlled roughness on the bottom plate. It is well-known that it leads to thermal flux enhancement higher than the one linked to the surface increasing. We bring out possible mechanisms to explain this phenomenon. Thermometric measurements in water-filled cell and anemometric measurements in a six-time larger air-filled cell point out a dramatic change of the boundary layers structure close to roughness. Particularly a turbulent viscous boundary layer appears. Theses investigations are supplemented by velocity measurements of the global flow and reveal a large increase of velocity fluctuations and the appearance of a new turbulence regime.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la simulation de particules colloïdales. Plus précisément, nous nous intéressons aux particules dans un écoulement turbulent et modélisons leur dynamique par un processus lagrangien, leurs interactions comme des collisions parfaitement élastiques où l'influence de l'écoulement est modélisée par un terme de force sur la composante vitesse du système. En couplant les particules deux par deux et considérant leurs position et vitesse relatives, la collision parfaitement élastique devient une condition de réflexion spéculaire. Nous proposons un schéma de discrétisation en temps pour le système Lagrangien résultant avec des conditions aux bords spéculaires et prouvons que l'erreur faible diminue au plus linéairement dans le pas de discrétisation temporelle. La démonstration s’appuie sur des résultats de régularité de l'EDP Feynman-Kac et requiert une certaine régularité sur le terme de force. Nous expérimentons numériquement certaines conjectures, dont l’erreur faible diminuant linéairement pour des termes de force qui ne respectent pas les conditions du théorème. Nous testons le taux de convergence de l’erreur faible pour l’extrapolation de Romberg. Enfin, nous nous intéressons aux approximations Lagrangiennes/Browniennes en considérant un système Lagrangien où la composante vitesse se comporte comme un processus rapide. Nous contrôlons l'erreur faible entre la composante position du modèle Lagrangien et un processus de diffusion uniformément elliptique. Nous démontrons ensuite un contrôle similaire en introduisant une limite réfléchissante spéculaire sur le système Lagrangien et une réflexion appropriée sur la diffusion elliptique. / This thesis broadly concerns colloidal particle simulation which plays an important role in understanding two-phase flows. More specifically, we track the particles inside a turbulent flow and model their dynamics as a stochastic process, their interactions as perfectly elastic collisions where the influence of the flow is modelled by a drift on the velocity term. By coupling each particle and considering their relative position and velocity, the perfectly elastic collision becomes a specular reflection condition. We put forward a time discretisation scheme for the resulting Lagrange system with specular boundary conditions and prove that the convergence rate of the weak error decreases at most linearly in the time discretisation step. The evidence is based on regularity results of the Feynman-Kac PDE and requires some regularity on the drift. We numerically experiment a series of conjectures, amongst which the weak error linearly decreasing for drifts that do not comply with the theorem conditions. We test the weak error convergence rate for a Richardson Romberg extrapolation. We finally deal with Lagrangian/Brownian approximations by considering a Lagrangian system where the velocity component behaves as a fast process. We control the weak error between the position of the Lagrangian system and an appropriately chosen uniformly elliptic diffusion process and subsequently prove a similar control by introducing a specular reflecting boundary on the Lagrangian and an appropriate reflection on the elliptic diffusion.

Dans cette thèse, on étudie les propriétés des sous-variétés lagrangiennes dans une variété symplectique en utilisant la relation de cobordisme lagrangien. Plus précisément, on s'intéresse à déterminer les conditions pour lesquelles les cobordismes lagrangiens élémentaires sont en fait triviaux. En utilisant des techniques de l'homologie de Floer et le théorème du s-cobordisme on démontre que, sous certaines hypothèses topologiques, un cobordisme lagrangien exact est une pseudo-isotopie lagrangienne. Ce resultat est une forme faible d'une conjecture due à Biran et Cornea qui stipule qu'un cobordisme lagrangien exact est hamiltonien isotope à une suspension lagrangianenne. / In this thesis we study the properties of Lagrangian submanifolds of a symplectic manifold by using the relation of Lagrangian cobordism. More precisely, we are interested in determining when an elementary Lagrangian cobordism is trivial. Using techniques coming from Floer homology and the s-cobordism theorem, we show that under some topological assumptions, an exact Lagrangian cobordism is a Lagrangian pseudo-isotopy. This is a weaker version of a conjecture proposed by Biran and Cornea, which states that any exact Lagrangian cobordism is Hamiltonian isotopic to a Lagrangian suspension.

Cette thèse s’intéresse à la modélisation magnétohydrodynamique des écoulements de fluides conducteurs d’électricité multi-échelles en mettant l’emphase sur deux applications particulières de la physique solaire: la modélisation des mécanismes des variations de l’irradiance via la simulation de la dynamo globale et la reconnexion magnétique. Les variations de l’irradiance sur les périodes des jours, des mois et du cycle solaire de 11 ans sont très bien expliquées par le passage des régions actives à la surface du Soleil. Cependant, l’origine ultime des variations se déroulant sur les périodes décadales et multi-décadales demeure un sujet controversé. En particulier, une certaine école de pensée affirme qu’une partie de ces variations à long-terme doit provenir d’une modulation de la structure thermodynamique globale de l’étoile, et que les seuls effets de surface sont incapables d’expliquer la totalité des fluctuations. Nous présentons une simulation globale de la convection solaire produisant un cycle magnétique similaire en plusieurs aspects à celui du Soleil, dans laquelle le flux thermique convectif varie en phase avec l’ ́energie magnétique. La corrélation positive entre le flux convectif et l’énergie magnétique supporte donc l’idée qu’une modulation de la structure thermodynamique puisse contribuer aux variations à long-terme de l’irradiance. Nous analysons cette simulation dans le but d’identifier le mécanisme physique responsable de la corrélation en question et pour prédire de potentiels effets observationnels résultant de la modulation structurelle. La reconnexion magnétique est au coeur du mécanisme de plusieurs phénomènes de la physique solaire dont les éruptions et les éjections de masse, et pourrait expliquer les températures extrêmes caractérisant la couronne. Une correction aux trajectoires du schéma semi-Lagrangien classique est présentée, qui est basée sur la solution à une équation aux dérivées partielles nonlinéaire du second ordre: l’équation de Monge-Ampère. Celle-ci prévient l’intersection des trajectoires et assure la stabilité numérique des simulations de reconnexion magnétique pour un cas de magnéto-fluide relaxant vers un état d’équilibre. / This thesis concentrates on magnetohydrodynamical modeling of multiscale conducting fluids with emphasis on two particular applications of solar physics: the modeling of solar irradiance mechanisms via the numerical simulation of the global dynamo and of magnetic reconnection. Irradiance variations on the time scales of days, months, and of the 11 yr solar cycle are very well described by changes in the surface coverage by active regions. However, the ultimate origin of the long-term decadal and multi-decadal variations is still a matter of debate. In particular, one school of thought argues that a global modulation of the solar thermodynamic structure by magnetic activity is required to account for part of the long-term variations, in addition to pure surface effects. We hereby present a global simulation of solar convection producing solar-like magnetic cycles, in which the convective heat flux varies in phase with magnetic energy. We analyze the simulation to uncover the physical mechanism causing the positive correlation and to predict potential observational signatures resulting from the flux modulation. Magnetic reconnection is central to many solar physics phenomena including flares and coronal mass ejections, and could also provide an explanation for the extreme temperatures (T ∼ 106K) that charaterize the coronna. A trajectory correction to the classical semi-Lagrangian scheme is presented, which is based on the solution to a second-order nonlinear partial differential equation: the Monge-Amp`ere equation. Using the correction prevents the intersection of fluid trajectories and assures the physical realizability of magnetic reconnection simulations for the case of a magneto- fluid relaxing toward an equilibrium state.

La thèse s'inscrit dans le thème "Mécanismes des précipitations orographiques" de MAP (Mesoscale Alpine Programme). Elle étudie le déclenchement et l'intensification des précipitations sur un relief exposé à un flux humide quasi-stationnaire, et examine le problème de la prévision numérique des fortes précipitations à l'échelle de quelques kilomètres. Un flux de sud à sud-ouest quasi-stationnaire caractérise la plupart des épisodes de pluies diluviennes sur les Alpes à l'automne, où de l'air méditerranéen est advecté vers le relief. Le cas de la POI (Période d'Observation Intensive) 2B de MAP est simulé avec le modèle MesoNH. Une méthode d'analyse lagrangiennne originale permet d'identifier une masse d'air sec d'échelle méso-béta sur la Méditerranée, et d'étudier son évolution et son influence sur la répartition des précipitations sur les Alpes. Les fortes précipitations sur les versants sud des Alpes sont étudiées grâce à des simulations idéalisées, où l'écoulement incident de sud ou sud-ouest est rendu uniforme et stationnaire. Les distributions obtenues, proches des données climatologiques, indiquent que les zones les plus arrosées correspondent à un forçage orographique du flux incident plus prononcé. Enfin, ces simulations permettent, à haute résolution et avec une microphysique explicite, l'identification de mécanismes de déclenchement et de développement de la convection spécifiques à la région sud-alpine - dont certains ont pu être observés pendant MAP. Ils se révèlent très complexes malgré la simplification des conditions en amont.

Le présent travail se situe dans le cadre de l'analyse thermo-mécanique de la solidification par éléments finis des pièces coulées. Il fait suite à de précédentes études ayant donné lieu à l'écriture d'un premier modèle tridimensionnel permettant déjà de simuler le refroidissement d'une pièce de fonderie d'un point de vue thermique dans l'ensemble des composants du système et mécanique dans la pièce. Cependant, au vu des phénomènes macroscopiques intervenant lors de la solidification, il apparait que l'hypothèse préliminaire des moules rigides est mise en défaut notamment dans le cas de pièces massives. Une partie de notre travail a donc consisté en l'implantation d'un couplage entre la pièce et les différents composants du moule permettant ainsi de prendre en compte leurs interactions. Ce couplage est basé sur une gestion du contact par méthode de pénalisation intégrée avec transfert des contraintes par interpolation. Il a été validé par rapport à des résultats expérimentaux et semi analytiques. D'autre part, l'hypothèse de quasi staticité de la partie liquide de la pièce est elle aussi mise en défaut par le phénomène de convection naturelle. Afin de parfaitement capter ce phénomène, l'implantation d'une loi de comportement viscoplastique dans la partie liquide de la pièce a été effectuée amenant a un couplage de loi de comportement au sein de la pièce. Ceci a été possible par une gestion particulière de l'élément fini P1+/P1 adapté aux deux lois, viscoplastique et élasto-viscoplastique. Par ailleurs, les mouvements de matière, mettant à mal la formulation lagrangienne réactualisée, ont été traites par une formulation eulérienne-lagrangienne. Les mouvements du maillage sont ainsi dissociés de ceux de la matière permettant la modélisation des boucles de convection tout en assurant un suivi des mouvements de surface libre. Afin de diminuer les temps de calcul, une gestion du pas de temps basée sur un estimateur à posteriori de l'équation de la chaleur a été mise en place et a permis un gain de temps significatif. Les développements ont été validés sur des cas académiques et industriels, montrant une bonne corrélation qualitative et quantitative.

Le but de ce travail était de fournir un cadre cohérent pour le traitement des problèmes de contact en utilisant une discrétisation de type noeud à segment. Trois aspects principaux de la mécanique numérique du contact ont été particulièrement considérés : la description de la géométrie, le problème de détection de contact et les techniques de résolution. Le manuscrit contient cependant une présentation complète de la mécanique du contact et des algorithmes numériques qui lui sont attachés. Un nouveau formalisme mathématique -- les s-structures -- est employé dans l'ensemble de la thèse. Il fournit un cadre de formulation intrinsèque qui permet d'exprimer de façon compacte un grand nombre de problèmes de mécanique et de physique. La thèse propose plusieurs idées originales et des extensions des techniques classiques, qui ont toutes été mises en œuvre dans le code de calcul par éléments finis ZéBuLoN (ZSeT). Plusieurs études de cas, présentées dans la thèse, viennent démontrer les performances et la robustesse des méthodes numériques utilisées pour la détection et la résolution.

Introduite récemment par Hughes et ses collaborateurs, l'Analyse Isogéométrique connaît un large succès pour des problèmes principalement industriels. L'idée est de faciliter la communication entre la C.A.O et la simulation numérique, sans avoir à repasser à chaque fois par des mailleurs. Ainsi, les fonctions définissants la géométrie sont utilisées pour approcher les solutions des équations à dérivées partielles. L' application aux problèmes issues de l'électromagnétisme ont été motivé par les travaux de Buffa et ses collaborateurs à Pavie. Dans cette thèse, nous avons appliqué cette méthode pour résoudre des problèmes issues de la physique des plasmas. S'il est vrai que la géométrie n'est pas définie, l'analyse isogéométrique dans sa version isoparamétrique, nous fournit un outil très puissant pour approcher les domaines de calculs. Dans un plasma, ce domaine est défini par la résolution d'un problème d'équilibre (MHD equilibrium). A partir de là, différents modèles sont utilisés pour décrire le plasma: cinétiques ( gyrocinétique) ou fluides. Nous avons passé en revue les méthodes les plus classiques et plus utilisées afin de révéler l'intérêt de la méthode. Se basant sur la structure de produit tensoriel, nous avons développé des solveurs rapides pour la résolution de certains problèmes. Nous avons aussi dérivé un solveur, se basant sur les complexes de Hilbert, pour les équations de Maxwell en "time domain".