L’originalité de cette étude consiste dans l’analyse et la fabrication d’échangeurs de chaleur munis d’extensions de surface (ailettes) à base de polymères chargés, compacts et à hautes performances. Ce projet pluridisciplinaire se compose d’une étude numérique et expérimentale du comportement thermomécanique des matériaux (polymères chargés) et s’intéresse à l’analyse numérique et expérimentale des échangeurs de chaleur à tube-ailette en polymère. En effet, il vise principalement au : (i) développement de systèmes polymères chargés à conductivité thermique améliorée. (ii) L’étude de nouvelles architectures et conceptions d’échangeurs utilisant des polymères à conductivité améliorée.Le premier point est atteint par une étude numérique, élaboration et caractérisations expérimentales des formulations polymère-charge montrant une conductivité thermique intéressante.Le deuxième point est traité par une optimisation des paramètres géométriques de configurations classiques d’échangeurs de chaleur tube-ailettes par voie de simulations numériques. Une première étude réalisée sur un échangeur à rang de tubes permet de montrer la pertinence du point de vue énergétique d’un échangeur tube-ailettes en matériau polymère. Une seconde partie est consacrée à l’étude de plusieurs configurations d’échangeurs multi-tubulaires à plusieurs rangs de tubes définies à partir des résultats de la précédente étape. Les performances thermo-aérauliques de ces configurations sont favorablement comparées à celles d’échangeurs métalliques traditionnels.La dernière partie confirme la processabilité de ce type d’échangeurs par la construction des prototypes à partir de techniques d’élaboration traditionnelles (injection et extrusion) ou modernes (fabrication additive) afin de déterminer les avantages et les inconvénients de chacune. / The originality of this study consists in the analysis and the manufacturing of finned-tube heat exchangers (with extension surface) based on filed polymers, compact with high performances. This multidisciplinary project contains a numerical and experimental study on the thermomechanical properties of filed polymers and is interest in the numerical and experimental analysis of polymer finned-tube heat exchangers. Indeed, it aims mainly to : (i) develop filled polymer systems with improved thermal conductivity. (ii) Study of new architectures and configurations of heat exchanger using filed polymers.The first point is reached by a numerical study, elaboration and experimental characterizations of polymer/filler formulations showing interesting thermal conductivity.The second point is treated by an optimization of the geometric parameters of classic tube-fin heat exchanger configurations by numerical simulations. A first study carried out a single row of tube shows the effect of geometric and thermos-physical parameters on thermos-aeraulic performances of a tube-fin heat exchanger made of filed polymer material. A second part is devoted to the study of several configurations of multi-tubular heat exchangers with several rows of tubes defined from the results of the previous stage. The thermo-aeraulic performances of these configurations are favorably compared with those of traditional metal heat exchangers.The last part confirms the processability of this type of heat exchangers by the construction of prototypes with traditional techniques (injection and extrusion) or modern (additive manufacturing) methods to determine the advantages and disadvantages of each one.

Le passage du régime laminaire au régime turbulent s’accompagne d’importantes modifications des propriétés physiques de l’écoulement. Une prévision précise du point du début de la transition laminaire/turbulent revêt donc une importance considérable dans de nombreux domaines pratiques. Lorsque l’intensité des perturbations extérieures est significative, c'est-à-dire dans le cas de couches limites se développant sur une paroi présentant des rugosités ou soumises à une forte turbulence résiduelle (sillage impactant), les mécanismes de formation et d’amplification des instabilités sont profondément modifiés. Ces perturbations sont les modes de Klebanoff (également appelés stries) qui s’amplifient et déclenchent la transition, qualifiée dans ce cas de Bypass. Ces stries sont très énergétiques, caractérisées par des fluctuations de vitesse très importantes (de l’ordre de 10% de la vitesse extérieure), alors que la couche limite conserve son caractère laminaire. La thèse proposée concerne la modélisation de ces stries via la résolution d’une équation de transport pour l’énergie cinétique dite laminaire. Dans un premier temps, le travail du candidat portera sur la modélisation des termes de production et de dissipation de l’énergie cinétique laminaire. Ceux-ci sont liés au processus de réceptivité de la couche limite vis-à-vis des perturbations extérieures et à la dynamique des modes de Klebanoff dans la zone laminaire. Pour ce faire, la thèse s’appuiera sur des études réalisées depuis plusieurs années au sein de l’unité ITAC sur la théorie des perturbations optimales ainsi que sur les travaux numériques et expérimentaux prévus dans le cadre d’un projet de recherche interne Onera. Classiquement cette équation de transport est couplée avec celles correspondant à l’énergie cinétique turbulente et à la dissipation, le mécanisme d’échange entre les énergies cinétiques laminaire et turbulente devra être soigneusement étudié : ce dernier pilote la transition vers la turbulence. Une attention particulière sera portée aux couches limites décollées et plus précisément à la prise en compte de la transition dans ces bulbes. Cette nouvelle modélisation innovante permettra l’amélioration d’une première approche pour le calcul de la transition bypass dans le solveur elsA, développé à l’Onera, et constituera une étape importante vers la mise en place de techniques de prévision de la transition pratiques et performantes. / This work aims to develop a new bypass-transition prediction model based on the Klebanoff modes dynamics. To represent these mode dynamics the Laminar Kinetic Energy (LKE) concept has been chosen, in order to model these mode energy with a new variable. A new deffinition is given to the LKE and a transport equation consequently derived to describe the Klebanoff modes growth and destabilisation. This equation is incorporated in a k-omega turbulence model as done by Walters & Cokljat, to give a three-equation kL-kT-omega formulation. This new model is written in a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) pattern and only uses local variables, it thus can be used in an industrial context.

Le travail présenté ici a pour objet l’étude de la zone de recirculation qui se développe à l’aval d’un élargissement brusque ayant lieu dans un canal à surface libre, avec une attention particulière portée sur la longueur de recirculation. Ce travail consiste en une approche combinée expérimentale et numérique. L’analyse dimensionnelle ainsi que les travaux préliminaires antérieurs à cette thèse montrent que la longueur de recirculation adimensionnée dépend de 3 paramètres que sont : le nombre de frottement S, la hauteur d’eau adimensionnée par la taille de l’élargissement h/d et enfin le rapport géométrique de l’élargissement Rb. Cependant, faire varier dans les expériences S ou h/d sans affecter l’autre paramètre s’avère être une tâche très délicate qui a été négligée dans les études précédentes. En utilisant cette même approche, les résultats présentés ici font état d’une forme de cloche très inattendue de la courbe : L/d= f (S). Ces résultats sont en fort désaccord avec ceux de la littérature. Afin d’améliorer notre approche et de faire varier S et h/d indépendamment, une campagne de modélisation numérique 3D est menée et prouve que L/d dépend en fait des deux paramètres considérés S et h/d et que la forme de cloche résulte des influences opposées de ces deux paramètres. De plus, l’analyse de la couche de mélange qui prend place entre la zone de recirculation et l’écoulement principal, mesurée expérimentalement pour 4 écoulements à différentes valeurs de S et h/d montre que la longueur de la zone de recirculation est gouvernée par le confinement latéral dû à la paroi latérale et à la taille des cellules turbulentes advectée le long de la couche de mélange. Pour aller plus loin, les bilans de quantité de mouvement et d’énergie à l’échelle de l’écoulement dans son ensemble montrent que i) la force de cisaillement exercée le long de la couche de mélange est négligeable par rapport aux autres forces mises en jeu et ii) que la réelle signification de S est de quantifier l’intensité du frottement du fond à l’échelle de l’écoulement global intervenant dans ces bilans. Les différents régimes d’écoulement qui peuvent être rencontrés dépendent donc: i) selon la valeur du nombre de frottement S l’écoulement peut être frictionnel (S élevé) ou non-frictionnel (S faible) et ii) selon la valeur de la hauteur d’eau adimensionnelle, l’écoulement peut être confiné verticalement (faible valeur de h/d) ou non-confiné (forte valeur de h/d). Une corrélation empirique permettant d’estimer la longueur de la zone de recirculation L/d en fonction des paramètres S, Rb and h/d est finalement obtenue. Elle s’avère être en bon accord avec les calculs numériques et les mesures expérimentales. / The present research focuses on the recirculation zone developing downstream of an expansion in a shallow open-channel flow with a specific attention on its length. The work consists of combined experimental and numerical approaches. The dimensional analysis and previous studies permit to express the dimensionless recirculation length as a function of 3 parameters: the friction number S, the ratio between the water depth and the expansion step h/d and the geometrical aspect ratio Rb. Nevertheless, varying either S or h/d on the experimental set-up without affecting the other is a complicated task which was not performed by previous studies. Following this approach permitted to obtain an unexpected bell shape for the L/d=f(S) curve, differing form the literature results. In order to improve the approach and vary S and h/d independently, a 3D numerical campaign was performed and proved that L/d actually depends both on S and h/d parameters and that the bell shape is in fact the consequence of the opposite influence of both parameters. Moreover, the precise experimental analysis of themixing layer at the frontier between the main flow and the recirculation for flows with different S and h/d values showed that the recirculation length is governed by the lateral confinement due to the reattachment wall and the size of the eddies present in the mixing layer. Hence, an integral approach is adopted, using balances of momentum and of energy at the whole flow scale, showing: i) that the shear force exerted along the mixing layer is negligible compared to the other forces and ii) that the meaning of S parameter is to quantify the intensity of the bottom friction of the whole flow on these balance. The following regimes can thus be encountered: i) according to the bed friction S values, the flow can be non-frictional (small S) or frictional (large S) and ii) according to the relative water depth, the flow can be vertically unconfined (large h/d) or confined (small h/d). An empirical correlation permitting to estimate the recirculation length L/d as a function of S, Rb and h/d is finally obtained and appears to fairly fit the numerical calculations and experimental measurements.

Cette thèse porte sur l’étude et l’optimisation du refroidissement des convertisseurs électriques de puissance (CVS) utilisés dans les trains. Ces composants de grandes dimensions sont lourds, bruyants, et représentent un gouffre énergétique à cause de leur système de refroidissement composé de ventilateur. Nous analysons d’autres types de refroidissements économiques et efficaces. Nous étudions numériquement sous Comsol Multiphysics le refroidissement des CVS par convection naturelle en utilisant l’effet cheminée et par film liquide en exploitant le changement de phase pour évacuer le maximum de chaleur. Les résultats numériques sont validés avec les résultats issus de la littérature et ceux obtenus expérimentalement grâce à un dispositif réalisé pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis de constater que la convection naturelle n’est pas suffisante pour évacuer la chaleur et que le refroidissement par film liquide représente une solution très efficace. Nous avons aussi étudié expérimentalement l’efficacité du refroidissement par caloducs. L’influence de la répartition de la chaleur a aussi été analysée pour optimiser l’emplacement des composants électroniques dans le CVS. Une comparaison générale de tous les résultats a permis de proposer le système le plus optimiser en fonction des paramètres choisis. / This thesis is about a study and optimization of the cooling electric power converters (CVS) used in trains. These components are heavy, noisy, and are not energetically efficient. We analyze other types of economic and efficient cooling. We used Comsol Multiphysics to study numerically CVS cooling by natural convection using the chimney effect and liquid film by exploiting the phase change to evacuate heat. The numerical results are validated with the results from literature and those obtained experimentally. The results have shown that natural convection is not sufficient to evacuate the heat and the cooling by liquid film represents an interesting solution. We also studied experimentally the effect of the heat pipe cooling. The influence of the heat distribution was also analyzed to optimize the location of the electronic components in the CVS. A general comparison of all results was proposed to optimize the cooling system.

Une étude expérimentale et numérique traitant de l'influence de structures tourbillonnaires sur la sédimentation de nuage de particules sphériques sous l'effet de la gravité est présentée dans une première partie de ce manuscrit. L'écoulement est créé par électro-convection, ce qui permet de générer un réseau de vortex contrôlés en vitesse et de taille constante qui imite un écoulement tourbillonnaire. Des techniques de PIV (Particle image-velocimetry) et de suivi de particules sont utilisés pour étudier la sédimentation du nuage.Le nuage est modélisé comme un ensemble de particules ponctuelles pour lesquelles les forces d'interaction hydrodynamiques entre particules sont prépondérantes. Le comportement du nuage est comparé aux prédictions obtenues avec des modèles numériques. Dans une seconde partie est présentée une étude expérimentale et numérique concernant la sédimentation à faible nombre de Reynolds de fibres flexibles dans un fluide visqueux au repos. L'état d'équilibre atteint par la fibre flexible est étudié. Nous identifions trois régimes ayant des signatures différentes sur l'état stationnaire de la fibre flexible: un régime de faibles déformations dans lequel la force de traînée est proportionnelle à celle d'une fibre sédimentant horizontalement par rapport à la gravité; un régime de grandes déformations dans lequel la force de traînée est aussi proportionnelle à la vitesse de la fibre, mais avec un coefficient de traînée qui est celui d'une fibre chutant parallèlement à la gravité; et un régime de reconfiguration élastique où le filament se déforme avec une traînée plus faible qui n'est plus proportionnelle à sa vitesse, mais à la racine carrée de celle-ci / In the first part, a jointed experimental and numerical study examining the influence of vortical structures on the settling of a cloud of solid spherical particles under the action of gravity at low Stokes numbers is presented. We use electro-convection to generate a two-dimensional array of controlled vortices which mimics a simplified vortical flow. Particle image-velocimetry and tracking are used to examine the motion of the cloud within this vortical flow. The cloud is modeled as a set of point-particles for which the hydrodynamic interaction is preponderant. The cloud behavior (trajectory, velocity, aspect ratio, break-up time …) is compared to the predictions of a two-way-coupling numerical simulation. In the second part, a jointed experimentally and numerical study on the dynamics of slender flexible filaments settling in a viscous fluid at low Reynolds number is presented. The equilibrium state of a flexible fiber settling in a viscous fluid is examined using a combination of macroscopic experiments, numerical simulations and scaling arguments. We identify three regimes having different signatures on this equilibrium configuration of the elastic filament: a weak deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling perpendicular to the gravity; a large deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling parallel to the gravity and an intermediate elastic reconfiguration regime where the filament deforms to adopt a shape with a smaller drag which is no longer linearly proportional to the velocity but to the square root of the velocity

Une étude numérique et des investigations expérimentales sont menées sur une bulle de Taylor ascendante au passage d’une contraction ou d’un élargissement brusque dans un liquide Newtonien stagnant. Le code CFD est issu du logiciel libre Gerris utilisant la méthode VOF (Volume Of Fluid) pour représenter l’interface liquide-gaz. La méthode numérique est vérifiée en utilisant les résultats existants sur des bulles de Taylor ascendantes dans des colonnes droites. L’étude expérimentale permet d’étudier une bulle d’azote dans un mélange eau-glycérol pour différentes concentrations. Le rapport des diamètres de la conduite varie de 0,69 à 1,72. Les images de la bulle montante dans les singularités sont capturées par une caméra haute vitesse. Les variations de vitesse de la bulle et de l’épaisseur du film liquide sont étudiées. Les résultats montrent que l’élargissement brusque avec un rapport de diamètres plus élevé entraîne plus de perturbations sur la bulle avec de forts effets sur sa queue. Les queues de bulles instables sont coupées en petites bulles dans certains cas et une carte d’écoulement permet de le prédire. En outre, il a été observé que les variations de la forme de la bulle dépendent de la longueur des bulles. En ce qui concerne la bulle passant par une contraction, le phénomène de blocage a été observé et une carte de prédiction a été proposée. Finalement, cette étude, basée sur un intervalle assez large du nombre d’Eötvös et du rapport de diamètres, propose de nouvelles connaissances pour mieux comprendre l’ascension d’une bulle de Taylor dans les singularités. / Numerical simulations and experimental investigations of rising individual Taylor bubble through a vertical sudden expansion and contraction in stagnant Newtonian liquid is presented. The CFD procedure is based on the open source package Gerris which adopts the volume-of-fluid (VOF) method to represent the gas/liquid interface. The numerical method is verified using the existing results of single Taylor bubbles rising in straight columns. The experiments investigate a nitrogen bubble rising in a water-glycerol mixture for different concentrations. The pipe diameter ratio ranges from 0.69 to 1.72. The images of the bubble rising through the singularities are captured by a high-speed camera. Our investigations focus on the transient process of the bubbles passing the singularity. The variations of the bubble velocity and the liquid film thickness are investigated. The results show that the greater expansion ratios yield more perturbations on the bubbles and have strong effects on the tail of the bubble. The unstable bubble tails are cut off into smaller bubbles in some of the test cases and a bubble break-up regime map obtained by simulations has been proposed. The bubble shape variations depend also on the length of the bubbles. For a bubble passing through a contraction, the blocking phenomenon has been observed and a map has been proposed. Finally, this study, based on a large range of Eötvös numbers and expansion/contraction ratios, provides new insights to better understand the effect of singularities on rising Taylor bubbles.

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l’ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d’un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d’huile, les segments et la surface de la chemise “contrôlent” la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d’Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l’écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l’écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d’entrée pour simuler un fonctionnement “normal”. Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l’algorithme “classique” pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l’écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l’étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L’unicité de la solution impose l’introduction d’un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L’introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l’existence et l’unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ. / This work deals with the modeling and simulation of contact between piston rings and liner of an engine. In the engine, the piston-rings are in relative motion with respect to the liner. This mechanism is lubricated and the purpose of this piston-ring system is to control sealing between combustion chamber and lower part of engine, keeping under control lubricant quantity on the surfaces. We modeled this phenomenon using the Elrod-Adams models (P-θ), which are conservative parabolic-hyperbolic models, taking into account the cavitation phenomenon (the presence of gas bubbles in fluid, so that it can be understood a multiphased flow) coupled with the Greendwood-Tripp model, which models the elastic contact by a statistical approach. When we focus on the modeling of the oil flow and asperity contacts, we neglect many physical phenomena like scuffing and thermal effects. In the first part, we focus on the kinematics of the engine, from the design to the different models to describe a lubricated contact. We explain all the simplifications in the engine body and the boundary conditions we use in the cavitation model to solve it as a free boundary problem, in particular for the choice of the flow rate to simulate a ``normal functioning''. In the second part, we describe the algorithm implementation and the required modifications when using real surface topography. We compare several surfaces and study the influence of simulation parameters, then we compare the result with experimental data obtained by Renault company. In the third part, we modify the (P-θ) model, to have the same flow rate in the cavitation zone as in the Navier-Stokes model. It can be studied in 2-dimensions, however we only explain the mathematical study in 1D. We study this model as a dynamical system for which the unknown variables are the free boundaries. The uniqueness is imposed by the addition of an adjustable parameter. The local and global behavior in time are determined by geometrical parameters and boundary conditions. In the last part, we compare the new cavitation model with the P-θ model.

Le transport de sédiments en rivières et torrents reste un phénomène mal compris en raison de la polydispersité des particules et de la ségrégation résultante. Il a été mené une étude expérimentale sur un canal permettant d’étudier la ségrégation en charriage d’un mélange de deux classes de billes. Le déplacement collectif des billes est enregistré sous la forme de séquences vidéos. Cette thèse traite des méthodes de traitement d’images développées pour analyser les données obtenues. Premièrement, nous avons développé une méthode de segmentation d’images pour étudier l’influence de l’infiltration de particules fines sur l’évolution d’un lit mobile. Avec cette méthode d’analyse, une étude expérimentale a permis de montrer que l’évolution de la pente du lit présente une décroissance exponentielle. Deuxièmement, nous avons optimisé les algorithmes déterministes de suivi de particules pour permettre l’étude des trajectoires sur l’intégralité du phénomène de ségrégation, ce qui n’était pas possible dans les travaux précédemment effectués à Irstea. Nous avons de plus mis en place des mesures d’évaluation et conçu des vérités terrains afin d’apprécier la qualité des résultats. Des gains de temps, cohérence, précision et mémoire ont été quantifiés. Troisièmement, nous avons développé un nouvel algorithme basé sur le filtrage particulaire à modèles multiples pour mieux gérer les dynamiques complexes des particules et gagner en robustesse. Cette approche permet de prendre en compte les erreurs du détecteur, les corriger et ainsi éviter des difficultés lors du suivi de trajectoires que nous rencontrons notamment avec l’algorithme déterministe / Sediment transport in rivers and mountain streams remains poorly understood partly due to the polydispersity of particles and resulting segregation. Experiments in a channel were carried out to study bedload transport of bimodal bead mixtures. The behavior of the beads is recorded through video sequences. This work is about the development of image processing methods to analyse the obtained data. Firstly, we developed a method of image segmentation to study the infiltration of fine particles and its influence on the evolution of bed mobility. Thanks to this method, an experimental study shows that the bed slope evolution follows an exponential decay. Secondly, we optimised deterministic tracking algorithms to enable the study of trajectories on long-duration phenomena of segregation, which was not possible with previous work done at Irstea. Moreover we set up relevant evaluation measures and elaborated ground truth sequences to quantify the results. We observed benefits in execution time, consistency, precision and memory. Thirdly, we developed a new algorithm based on multiple model particle filtering to better deal with complex dynamics of particles and to gain robustness. This approach allows taking unreliable detections into account, correcting them and thus avoiding difficulties in the target tracking as encountered with the deterministic algorithm

Ce manuscrit porte sur les transitions compressible-incompressible dans les équations aux dérivées partielles de la mécanique des fluides. On s'intéresse à deux problèmes : les structures flottantes et les fluides en rotation. Dans le premier problème, l'introduction d'un objet flottant dans les vagues induit une contrainte sur le fluide et les équations gouvernant le mouvement acquièrent une structure compressible-incompressible. Dans le deuxième problème, le mouvement de fluides géophysiques compressibles est influencé par la rotation de la Terre. L'étude de la limite à rotation rapide montre que le champ vectoriel de vitesse tend vers une configuration horizontale et incompressible.Les structures flottantes constituent un exemple particulier d'interaction fluide-structure, où un solide partiellement immergé flotte à la surface du fluide. Ce problème mathématique modélise le mouvement de convertisseurs d'énergie marine. En particulier, on s'intéresse aux bouées pilonnantes, installées proche de la côte où les modèles asymptotiques en eaux peu profondes sont valables. On étudie les équations de Saint-Venant axisymétriques en dimension deux avec un objet flottant à murs verticaux se déplaçant seulement verticalement. Les hypothèses sur le solide permettent de supprimer le problème à bord libre associé avec la ligne de contact entre l'air, le fluide et le solide. Les équations pour le fluide dans le domaine extérieur au solide sont donc écrites comme un problème au bord quasi-linéaire hyperbolique. Celui-ci est couplé avec une EDO non-linéaire du second ordre qui est dérivée de l'équation de Newton pour le mouvement libre du solide. On montre le caractère bien posé localement en temps du système couplé lorsque que les données initiales satisfont des conditions de compatibilité afin de générer des solutions régulières.Ensuite on considère une configuration particulière: le retour à l'équilibre. Il s'agit de considérer un solide partiellement immergé dans un fluide initialement au repos et de le laisser retourner à sa position d'équilibre. Pour cela, on utilise un modèle hydrodynamique différent, où les équations sont linearisées dans le domaine extérieur, tandis que les effets non-linéaires sont considérés en dessous du solide. Le mouvement du solide est décrit par une équation intégro-différentielle non-linéaire du second ordre qui justifie rigoureusement l'équation de Cummins, utilisée par les ingénieurs pour les mouvements des objets flottants. L'équation que l'on dérive améliore l'approche linéaire de Cummins en tenant compte des effets non-linéaires. On montre l'existence et l'unicité globale de la solution pour des données petites en utilisant la conservation de l'énergie du système fluide-structure.Dans la deuxième partie du manuscrit, on étudie les fluides en rotation rapide. Ce problème mathématique modélise le mouvement des flots géophysiques à grandes échelles influencés par la rotation de la Terre. Le mouvement est aussi affecté par la gravité, ce qui donne lieu à une stratification de la densité dans les fluides compressibles. La rotation génère de l'anisotropie dans les flots visqueux et la viscosité turbulente verticale tend vers zéro dans la limite à rotation rapide. Notre interêt porte sur ce problème de limite singulière en tenant compte des effets gravitationnels et compressibles. On étudie les équations de Navier-Stokes-Coriolis anisotropes compressibles avec force gravitationnelle dans la bande infinie horizontale avec une condition au bord de non glissement. Celle-ci et la force de Coriolis donnent lieu à l'apparition des couches d'Ekman proche du bord. Dans ce travail on considère des données initiales bien préparées. On montre un résultat de stabilité des solutions faibles globales pour des lois de pression particulières. La dynamique limite est décrite par une équation quasi-géostrophique visqueuse en dimension deux avec un terme d'amortissement qui tient compte des couches limites. / This manuscript deals with compressible-incompressible transitions arising in partial differential equations of fluid mechanics. We investigate two problems: floating structures and rotating fluids. In the first problem, the introduction of a floating object into water waves enforces a constraint on the fluid and the governing equations turn out to have a compressible-incompressible structure. In the second problem, the motion of geophysical compressible fluids is affected by the Earth's rotation and the study of the high rotation limit shows that the velocity vector field tends to be horizontal and with an incompressibility constraint.Floating structures are a particular example of fluid-structure interaction, in which a partially immersed solid is floating at the fluid surface. This mathematical problem models the motion of wave energy converters in sea water. In particular, we focus on heaving buoys, usually implemented in the near-shore zone, where the shallow water asymptotic models describe accurately the motion of waves. We study the two-dimensional nonlinear shallow water equations in the axisymmetric configuration in the presence of a floating object with vertical side-walls moving only vertically. The assumptions on the solid permit to avoid the free boundary problem associated with the moving contact line between the air, the water and the solid. Hence, in the domain exterior to the solid the fluid equations can be written as an hyperbolic quasilinear initial boundary value problem. This couples with a nonlinear second order ODE derived from Newton's law for the free solid motion. Local in time well-posedness of the coupled system is shown provided some compatibility conditions are satisfied by the initial data in order to generate smooth solutions.Afterwards, we address a particular configuration of this fluid-structure interaction: the return to equilibrium. It consists in releasing a partially immersed solid body into a fluid initially at rest and letting it evolve towards its equilibrium position. A different hydrodynamical model is used. In the exterior domain the equations are linearized but the nonlinear effects are taken into account under the solid. The equation for the solid motion becomes a nonlinear second order integro-differential equation which rigorously justifies the Cummins equation, assumed by engineers to govern the motion of floating objects. Moreover, the equation derived improves the linear approach of Cummins by taking into account the nonlinear effects. The global existence and uniqueness of the solution is shown for small data using the conservation of the energy of the fluid-structure system.In the second part of the manuscript, highly rotating fluids are studied. This mathematical problem models the motion of geophysical flows at large scales affected by the Earth's rotation, such as massive oceanic and atmospheric currents. The motion is also influenced by the gravity, which causes a stratification of the density in compressible fluids. The rotation generates anisotropy in viscous flows and the vertical turbulent viscosity tends to zero in the high rotation limit. Our interest lies in this singular limit problem taking into account gravitational and compressible effects. We study the compressible anisotropic Navier-Stokes-Coriolis equations with gravitational force in the horizontal infinite slab with no-slip boundary condition. Both this condition and the Coriolis force cause the apparition of Ekman layers near the boundary. They are taken into account in the analysis by adding corrector terms which decay in the interior of the domain. In this work well-prepared initial data are considered. A stability result of global weak solutions is shown for power-type pressure laws. The limit dynamics is described by a two-dimensional viscous quasi-geostrophic equation with a damping term that accounts for the boundary layers.

Dans cette thèse, l'application de l'assimilation de données (AD) à la MFN est étudiée, avec comme objectif global de contribuer à l'amélioration de la prévision numérique d'écoulements complexes. L'AD consiste à fusionner les outils de prévision numérique avec des données expérimentales afin d'améliorer l'estimation des paramètres d'entrée du code MFN. Les aspects méthodologiques de l'AD et son application pour des études physiques sont tous deux examinés dans cette thèse. Dans un premier temps, l'AD est utilisée pour une étude théorique de la turbulence de grille. Un modèle spectral pour les écoulements turbulents homogènes et anisotropes est également proposé. Plusieurs méthodes d'AD sont ensuite implémentées pour un code MFN et appliquées à la reconstruction d'écoulements instationnaires et compressibles en présence d'incertitudes sur des paramètres d'entrée de grandes dimensions afin d'évaluer les forces et faiblesses respectives de ces techniques. Des stratégies pour le placement optimal de réseaux de capteurs sont élaborées afin d'améliorer les performances du processus d'AD. Enfin, l'AD est appliquée à l'identification de sources de polluants et à la reconstruction de conditions météorologiques pour des écoulements en milieu urbain prédits par Simulation des Grandes Echelles. / In this thesis, we investigate the use of various data assimilation (DA) techniques in the context of CFD, with the ultimate goal of enhancing the prediction of real-world flows. DA consists in merging numerical predictions and experimental observations in order to improve the estimation of the CFD solver inputs. Both methodological aspects of DA and its potential application to physics investigations are explored for various flow configurations. First, DA is considered for the theoretical analysis of grid turbulence decay. Fundamental aspects of anisotropic homogeneous turbulence are also investigated through spectral modelling. Various DA methodologies are deployed in conjunction with a Navier-Stokes solver and are assessed for the reconstruction of unsteady compressible flows with large control vectors. Sensor placement strategies are developed to enhance the performances of the DA process. Finally, a first application of DA to Large Eddy Simulations of full-scale urban flows is proposed with the aim of identifying source and wind parameters from concentration measurements.