Les dipôles tourbillonnaires représentent des structures récurrentes dans les écoulements en eau peu profonde. Ils résultent souvent d'une bidimensionnalisation de la turbulence qui est liée à l'effet du confinement vertical. Pourtant, dans plusieurs études récentes, une structure tourbillonnaire secondaire à axe horizontal a été observée sur le front de dipôles expérimentaux en eau peu profonde, remettant ainsi en question l'hypothèse de bidimensionnalité de l'écoulement. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous sommes intéressés à ce dernier point en étudiant la génération et la dynamique d'une structure secondaire sur le front du dipôle. Les dipôles tourbillonnaires sont générés expérimentalement par la fermeture d'une paire de pales dans une couche d'eau de faible épaisseur initialement au repos afin d'assurer une structure bidimensionnelle initiale. Les paramètres sans dimension pilotant l'écoulement sont le nombre de Reynolds Re = U0D0/nu (ou U0 et D0 représentent respectivement la vitesse de propagation et le diamètre initial du dipôle et nu est la viscosité cinématique de l'eau) et le rapport de forme des dipôles (ou nombre de confinement) C = h/D0 (ou h est la hauteur d'eau). Une étude paramétrique dans laquelle le nombre de Reynolds Re et le rapport de forme du dipôle C varient a été menée (C \in [0.075, 0.7] et Re \in [90, 470]). Dans le champ des paramètres étudiés, cinq différentes structures de l'écoulement sont observées. Une cartographie des différents régimes d'écoulement a été obtenue et a permis de montrer que la tridimensionnalisation des dipôles tourbillonnaires en eau peu profonde était contrôlée par un unique paramètre, C2Re. Lorsque une structure secondaire est observée sur le front du dipôle, la dynamique aux temps courts de celle-ci dépend du nombre de Reynolds alors que sa dynamique aux temps longs dépend du rapport de forme du dipôle. Afin de caractériser la structure dans son ensemble et en particulier d'accéder à chacune des étapes de sa tridimensionnalisation, une nouvelle technique de PIV 3D-3C scannée a été mise en place. Elle permet une mesure expérimentale du champ de pression et révèle que les branches du tourbillon transverse généré sur le front du dipôle montent en direction de la surface libre de part et d'autre des tourbillons primaires composant le dipôle.

Le transport de particules solides par les écoulements turbulents près des parois est l'objet de nombreuses applications environnementales telles que les problèmes d'érosion, de dépôt ou de particules de sable en saltation. Malgré les progrès dans les techniques expérimentales et les simulations, des interrogations persistent dans la compréhension des mécanismes de transport des particules près de la paroi. Nombreuses études ont été consacrées à ce problème. Par simulationnumerique directe (DNS) couplée avec le suivi lagrangien de particules ponctuelles, Zamansky et al. (2011) ont trouvé que contrairement à ce qui est observé en turbulence homogène isotrope, près de la paroi les particules solides se concentrent de manière préférentielle dans les régions de forte RMS d'acceleration longitudinale. L'objectif de ce travail est de vérifier si cette observation est toujours vraie lorsque la taille des particules est prise en compte dans les simulations. Pour cela, un code pseudo-spectral de DNS est couplé avec une méthode de frontières immergées (Uhlmann, 2005). Le couplage est valide dans différents cas en 2D ou 3D d'obstacles fixes ou en déplacement. Un bon accord est atteint avec les résultats d'autres études expérimentales ou numériques. Ensuite, des particules de taille finie avec différents nombres de Stokes et densités sont suivies à chaque instant dans un écoulement de canal turbulent. Les statistiques de vitesse et d'accélération sont analysées. Un intérêt particulier est porté sur les PDF d'accélération des particules, du fluide et du fluide au voisinage des particules. Dans la mesure du possible, les résultats sont comparés à ceux obtenus par le suivi lagrangien de particules ponctuelles / Particle transport by turbulent wall flow is a crucial issue in many environmental problems such as erosion, particle deposition and sand saltation. Despite great technological advances in measurement techniques as well as in numerical simulations, the understanding of the transport mechanism close to the wall is still incomplete. Many numerical studies have been devoted to this issue. By direct numerical simulations (DNS) of a turbulent channel flow coupled with Lagrangian tracking of pointwise particles, Zamansky et al. (2011) found that contrary to what is observed in homogeneous isotropic turbulence, close to the wall pointwise particles cluster in regions of high streamwise RMS acceleration. The aim of the present study is to explore if this is still the case when size effects are taken into account in the DNS. Therefore, a pseudo-spectral DNS code is coupled with an immersed boundary technique (Uhlmann, 2005). The coupling is validated in the case of 2D and 3D moving and fixed bodies. Good agreement is achieved with other experimental and numerical studies. Then, finite-size particles with different Stokes numbers and density ratios are tracked at each time step in a turbulent channel flow. The velocity and acceleration statistics are analyzed. Particular attention is given to acceleration PDF of the solid phase, the fluid phase and the fluid in the vicinity of particles. The results are compared to the pointwise model

Résumé : La bonne compréhension des phénomènes qui régissent l’écoulement au sein d’une fissure unique est souvent primordiale lorsqu’on s’intéresse à l’écoulement dans les massifs rocheux fissurés, en particulier pour les problèmes nécessitant une échelle d’observation inférieure à l’échelle régionale (de 10-2 à 102 m). Ce travail est axé sur l’étude de l’influence des irrégularités des surfaces des fissures (que l’on appelle couramment « rugosité ») sur les pertes de charge subies par un fluide les parcourant. La première partie du travail est donc consacrée à la caractérisation de la rugosité des surfaces des fissures dans les roches. Dans cette étude, nous avons investigué expérimentalement l’applicabilité de quelques paramètres, a priori favorables à la caractérisation de surface des roches, choisis parmi les nombreux paramètres existant dans le domaine de l’ingénieur en général. Des mesures profilométriques ont été réalisées sur 7 types de roches différentes, pour 2 modes de fracturation (cisaillement et traction). A l’analyse de la variabilité des paramètres étudiés (en fonction du type de roche et du mode de fracturation) et des dépendances entre ces différents paramètres, on peut conclure que l’utilisation de la dimension fractale des profils de rugosité s’avère judicieuse car il s’agit de figures auto-affines (mais non auto-similaires) et que ce paramètre ajoute une information complémentaire (non corrélée) aux paramètres plus classiques que sont les moyennes arithmétique et quadratique des hauteurs de pics. Parmi les méthodes d’estimation de la dimension fractale, l’analyse du semi-variogramme est la plus efficace et la plus fiable. Les paramètres descriptifs semi-quantitatifs comme le Joint Roughness Coefficient (JRC), par exemple, possèdent une gamme de variation trop faible que pour permettre de discerner nettement deux fissures possédant parfois une texture et un comportement hydraulique fort différents. La deuxième partie du travail est une étude expérimentale de l’influence de la rugosité (paramétrée à l’aide des grandeurs mises en évidence dans la première partie) sur les pertes de charges subies par un fluide parcourant une fissure. Les fissures investiguées ont des faces complémentaires presque parfaitement parallèles et une dimension d’approximativement 30 mm par 80 mm, avec des ouvertures variant de 30 à 100 μm et de 0.3 à 1.2 mm. Les résultats obtenus montrent que l’écoulement s’écarte assez nettement de l’écoulement plan de Poiseuille (ou loi cubique, valable en fissure lisse) à cause des pertes supplémentaires par frottements dues aux micro-tourbillons induits par la rugosité, et à la tortuosité qui allonge le trajet du fluide dans le cas d’un écoulement de type laminaire. En outre, les écarts observés sont également dus à l’apparition d’une turbulence, partielle ou totale, pour des nombres de Reynolds d’autant plus petits que la rugosité relative (rapport entre un paramètre de rugosité et le diamètre hydraulique de la fissure) est élevée. Des modèles semi-empiriques de prédiction de perte de charge en fonction de la rugosité, de l’ouverture des fissures et de la vitesse d’écoulement, sont donc proposés sur base d’une analyse statistique des résultats expérimentaux. Il apparaît que le meilleur paramètre de rugosité relative permettant la prédiction de ces pertes de charge est un paramètre fonction de la tortuosité, de la dimension fractale (calculée à l’aide de la méthode d’analyse du semi-variogramme) et de l’ouverture de la fissure. __________________________________________________________________________________ Abstract : A good comprehension of the phenomena governing the flow within a single fracture is often of primary importance for studying the flow in fractured rock masses, particularly for the problems requiring an observation scale smaller than the regional scale (from 10-2 to 102 m). This work is focused on the study of the influence of joint surfaces irregularities (usually called “roughness”) on the pressure losses undergone by a fluid along them. The first part of the thesis is thus devoted to the roughness characterization of rock fractures surfaces. Several parameters, assumed to be meaningful for the characterization of rock surfaces, have been chosen among the many parameters existing in the engineering field in general, and were experimentally investigated. Profilometries were carried out on 7 rock types, for 2 failure mode (shearing and tensile). The analysis of the variability of the studied parameters (according to rock type and failure mode) and dependences between each other, have shown that the use of fractal dimension of roughness profiles is judicious because of two reasons. Firstly, the self-affinity (but no self-similarity) is clearly visible on experimental results. Secondly, the fractal dimension adds complementary information in comparison to more traditional parameters such the arithmetic and quadratic mean values of peaks heights. Among the methods used for estimating fractal dimension, the variogram analysis is the most effective and the most reliable one. Semi-quantitative descriptive parameters like the Joint Roughness Coefficient (JRC) have a too narrow range of variation : two fractures can sometimes have the same JRC but their hydraulic behaviour can be extremely different. The second part of the work is an experimental study of the influence of roughness (using the parameters highlighted in the first part) on the pressure losses undergone by a fluid through a rock fracture. Experimental fractures have almost perfectly parallel interlocked faces, and a dimension of about 30 mm by 80 mm, with openings varying from 30 to 100 μm and 0.3 to 1.2 mm. The results show that the flow deviates rather clearly from the Poiseuille plane flow (or “cubic law”, valid for smooth fractures) because of additional losses by frictions due to the micro-swirls induced by roughness, and because of the tortuosity which lengthens the flow path in the laminar case. Moreover, the observed deviations are also due to the onset of partial or total turbulence for smaller Reynolds numbers as higher relative roughness (relationship between a roughness parameter and the hydraulic diameter of the crack). Semi-empirical models predicting pressure loss according to the roughness, to the opening of the cracks and to the flow rate are thus proposed on the basis of a statistical analysis of the experimental results. It appears that the best relative roughness parameters allowing the prediction of these pressure losses depends on the tortuosity, on the fractal dimension (calculated using the variogram analysis method) and on the fracture opening.

Le but de cette étude est de faire le bilan des principales techniques de simulation mathématique des écoulements autour des corps et de mettre celles-ci sous des formes appropriées au calcul des écoulements autour des corps de révolution. Jusqu'à ces dernières années, on s'est limité au calcul des écoulements des fluides parfaits, bien que dès 1908, H, Blasius [1] eut déjà abordé le calcul des couches limites laminaires sur les corps de révolution.

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Motivation Ce document synthétise un travail de quatre années relatif à l'étude des phénomènes dynamiques rencontrés dans une arme de petit calibre. Jusqu'à présent, des efforts ont été réalisés pour simuler des armes de gros calibre, avec plus ou moins de succès. L'adaptation directe de ces méthodes au petit calibre est, la plupart du temps, décevante car peu précise. De plus, le coût des essais en arme de petit calibre, relativement faible par rapport à des essais en armes de calibre plus important, a contribué au désintérêt des études dans ce domaine. Encore aujourd'hui, des fabriquants d'armes de renommée internationale ne disposent pas de modèles pour le petit calibre. Celui-ci a été, et reste encore aujourd'hui, le parent pauvre des simulations numériques en balistique intérieure. A l'heure actuelle, de nombreuses recherches sont entreprises dans le cadre des canons électriques ou électromagnétiques. Ces armes, qui représentent peut-être le futur de la balistique, ne sont encore qu'à un stade fort éloigné d'une utilisation effective et opérationnelle. La situation est donc assez paradoxale : les armes de petit calibre sont les plus utilisées (dans le cadre d'une utilisation militaire, sportive ou à des fins de tests) mais il n'existe, à proprement parler, que peu de modèles mathématiques permettant une simulation précise et rigoureuse. Dans ce contexte, ce travail va démontrer que des modèles de balistique intérieure peuvent être utilisés avec succès pour la simulation de tirs en armes de petit calibre. Une des originalités de ce travail consiste en l'utilisation d'un logiciel de CFD (Computational Fluid Dynamics} comme squelette d'un simulateur de la balistique intérieure, et à son application sur des armes de petit calibre. L'approche employée permet de dissocier les aspects "mécanique des fluides" et traitement de l'écoulement, des aspects purement balistiques. Nous nous attacherons donc à évaluer la capacité d'un code CFD à fonctionner dans l'environnement particulier de la simulation du "coup de canon". Plan du travail Cette thèse peut être subdivisée en quatre différentes parties. La première partie, plutôt générale, vise à situer le problème dans son contexte. Elle débute par une introduction rapide à la balistique, et s'attarde sur les buts de la balistique intérieure en mettant l'accent sur les particularités des armes de petit calibre, le cas échéant. La simulation sur ordinateur est un aspect important du problème qui doit nécessairement être mis en rapport avec des résultats réels. C'est pourquoi la chaîne de mesure utilisée classiquement en balistique, ainsi que les dispositifs expérimentaux employés pour obtenir des résultats de validation, sont brièvement présentés dans la deuxième partie. La troisième partie est axée sur les modèles. Nous présentons les principaux types de modèles que l'on peut retrouver en balistique intérieure. Les modèles à paramètres globaux et à paramètres locaux sont développés et nous formulons quelques remarques générales au sujet de l'état de l'art dans ce domaine, avant de nous interroger sur la problématique du choix d'un logiciel CFD adapté à l'utilisation visée. Nous présentons alors le logiciel choisi, et détaillons les modèles qu'il utilise pour tenir compte des particularités de la balistique intérieure. Le mouvement du projectile dans l'arme, la combustion et le traitement du problème diphasique sont notamment passés en revue et développés. Mobidic (Mobidic est l'acronyme de : MOdélisation Balistique Intérieure DIphasique Canon) est un logiciel français que nous avons obtenu vers la fin de cette étude. Ce logiciel est reconnu pour sa capacité à modéliser précisément les tirs en arme de moyen et gros calibre. Son fonctionnement et les modèles qu'il utilise sont exposés et comparés à notre implémentation. La quatrième et dernière partie n'est certainement pas la moins importante. Elle présente les résultats issus des tirs que nous avons réalisés et les différentes étapes de validation qui ont été menées à bien, depuis les tests de base jusqu'à la validation totale dans deux armes de petit calibre. Enfin, les conclusions, remarques et directions futures clôturent ce travail.

This thesis investigates large scale flow rotation in two configurations. In the first, the effect of flow rotation on a laminar flame is investigated. The flame is anchored in the wake of a cylindrical bluff body. The flow rotation is introduced by turning the cylinder along its axis. It is shown by Direct Numerical Simulation (DNS), that the cylinder rotation breaks the symmetry of both flame branches. Flame Transfer Function (FTF) measurements performed by the Wiener-Hopf Inversion suggest, that low rotation rates lead to deep gaps in the gain and the flame becomes almost insensitive to acoustic perturbation at a specific frequency. It furthermore is demonstrated that this decrease in gain of the FTF is due to destructive interference of the heat release signals caused by the two flame branches. The frequency at which the gain becomes almost zero can be adjusted by tuning the cylinder rotation rate. The study suggests that controlling the symmetry of the flame could be a tool of open-loop control of thermoacoustic instabilities.

Le travail de thèse est en trois parties. La première partie du travail porte sur la comparaison des données de simulation MFN issues du solveur Yales2bio aux résultats de mesure des séquences d'IRM 4D. Notre modèle de MFN exploitait les données morphologiques de l'IRM 3D pour la modélisation géométrique et les données vélocimétriques des séquences d'IRM à contraste de phase 2D (PC-MRI) pour définir les conditions limites de la modélisation. Nous avons comparé les distributions spatiales et les valeurs locales des vitesses obtenues avec ces deux méthodes de mesure. En outre, nous avons évalué l'influence de la résolution de la modélisation géométrique sur la simulation de la vitesse. Nous avons remarqué un accord qualitatif et quantitatif avec un haut niveau de corrélation entre données IRM et MFN. La seconde partie traite d'hypertension portale. Nous avons pu au cours de ce travail, mettre au point un protocole optimisé pour les mesures de débit azygos dans le cadre d'un travail préparatoire pour une étude clinique. De plus nous avons mis au point un modèle basé sur la MFN d'hypertension portale in silico, rendant compte de la montée des pressions lors de l'accroissement de la résistance intra hépatique. Enfin dans la troisième partie, on a utilisé la MFN pour trouver des nouveaux facteurs pronostiques de l'évolution des petits anévrismes de l'aorte abdominale (AAA). Pour ce travail, nous avons utilisé les données issues d'une étude multicentrique et prospective. Nous avons inclus 78 patients porteurs AAA de septembre 2012 à juin 2014. Les patients avaient bénéficié deux examens CT séparés d'un intervalle d'un an pour évaluer la croissance des anévrismes. Cinquante patients de ces patients étaient admissibles à une analyse basée sur la MFN. Sur la base d'un seuil de 10 ml de croissance totale du volume, nous avons classé les 50 patients en deux groupes dits de croissance lente et de croissance rapide. Les paramètres morphologiques et fonctionnels initiaux des anévrismes ont été analysés, comprenant : le diamètre maximal, la surface de section maximale, les volumes du thrombus et de lumière, la pression maximale exercée sur la paroi et les forces de cisaillement de la paroi (WSS). Il y avait une différence significative entre les deux groupes concernant le volume de la lumière de l'anévrisme (P = 0,0051) et la variation moyenne du WSS (P = 0,0240) contrairement au diamètre maximal (P = 0,71). Nous avons trouvé une corrélation significative de la croissance du volume d'anévrisme avec le volume de la lumière et la réduction de la valeur de variation moyenne de WSS (respectivement R = 0,47, P = 0,0015 et R = -0,42, P = 0,0062) et la croissance totale du volume d'anévrisme. En combinant ces paramètres, nous avons mis au point un modèle de prédiction de la croissance rapide des AAA qui présentait une meilleure aire sous la courbe ROC que la seule mesure de diamètre maximal (0,78 vs 0,52, P = 0,0031). En fonction du seuil utilisé, notre modèle donne soit une excellente sensibilité (95,0% [IC95% 75,1, 99,9]), soit une spécificité (90,0% [IC95% 73,5, 97,9]). Nous avons pu démontrer que l'analyse combinée du volume de la lumière et du WSS fournit une meilleure information que le diamètre maximal pour évaluer le risque de croissance rapide du volume des petits AAA. / The thesis work is in three parts. The first part of the work concerns the comparison of the CFD simulation data from the Yales2bio solver to the measurement results of the 4D MRI sequences. Our CFD model exploited morphological data from 3D MRI for geometric modeling and velocimetry data of 2D phase contrast MRI (PC-MRI) sequences to define boundary conditions for modeling. We compared spatial distributions and local values ??of velocities obtained with these two methods of measurement. In addition, we evaluated the influence of geometric modeling resolution on velocity simulation. We noticed a qualitative and quantitative agreement with a high level of correlation between MRI and CFD data. The second part deals with portal hypertension. During this work, we have been able to develop an optimized protocol for azygous flow measurements as part of a preparatory work for a clinical study. In addition, we have developed a model based on the CFD of portal hypertension in silico, accounting for the increase of pressures during the increase of intrahepatic resistance. Finally, in the third part, CFD was used to find new prognostic factors for the evolution of small abdominal aortic aneurysms (AAA). For this work, we used data from a multicenter and prospective study. We included 78 AAA patients from September 2012 to June 2014. Patients had two separate CT examinations at one-year intervals to evaluate aneurysm growth. Fifty patients in these patients were eligible for CFD-based analysis. Based on a threshold of 10 ml of total volume growth, we classified the 50 patients into two so-called slow growth and fast growing groups. The initial morphological and functional parameters of the aneurysms were analyzed, including: maximum diameter, maximum section area, thrombus and lumen volumes, maximum wall pressure, and wall shear forces (WSS) . There was a significant difference between the two groups regarding aneurysmal lumen volume (P = 0.0051) and mean WSS variation (P = 0.0240) in contrast to maximal diameter (P = 0.71). ). We found a significant correlation of growth of aneurysm volume with volume of light and reduction of mean WSS (R = 0.47, P = 0.0015 and R = -0, respectively). 42, P = 0.0062) and total growth of aneurysm volume. Combining these parameters, we developed a prediction model for rapid AAA growth that had better area under the ROC curve than the single maximum diameter measure (0.78 vs. 0.52, P = 0.0031 ). Depending on the threshold used, our model gives either excellent sensitivity (95.0% [95% CI 75.1, 99.9]) or specificity (90.0% [95% CI 73.5, 97.9] ). We were able to demonstrate that the combined light volume and WSS analysis provides better information than the maximum diameter for assessing the risk of rapid AAA volume growth.

Cette thèse, qui s'inscrit dans le contexte du projet ANR DIB, vise à la simulation par méthode hybride (DDES) de l'écoulement turbulent autour d'une plaque épaisse (Re = 80000), à une confrontation détaillée du mouvement instationnaire prédit avec une base de données expérimentale, et à l'étude des mécanismes à l'origine des fluctuations de pression à la paroi. L'écoulement présente successivement un fort décollement associé à l^acher tourbillonnaire en forte interaction avec la paroi, un recollement moyen puis un lent rétablissement vers une couche limite développée. L'attention est portée sur la région en aval du recollement. Les caractéristiques moyennes et instationnaires de l'écoulement sont étudiées au moyen d'outils statistiques classiques, ainsi que d'analyses de type moyenne conditionnelle, POD, LSE et Extended POD, dans leur version multi-temps. Un bon accord calcul/expérience est obtenu, et l'évolution des structures de grande échelle en aval du recollement est bien reproduite par la simulation. L'analyse est ensuite prolongée, notamment en ce qui concerne la tridimensionnalité de l'écoulement, ainsi que l'étude des différentes contributions à la pression pariétale fluctuante (termes source linéaire et non linéaire). Les analyses de type LSE basées sur la pression mettent en évidence des structures de type rouleaux portant une faible énergie, alors qu'on obtient des structures de type \hairpin" quand celles-ci sont basées sur la vitesse. Un résultat important de l'étude des termes contribuant à la pression est la dominance du terme non-linéaire, qui explique la faible énergie portée par les structures estimées à partir de la pression par des outils linéaires.

Les problèmes aérothermiques typiquement rencontrés en ingénierie imposent un recours à des simulations numériques (CFD), qui, pour être réalistes, doivent nécessairement prendre en compte les phénomènes transitoires. L'emploi de modèles réduits ou de surfaces de réponse offre une alternative rapide et peu coûteuse à ces calculs exigeants en temps de calcul et en espace mémoire. L'objet de cette thèse est d'étoffer l'applicabilité de la méthode d'identification modale (MIM) dans le contexte de la mécanique des fluides. Il s'agit d'une méthode de réduction de modèle qui s'appuie sur la minimisation d'un écart entre les sorties d'un modèle de référence et celles d'un modèle réduit. Les paramètres du modèle réduit sont vus comme les variables d'un problème d'optimisation. Nous développons la méthode dans le cadre d'écoulements turbulents. L'écoulement autour d'un cylindre circulaire constitue le cas d'application principal de ces travaux. Il nous permet de tester nos méthodologies dans diverses configurations incompressibles : stationnaires, instationnaires, écoulements isothermes ou de convection forcée thermique. Ces modèles produisent des champs de vitesse, de température, des densités de flux de chaleur . . . Une autre application concerne un profil d'aile dans un écoulement sub à transsonique. Pour celle-ci, les sorties des modèles sont des coefficients de traînée et de portance, ainsi que des répartitions de coefficients de pression le long de la surface portante. Cet exemple nous permet de mettre en évidence l'impact de l'échantillonnage sur la construction du modèle.