Une étude expérimentale des sillages turbulents autour de géométries tridimensionnelles est conduite en augmentant leur complexité depuis les corps axisymétriques jusqu'aux véhicules automobiles. Quelle que soit la géométrie, deux types de mouvement cohérent sont susceptibles d'être observés dans le sillage. Tout d'abord, sur des échelles de temps de l'ordre de 5D/U, D et U étant respectivement la taille caractéristique du corps et la vitesse de l'écoulement, le sillage peut présenter des oscillations périodiques. Elles sont associées aux interactions entre deux couches cisaillées, se faisant face avec une vorticité opposée. Au premier ordre, la fréquence de ces oscillations dépend de la distance séparant les deux couches de mélange ; par conséquent, deux fréquences différentes peuvent être trouvées lorsque le corps a un rapport d'aspect différent de 1. Ces modes globaux oscillants semblent s'atténuer à mesure que le nombre de Reynolds et la complexité géométrique du corps augmentent. Le second type de mouvement cohérent est associé au développement d'instabilités stationnaires. Elles sont reliées aux brisures de symétrie observées en régime laminaire et leur domaine d'apparence est définit à partir de considérations géométriques dans le cas de corps parallélépipédiques avec effet de sol. Ces instabilités génèrent de fortes asymétries dans la topologie instantanée du sillage et notamment peuvent produire des écoulements bistables avec un temps caractéristique supérieur à 100H/U. L'étude de ces phénomènes, associée à des analyses de sensibilité à de petites perturbations, montre que la diminution des asymétries dans le sillage instantané est une stratégie intéressante de réduction de traînée. En particulier, il est montré que les gradients de pression à échelles locale et globale sur les cotés du corps sont sources de structures tourbillonnaires longitudinales qui pénalisent la traînée. Les dépendances quadratiques entre la traînée et les efforts transverses obtenues rappellent les mécanismes de traînée induite bien connus en aéronautique. Ainsi, comme elles sont souvent attribuées à d'importantes asymétries du sillage, les instabilités stationnaires sont identifiées comme des sources importantes de traînée. Par contre, la partie de la traînée associée aux mouvements périodiques du sillage semble négligeable, surtout pour les géométries complexes à grands nombres de Reynolds.

La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est de plus en plus utilisée dans les processus de développement et la conception des réacteurs aéronautiques industriels. L'une des raisons pour ce besoin résulte dans la capacité de la SGE à fournir des informations instantanées d'un écoulement turbulent augmentant la quantité des prédictions de la composition des gaz d'échappement. Ce manuscrit de thèse aborde deux sujets récurrents de la SGE. D'une part, les schémas numériques pour la SGE nécessitent certaines propriétés, notamment une précision élevée avec une diffusivité faible pour ne pas nuire aux modèles de turbulence. Afin de répondre à ce pré requis, une famille de schémas d'intégration temporelle d'ordre élevée est proposée, permettant de modifier la diffusion numérique du schéma. D'autre part, la SGE étant intrinsèquement instationnaire, elle est très consommatrice en temps CPU. De plus, une géométrie complexe prend beaucoup de temps de simulation même avec les super calculateurs d'aujourd'hui. Dans le cas particulier d'intérêt et souvent rencontré dans les applications industrielles, l'approche bas-Mach est constitue une alternative intéressante permettant de réduire le coût et le temps de retour d'une simulation LES. L'impact et la comparaison des formalismes compressible et incompressible sont toutefois rarement quantifiés, ce qui est proposé dans ce travail pour une configuration représentative d'un brûleur swirlé industriel mesuré au CORIA.

Dans le cadre de l'amélioration des méthodes de modélisation du comportement hydraulique des moteurs à ergols liquides, il est important de disposer des méthodes d'identification expérimentale adaptées au besoin de caractérisation des fonctions de transfert des pompes en régime cavitant, notamment pour prédire les risques d'occurrence des phénomènes de couplage fluide-structure comme le Pogo. La matrice de transfert dynamique d'une pompe relie dans le domaine fréquentiel les fluctuations complexes (module + phase) de débit et de pression à l'entrée avec celles de sortie de la pompe. Par ailleurs, les mécanismes physiques qui régissent la réponse d'une pompe soumise à des fluctuations de pression et/ou de débit restent méconnus, ce qui rend aujourd'hui très difficile les prévisions théoriques. Dans le cadre des travaux développés, une nouvelle boucle d'essais a été mise en place permettant la mesure de la pression fluctuante et l'évaluation du débit fluctuant par une approche d'intensimétrie hydroacoustique. Une méthodologie d'essais a été mise en place sur le banc de test pour caractériser les fonctions de transfert de différents organes hydrauliques, notamment en régime cavitant, comme une pompe centrifuge. Ces travaux expérimentaux ont permis également d'alimenter et de valider les modèles de type " système " RLC utilisés pour la simulation du comportement acoustique du circuit. Les méthodologies d'essais, de post-traitement et de modélisation développés dans le cadre de cette thèse seront appliquées par l'industriel lors des essais dédiés sur le banc de test à des composants moteur.

La pollution de l'environnement par les pesticides reste une préoccupation sociale et environnementale importante. Lors de l'application, une partie des pesticides peut contaminer l'environnement (dérive). La diminution des pollutions repose sur la maîtrise de la taille et la vitesse des gouttes en sortie de buse. L'objectif principal de cette thèse est de développer une approche Eulérienne afin d'estimer les caractéristiques initiales des gouttes produites telles que la taille et la vitesse à la sortie de buse. Le modèle Eulérien d'atomisation considère l'écoulement diphasique d'un liquide et d'un gaz comme un écoulement turbulent d'un seul fluide avec une masse volumique variable, variant entre celle du gaz et celle du liquide pulvérisé. Une équation de transport pour la fraction massique liquide moyenne permet de décrire la dispersion du liquide dans la phase gazeuse. La turbulence est modélisée par une approche aux tensions de Reynolds (RSM) en résolvant les équations de transport de chacune des six composantes du tenseur de Reynolds. Par ailleurs, une équation de transport de l'interface volumique liquide/gaz est considérée. La production de l'interface volumique qui exprime la création des gouttes est fonction, d'une part, à grande échelle, du gradient de vitesse moyenne et, d'autre part, à petite échelle, de la turbulence. La destruction de l'interface volumique qui exprime la coalescence des gouttes, quant à elle, prend en compte la tension de surface qui s'oppose à la désintégration de la surface liquide. L'évolution spatiale des rayons et des vitesses des gouttes produites en sortie de buse est décrite en couplant l'équation de la fraction massique liquide moyenne et celle de l'interface volumique à celles de la conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de la turbulence. L'étude est faite avec le code de calculs FLUENT V.12 en utilisant les Fonctions Définies par l'Utilisateur (UDF "User Defined Function") pour adapter le code à nos conditions d'injection très particulières puisque le rapport des masses volumiques liquide et gaz est de l'ordre de 800. Les résultats obtenus par le modèle indiquent la formation d'une nappe conique creuse constituée de grosses gouttelettes et la présence d'une zone de recirculation près de l'axe du spray constituée de gouttelettes plus petites, conformément aux expérimentations. La comparaison du Diamètre Moyen de Sauter calculé par le modèle et mesuré expérimentalement par l'Anémométrie Phase Doppler montre un bon accord.

La première contribution de cette thèse est l'étude de la modélisation ainsi que de la discrétisation des écoulements multiphasiques en géométrie microfluidique. Nous proposons un nouveau schéma d'ordre deux de discrétisation basé sur les méthodes mixtes volumes finis/éléments finis pour le système de Stokes bi-fluides avec tension de surface. Nous présentons alors des comparaison de la précision de ce nouveau schéma avec la discrétisation MAC, en 2D et en 3D-axi. La seconde contribution est relative à l'étude de schémas numériques en temps pour les fluides viscoélastiques. Nous présentons les limites actuelles des modélisations dans ce domaine en étudiant le cas des écoulements de micelles géantes, polymères ayant la capacité de se réorganiser spatialement en fonction du taux de cisaillement. Nous montrons qu'une condition de stabilité liée au ratio de viscosité du polymère et du solvant en temps - très restrictive - existe. Un nouveau schéma est alors proposé pour contourner cette limitation et des études stabilité sont menés pour démontrer nos résultats.

Les zones de jonction sont incontournables sur un aéronef, par exemple au raccord entre une aile et un fuselage. Malgré cela, les phénomènes aérodynamiques se produisant à l'intersection entre deux surfaces sont mal connus et difficiles à prévoir tant expérimentalement que numériquement. Par conséquent, l'étude proposée dans le présent mémoire a consisté à identifier et analyser l'origine et les propriétés physiques des phénomènes mis en jeu au sein d'écoulements de jonction afin d'étudier les conditions d'apparition des décollements de coin. La démarche a été initiée par l'analyse de la littérature qui a permis de déterminer un domaine de conditions supposées favorables aux décollements de coin. Des configurations spécifiques ont ainsi été mises en place afin de tester ces conditions de manière expérimentale et numérique. L' analyse d'une première configuration a mis en évidence la dynamique d'ensemble du tourbillon en fer à cheval. Les pulsations bimodales du tourbillon dont fait état la littérature et ses oscillations transverses ont été caractérisées au moyen d'une simulation aux grandes échelles. Le fort niveau d'anisotropie de la turbulence relevé dans la région de coin est supposé responsable du mauvais comportement des modèles statistiques standards. Enfin, l'étude des sensibilités de cette configuration a fait apparaître une tendance au décollement de coin dans les cas à forts chargement aérodynamique. Ce travail souligne la nécessité d'approfondir les connaissances sur le décollement de coin afin d'en permettre une prévision fiable. Cela repose sur la création de bases de données expérimentales dédiées aux écoulements de jonction qui sont encore peu nombreuses.

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la sécurisation de l'appontage des hélicoptères sur les frégates. Il s'agit ici d'analyser le sillage aérodynamique d'une frégate générique modélisée par une double marche descendante dans le but de mieux comprendre ce type d'écoulement tridimensionnel instationnaire. Les champs de vitesse moyen et fluctuant ont été analysés essentiellement par voie expérimentale (PIV, fil chaud, visualisation pariétale. . . ) et ont permis de valider la présence de structures tridimensionnelles mises en évidence grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent en particulier la présence d'une asymétrie de l'écoulement moyen. Une étude fine autour de l'angle de dérapage nul a permis de confirmer le caractère bistable de l'écoulement autour de cette géométrie. Cette bi-stabilité a été observée dans différentes installations et pour un large éventail de conditions géométriques amont de la maquette. La compréhension de ce phénomène est déterminante avant toute tentative visant à mettre en oeuvre le contrôle de ce type d'écoulement complexe.

La sensibilité des propriétés globales d'un sillage turbulent derrière un cylindre en forme de "D" est étudiée expérimentalement. Un petit cylindre de contrôle (de forme et de diamètre variable) est inséré dans le sillage pour créer une perturbation locale. Un ensemble de mesures basé sur de l'anémométrie à fil chaud et vélocimétrie par images de particules est mis en oeuvre pour obtenir des informations locales et globales du sillage turbulent. Les forces aérodynamiques agissant sur le cylindre principal sont dérivées de mesures de pression autour de son périmètre. Les résultats sont présentés sous la forme de cartes de sensibilité du nombre de Strouhal et la pression de base. La sensibilité des propriétés globales est interprétée par la capacité de la perturbation locale à changer la taille de la région de formation de l'allée de Kármán en agissant principalement sur les propriétés turbulentes de la couche de mélange perturbée. Les mécanismes physiques correspondants sont discutés pour interpréter les origines de réduction de traînée et la modification de fréquence globale. L'impact de la perturbation sur les propriétés 3D du sillage est examiné par corrélation de vitesse à deux points et visualisation. Les configurations bi-stable de l'écoulement pour certaines positions du cylindre de contrôle sont étudiées.

La caractérisation du champ hydrodynamique et du champ de concentration, dans un tube à paroi poreuse soumis à une aspiration pariétale, est établie à l'aide d'un modèle physique traduisant les transferts simultanés d'impulsion et de matière en supposant un écoulement laminaire en régime permanent et une suspension assimilé à un fluide newtonien incompressible. Les forces de volume sont négligeables. Le coefficient de diffusion de matière est supposé constant. Cette caractérisation se base sur la résolution des équations de Navier-Stocks, qui caractérisent l'écoulement libre dans le tube, et la loi de Darcy qui traduit l'écoulement à la paroi poreuse. L'analyse dimensionnelle des équations de transfert a permis d'apparaître trois paramètres adimensionnels qui sont le nombre de Reynolds axial (Re), le nombre de Reynolds de perméation (Rew) et le nombre de Schmidt (Sc). Nous avons mis au point un code de calcul, développé sous environnement Matlab, basé sur une méthode aux différences finies. Ce code permet la détermination des profils des champs de vitesse, de pression et de concentration. Il est composé principalement de trois parties permettant la saisie des données, la résolution des équations considérées et l'affichage des résultats. Ce code est validé en effectuant deux tests, le premier consiste à retrouver numériquement les résultés analytiques d'un écoulement de Poiseuille dans in tube lisse, le recouvrement entre les résultats numériques et analytiques est parfait. Le deuxième test se refaire à des résultats expérimentaux déterminés par Gouverneur (1991) pour une vitesse de perméation non nulle. Dans ce cas l'erreur entre les résultats expérimentaux et numériques est inférieure à 1%. Nous avons alors exploité le code du calcul pour étudier l'écoulement dans un tube à paroi poreuse d'un fluide pur et d'un fluide chargé de particules. La première étude a permis de mettre en évidence l'influence des nombres de Reynolds axial et de Reynolds de perméation sur les profils des vitesses axiale et radiale, et sur les pertes de charge dans le tube. La seconde étude introduit l'équation de convection-diffusion de la matière. Elle prend en considération la formation d'une couche de dépôt de particules sur la paroi poreuse, pour se rapprocher de la réalité des phénomènes qui se reproduisent lors de la filtration tangentielle. La principale conséquence de la formation de cette couche est la non uniformité de la vitesse de perméation. L'étude montre l'influence des divers nombres adimensionnels sur l'épaisseur de la couche de dépôt, en particulier l'influence du nombre de Reynolds de perméation. Les résultats numériques ont été corrélés sous forme d'une équation, qui exprime l'évolution relative de l'épaisseur de la couche limite de concentration, en utilisant la méthode des moindres carrées . Notre travail est une contribution à l'étude hydrodynamique et à l'étude du dépôt des particules, qui se forme à la surface perméable d'un tube de filtration tangentielle, en supposant que la porosité de ce dépôt constante. Il convient d'élargir cette étude pour examiner les mêmes évolutions en supposant un dépôt compressible et de tenir compte de la porosité locale de ce dépôt.

Cette thèse fait partie du projet FLUXOBAT (ANR-PRECODD 2008), qui a pour objectif global de développer une méthodologie robuste et fiable d'estimation des transferts de Composés Organiques Volatils (COV) du milieu souterrain vers l'air intérieur et extérieur. Ce travail concerne l'étude à l'échelle du laboratoire des transferts d'un COV type, le trichloréthylène (TCE), au travers d'un sol modèle (sable) et surtout du béton, en conditions isothermes et pour des milieux secs. Les moyens utilisés sont la modélisation numérique et une série d'expériences en laboratoire. Une étude préliminaire reproduisant des expériences existant dans la littérature dans le sable uniquement, a tout d'abord permis de mettre en place les outils expérimentaux et numériques nécessaires à la modélisation du problème, avant la réalisation de l'étude sur le matériau béton, bien plus complexe. L'étude des transferts dans le béton a été divisée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, les transferts dans la pâte de ciment, plus homogène, ont été caractérisés. En particulier, la valeur du coefficient de sorption du TCE dans ce matériau a été obtenue à l'aide du suivi expérimental de la réponse à un " pulse " de polluant. Puis, les paramètres caractéristiques (porosité, perméabilité, ouverture des fissures, coefficient de diffusion effectif) des échantillons tests de " béton complet " ont été mesurés. Un protocole de caractérisation complète des galettes de béton a été mis au point, associé à la création d'un dispositif permettant la mise en place d'expériences de transferts du TCE (composé dont l'étude est complexifiée par son caractère particulièrement agressif) et applicables à tout milieu poreux consolidé. La problématique de l'hétérogénéité du béton, due à la présence de granulats et de fissures, a été traitée afin de proposer des équations de transfert moyennées donnant une meilleure description des transferts. Les conditions d'un cas de pollution " réel " ont été reproduites à l'échelle du laboratoire, sur un modèle réduit, dans une colonne de sable surmontée d'une galette de béton et d'une cavité en dépression représentant un bâtiment, pour étudier les transferts de TCE et valider la caractérisation développée dans l'étude. Les expériences de transferts réalisées sont reproductibles, ont été interprétées numériquement (sous Comsol multiphysics®), et ont permis de confirmer la pertinence de la simulation des transferts à l'aide de la caractérisation développée dans cette étude. Ce travail a permis de mettre, en particulier, en évidence l'importance de la caractérisation fine du béton, dont les propriétés et l'hétérogénéité sont des facteurs très influents sur les transferts, qui ne peuvent pas être décrits correctement avec des modèles analytiques simplifiés. Les résultats comportent l'estimation des paramètres caractérisant les transferts de COV dans le béton, et une compréhension fine des transferts du TCE dans ce matériau.