Cette thèse à pour objet l'étude de certains aspects du problème de Cauchy pour l'équation des vagues. Dans la première partie, on utilise une formulation paradifférentielle pour prouver un critère d'explosion pour les vagues de gravités. On montre ensuite des estimations de Strichartz pour les vagues de capillarités, avant de les utiliser pour résoudre le problème de Cauchy à faible régularité. Dans la deuxième partie, on prouve des estimations a priori pour les vagues de gravité avec fond émergent. / This thesis studies some aspects of the Cauchy problem for the water waves equation. In the first part, we use a paradifferential formulation to prove a blow-up criterion for gravity waves. We then show some Strichartz estimates for capillary waves, and use them to solve the Cauchy problem at low regularity. In the second part, we prove a priori estimates for gravity waves with an emerging bottom.

Dans le cadre du design des assemblages combustibles, les écoulements turbulents induits par les grilles de maintien provoquent de fortes fluctuations de pression dues aux niveaux de vitesses du fluide induisant la vibration des crayons combustibles. Or ces vibrations sont une source de vieillissement accéléré et d’usure prématurée des assemblages combustibles dont l’origine convient d’être mieux analysée.Dans cette l'optique, des simulations numériques ont été utilisées pour prédire les niveaux de vitesses transverses ainsi que le niveau de turbulence en aval de la grille. Cependant, les codes CFD doivent être validés avec des mesures expérimentales conduisant ainsi à une meilleure compréhension des structures mis en jeu dans le processus de mélange. Or la caractéristique de ce type d'écoulement repose sur son caractère tridimensionnel entre les faisceaux de crayons où l'accès optique est limité et à l'heure actuelle, aucune mesure de vitesse 3D n'a été réalisée. C'est pourquoi nous nous proposons de présenter dans cette étude l'application d'une technique de mesure 3D résolue en temps dans une boucle hydraulique transparente. L’approche consiste à utiliser une stratégie de suivi, dans lequel des particules traceuses individuelles sont d'abord détectées dans l’écoulement et ensuite suivies dans le temps – PTV 3D.Cette thèse présente les résultats obtenus dans une veine d’essais hydraulique en utilisant une approche de suivi à l’aide de deux caméras. Dans un premier temps, une nouvelle extension de la technique de défocalisation permettant de récupérer les positions des particules dans le temps avec une caméra est présentée et la méthodologie pour récupérer les déplacements individuels est décrite. Des cas d’application et de validation de la technique sont présentés afin de mieux quantifier les erreurs de mesures. Ensuite, la boucle hydraulique est introduite et son écoulement caractérisé par des techniques établies de mesure de vitesse. Finalement, les mesures 3D à deux caméras sont réalisées et discutées. / In order to validate the numerical simulation of the mixing phenomena downstream a spacer grid in the reactor core, reaching the 3rd velocity component through experimental studies is of major importance since mechanical structures responses are linked to transverse velocities. Nevertheless the main difficulty relies on applying a non-intrusive velocimetry technique around obstacles composed of a vertical set of rods. So far only 1D and 2D temporal studies have been performed.Hence, numerical methods have been widely used to predict correctly those transverse velocities and the turbulence level downstream the grid. However, CFD codes are to be validated with experimental measurements leading to a better understanding of the detailed flow structure in the mixing process. Therefore we propose to present in this study the application of a 3D time resolved velocity measurement technique to a hydraulic test facility. The approach is to use a tracking strategy, in which individual particles are first detected then followed in time - 3D time resolved Particle Tracking Velocimetry.This PhD Thesis presents results obtained in a hydraulic test section using a tracking based approach with two cameras. At first, a new extension of the defocussing technique to recover particles location in time with one camera is presented and the methodology o get individual velocity vector is then described. Applications and validations of the technique in dedicated flows allow to determinate and quantify measurement uncertainties. Then the hydraulic test section is introduced together with preliminary flow characterization using Laser Doppler Velocimetry or 2D time resolved PIV analysis. Finally, two cameras measurements are reported and post-processing techniques are discussed.

L’industrie automobile se trouve aucentre des préoccupations environnementalesactuelles. Les moteurs essence à injection directeopérés en condition pauvres offrent un fortpotentiel en terme de réduction des émissions depolluants. En contrepartie, ils sont sujets à uneforte variabilité cyclique de combustion (CCV)qui ne peut être que partiellement étudiéeexpérimentalement. La simulation aux grandeséchelles (SGE) apparait comme une approchenumérique adaptée pour étudier de telsphénomènes, du fait de sa capacité naturelle àcapter les phénomènes instationnaires. Laprésente thèse se propose d’une part d’estimer lacapacité de la SGE à reproduire les CCVobservées expérimentalement, et d’autre part decontribuer à une meilleure compréhension deleur apparition. Dans ce contexte, un effortparticulier est mis sur la modélisation desphénomènes proche paroi. En particulier, unmodèle de paroi adapté à l’étude del’aérodynamique interne de configurationindustrielles est proposé. Il est validé sur desconfigurations de complexités variées. Enfin,l’étude porte sur le cas du moteur M256 qui estétudié en s’appuyant sur une solide base dedonnées expérimentales. Les causes de CCV sontexplorées, et notamment, l’impact de lavariabilité de l’écoulement généré pendant laphase d’admission sur la propagation du front deflamme est clarifié. / The automotive industry finds itselfat the center of current environmental concerns.Modern direct injection engines, operated underlean condition have the potential to reducepollutant emissions. As a drawback, they aresubject to large cyclic combustion variability(CCV), that can be explained only partially byexperimental measurements. Large-EddySimulation (LES) appears as an adapted tool tocomplement experiments, due to its naturalability to capture unsteady phenomena. Thepresent PhD thesis first aims at reproducing theCCV, and at contributing achieving a betterunderstanding of their occurrence.In this context, a special effort is put on thereproduction of near-wall phenomena, throughthe proposal of a new wall boundary conditionthat is validated on cases of differentcomplexity. Then the focus is put on the M256case, for which an extensive experimentaldatabase is available. The causes of CCV areexplored, and in particular, the impact of thevariability of the intake flow on the flame frontpropagation is clarified.

L’accrétion de givre sur les surfaces rencontrées en aéronautique (ailes, entrées d’airmoteur, sonde) est considérée comme un risque majeur pour la sécurité aérienne. Lesconséquences observées sont la dégradation des performances aérodynamiques pouvantconduire au décrochage, des perturbations dans les moteurs pouvant aller jusqu’`a sonextinction ou le colmatage des sondes. C’est pourquoi les avionneurs développent dessystèmes de protection thermiques contre le givre. L’eau accumulée sur les surfaces resteainsi à l’état liquide et forme un film mince. Les propriétés dynamiques (hauteur, vitesseet étalement) et thermiques (température, taux d’évaporation) du film en présence d’unécoulement d’air cisaillé permettent de prédire un éventuel regel du film d’eau en dehorsdes zones protégées ("runback ice "). Comme les essais en vols ou en soufflerie sontsouvent complexes à mettre en ouvre et onéreux, la simulation numérique est devenueun outil efficace et complémentaire pour dimensionner ces systèmes. L’objet principal decette thèse est le développement de modèles intégrés dans un outil numérique permettantde prédire le transport d’eau liquide sur une surface sous forme de film ou de ruisseletsou de gouttes. Une approche intégrale de type Saint Venant est adoptée ce qui permet dedécrire la dynamique macroscopique d’un film 3D pour des configurations et des temps decalcul raisonnables par rapport `a un calcul DNS. Une formulation augmentée du secondordre en espace pour le traitement des termes de courbure est proposée, ce qui autorisel’utilisation de maillages surfaciques non structurés généraux. Contrairement aux modèlesdisponibles dans la littérature, celui propos´e dans ce manuscrit présente l’avantage de tenircompte des phénomènes capillaires et de mouillage sans limite de validité en termesd’angle de contact statique. Une équation de conservation de l’énergie garantissant laconsistance thermodynamique des solutions calculées est dérivée du système augmentérégissant la dynamique du fluide. Une discrétisation de type Volumes Finis du systèmed’équation est proposée. Des simulations numériques valident le modèle pour des configurationsacadémiques de mouillage statiques et dynamiques. La transition d’un film continuen ruisselets est également simulée. / The ice accretion on surfaces encountered in aeronautics (wings, nacelle lips, sensors)is considered as a major risk for aviation safety. The consequences observed are the degradationof the aerodynamic performances that can lead to the aircraft stall, disturbancesin the engines that can lead to flame out or clogging of the sensors. That is why aircraftmanufacturers are developing thermal protection systems against icing. The wateraccumulated on the surfaces thus remains in the liquid state and forms a thin film. Thedynamic properties (thickness, velocity and spreading) and thermal properties (temperature,evaporation rate) of the film in the presence of a sheared air flow make it possible apotential refreezing of the water film on unprotected surfaces (”runback ice” phenomena).Since flight or wind tunnel tests are generally expensive and difficult to set up, numericalsimulation has become an effective and complementary tool to design these systems. Themain purpose of this thesis is to develop a model integrated in a numerical tool to predictthe transport of liquid water on a surface which might take the form of a film, a rivulet ora droplet. An integral approach based on a shallow water type model is adopted. It makesit possible to describe the macroscopic dynamics of a three-dimensional liquid film onrealistic configurations and within reasonable computing times compared to a full Navier-Stokes computation. An extended formulation is proposed, it corresponds to a second orderdifferential system and thus allows to use arbitrary surface meshes. Contrary to modelsavailable in the literature, the one proposed in this manuscript has the advantage of takinginto account capillary and wetting phenomena without validity limit in term of staticcontact angle. An energy conservation equation ensuring the thermodynamic consistencyof the calculated solutions is derived from the extended model governing fluid dynamics.A Finite Volume discretization of the system is proposed. Numerical simulations validatethe model for both static and dynamic academical wetting configurations. The transitionof a continuous film into rivulets is also simulated.

Cette étude fondamentale présente des résultats expérimentaux et numériques concernant la dynamique et la stabilité de tourbillons avec écoulement axial, pour des nombres de Reynolds modérés. La première partie de la thèse s'attache à étudier l'instabilité elliptique dans des paires de tourbillons co- et contrarotatifs, avec écoulement axial. L'étude de stabilité de deux tourbillons corotatifs de Batchelor, réalisée avec un code à éléments spectraux, a permis d'identifier clairement des modes de l'instabilité elliptique à structure spatiale complexe, pour différentes valeurs de l'écoulement axial et du nombre d'onde axial. Expérimentalement, l'instabilité elliptique a été mise en évidence dans des paires de tourbillons co- et contra-rotatifs, générées au moyen de deux demi-ailes placées dans un canal hydrodynamique. L'analyse POD (Proper Orthogonal Decomposition) d'images acquises par une caméra rapide a mené à une caractérisation précise du mode de l'instabilité observé, qui implique des perturbations avec des nombres azimutaux m=0 et m=2, remplissant la condition de résonance de l'instabilité elliptique. L'analyse numérique de stabilité des vortex expérimentaux, caractérisés par une méthode de Vélocimétrie Stéréoscopique par Images de Particules, a montré le même mode instable. Les longueurs d'onde et taux de croissance expérimentaux et numériques sont en bon accord. La deuxième partie de l'étude porte sur le "vortex meandering", abord expérimentalement en générant un vortex de bout d'aile. Une analyse détaillée des perturbations du tourbillon permet de mettre ce phénomène en relation avec la théorie de croissance transitoire des perturbations d'un vortex isolé.

Une étude numérique et expérimentale de l'écoulement autour de corps roulants ou glissants est présentée. La géométrie des corps étudiés est soit sphérique soit cylindrique, et le nombre de Reynolds, basé sur le diamètre et la vitesse de translation du corps, est limité à des valeurs inférieures à 500. Le but de cette étude est de comprendre l'interaction des effets d'une rotation et de la proximité d'une paroi sur le sillage d'un corps non-profilé, quand ces deux effets sont présents simultanément. Dans le cas d'un cylindre roulant le long d'une paroi, des simulations bi- et tri-dimensionnelles ainsi qu'une étude de stabilité linéaire ont été effectuées. L'écoulement autour d'une sphère, roulant ou glissant le long d'une paroi, est étudié expérimentalement et par des simulations numériques tri-dimensionnelles. L'espace des paramètres de cet écoulement est défini par le nombre de Reynolds et le taux de rotation adimensionné du corps. Cinq valeurs de rotation ont été considérées. Cette plage décrit des situations allant du roulement "normal", sans glissement entre le corps et la paroi, au roulement "inversé", où le corps tourne dans la direction opposée. Une approche numérique avec une méthode à éléments spectraux a été utilisée pour simuler l'écoulement en deux et trois dimensions. Des expériences en laboratoire ont été effectuées dans un canal à eau en circuit fermé, équipé d'un tapis roulant avec aspiration de la couche limite. La visualisation par colorant a été utilisée afin d'identifier les différents structures tourbillonnaires dans le sillage du cylindre et de la sphère.

Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés dans deux géométries bloquées. Les géométries utilisées sont des modèles d'artères sténotiques, une condition commune ou une contraction localisée grandit dans une artère. Les géométries sont des modèles simplifiés de la réalité physiologique d'une sténose, l'intention de l'étude étant d'isoler et de décrire les caractéristiques fondamentales des écoulements sténotiques. L'étude se concentre sur l'effet de la variation du taux de blocage sur l'écoulement et sa stabilité. La première partie de la thèse présente une investigation de l'écoulement stationnaire à travers une conduite bidimensionnelle, avec une contraction asymétrique semi-circulaire. Les variations de la dynamique et de la stabilité et du sillage avec le nombre de Reynolds et le taux de blocage sont présentés. Le mode primaire de l'instabilité est décrit et son mécanisme déterminé analytiquement comme étant une instabilité elliptique. La deuxième partie concerne une géométrie cylindrique avec une contraction axisymétrique. Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés numériquement et expérimentalement. Numériquement, les différents modes linéaires d'instabilité sont identifiés. Expérimentalement, l'influence importante d'une instabilité convective est observée. Pour l'écoulement stationnaire, des comparaisons entre le comportement périodique de l'instabilité convective et la réponse d'un forçage sur l'écoulement stable sont effectuées. Pour l'écoulement pulsé, l'instabilité convective domine pour la plupart des cas considérés. La dépendance du nombre de Reynolds et du taux de blocage des deux formes d'instabilité est étudiée.

Cette thèse porte sur le développement de méthodes numériques pour le calcul d'écoulements incompressibles multi-fluides sur grille de calcul, s'inscrivant ainsi dans le cadre du projet MecaGrid.Une étude de la grille MecaGrid met en évidence son caractère hétérogène et ses conséquences. Plusieurs techniques d'optimisation sont présentées afin d'améliorer son utilisation : répartir la masse de calcul de façon adaptée, et privilégier le travail des processeurs vis-à-vis des communications réseaux pénalisantes.Des méthodes numériques sur maillage non structuré composé de tétraèdres sont choisies pour réaliser la simulation directe d'écoulements multi-fluides avec capture d'interface. Nous adoptons une approche unique qui rappelle celle du Multiscale, dans laquelle la condensation d'une fonction Bulle pyramidale est utilisée comme technique universelle de stabilisation.Les équations de Navier-Stokes incompressible sont résolues par une méthode éléments finis mixtes à interpolation P1+/P1. Un schéma temporel d'Euler implicite est appliqué, en association avec un algorithme de Newton pour linéariser le problème.Les interfaces sont capturées par une technique Level Set à interpolation continue P1 qui consiste à résoudre une équation de transport stabilisée par la condensation d'une Bulle (Residual-Free Bubbles). Le couplage avec une équation d'Hamilton-Jacobi permet de réinitialiser la fonction Level Set au court de son transport. La comparaison avec une méthode Galerkin discontinue proche du Volume of Fluid montre que le Level Set se distingue par sa simplicité et l'absence de diffusion numérique.Enfin, les simulations numériques sont validées par plusieurs cas test reconnus.

Ce travail est consacré à la modélisation des macroségrégations et des distorsions se produisant lors de la solidification de pièces métalliques. Un modèle bidimensionnel d'éléments finis est développé pour l'analyse des écoulements de convection thermo-solutale à l'origine des macroségrégations. Dans ce modèle, l'ensemble des équations, moyennées spatialement, de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement, de la masse et des espèces chimiques est résolu en prenant pour modèle de microségrégation la règle des leviers. Plusieurs formulations permettent une résolution avec couplage faible ou fort des différentes résolutions ainsi qu'une approche en système ouvert ou fermé. Dans le but d'augmenter la précision des résultats, un algorithme de remaillage dynamique est également proposé, de façon à enrichir le maillage au voisinage du front de solidification. L'orientation et la norme du gradient de fraction liquide guident le remaillage dans la zone pâteuse, tandis que la distance à l'isotherme liquidus est utilisée dans le liquide. L'approche numérique est validée grâce à un benchmark de macroségrégation tiré de la littérature et portant sur des alliages Pb-Sn. Les influences de la discrétisation spatiale et temporelle et des schémas de couplage sont discutées, notamment par rapport à la capacité de prédiction des canaux ségrégés. En outre, l'efficacité de l'adaptation de maillage est illustrée dans un cas de solidification dirigée, donnant lieu à l'apparition de " freckles ", ainsi que pour la prédiction de bandes ségrégées de type A dans un gros lingot d'acier. La dernière partie du document présente une modélisation thermo-mécanique visant à calculer le développement, pendant le procédé, des contraintes et distorsions dans les zones solidifiées, ainsi que le retrait et les mouvements de thermo-convection affectant les régions liquides. Le comportement de l'alliage est alors considéré comme newtonien à l'état liquide, comme celui d'un milieu continu viscoplastique à l'état pâteux, et comme élasto-visco-plastique à l'état solide. Cette simulation thermo-mécanique est utilisée pour calculer la formation des lames d'air, la génération des déformations, des contraintes et la formation des retassures primaires.

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent des équations aux dérivées partielles issues de la physique des plasmas ou de la mécanique des fluides. En amont, ils comportent une partie importante de modélisation : approximation de systèmes hyperboliques oscillants, dérivation de systèmes de types Zakharov, modèle Hele-Shaw, modèle de micelles géantes. En aval, ils abordent un certain nombre de problèmes théoriques : existence et unicité des solutions, stabilité/instabilité des ondes solitaires, controle optimal, estimations d'erreur et convergence de modèles. Ils explorent aussi des méthodes numériques de résolution qui ont toutes pour point commun d'utiliser des méthodes de volumes finis ou différences finies sur des grilles cartésiennes en utilisant éventuellement des méthodes de pénalisation.