We investigate the Richtmyer-Meshkov instability (RMI) that occurs when an incident shock impulsively accelerates the interface between two different fluids. RMI is important in many technological applications such as Inertial Confinement Fusion (ICF) and astrophysical phenomena such as supernovae. We consider RMI in the presence of the magnetic field in converging geometry through both simulations and analytical means in the framework of ideal magnetohydrodynamics (MHD). In this thesis, we perform linear stability analyses via simulations in the cylindrical geometry, which is of relevance to ICF. In converging geometry, RMI is usually followed by the Rayleigh-Taylor instability (RTI). We show that the presence of a magnetic field suppresses the instabilities. We study the influence of the strength of the magnetic field, perturbation wavenumbers and other relevant parameters on the evolution of the RM and RT instabilities. First, we perform linear stability simulations for a single interface between two different fluids in which the magnetic field is normal to the direction of the average motion of the density interface. The suppression of the instabilities is most evident for large wavenumbers and relatively strong magnetic fields strengths. The mechanism of suppression is the transport of vorticity away from the density interface by two Alfv ́en fronts. Second, we examine the case of an azimuthal magnetic field at the density interface. The most evident suppression of the instability at the interface is for large wavenumbers and relatively strong magnetic fields strengths. After the shock interacts with the interface, the emerging vorticity breaks up into waves traveling parallel and anti-parallel to the magnetic field. The interference as these waves propagate with alternating phase causing the perturbation growth rate of the interface to oscillate in time. Finally, we propose incompressible models for MHD RMI in the presence of normal or azimuthal magnetic field. The linearized equations are solved numerically using inverse Laplace transform. The incompressible models show that the magnetic field suppresses the RMI, and the mechanism of this suppression depends on the orientation of the initially applied magnetic field. The incompressible model agrees reasonably well with compressible linear simulations.

Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, nous présentons une analyse des effets du champ magnétique sur le développement linéaire des instabilités de Richtmyer-Meshkov, en magnétohydrodynamique idéale d’une part, et de Rayleigh-Taylor au front d’ablation, dans les phases d’accélération et de décélération d’autre part.A l’aide d’un code linéaire de perturbation, nos simulations mono mode nous permettent de confirmer, pour l’instabilité de Richtmyer-Meshkov, la stabilisation apportée par la composante du champ magnétique parallèle au vecteur d’onde des perturbations de l’interface, dont l’amplitude oscille au cours du temps. Nous montrons que la prise en compte de la compressibilité n’apporte pas de changements significatifs par rapport au modèle impulsionnel incompressible existant dans la littérature. Dans nos simulations numériques bidimensionnelles, en géométrie plane, de l’instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase d’accélération, nous prenons en compte le phénomène d’auto-génération de champ magnétique induite par cette instabilité. Nous montrons qu’il est possible d’atteindre des valeurs de champ de l’ordre de quelques teslas et que la croissance de l’amplitude des perturbations transite plus rapidement vers un régime de croissance non-linéaire avec, notamment, un développement accru de la troisième harmonique. Nous proposons également une adaptation d’un modèle existant, étudiant l’effet d’anisotropie de conductivité thermique sur le taux de croissance de l’instabilité de Rayleigh-Taylor au front d’ablation, pour tenter de prendre en compte les effets des champs magnétiques auto-générés sur le taux de croissance de l’instabilité de Rayleigh-Taylor. Enfin, dans une étude numérique à deux dimensions, en géométrie cylindrique, nous analysons les effets des champs magnétiques auto-générés par l’instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase de décélération. Cette dernière étude révèle l’apparition de champs magnétiques pouvant atteindre plusieurs milliers de teslas sans pour autant affecter le comportement de l’instabilité de Rayleigh-Taylor. / In the context of inertial confinement fusion we investigate effects of magnetic fields on the development in the linear regime of two hydrodynamic instabilities: Richtmyer-Meshkov instability using ideal magnetohydrodynamics and ablative Rayleigh-Taylor instability in both acceleration and deceleration stages.Direct numerical simulations with a linear perturbation code enable us to confirm the stabilizing effect of the component of the magnetic field along the perturbations wave vector. The amplitude doesn’t grow linearly in time but experiences oscillations instead. The compressibility taken into account in the code does not affect predictions given by an already existing impulsive and incompressible model.As far as Rayleigh-Taylor instability is concerned we study the effects of self-generated magnetic fields that arise from the development of the instability itself. In the acceleration stage we perform two dimensional simulations in planar geometry. We show that magnetic fields of about 1T can be generated and that the instability growth transits more rapidly into nonlinear growth with the enhancement of the development of the third harmonic. We also propose an adaptation of an existing model that aims at studying thermal conductivity anisotropy effects, to take into account the effects of the self-generated magnetic fields on the Rayleigh-Taylor instability growth rate.Finally, in the deceleration stage, we perform two dimensional simulations in cylindrical geometry that take into account self-generation of magnetic fields due to the instability development. It reveals magnetic fields of about several thousands of teslas that are not strong enough though to affect the instability behavior.

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit propose une analyse expérimentale du dé-veloppement spatio-temporel d’une zone de mélange (air/hélium) initiée par instabilité deRichtmyer-Meshkov (IRM). Cette étude s’appuie sur la mise en oeuvre d’un tube à chocspositionné verticalement et sur le développement d’un nouveau protocole expérimental associéà un système innovant de génération de l’interface initiale entre les deux espèces gazeuses enprésence. Ce système est basé sur un dispositif d’obturation/ouverture composé d’un rideau rigiderétractable et d’une série volets mobiles. La caractérisation de l’interface initiale et de l’évolutionspatio-temporelle de la zone de mélange ainsi obtenue est effectuée en exploitant les résultats dedifférentes techniques de mesures telles que la visualisation strioscopique (Schlieren) résolue entemps, la tomoscopie plan laser (TPL) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). Enpremier lieu, différentes campagnes de mesures visant à caractériser l’interface initiale ont permisde quantifier la répétabilité du système et de démontrer ses capacités à générer une interfacepériodique faiblement diffuse. Dans un second temps, une étude du mélange gazeux obtenu pourun jeu de paramètres expérimentaux donné, est proposée. L’analyse s’intéresse en particulieraux mécanismes d’initiation et de transition a la turbulence de la zone de mélange produite parl’IRM. L’interaction entre cette zone de mélange en cours de développement et le choc réfléchisur l’extrémité supérieure du tube (phénomène de rechoc) est également étudiée dans l’optique deconfirmer la transition turbulente de la zone de mélange. / This work proposes an experimental analysis of the spatio-temporal development of an air/heliummixing zone promoted by the Richtmyer-Meshkov instability (RMI). This study relies on the useof a vertical shock tube and on the development of a new experimental protocol associated with aninnovative device for the generation of an initial interface between two gazeous species. This deviceconsists a rigid retractable curtain and of a series of rotating shutters. The characterization ofthis initial interface and the spatio-temporal evolution of the RMI-induced mixing zone is carriedout by exploiting the results of various experimental methods such as time resolved Schlierenvisualizations, planar laser mie scattering and Particle Image Velocimetry (PIV). In a first step,various measurement campaigns have made it possible to quantify the repeatability of the newdevice and to demonstrate its ability to generate a periodic, weakly diffused interface. In a secondstep, a study of the gaseous mixing for a given set of experimental parameters is proposed. Theanalysis focuses on the understanding of the underlying mechanisms driving the gaseous interfaceformation and the transition to turbulence of the RMI-induced mixing. The interaction betweenthis mixing zone and the reflected shock from the upper end of the tube (re-shock phenomenon)is also studied in order to confirm the turbulent transition of the mixing zone.

Ce travail s’intéresse à l’analyse expérimentale du développement de la zone de mélange turbulente (ZMT) produite par une instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM). Les expériences sont réalisées au sein d’un tube à chocs vertical, et l’analyse s’appuie sur des mesures simultanées mettant en œuvre des techniques expérimentales de type capteurs de pression pariétaux, visualisations strioscopiques résolues en temps et mesures de vitesse par Vélocimétrie Laser Doppler (LDV). Une caractérisation de l’installation expérimentale est tout d’abord effectuée en situation homogène (air pur, sans mélange), afin de déterminer la qualité de l’écoulement de base et connaître le niveau de turbulence de fond du tube à chocs. Les configurations de mélange, principalement entre de l’air et de l’hexafluorure de soufre (SF6), sont ensuite abordées. On s’intéresse dans un premier temps aux caractéristiques globales de la zone de mélange : en particulier à l’évolution de son épaisseur et à son taux de croissance. Plusieurs configurations de mélange sont étudiées en faisant varier différents paramètres expérimentaux tels que la hauteur de la veine d’essais du tube à chocs, la forme de la perturbation initiale de l’interface entre les deux gaz et le nombre d’Atwood, dans le but de déterminer leur influence sur le développement de la ZMT. On montre ainsi une sensibilité du taux de croissance post-rechoc à plusieurs de ces paramètres. Des comparaisons avec des simulations numériques réalisées par nos partenaires du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) montrent des tendances similaires entre expériences et simulations sur ce point. L’étude est ensuite complétée par une caractérisation plus locale de la ZMT, en mesurant les niveaux de turbulence en différents points de la veine d’essais à l’aide de la LDV. Après avoir quantifié les contraintes de convergence statistique imposées par l’expérience pour ce type de mesures, on donne une estimation des intensités turbulentes produites par l’écoulement de mélange à différents stades de son développement. / This experimental study sheds some light on the development of the turbulent mixing zone (TMZ) arising from a Richtmyer-Meshkov instability (RMI). The experiments are conducted in a vertical shock tube, and the analysis relies on simultaneous measurements involving pressuretransducers, time-resolved Schlieren visualizations and Laser Doppler Velocimetry (LDV). In a first step, a thorough characterization of the experimental apparatus is conducted in order to qualify the basic flow configuration corresponding to homogeneous situations (pure air withoutmixing), and to evaluate the « background » turbulence level of the shock tube. Mixing configurations (mainly between air and sulfur hexafluoride, SF6) are then investigated. We first focus on a global description of the mixing zone such as the time evolution of its thickness and the corresponding growth rate. We consider several mixing configurations, varying the length of the test section, the shape of the initial interface between the two gases and the Atwood number. A clear influence of some of these parameters is shown on the the post-reshock increasing rate of the mixing zone, in good accordance with numerical results obtained from the Commissariat à l’Energie Atomique (CEA, french atomic energy commission). A more local description of the flow is then obtained in a second step by measuring the turbulence levels at different locations inside the test section thanks to the LDV technique. After quantifying the issues linked to the statistical convergence of the turbulent quantities in such specific configurations, we provide an estimation of the turbulent intensities produced by the mixing at various stages of its development.

Les différents dimensionnements et expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) en attaque directe comme indirecte montrent qu'une des principales limites à l'atteinte de l'ignition est l'instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui cause la rupture de la coquille de la cible en vol et potentiellement le mélange du combustible chaud du coeur avec celui, froid, de la coquille. La connaissance, la compréhension et la maîtrise des conditions initiales de ce mécanisme sont donc d'un grand intérêt. Nous présentons ainsi une étude expérimentale et théorique des conditions initiales de l'IRT ablative en attaque directe au travers de deux campagnes expérimentales réalisées sur le laser OMEGA (LLE, Rochester). La première campagne concerne l'étude de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov (IRM) ablative imprimée par laser ; cette instabilité commence à se développer au début de l'irradiation laser et fixe l'ensemencement de l'IRT. Nous avons mis en place une configuration expérimentale qui a permis de mesurer l'évolution temporelle de l'IRM ablative imprimée par laser pour la première fois. Nous présentons ensuite une interprétation des résultats de cette expérience par des simulations hydrodynamiques réalisées avec le code CHIC, ainsi que par un modèle théorique de l'IRM ablative imprimée par laser. Nous montrons que le moyen le plus direct de contrôler cette instabilité est de réduire l'amplitude des défauts d'intensité laser. Ceci peut être accompli en utilisant des cibles couvertes par une couche de mousse de basse densité. Ainsi, lors de la deuxième campagne, nous avons étudié pour la première fois l'effet de mousses sous-denses sur la croissance de l'IRT ablative. Au cours de ces expériences, des feuilles de plastique recouvertes d'une couche de mousse ont été irradiées par un faisceau laser portant une perturbation d'intensité destinée à imprimer des modulations sur la cible. Différentes données expérimentales sont présentes : rétrodiffusion de l'énergie laser, dynamique de la cible obtenue par mesure de côté d'auto-émission et radiographies de face faisant apparaître l'effet des mousses sur les modulations de densité surfacique des cibles. Ces données ont ensuite été interprétées à l'aide de simulations CHIC et du code d'interaction laser-plasma PARAX. Nous montrons qu'une des mousses réduit l'amplitude des modulations de l'intensité laser d'un facteur 2. Par conséquent, cette thèse a donné lieu au développement de configurations expérimentales et d'un ensemble d'outils de dépouillement numériques pour l'étude approfondie des instabilités hydrodynamiques en FCI. / Numerous designs and experiments in the domain of Inertial Confinement Fusion (ICF) show that, in both direct and indirect drive approaches, one of the main limitations to reach the ignition is the Rayleigh-Taylor instability (RTI). It may lead to shell disruption and performance degradation of spherically imploding targets. Thus, the understanding and the control of the initial conditions of the RTI is of crucial importance for the ICF program. In this thesis, we present an experimental and theoretical study of the initial conditions of the ablative RTI in direct drive, by means of two experimental campaigns performed on the OMEGA laser facility (LLE, Rochester). The first campaign consisted in studying the laser-imprinted ablative Richtmyer-Meshkov instability (RMI) which starts at the beginning of the interaction and seeds the ablative RTI.We set up an experimental configuration that allowed to measure for the first time the temporal evolution of the laser-imprinted ablative RMI. The experimental results have been interpreted by a theoretical model and numerical simulations performed with the hydrodynamic code CHIC. We show that the best way to control the ablative RMI is to reduce the laser intensity inhomogeneities. This can be achieved with targets covered by a layer of a low density foam. Thus, in the second campaign, we studied for the first time the effect of underdense foams on the growth of the ablative RTI. A layer of low density foam was placed in front of a plastic foil, and the perturbation was imprinted by an intensity modulated laser beam. Experimental data are presented : backscattered laser energy, target dynamic obtained by side-on selfemission measurement, and face-on radiographs showing the effect of the foams on the target areal density modulations. These data were interpreted using the CHIC code and the laser-plasma interaction code PARAX. We show that the foams noticeably reduce the amplitude of the laser intensity inhomogeneities and the level of the subsequent imprinted ablation front modulations. In conclusion, this thesis allowed us to develop an experimental platform and a suite of numerical tools for future, more detailed studies of hydrodynamic instabilities for ICFapplications.

High explosive charges when detonated ensue in a flow field characterized by several physical phenomena that include blast wave propagation, hydrodynamic instabilities, real gas effects, fluid mixing and afterburn effects. Solid metal particles are often added to explosives to augment the total impulsive loading, either through direct bombardment if inert, or through afterburn energy release if reactive. These multiphase explosive charges, termed as heterogeneous explosives, are of interest from a scientific perspective as they involve the confluence and interplay of various additional physical phenomena such as shock-particle interaction, particle dispersion, ignition, and inter-phase mass, momentum and energy transfer. In the current research effort, chemical explosions in multiphase environments are investigated using a robust, state-of-the-art Eulerian-gas, Lagrangian-solid methodology that can handle both the dense and dilute particle regimes. Explosions into ambient air as well as into aluminum particle clouds are investigated, and hydrodynamic instabilities such as Rayleigh- Taylor and Richtmyer-Meshkov result in a mixing layer where the detonation products mix with the air and afterburn. The particles in the ambient cloud, when present, are observed to pick up significant amounts of momentum and heat from the gas, and thereafter disperse, ignite and burn. The amount of mixing and afterburn are observed to be independent of particle size, but dependent on the particle mass loading and cloud dimensions. Due to fast response times, small particles are observed to cluster as they interact with the vortex rings in the mixing layer, which leads to their preferential ignition/ combustion. The total deliverable impulsive loading from heterogeneous explosive charges containing inert steel particles is estimated for a suite of operating parameters and compared, and it is demonstrated that heterogeneous explosive charges deliver a higher near-field impulse than homogeneous explosive charges containing the same mass of the high explosive. Furthermore, particles are observed to introduce significant amounts of hydrodynamic instabilities in the mixing layer, resulting in augmented fluctuation intensities and fireball size, and different growth rates for heterogeneous explosions compared to homogeneous explosions. For aluminized explosions, the particles are observed to burn in two regimes, and the average particle velocities at late times are observed to be independent of the initial solid volume fraction in the explosive charge. Overall, this thesis provides useful insights on the role played by solid particles in chemical explosions.

We present an Embedded Boundary with Adaptive Mesh Refinement technique for solving the compressible Navier Stokes equations in arbitrary complex domains; followed by a numerical studies for the effect of circular cylinders on the transient dynamics of the Richtmyer-Meshkov Instability. A PDE multidimensional extrapolation approach is used to reconstruct the solution in the ghost-fluid regions and imposing boundary conditions on the fluid-solid interface, coupled with a multi-dimensional algebraic interpolation for freshly cleared cells. The Navier Stokes equations are numerically solved by the second order multidimensional upwind method. Block-structured AMR, implemented with the Chombo framework, is utilized to reduce the computational cost while keeping high resolution mesh around the Embedded Boundary and regions of high gradient solutions. The versatility of the method is demonstrated via several numerical examples, in both static and moving geometry, ranging from low Mach number nearly incompressible to supersonic flows. Our simulation results are extensively verified against other numerical results and validated against available experimental results where applicable. The effects on the transient dynamics of the Richtmyer-Meshkov instability due to small scale perturbations introduced on the shock-wave or the material interface by a single or set of solid circular cylinders were computationally investigated using the developed technique. First, we discuss the RMI initiated on a flat interface by a rippled shock-wave that is disturbed by a single circular cylinder. Then, we study the effect of introducing a number of circular cylinders on the interface. The arrangement of the cylinders set mimic (in a two dimensional domain) the presence of the solid supporting grid wires used in the formation of the material interface in the experimental setup. We analyzed their effects on the mixing layer growth and the mixedness level, and qualitatively demonstrate the cylinders' perturbation effects on the mixing layer structure. We modeled the cylinders' influence based on their diameters; and showed the model ability to predict the variation of the mixing layer growth for different flow parameters.

Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel, nous présentons une analyse des effets du champ magnétique sur le développement linéaire des instabilités de Richtmyer-Meshkov, en magnétohydrodynamique idéale d'une part, et de Rayleigh-Taylor au front d'ablation, dans les phases d'accélération et de décélération d'autre part.A l'aide d'un code linéaire de perturbation, nos simulations mono mode nous permettent de confirmer, pour l'instabilité de Richtmyer-Meshkov, la stabilisation apportée par la composante du champ magnétique parallèle au vecteur d'onde des perturbations de l'interface, dont l'amplitude oscille au cours du temps. Nous montrons que la prise en compte de la compressibilité n'apporte pas de changements significatifs par rapport au modèle impulsionnel incompressible existant dans la littérature. Dans nos simulations numériques bidimensionnelles, en géométrie plane, de l'instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase d'accélération, nous prenons en compte le phénomène d'auto-génération de champ magnétique induite par cette instabilité. Nous montrons qu'il est possible d'atteindre des valeurs de champ de l'ordre de quelques teslas et que la croissance de l'amplitude des perturbations transite plus rapidement vers un régime de croissance non-linéaire avec, notamment, un développement accru de la troisième harmonique. Nous proposons également une adaptation d'un modèle existant, étudiant l'effet d'anisotropie de conductivité thermique sur le taux de croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor au front d'ablation, pour tenter de prendre en compte les effets des champs magnétiques auto-générés sur le taux de croissance de l'instabilité de Rayleigh-Taylor. Enfin, dans une étude numérique à deux dimensions, en géométrie cylindrique, nous analysons les effets des champs magnétiques auto-générés par l'instabilité de Rayleigh-Taylor dans la phase de décélération. Cette dernière étude révèle l'apparition de champs magnétiques pouvant atteindre plusieurs milliers de teslas sans pour autant affecter le comportement de l'instabilité de Rayleigh-Taylor.

Partie I: Modèles de spin collectif On utilise le formalisme des états cohérents de spin pour étudier des modèles de spin collectif, qui ont plusieurs champs d'application en physique. Le modèle de Lipkin-Meshkov-Glick (LMG) a en particulier été analysé à la limite thermodynamique. La méthode développée au cours de ce travail peut être utilisée, en principe, pour des Hamiltoniens plus généraux, s'écrivant en fonction des générateurs de l'algèbre su(2). Nous avons pu dériver exactement la densité d'états intégrée du modèle. La nature des singularités de la densité d'états a été mise en évidence. Les premières corrections de taille finie ont également été calculées. Les valeurs moyennes d'observables ont été étudiées. Près des singularités, la quantification de Bohr-Sommerfeld, adaptée aux spins, n'est pas valable. Pour traiter ces cas, nous avons développé une nouvelle approche, permettant alors de décrire le spectre au voisinage des points critiques. Partie II : Calcul quantique adiabatique Nous avons construit un modèle simple permettant de mettre en évidence la relation entre les transitions de phase quantiques et le calcul (quantique) adiabatique. Ce modèle met en évidence l'importance du choix du Hamiltonien initial et du chemin adiabatique considéré dans l'espace des paramètres, et peut servir comme un cas d'école pour des modèles plus réalistes. Nous avons enfin étudié la dynamique des populations des états à travers une transition de phase, pour le cas du modèle LMG abordé dans la première partie. Une analyse numérique nous a montré que ces changements de population sont très sensibles à la présence des points exceptionnels dans le spectre, ce qu'un modèle simplifié de l'évolution quantique permettait de suggérer.

Cette thèse porte sur la propagation d'incertitudes et la résolution de problème inverse et leur accélération par Chaos Polynomial. L'objectif est de faire un état de l'art et une analyse numérique des méthodes spectrales de type Chaos Polynomial, d'en comprendre les avantages et les inconvénients afin de l'appliquer à l'étude probabiliste d'instabilités hydrodynamiques dans des expériences de tubes à choc de type Richtmyer-Meshkov. Le second chapitre fait un état de l'art illustré sur plusieurs exemples des méthodes de type Chaos Polynomial. Nous y effectuons son analyse numérique et mettons en évidence la possibilité d'améliorer la méthode, notamment sur des solutions irrégulières (en ayant en tête les difficultés liées aux problèmes hydrodynamiques), en introduisant le Chaos Polynomial généralisé itératif. Ce chapitre comporte également l'analyse numérique complète de cette nouvelle méthode. Le chapitre 3 a fait l'objet d'une publication dans Communication in Computational Physics, celle-ci a récemment été acceptée. Il fait l'état de l'art des méthodes d'inversion probabilistes et focalise sur l'inférence bayesienne. Il traite enfin de la possibilité d'accélérer la convergence de cette inférence en utilisant les méthodes spectrales décrites au chapitre précédent. La convergence théorique de la méthode d'accélération est démontrée et illustrée sur différents cas-test. Nous appliquons les méthodes et algorithmes des deux chapitres précédents à un problème complexe et ambitieux, un écoulement de gaz compressible physiquement instable (configuration tube à choc de Richtmyer-Meshkov) avec une analyse poussée des phénomènes physico-numériques en jeu. Enfin en annexe, nous présentons quelques pistes de recherche supplémentaires rapidement abordées au cours de cette thèse.