L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA. Ensuite, nous montrons comment la turbulence électrostatique peut briser l'axisymétrie du système, générant ainsi de la rotation toroïdale. Un lien fort entre transport de chaleur et transport de quantité de mouvement est mis en évidence, les deux présentant des avalanches à grande échelle. La dynamique du transport turbulent est analysée en détail et, bien que l'estimation standard gyro-Bohm soit vérifiée en moyenne, des phénomènes non-diffusifs sont observés. L'effet des écoulements de bord du plasma sur la rotation toroïdale dans le coeur est étudié en modifiant les conditions aux bords dans le code GYSELA. Enfin, le champ magnétique d'équilibre, qui n'est pas rigoureusement axisymétrique, peut également participer à la génération de rotation toroïdale, via des mécanismes purement collisionnels. Dans un tokamak, cet effet est suffisamment important pour entrer en compétition avec la rotation générée par la turbulence électrostatique.

L’écoulement entre deux cylindres coaxiaux, appelé l’écoulement de Couette-Taylor, a été étudié lorsque le cylindre intérieur tourne. Quatre dispositifs ont été utilisés avec différentes tailles d’entrefer. Les visualisations montrent l’évolution des motifs avec le nombre de Reynolds, Re. La variation du couple sur le cylindre intérieur a été déterminée en utilisant le pseudo-nombre de Nusselt, qui est une mesure du taux de dissipation d’énergie.Pour des faibles valeurs de Re, l’écoulement est laminaire et azimutal, et le couple est proportionnel à Re. Au-delà d’une valeur critique de Re, les rouleaux de Taylor apparaissent et la pente de variation du couple change brutalement. Pour de grandes valeurs de Re, les rouleaux deviennent turbulents et la pente du couple augmente à cause de la dissipation d’énergie turbulente. Le couple a été mesuré jusqu’à Re=45.000 et montre une dépendance avec le rapport de rayons des cylindres et du nombre de vortex. Avant le régime ultime de la turbulence, les états avec plus de rouleaux présentent un couple plus grand et la situation est inversée dans le régime ultime.Une étude du couple agissant sur le cylindre intérieur a été menée en présence d’un liquide viscoélastique contenant des polymères de grande masse molaire. En appliquant des cycles d’accélération-décélération de la rotation du cylindre intérieur, le couple présente une boucle d’hystérèse dont l’aire augmente avec la concentration de polymère. Les statistiques des fluctuations de la turbulence élastique ont été analysées. Le couple exercé par les vortex solitaires obtenus lors de la phase de décélération, avant la relaminarisation complète de l’écoulement, a été étudié. / The flow between two concentric cylinders, i.e., the Couette-Taylor flow, has been investigated when only the inner cylinder rotates. Four set-ups have been employed with 4 values of the radius ratio. Flow visualisations have been performed to analyse the evolution of the flow patterns with the Reynolds number, Re. The variation of the torque acting on the inner cylinder with different parameters has been quantified using the pseudo-Nusselt number, which measures the rate of energy dissipation in the flow.At low Re, the flow is laminar and azimuthal, and the torque is proportional to Re. Above a critical value of Re, Taylor vortices emerge in the flow and the slope of the torque changes drastically. At high values of Re, the vortices become turbulent and the increase rate of torque is enhanced due to the energy dissipation of turbulence. The torque measured up to Re=45 000 depends on the radius ratio of the cylinders and on the number of vortices. Below the ultimate regime of turbulence, flows containing larger number of vortices exert larger levels of torque; above it, flows containing larger number of vortices exert lower levels of torque.A specific study of the torque exerted on the inner cylinder has been carried out with viscoelastic fluids made of large-weight-molecule polymers. If acceleration-deceleration cycles of the rotation of the inner cylinder are applied, the torque exhibits a hysteretic loop, which increases with the polymer concentration. The statistics of the elastic turbulence fluctuations have been analysed. A special focus was made on the torque induced by the solitary vortices obtained in the deceleration phase, before the flow relaminarisation.

Au cours de cette thèse, le rôle joué par la turbulence de paroi dans le transport de particules a été étudié. Pour ce faire, deux types d'expériences ont été réalisés. Les premières ont porté sur un écoulement de turbulence de paroi naturelle chargé en billes de verre et de céramique, pour 4 conditions hydrauliques données. Les secondes expériences ont été réalisées en turbulence contrôlée. En effet, nous avons choisi de générer artificiellement des éjections en créant des hairpin vortex. Les premières expériences sont réalisées dans des conditions de fort transport par suspension et les secondes sont faites pour des conditions très proches du seuil de suspension, les particules étant majoritairement transportées par saltation.<br />Afin de mesurer simultanément le champ de vitesse de l'écoulement ainsi que la position et la vitesse des particules, nous avons utilisé la PIV (Vélocimétrie par Image de Particules) qui permet d'avoir sur la même paire d'image l'information liquide et solide. Nous pouvons ainsi analyser l'écoulement autour de chaque particule et mettre en évidence l'action locale du fluide sur les particules.<br />L'analyse de l'écoulement se fait dans le voisinage de chaque particule, dont la taille varie entre 5 à 10d. Tout d'abord, l'analyse par quadrants montre que les éjections sont fortement impliquées dans le transport par suspension et par saltation, notamment dans la montée des particules. Elle indique aussi que certaines particules qui descendent sont dans des éjections. Nous cherchons donc à déterminer ce qui fait qu'une éjection est capable ou non de contrer la gravité et de faire monter les particules. <br />L'étude du flux de quantité de mouvement des éjections montre que plus ce flux est important, plus les particules ont tendance à monter dans les éjections. Nous déterminons donc un seuil permettant de détecter les éjections faisant monter systématiquement les particules. Ce seuil, adimensionalisé , est compris de l'ordre de 0,5 et est quasiment constant en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement, de la hauteur et des caractéristiques des particules. <br />Nous observons qu'une différence importante entre la suspension et la saltation est le temps de résidence des particules dans les éjections. En effet, plus ce temps est long, plus la particule va pouvoir monter dans l'éjection et plus elle sera transportée par suspension. En revanche quand elle ne reste que peu de temps dans l'éjection, la particule n'a pas le temps de monter et elle est alors transportée par saltation. A partir de l'analyse de ces expériences, nous proposons un modèle conceptuel de transport par suspension dans les éjections en fonction du flux de quantité de mouvement autour des particules, de leur position dans les éjections et des trajectoires de suspension qui ont pues être reconstruites pour les expériences en turbulence contrôlée.

Si généralement, les variations de sections en travers des rivières naturelles ou anthropisées sont progressives et continues, au droit de certains biefs, des obstacles transversaux et discontinus (naturels ou artificiels) peuvent partiellement ou totalement bloquer les plaines d'inondation. L'écoulement dans la plaine d'inondation est dès lors contracté par l'obstacle, qui promeut le développement de zones de recirculation de part et d'autre de l'obstacle, entraînant une réduction de la section d'écoulement et la génération d'échanges de masse entre lits qui viennent se superposer aux interactions turbulentes. Nous nous sommes intéressés à la modélisation physique de ces écoulements et nous avons particulièrement étudié les distorsions introduites par l'obstacle sur la turbulence dans l'écoulement. Ce travail est basé sur de nouvelles expériences menées dans deux canaux à lit composé. Un jeu complet de données d'écoulements rapidement variés en présence d'un épi dans la plaine d'inondation. Les effets sur les paramètres hydrauliques de la superposition des deux problématiques que sont (i) les écoulements en géométries composées et (ii) les écoulements rapidement variés au voisinage d'un obstacle ont ensuite été analysés. Finalement, les processus physiques dominant dans ces écoulements ont été identifiés

Si généralement, les variations de sections en travers des rivières naturelles ou anthropisées sont progressives et continues, au droit de certains biefs, des obstacles transversaux et discontinus (naturels ou artificiels) peuvent partiellement ou totalement bloquer les plaines d’inondation. L’écoulement dans la plaine d’inondation est dès lors contracté par l’obstacle, qui promeut le développement de zones de recirculation de part et d’autre de l’obstacle, entraînant une réduction de la section d’écoulement et la génération d’échanges de masse entre lits qui viennent se superposer aux interactions turbulentes. Nous nous sommes intéressés à la modélisation physique de ces écoulements et nous avons particulièrement étudié les distorsions introduites par l’obstacle sur la turbulence dans l’écoulement. Ce travail est basé sur de nouvelles expériences menées dans deux canaux à lit composé. Un jeu complet de données d’écoulements rapidement variés en présence d’un épi dans la plaine d’inondation. Les effets sur les paramètres hydrauliques de la superposition des deux problématiques que sont (i) les écoulements en géométries composées et (ii) les écoulements rapidement variés au voisinage d’un obstacle ont ensuite été analysés. Finalement, les processus physiques dominant dans ces écoulements ont été identifiés / If in natural or anthropized rivers, the river cross-section generally gradually and continuously varies, transversal and discontinuous obstacles either natural or artificial may partially or totally block off floodplains. The flow overbanking in the floodplain is therefore contracted by this obstacle which then promotes two recirculation zones of both sides of the obstacle, resulting in a reduction of the flow section and in the generation of strong mass exchange between channels that superimposes to the classical turbulent interactions. New experiments are conducted in two different compound channels: rapidly varied flows in compound channel with a groyne set on the floodplain. Flows with various groyne lengths and total discharges were investigated. Effects on the hydraulic parameters of the superimposition of the two problems that are (i) flow in compound geometry and (ii) rapidly varied flow in the vicinity of a thin obstacle were analysed. Finally, dominance of physical processes in such flow configuration is discussed

Les effets auto-consistantes sont omniprésents dans les plasmas de fusion. Ils sont dus au fait que les équations de Maxwell qui décrivent l’évolution des champs électromagnétiques contiennent la densité de charge et de courant des particules.D’autre côté à son tour les trajectoires des particules sont influencés par les champs à travers les équations de mouvement ( où l’équation de Vlasov). Le résultat decette interaction auto-consistente se résume dans un effet cumulatif qui peut causer le déconfinement de plasma à l’intérieur d’une machine de fusion. Ce travail de thèse traite les problèmes liés à l’amélioration de confinement de plasma de fusion dans le cadre des approches hamiltonienne et lagrangien par le contrôle de transport turbulent et la création des barrières de transport. Les fluctuations auto-consistantes de champs électromagnétiques et de densités des particules sont à l’origine de l’apparition des instabilités de plasma qui sont à son tour liés aux phénomènes de transport. Dans la perspective de comprendre les mécanismes de la turbulence sousjacente,on considère ici l’application des méthodes hamiltoniennes pour des plasmasnon-collisionnelles / This thesis deals with dynamicla investigation of magnetically confined fusion plasmas by using Lagrangian and Hamilton formalisms. It consists of three parts. The first part is devoted to the investigation of barrier formation for the EXB drift model by means of the Hamiltonian control method. The strong magnetic field approach is relevant for magnetically confined fusion plasmas ; this is why at the first approximation one can consider the dynamics of particles driven by constant and uniform magnetic field. In this case only the electrostatic turbulence is taken into account. During this study the expressions for the control term (quadratic in perturbation amplitude) additive to the electrostatic potential, has been obtained. The effeciency of such a control for stopping turbulent diffusion has been shown analytically abd numerically. The second and the third parts of this thesis are devoted to study of self consistent phenomena in magnetized plasmas through the Maxwell-Vlasov model. In particular, the second part of this thesis treats the problem of the monumentum transport by derivation of its conservation law. the Euler-Poincare variational principle (with constrained variations) as well as Noether's theorem is apllied here. this derivation is realized in two cases : first, in electromagnetic turbulence case for the full Maxwell-Vlasov system, and then in electrostatic turbulence case for the gyrokinetic Maxwell-Vlasov system. Then the intrinsic mechanisms reponsible for the intrinsic plama rotation, that can give an important in plasma stabilization, are identified. The last part of this thesis deals with dynamicla reduction for the Maxwell-Vlaslov model. More particularly; the intrisic formulation for the guiding center model is derived. Here the term 'intrinsis" means that no fixed frame was used during its construction. Due to that not any problem related to the gyrogauge dependence of dynamics appears. The study of orbits of trapped particles is considered as one of the possible for illustration of the first step of such a dynamical reduction.

L'idée centrale de cette thèse est de comprendre la notion d'accélération dans les algorithmes d'approximation stochastique. Plus précisément, nous tentons de répondre à la question suivante : Comment l'accélération apparaît-elle naturellement dans les algorithmes d'approximation stochastique ? Nous adoptons une approche de systèmes dynamiques et proposons de nouvelles méthodes accélérées pour l'apprentissage par différence temporelle (TD) avec approximation de fonction linéaire : Polyak TD(0) et Nesterov TD(0). Contrairement aux travaux antérieurs, nos méthodes ne reposent pas sur une conception des méthodes de TD comme des méthodes de descente de gradient. Nous étudions l'interaction entre l'accélération, la stabilité et la convergence des méthodes accélérées proposées en temps continu. Pour établir la convergence du système dynamique sous-jacent, nous analysons les modèles en temps continu des méthodes d'approximation stochastique accélérées proposées en dérivant la loi de conservation dans un système de coordonnées dilaté. Nous montrons que le système dynamique sous-jacent des algorithmes proposés converge à un rythme accéléré. Ce cadre nous fournit également des recommandations pour le choix des paramètres d'amortissement afin d'obtenir ce comportement convergent. Enfin, nous discrétisons ces ODE convergentes en utilisant deux schémas de discrétisation différents, Euler explicite et Euler symplectique, et nous analysons leurs performances sur de petites tâches de prédiction linéaire. / The central idea of this thesis is to understand the notion of acceleration in stochastic approximation algorithms. Specifically, we attempt to answer the question: How does acceleration naturally show up in SA algorithms? We adopt a dynamical systems approach and propose new accelerated methods for temporal difference (TD) learning with linear function approximation: Polyak TD(0) and Nesterov TD(0). In contrast to earlier works, our methods do not rely on viewing TD methods as gradient descent methods. We study the interplay between acceleration, stability, and convergence of the proposed accelerated methods in continuous time. To establish the convergence of the underlying dynamical system, we analyze continuous-time models of the proposed accelerated stochastic approximation methods by deriving the conservation law in a dilated coordinate system. We show that the underlying dynamical system of our proposed algorithms converges at an accelerated rate. This framework also provides us recommendations for the choice of the damping parameters to obtain this convergent behavior. Finally, we discretize these convergent ODEs using two different discretization schemes, explicit Euler, and symplectic Euler, and analyze their performance on small, linear prediction tasks.