L'objet principal de cette thèse est d'étudier divers aspects de l'évolution d'un champ scalaire ou vectoriel, transporté par un champ de vitesse dont la statistique est donnée indépendamment du champ advecté. Ce faisant, on est amené également à étudier les courbes intégrales du champ de vitesse, appelées trajectoires Lagrangiennes. Après une introduction synthétique, plusieurs modèles et problèmes sont abordés. Notre modèle principal - baptisé après R. H. Kraichnan - suppose des champs de vitesse gaussiens delta-corrélés en temps. Sont étudiés les cas où la structure spatiale du champ de vitesse est soit lisse soit brownien fractionnaire (multidimensionnel). Un modèle où le champ de vitesse est corrélé en temps est également abordé. Parmi les problèmes étudiés sont les secteurs anisotropes de la quantité advectée, l'apparition d'intermittence spatiale, ou encore différents passages à la limite dans la statistique du champ de vitesse.

Ce travail de thèse concerne l'étude expérimentale d'un jet perpendiculaire à un écoulement principal (``jet in crossflow'') dans une soufflerie en circuit fermé. Suivant la valeur du rapport de vitesse entre les deux écoulements r, ce jet rectangulaire confiné se trouve en situation d'interaction voire d'impact avec la paroi opposée à celle dont il est issu. Le jet est faiblement marqué en température (environ 10°C), afin de rester dans le cas du scalaire passif. Une amélioration du dispositif expérimental a été mise en oeuvre afin d'obtenir des conditions aux limites thermiques compatibles avec la mesure de faibles écarts de température imposés par le scalaire passif. Du point de vue métrologique, on utilise l'anémométrie et la thermométrie à fil chaud / fil froid, l'ensemble de la chaîne anémométrique étant réalisé au laboratoire. Des sondes à fil de Wollaston (Pt-Rh) de 0,35µm de diamètre sont associées à un thermomètre et un anémomètre à tension constante optimisés pour maximiser le rapport signal sur bruit. Les différents résultats sont obtenus à la fois grâce à des visualisations par caméra rapide pour différents rapports de vitesse (r compris entre 3 et 12), et grâce aux mesures locales par fil chaud / fil froid, dans le cas particulier de deux rapports de vitesses (r=3.3 et 9.4). Les propriétés de mélange du scalaire sont étudiées par le tracé de cartographies des grandeurs statistiques de vitesse et température dans des plans de coupe perpendiculaires aux trois axes. L'analyse du contenu spectral des signaux en différents points caractéristiques met en évidence des caractéristiques du comportement dynamique instationnaire du jet.

Une configuration en T-jonction a été étudiée pour sa simplicité en géométrie en comparant avec d’autres mélangeurs en industrie. Plus particulièrement, j’ai effectué des simulations numériques directes avec OpenFOAM des T-jonction convergent à section circulaire et rectangulaire. Les fluides Newtonien et non-Newtonien (modèle Bird-Carreau) ont été pris en compte. Dans un premier temps, j’ai comparé mes données avec le travail expérimental de Nguyen [1] sur le T-jonction circulaire en régime deflecting. J’arrive à valider la DNS avec les données expérimentales. L’organisation des structures cohérentes sont illustrées en régime laminaire et turbulent en Newtonien et en non-Newtonien. Dans un deuxième temps, j’ai simulé deux régimes (deflecting et impinging) dans un T-jonction rectangulaire en Newtonien et en non-Newtonien. J’ai montré l’existence de structures cohérentes (par example kidney vortex) qui servent de moteur au mélange du scalaire passif propre au non-Newtonien. L’efficacité de mélange est augmentée en régime impinging par rapport au régime deflecting. Le shifting du pic de turbulence est observé uniquement en régime impinging. / For the simplicity in geometry by comparing it with other mixers in the industry, flows in T-junction configuration have been studied. More specifically, Direct Numerical Simulations is carried out using OpenFOAM on a convergent T-junction configuration with circular and rectangular cross-section. Both Newtonian and non-Newtonian fluids (Bird-Carreau model) are taken into account. Firstly, DNS data is compared to Nguyen’s experimental work on the circular T-junction at regime deflecting [1]. Good agreement between simlation and experiment is achieved. The organization of coherent structures is illustrated in laminar and turbulent for both Newtonian and non-Newtonian cases. Secondly, two flow regimes (deflecting and impinging) are simulated in a rectangular T-junction for the same Newtonian and non-Newtonian fluids. The existence of non-Newtonian coherent structures (e.g. kidney vortex ) is shown. These structures are regarded as essential mixing mechanism of passive scalar mixing. The mixing efficiency is increased in regime impinging compared to regime deflecting. The shifting of the turbulence peak is only observed in regime impinging.

Cette thèse est divisée en deux parties. La première est dédiée au chaos déterministe et, plus particulièrement, aux propriétés d'une classe de systèmes dynamiques qui constitue une généralisation du modèle de Lorenz. L'evolution temporelle de ce système peut être interprétée comme le mouvement oscillatoire d'une particule classique dans un potentiel bistable. Cette interprétation a permis d'effectuer une analyse systématique des propriétés chaotiques du système de Lorenz et d'obtenir un exemple de diffusion déterministe unidimensionnelle. <br />La deuxième partie porte sur le transport turbulent passif. Le cas le plus simple de transport est celui d'un champ scalaire, comme la température ou la concentration d'un colorant. L'étude de la dynamique des particules lagrangiennes montre que les grandes fluctuations d'un scalaire en déclin dans un écoulement turbulent incompressible, sont plus fréquentes que celles prédites par une distribution gaussienne. Un cas de transport plus complèxe est le transport d'un champ vectoriel comme le champ magnétique. Dans le cadre du modèle de Kraichnan, le problème de la dynamo magnétique peut être transformé dans un problème de mécanique quantique. Cela permet d'analyser l'influence des propriétés d'échelle de l'écoulement porteur sur la croissance du champ magnétique. Le dernier cas traité de transport passif concerne la transition «enroulé/étiré » d'un polymère. Lorsque l'écoulement porteur est défini par le modèle de Kraichnan, la distribution de probabilité de l'élongation du polymère satisfait une équation du type Fokker-Planck. Cette équation est résolue de façon exacte par un développement en fonctions propres.

La simulation des grandes échelles dans les configurations du canal plan ( cas représentatif d'écoulements internes en équilibre ) et de la marche descendante ( cas représentatif d'écoule\-ments internes décollés ) a été utilisée pour étudier les transferts de chaleur d'un fluide faiblement dilatable. Les équations de Navier-Stokes dans l'approximation de Boussinesq sont résolues sur une grille non-décalée à l'aide d'une méthode hybride différences finies / éléments finis qui évite l'apparition d'oscillations.<br />L'intégration temporelle est réalisée avec le schéma d'Adams/Bashforth et une formulation rétrograde. La simulation temporelle du canal plan a requis la mise au point d'un forçage permettant la conservation du débit et la température moyenne. La simulation de l'écoulement sur la marche descendante a nécessité de développer un couplage original avec une simulation temporelle d'un canal plan, cette dernière fournissant des champs dynamique et thermique pleinement turbulents comme conditions aux limites. Différents modèles auto-adaptatifs pour le tenseur de Reynolds sous-maille ont été présentés. En ce qui concerne le flux de chaleur sous-maille, on présente deux nouveaux modèles sous-maille ainsi que différents modèles classiques. Tous ces modèles sous-maille sont testés sur la configuration du canal plan infini et comparés avec des simulations directes. Pour la simulation dans la configuration de la marche descendante, un seul modèle pour le tenseur de Reynolds sous-maille et le flux de chaleur sous-maille a été utilisé.

La pollution atmosphérique et ses conséquences sur la santé et l'environnement constituent un domaine d'étude complexe à cause du nombre de phénomènes physiques mis en jeu. L'objectif de ce travail est d'étudier les principales caractéristiques de l'écoulement et de la dispersion d'un scalaire passif au sein de la canopée urbaine. Pour ce faire, un code numérique a été développé. Il résout les équations de Navier-Stokes dans le cadre d'un écoulement incompressible pour une atmosphère neutre en faisant usage de la méthode de la compressibilité artificielle selon la méthode des volumes finis. Le modèle de Spalart-Allmaras a été utilisé pour la modélisation de la turbulence. La canopée urbaine est explicitement prise en compte et est modélisée par un groupe d'obstacles de forme cubique. Le code fut d'abord testé pour des configurations bidimensionnelles avec un seul et 4 obstacles en configuration alignée selon deux approches : une simulation stationnaire RANS et instationnaire URANS qui reproduit le décrochement tourbillonnaire. La prise en compte du décrochement tourbillonnaire se traduit par une diffusion dans le sillage turbulent du groupe d'obstacles. Les résultats ont été comparés à des mesures expérimentales et d'autres résultats numériques de référence dans la bibliographie et montrent l'amélioration du champ de vitesse moyen par l'approche code fut ensuite testé sur un cas tridimensionnel avec un groupe d'obstacles organisés selon 2 configurations géométriques: alignée et en quinconce. Afin d'éliminer les effets des conditions aux limites, l'écoulement fut calculé sur un volume élémentaire de calcul en utilisant des conditions aux limites périodiques. Deux types de simulations furent réalisés: l'approche RANS classique et la version DDES du modèle de Spalart-Allmaras. L'écoulement obtenu par la DDES améliore de façon significative les résultats par rapport au RANS en comparaison de mesures expérimentales de simulation directe et montrent la bonne potentialité du modèle. La dispersion d'un scalaire passif émis au sein de la canopée fut obtenue sur un domaine plus important comprenant 16 volumes élémentaires par le biais des conditions aux limites périodiques utilisées. Une analyse du champ de concentration a ensuite été réalisée et des comparaisons effectuées en fonction du type de calcul et de la configuration géométrique. / Atmospheric pollution and its impact on health and the environment depend on many physical phenomena, and this makes it a difficult subject to study. The main objective of this work is to investigate the main characteristics of the flow and dispersion of a passive scalar in the urban canopy. Specifically, the urban canopy is simulated by a group of cubical obstacles in a neutrally-buoyant atmospheric boundary layer. A numerical code bas been developed as a tool to aid in this study; flow is computed by solving the Navier-Stokes equations for an incompressible flow, using a finite volume approach, and the method of artificial compressibility. The turbulence is modeled using the method proposed by Spalart and Allmaras. The code was tested first in a 2-D configuration, for flow over a single obstacle, and over a group of 4 obstacles; in both cases two types of simulation were studied: a stationary RANS simulation, and an unsteady RANS (URANS), which reproduced vortex shedding from the obstacles. The explicit inclusion of vortex shedding in the URANS simulation leads to diffusion in the obstacle wakes, and the results compare better with experimental measurements and other published numerical simulations than do those for the RANS simulations. The code was then tested for some 3-D cases consisting of a group of obstacles arrangcd either in aligned or staggered configurations. In order to avoid the influence of boundary conditions, the flow field was simulated using periodic boundary conditions and a small sub-unit from the group of obstacles. Two types of simulation were performed: a classical RANS type calculation and the DDES proposed by Spalart and Allmaras. The results obtained using the ODES agree much more closely with experimental measurements and the results of other numerical simulations than do those obtained using RANS, and indicate the potential of this approach. The dispersion of a passive scalar in the urban canopy was simulated on a much larger domain consisting of 16 of the sub-units used to compute the flow field. The concentration fields were analyzed to show the influence of the geometrical configuration and the type of model.

L'utilisation de l'hélium a basse température en turbulence développée s'avère décisive pour l'étude des propriétés statistiques des champs de vitesse et de traceur passif, grâce a une gamme de nombres de Reynolds inégalée et a d'excellentes conditions de stabilité. Les expériences présentées dans cette thèse sont effectuées en géométrie confinée, entre deux disques en rotation. <br /><br />Nous décrivons dans un premier temps les transferts d'énergie a travers les échelles, et en particulier l'existence d'une tendance algébrique vers un régime asymptotique (loi des 4/5 de Kolmogorov) dans la limite des très grands nombres de Reynolds. Nous discutons en détail la validité de l'équation de Kolmogorov dans différentes configurations d'écoulement, et caractérisons en particulier l'influence des grandes échelles sur un tel régime asymptotique. <br /><br />Nous présentons dans un second temps de nouveaux résultats concernant des mesures de fluctuations de température, réalisées pour la première fois dans l'hélium a basse température. Nous caractérisons notamment l'intermittence du scalaire passif sous l'aspect des lois d'échelles anormales. Nous montrons que l'évolution des exposants de fonction de structure suggère la présence d'une saturation aux ordres élevés, signature de statistiques dominées par la présence de fronts intenses. Nous étudions les propriétés statistiques de ces fronts, et mettons en évidence leur répartition auto-similaire. <br /><br />Enfin, nous présentons de nouveaux résultats concernant les fluctuations de pression en turbulence, a partir d'une expérience originale de cavitation dans l'eau. Nous menons une étude qualitative des structures cohérentes de basse pression dans l'écoulement en contrarotation. Nous nous penchons ensuite sur leur contribution aux distributions de pression exponentielles, mesurées en volume, soulignant l'importance des grandes échelles dans la description des fluctuations de pression.

Nous présentons des résultats numériques et théoriques concernant les cascades en turbulence bidimensionnelle, et plus spécialement la cascade d'un traceur, en développant une approche dans l'espace physique. Une telle approche permet de mettre en évidence l'absence d'intermittence dans la cascade inverse d'énergie, y compris dans des situations dominées par les structures cohérentes. Le coeur de la thèse est consacré à l'analyse et à la modélisation de la cascade d'un traceur. Nous proposons une méthode de diagnostic de la cascade d'un traceur : considérant l'évolution d'un incrément de traceur, nous définissons dans l'espace physique le flux entre échelles de la variance de traceur. Nous nous intéressons ensuite au problème de la paramétrisation du mélange turbulent. Nous justifions l'emploi une paramétrisation anisotrope, que nous baptisons diffusivité de déformation (strain diffusivity, SD)[Dubos01]. Nous relions ses propriétés diffusives aux propriétés géométriques de l'écoulement. La vorticité est en deux dimensions un traceur actif, et la paramétrisation sous-maille pour la vorticité agit sur la vitesse. La cascade inverse d'énergie impose aux paramétrisations admissibles de conserver l'énergie. Nous montrons que la SD conserve l'énergie, et qu'elle est la seule d'une classe de modèles simples. Nous étudions numériquement les propriétés des outils introduits. Nous montrons que, contrairement à une diffusivité/hyperdiffusivité isotrope, la SD induit une diffusion bien corrélée au flux local de variance de traceur. Le filtre effectif qu'elle impose correspond au filtre gaussien à partir duquel elle est calculée. Cependant la réduction de l'erreur commise en cas d'utilisation d'une méthode spectrale et d'un filtre raide n'est pas évidente. Appliquée à la vorticité dans une situation où le forçage est à très petite échelle, la SD démontre en revanche une bien meilleure représentation des grandes échelles qu'une hyperdiffusivité. Enfin, nous analysons comparativement les propriétés de cascade de la vorticité et d'un traceur passif. Les critères de comparaison reposent sur des moyennes conditionnelles des dérivées lagrangiennes du carré du gradient du traceur. Nous mettons en évidence pour un champ aléatoire une différence cinématique entre traceur passif et vorticité, dont il subsiste une trace dans des champs turbulents.

De faibles quantités de polymères flexibles de haut poids moléculaire induisent des effets significatifs sur les propriétés d'écoulement de fluides. Cette thèse présente une étude expérimentale détaillée de l'interaction Polymère -Ecoulement dans deux situations modèles : La première se focalise sur un processus singulier : le détachement d'une goutte d'un capillaire. Le caractère purement élongationnel que présente l'approche du point de rupture, permet de mettre en évidence une inhibition abrupte de cette singularité en temps fini. Ceci donne lieu, lorsque les taux d'élongation sont de l'ordre de l'inverse du temps de relaxation des polymères, à la formation de filaments s'amicissant exponentiellement et qui sont associés à des viscosités élongationnelles non stationnaires extrêmement importantes. La seconde expérience quant à elle, utilise des films de savon afin de générer un écoulement quasi-bidimensionnel turbulent. La présence de polymères induit alors une suppression des transferts d'énergie vers les grandes échelles par le biais d'une réduction des forts taux d'élongation présents dans l'écoulement. La dynamique des fluctuations d'épaisseur du film qui joue le rôle d'un scalaire passif de l'écoulement se trouve également profondément modifiée. Mots-Clés : Physique des Polymères, Instabilité interfaciale, Singularités en temps fini, Rhéologie, Viscosité élongationnelle Turbulence bidimensionnelle, Films de savon, Réduction de Traînée turbulente, Scalaire passif.

La turbulence modifie sensiblement les propriétés des écoulements évoluant en zone de proche paroi en provoquant notamment une augmentation significative du frottement pariétal. Dans le but de réduire cette traînée turbulente, on propose dans cette étude un contrôle actif de type dual dont la principale caractéristique repose sur l'interaction de deux schémas de contrôle, un schéma en boucle ouverte par soufflage localisé en espace et périodique en temps, suivi d'un schéma en boucle fermée de type suboptimal. L'idée principale est alors d'organiser la turbulence par une excitation oscillante de manière à la rendre plus prédictible et de ce fait plus contrôlable.<br />On commencera par étudier séparément l'impact de ces deux types de contrôle sur la turbulence de proche paroi. Une étude expérimentale est menée afin d'investiguer en détail l'effet de l'instationnarité induite par une excitation périodique. Les méthodes suboptimales ne pouvant être à ce jour appliquées expérimentalement, une Simulation Numérique Directe s'avère être l'outil le mieux adapté pour étudier leurs comportements. On montre finalement qu'une stratégie de contrôle duale, c'est à dire combinant les deux manipulations (Périodique + Suboptimale), peut s'avérer être une méthode de contrôle efficace afin de réduire la contrainte turbulente.