Ce mémoire se propose d'examiner le comportement asymptotique en temps long des fluides visqueux bidimensionnels, homogènes ou faiblement inhomogènes. On y examine souvent la dynamique des écoulements en fonction de l'évolution de la densité et, plutôt que de la vitesse, du vecteur de rotation instantanée appelé tourbillon ou vorticité. Les travaux de Thierry Gallay et C. Eugene Wayne ont mis en relief le rôle primordial d'une famille de solutions auto-similaires --- les tourbillons d'Oseen ou vortex --- pour décrire l'asymptotique des écoulements à densité constante. Toute solution de l'équation de Navier-Stokes, ayant une mesure finie comme tourbillon initial et de circulation non nulle, est asymptotique en temps long à un tourbillon d'Oseen. Le résultat de Gallay et Wayne ne présente que l'inconvénient de ne pas être explicite, la première tâche de ce mémoire est de l'expliciter, ce qui fournit ainsi une borne sur le temps de vie de la turbulence bidimensionnelle. On montre ensuite que les tourbillons d'Oseen sont asymptotiquement stables en tant que fluides à densité variable, retrouvant également, par là-même, le résultat de Gallay et Wayne pour des écoulements incompressibles faiblement inhomogènes et lents. Quant aux fluides compressibles faiblement inhomogènes, on établit qu'ils se comportent essentiellement comme des fluides à densité constante dès lors que l'on considère des écoulements lents et de circulation nulle.

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.

Les épisodes de fortes précipitations, caractéristiques du climat méditerranéen, souffrent parfois d'importantes erreurs de prévision. Ces erreurs proviennent essentiellement d'incertitudes sur les conditions initiales du modèle ou la représentation des processus physiques. L'impact des différentes sources d'incertitudes est classiquement étudié à partir de prévisions d'ensemble. Au cours de ce travail, nous avons développé une méthodologie d'ensemble visant à étudier la sensibilité des prévisions à différentes configurations initiales des anomalies dynamiques d'altitude. Ces anomalies sont des zones à fort gradient, susceptibles de constituer des zones d'erreurs de prévision privilégiées. Elles sont par ailleurs un précurseur connu des perturbations météorologiques. La méthodologie proposée repose sur l'advection de la variable conservative associée aux anomalies d'altitude : le tourbillon potentiel (PV). Le modèle utilisé, MIMOSA, advecte le PV sur un niveau isentrope, sur une grille de haute résolution, permettant de mieux représenter les petites échelles et les zones de gradient tout en contrôlant les grandes échelles grâce à une relaxation vers un PV de contrôle. Le PV MIMOSA a été introduit dans un modèle en équations primitives à l'aide d'un outil d'inversion du PV. Le choix retenu pour l'inversion est un algorithme qui fournit des solutions équilibrées au sens des équations du modèle. Différentes configurations d'advection du PV ont fourni un ensemble de conditions initiales au modèle de prévision ARPEGE. Cet ensemble dénommé ARPEGE-MIMOSA, a été appliqué à 5 cas réels de fortes précipitations : le premier épisode, ou "catastrophe de Draguignan" sur le département du Var le 15 juin 2010, est associé à une prévisibilité particulièrement faible ; les 4 autres cas ont été observés en 2012 durant la campagne HyMeX et ont été utilisés comme un premier échantillon pour évaluer l'apport statistique du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA. Le cas du 15 juin 2010 a fait l'objet d'une étude détaillée, qui a notamment confronté l'impact de perturbations d'altitude à celui des perturbations de basse-couche. Pour cette situation, nous concluons que les incertitudes des champs d'altitude ont joué un rôle mineur durant la première phase de l'épisode en raison d'une absence de couplage entre les anomalies de surface et d'altitude. Le rôle des incertitudes de surface a été examiné au moyen de plusieurs expériences perturbées: des modifications manuelles de la pression au niveau de la mer et du champ d'humidité se sont avérées toutes deux capables d'améliorer la première phase de l'épisode. Cette amélioration a été attribuée au déclenchement d'un système fortement précipitant le long d'une zone frontale. Pour la seconde phase de l'épisode, nous avons mis en évidence le rôle de l'humidité à travers une simulation qui permet de se rapprocher du scénario observé sans toutefois atteindre le niveau de précipitation observé. Une explication alternative a été alors proposée, mettant en jeu l'insuffisance du modèle à reproduire la progression d'une onde d'altitude dans un contexte fortement diabatique. Enfin, une évaluation objective du système de prévision d'ensemble ARPEGE-MIMOSA a été réalisée à partir des 4 cas HyMeX. Les résultats obtenus avec l'ensemble ARPEGE-MIMOSA ont été comparés aux résultats issus de deux systèmes de prévision d'ensemble opérationnels. Cette comparaison a permis de mieux quantifier l'erreur de prévision attribuable à la seule dynamique d'altitude et de mettre en évidence la valeur ajoutée du système ARPEGE-MIMOSA pour les seuils de fortes précipitations.

L’évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l’intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d’image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d’eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s’avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L’une d’entre elles utilise l’information sur le courant-jet à partir de vents d’altitude de l’ébauche. Un deuxième volet s’applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L’assimilation de données conventionnelle ne permet pas d’initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d’une méthodologie basée sur l’assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d’eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L’utilisation de données de concentration d’ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d’initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause / Isolated vortices have been shown to emerge in two-dimensional and geostrophic turbulent flows. Coherent structures are apparent in three-dimensional atmospheric flows as well, and may share the property to determine the non-linear evolution and the predictability of the flow. Potential vorticity anomalies have indeed been shown to be of primary importance for cyclogenesis of mid-latitude storms. Their signature can be detected in satellite water vapour images and are known as dry intrusions. The first part of this work proceeds the tracking of dry intrusions on images. We use image processing tools based on thresholding algorithm, and develop additional filters to select relevant cells. One of this filters uses dynamical information on the jet from the background upper-level wind. We highlight the fact that conventional data assimilation does not handle coherent structures, and describe alternative procedures. We focus then on the assimilation of bogussed potential vorticity observations. This leads to a new vision of the relationship between water vapour and potential vorticity. The case study of the storms that has affected the Landes region in 2006 is then presented. We finally pinpoint ozone data as an alternative way to improve the initialization of upper-level potential vorticity

Au cours de cette thèse nous avons caractérisé les tourbillons quasibidimensionnels générés par convection thermique turbulente dans une demi-bullede savon. La loi de puissance en temps sur leur déplacement quadratique moyen estégalement valide pour les cyclones terrestres. Cette loi permet la prévision detrajectoire de cyclones assortie du cône de prévision comparable aux cônesexistants. Ainsi, les incertitudes de prédiction de trajectoire et les fluctuations decette trajectoire par rapport à une trajectoire moyenne sont liées. Par ailleurs, l’étudede l’intensité des tourbillons de la bulle a montré qu’ils pouvaient être décrit par unmodèle de tourbillon de type Lamb. Le suivi lagrangien de particules de fluide dans letourbillon de la bulle a permis d’en suivre des phases d’intensification et de déclin.Nous proposons une loi d’intensification commune aux tourbillons de la bulle et auxcyclones terrestres. L’influence de la rotation de la bulle sur le nombre de tourbillons,sur leur durée de vie, sur leur trajectoire et sur la loi de puissance de leurdéplacement quadratique moyen a également été étudiée. Nous nous sommes aussiintéressés à l’influence de la rotation sur les propriétés statistiques du champ defluctuations de température. Les fonctions de structures de la température semblentse raidir avec la rotation de la bulle et leurs exposants passeraient d’un régime de loide puissance en n/3 à n/2. / This thesis aims at the characterisation of quasi two dimensionalvortices stemming from turbulent thermal convection in a half soap bubble heatedfrom below. The power law in time for their mean square displacement is also validfor Earth hurricanes. This law allows simple hurricane trajectory prediction with itstrack forecast cone wich compares very well to already available cones. In this way,track prediction uncertainty and track fluctuations around a mean track are linked.The intensity of the soap bubble vortices is also studied by the mean of particleimages velocimetry and shows that their velocity field profiles are well described by aLamb type model. The Lagrangian tracking of fluid praticles in a bubble vortex allowsus to follow its intensification and decline phases. We propose an intensification lawfor both soap bubble vortices and Earth hurricanes. Rotation influence on the vorticesnumber, on their life-time, on their trajectory and on the power law of their meansquared displacement is also gauged. The statistical properties of the temperaturefield fluctuations also seem to change with rotation. The exponent of the temperaturestructure functions present a scaling transition from n/3 to n/2.

La prévision d'intensité des cyclones tropicaux est un enjeu opérationnel majeur qui connaît encore de graves déficiences. Cette thèse vise à mieux comprendre les mécanismes d'intensification cyclonique en lien avec un thalweg d'altitude originaire des moyennes latitudes et à mettre en évidence le rôle des conditions initiales pour la prévision cyclonique. Une première étude climatologique définit un seuil objectif pour l'intensification rapide des cyclones dans le Sud-Ouest de l'océan Indien, caractérise la localisation et la fréquence des interactions cyclone-thalweg, tout en identifiant les configurations propices à l'intensification. Le cas de Dora (2007) est identifié pour simuler l'interaction grâce à un modèle numérique en assimilant les caractéristiques du cyclone dans une analyse globale. L'interaction cyclone-thalweg simulée est particulièrement complexe. Dans un premier temps, du tourbillon potentiel provenant du thalweg se superpose au coeur du cyclone en moyenne et en haute troposphère. Ensuite, un forçage dynamique induit une accélération de la circulation cyclonique tangentielle dans une région extérieure au mur de l'oeil principal, provoquant un cycle de remplacement du mur de l'oeil. Le modèle simule correctement les différentes phases d'intensification du cyclone, ce qui permet de relier l'intensification aux effets du thalweg sur le cyclone. Une deuxième étude numérique dans le Pacifique Nord-Ouest met en évidence le rôle de la structure initiale d'un cyclone sur la prévision de trajectoire et d'intensité. La prévision cyclonique future progressera en affinant la structure du coeur cyclonique spécifiée dans l'état initial de la prévision.

Dans un contexte international, la prévision d'intensité des cyclones tropicaux connaît encore de graves déficiences tandis que la prévision de trajectoire de ces phénomènes météorologiques extrêmes s'est grandement améliorée ces dernières décennies. Une source d'erreur pour la prévision d'intensité est le manque de connaissance des processus physiques qui régissent l'évolution de la structure et de l'intensité des cyclones. Cette thèse, proposée dans le cadre des responsabilités du Centre Météorologique Régional Spécialisé (CMRS) de la Réunion et des axes de recherche du LACy et du CNRM, a pour but d'améliorer la prévision numérique et la compréhension des mécanismes de changement de structure et d'intensité des cyclones dans le sud-ouest de l'océan Indien. On observe statistiquement dans le bassin de fréquents déferlements d'ondes de Rossby qui correspondent à une intrusion des talwegs d'altitude depuis les moyennes latitudes vers les régions où évoluent les cyclones. Ces déferlements advectent dans la troposphère tropicale de l'air d'origine stratosphérique à fort tourbillon potentiel (PV). Le cœur d'un cyclone tropical étant caractérisé par un vortex cyclonique de fort PV, il est donc légitime de se demander si de tels talwegs sont capables de « nourrir » un cyclone en déferlant jusqu'à lui, et l'intensifier par superposition de PV. D'un autre côté, l'approche d'un talweg est associée à d'autres facteurs pouvant jouer en défaveur d'une intensification, comme un fort cisaillement vertical de vent. L'étude de processus est réalisée sur le cyclone Dora (2007) avec le modèle opérationnel du CMRS sur le bassin, Aladin-Réunion. Ce modèle hydrostatique à aire limitée bénéficie d'une résolution horizontale de 8 km et de son propre schéma d'assimilation 3Dvar avec bogus de vent. Un tel bogus permet d'affiner la structure du cyclone à l'instant initial en ajoutant des observations de vent déduites d'un profil analytique et des paramètres de structure du cyclone estimés par les images satellites. Des diagnostiques sur les variables thermodynamiques en sortie de modèle montrent que la phase d'intensification rapide de Dora est bien associée à l'advection de tourbillon potentiel (PV) en provenance du talweg. Bien que fortement cisaillé, le système parvient à s'intensifier grâce à la forte inclinaison du talweg qui advecte du PV au cœur du cyclone en 2 temps et à 2 niveaux (haute et moyenne troposphère). Lorsque le talweg est au plus proche du cyclone, il force un processus dynamique interne appelé « cycle de remplacement du mur de l'œil ». On observe une inclinaison et un renforcement des vitesses verticales à l'extérieur du mur de l'œil principal, associé à une accélération de la circulation cyclonique tangentielle par advection de moment angulaire sur toute l'épaisseur de la troposphère dans cette zone annulaire (mis en évidence par les flux d'Eliassen-Palm). Un second maximum de vent relatif apparaît alors et une deuxième phase d'intensification rapide s'ensuit avec la contraction du mur secondaire. Le forçage de processus internes par une influence externe (un talweg) semble donc être le moteur de l'intensification rapide de Dora dans un environnement cisaillé, et potentiellement celui d'autres cyclones dans le bassin qui sont approchés par des talwegs d'altitude. Les prévisionnistes du CMRS sont invités à surveiller les champs de PV de tels systèmes, en attendant que de plus amples diagnostiques soient réalisés avec l'outil d'inversion du tourbillon potentiel développé sur le modèle global Arpège. / Despite significant improvements in Tropical Cyclone (TC) track forecasts over the past few decades, anticipating the sudden intensity changes of TCs remains a major operational issue. The main purpose of this thesis is to analyze TC rapid intensification processes in relation with external forcing induced by upper-level troughs originating from the mid-latitudes. The impact of initial storm structure on storm evolution and prediction is also documented. An objective definition for rapid intensification in the southwest Indian Ocean is first proposed. The location and frequency of TC-trough interactions are identified, as well as TC-trough arrangements conducive to TC intensification. An interesting study case, TC Dora (2007), is chosen to run numerical simulations initialized with synthetic TC observations blended in a global analysis. The simulated TC-trough interaction is intricate with potential vorticity (PV) advection from the trough into the TC core at mid and upper levels. Vortex intensification first occurs inside the eyewall and results from PV superposition. Further intensification is associated with a subsequent secondary eyewall formation triggered by external forcing from the trough. The numerical model is able to reproduce the main features associated with outer eyewall spin-up, inner eyewall spin-down, and their effects on vortex intensity changes. Another numerical study examines typhoons in the northwest Pacific and demonstrates the critical role played by initial vortex structure in TC track and intensity prediction. Upgrading the initial specification of a TC inner-core structure in numerical models is recommended for future TC prediction improvements.

The Counter-Rotating Open Rotors (CROR) are identified as a possible alternative to turbofan engines for middle-range aircrafts. Providing significant fuel savings and reducing the green-house gas emissions, they may lead however to an increased noise radiation due to the absence of nacelle shielding. To properly predict the acoustic radiation of such systems is then mandatory both to reduce the source mechanisms of the isolated engine and to offer an optimal noise installation solution. Such an objective is tackled in the present thesis in two steps. In a first part, the research aims at predicting the tonal noise radiated from the first propeller of CROR mounted on the rear fuselage by means of a pylon (pusher configuration), considering both the pylon-wake and the uniform ow effects. From the Ffowcs Williams & Hawkings' formalism, three noise sources are identified. First the unsteady loading is computed using a similar procedure to the one used for the rotor-rotor wake interaction noise prediction. The velocity deficit in the pylon wake is locally expanded in two-dimensional Fourier gusts in a reference frame attached to the front rotor. The unsteady lift induced by each gust on a blade segment is calculated using a linearized analytical response function that accounts for a realistic geometry. The steady loading is the second source contribution and is evaluated using both a software based on the lifting-line theory and some numerical simulations for different reference source surfaces. Finally the thickness noise due to the blade volume displacement is included in the analysis using Isom's formulation. From the linear acoustic assumptions, all these sources modelled as equivalent acoustic dipoles rotating in a uniformly moving atmosphere are then summed to calculate the far-field noise. The whole methodology is assessed against wind-tunnel test data and reference software predictions. A parametric study considering several pylon positionings and pylon-wake configurations with blowing is performed in order to emphasize the relative contribution of the three noise sources. Secondly, the rotor- rotor wake interaction noise being recognized as the most significant contribution in isolated configuration, its modelling is completed by introducing the dynamics of the vortex occurring near the rear-rotor leading edge. A semi-analytical methodology is developed to determine a vortex attached over a at plate embedded in a uniform ow with incidence. Applied to the case of a rear blade going through a front-rotor wake, it provides a first estimate of the noise contribution of the vortex. / Les hélices contrarotatives constituent une alternative possible aux turboréacteurs pour les avions moyens- courriers. Réduisant significativement la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, ils peuvent néanmoins conduire à un rayonnement sonore accru de par l'absence de carénage. Prédire correctement le rayonnement sonore de telles motorisations est donc indispensable pour réduire les mécanismes sources propres au moteur isolé ou assurer une solution d'installation acoustique optimale. Un tel objectif est abordé dans cette thèse en deux temps. Dans un premier temps, l’étude vise à prédire le bruit tonal rayonné par la première hélice d'un moteur monté à l'arrière du fuselage (configuration dite en pousseur), en considérant les effets du sillage du pylône supportant le moteur et de l'écoulement moyen. Partant du formalisme de Ffowcs Williams & Hawkings, trois sources sonores sont identifiées à cet effet. La charge instationnaire, tout d'abord, est calculée en s'appuyant sur une méthodologie similaire à celle utilisée pour la prédiction du bruit d'interaction de sillages entre les deux rotors. Le déficit de vitesse dans le sillage du mât est décomposé localement en rafales bidimensionnelles dans un repère attaché au rotor amont. La portance instationnaire induite par chaque rafale sur un segment de pale est calculée en utilisant une fonction de réponse analytique linéarisée considérant une géométrie réaliste. Deuxième contribution, la charge stationnaire est évaluée au moyen d'un logiciel s'appuyant sur la théorie de la ligne portante mais également via des simulations numériques pour différentes surfaces sources de référence. Enfin, le bruit d'épaisseur associé au déplacement du volume de la pale est inclus dans l'analyse à partir de la formulation d'Isom. D'après les hypothèses de l'acoustique linéaire, toutes ces sources modélisées comme des dipôles acoustiques tournant dans une atmosphère uniforme en mouvement sont ensuite sommées pour calculer le bruit en champ lointain. L'ensemble de la méthodologie est comparé à des données d'essai et des prédictions d'un logiciel de référence. Une étude paramétrique considérant plusieurs positionnements du pylône et des configurations avec soufflage est effectuée afin de bien mettre en évidence les contributions relatives des trois sources sonores. Dans un deuxième temps, le bruit d'interaction de sillages étant reconnu comme la contribution majoritaire en configuration isolée, sa modélisation est complétée en introduisant la dynamique du tourbillon se développant au voisinage du bord d'attaque du rotor aval. Une méthodologie semi-analytique est développée pour déterminer un tourbillon attaché au-dessus d'une plaque plane plongée dans un écoulement uniforme avec incidence. Appliquée au cas d'une pale aval traversant le sillage du rotor amont, elle fournit une première estimation de la contribution sonore du tourbillon.

La formation des Cyclones du Cap Vert met en jeu divers processus : les thalwegs, dorsales de l'onde d'Est africaine et l'anticyclone saharien en moyenne troposphère, les thalwegs des moyennes latitudes en moyenne et haute troposphère, le flux de mousson et les alizés au large de la côte Ouest africaine en basse troposphère, les systèmes convectifs. Ces processus sont étudiés à l'aide d'une climatologie sur cinq ans d'analyses du Centre Européen de Prévision Météorologique à Moyen Terme et d'images Meteosat. Deux cas particuliers sont ensuite modélisés avec Méso-NH : celui de la perturbation qui a donné naissance à l'ouragan Helene (2006) et celui de la « Perturbation D », un cas de non-cyclogénèse observé pendant la campagne AMMA / SOP-3 à Dakar en septembre 2006. Les évolutions des perturbations simulées sont quantifiées à l'aide de bilans d'énergie et de tourbillon. Le résultat principal de cette thèse est que l'ajustement géostrophique du champ de vent à une perturbation de pression d'origine convective dans la région des Îles du Cap Vert ne se produit que lorsqu'il y a un apport d'énergie cinétique tourbillonnaire par une conversion barotrope, ainsi qu'une advection horizontale de tourbillon cyclonique. Ceci confirme l'hypothèse bien connue selon laquelle la cyclogénèse tropicale est le résultat d'une interaction entre systèmes convectifs et un environnement favorable.

Cette thèse est une contribution à la réduction du bruit des CROR (Counter-Rotating Open Rotor). On s'intéresse plus particulièrement aux structures tourbillonnaires émises par l'hélice amont venant impacter les pales de l'hélice aval. L'objectif prévu de la thèse est d'explorer la possibilité de modification de ces structures en vue de réduire le bruit résultant de cette interaction au décollage. La première partie de la thèse est dédiée à leur caractérisation dans un cas particulier d'hélices (HTC5). La physique de formation de la nappe est d'abord décrite avec des outils numériques. Puis, l'essentiel de l'étude est mené sur une pale fixe reproduisant la loi de circulation d'une pale de l'hélice HTC5. Une étude expérimentale de cette pale fixe permet de déterminer les propriétés du tourbillon émis et d'éprouver la méthodologie numérique. Cette étape aboutit à la définition d'un modèle analytique permettant de décrire ce tourbillon. La seconde partie de cette thèse porte sur la modification de ces structures tourbillonnaires. Dans un premier temps, une application de concepts existant dans la littérature est réalisée sur la pale fixe de façon à observer leur impact sur les tourbillons. La réflexion menée sur ces résultats nous a amené à définir un nouveau concept de modification des structures tourbillonnaires : l'excroissance de bord d'attaque. Ce concept permet la génération de deux tourbillons co-rotatifs séparés par une zone de vorticité de signe opposé. La physique d'interaction entre ces deux tourbillons est étudiée. L'application de ce concept au CROR HTC5 permet de valider les gains acoustiques.