Cette thèse est une partie du projet ONEMA pour le dimensionnement des passes à poissons et pour l’amélioration de la continuité écologique des cours d’eau. Ce travail s’est concentré sur les passes à poissons naturelles qui présentent des avantages de coût et paysager. Il s’agit d’un écoulement à forte pente autour des blocs (macro-rugosités) régulièrement repartis en quinconce avec des grands nombres de Froude. Les conditions hydrodynamiques sont alors très diverses, et peuvent être franchissables par un nombre élargi d’espèces de poisson. Ce mémoire présente les travaux réalisés à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Afin d’étudier l’écoulement dans ces passes, on va mener des expériences sur des canaux réduits ainsi que des simulations numériques à l’aide du modèle Telemac 2D. L’objectif est de mieux connaître la structure de l’écoulement en fonction des conditions hydrauliques et géométriques comme le nombre, la forme et la taille des macro-rugosités. Plus particulièrement, la compréhension de l’interaction de phénomènes physiques généralement étudiés séparément, tels que le passage en régime torrentiel, l’interaction de sillage ou l’écoulement autour de macro-rugosités, a été recherchée. Des relations hauteur-débit ont été établies permettant une aider au dimensionnement des passes naturelles. Elles fournissent des critères de franchissement comme les vitesses maximales, la puissance dissipée ou la hauteur d’eau minimale. Pour atteindre une description plus locale de l’écoulement, des mesures de Vélocimétrie Acoustiques Doppler ont été conduites. Elles ont aussi permis de définir la plage de validité du modèle numérique 2D (Telemac). Ce modèle a alors était utilisé pour extrapoler les critères de franchissement pour des configurations non testées expérimentalement. Finalement, les connaissances sur l’écoulement ont été synthétisées pour définir des préconisations générales de dimensionnement. La précision des relations établies en laboratoire a pu aussi être vérifiée sur des passes réelles. L’hydrodynamique de ces passes est maintenant suffisamment connue pour savoir si un poisson peut remonter le courant et se reposer. Il restera à s’assurer que leur attractivité soit bonne et que des phénomènes liés aux échelles de longueurs de la turbulence ne présentent un obstacle au franchissement. / This thesis is supported by an ONEMA project for the design of fishways and improve ecological continuity of rivers. This work focused on nature-like fish passes that have cost and landscaped appearance advantages. There is a steep flow around the blocks (macro-roughness) regularly distributed in a staggered configuration with large Froude numbers. The hydrodynamic conditions are sufficiently different to be passable by an expanded number of fish species. This thesis presents the work carried out at the Institute of Fluid Mechanics of Toulouse (IMFT). To study the flow in these passes, experiments are conducted on physical models and numerical simulations using the Telemac 2D model. The goal is to better understand the flow structure based on hydraulic and geometric conditions such as the number, shape and size of macro-roughness. In particular, we considered the interaction of physical phenomena usually studied separately such that the passage in supercritical regime, the interaction of wake or flow around macro-roughness. The stage-discharge relationships were established to assist in the design of nature-like passes. They provide criteria useful for passability such as maximum speeds, power dissipation or minimal water height. To reach a local description of the flow measurements with an Acoustic Doppler Velocimeter were conducted. They also helped to define the valid range of the 2D model. This model was then used to extrapolate passability criteria for untested experimental configurations. Finally, the knowledge on flow has been synthesized to define general recommendations sizing. It has also been able to verify on real scale passes, the accuracy of the relations established in the laboratory. The hydrodynamics of these passes is now sufficiently described to know if a fish can swim upstream and rest. It will remain to ensure that their attractiveness is good and that phenomena related to the turbulence length scales do not present an obstacle to the fish passage.

Depuis la découverte des modes asymétriques dans le sillage d'un corps simplifié d'automobile, réminiscents d'une bifurcation à bas nombre de Reynolds, se posent des questions propres au développement aérodynamique des véhicules terrestres telles que l'influence du vent latéral, de l'assiette et du rétreint d'arrière-corps couramment utilisé en phase d'optimisation. Notre travail s'attache à répondre expérimentalement à ces questions pour des géométries simplifiées mais aussi réelles. Les essais sont réalisés en soufflerie industrielle à l'échelle 2/5 pour le corps académique et en pleine échelle pour les monospaces. Nous montrons que le désalignement du véhicule par rapport à l'écoulement incident n'a pour effet que de modifier l'orientation du mode asymétrique sans en changer l'intensité. Nous construisons un modèle simple prédisant non seulement cette orientation mais aussi les conséquences sur les efforts aérodynamiques transverses. La contribution de l'instabilité sur les coefficients aérodynamiques de portance ou d'effort latéral est de l'ordre de 0,02 indépendamment du vent de travers et de l'assiette du véhicule. Les rétreints d'arrière-corps affectent également la dynamique du sillage et son orientation, mais l'instabilité n'est jamais supprimée. Ces résultats sont retrouvés pour des véhicules réels de type monospace dont le sillage est donc également soumis au même mode asymétrique, révélé sans ambigüité par des expériences de sensibilité en assiette. Nos résultats indiquent que, pour tous les véhicules considérés, le mode asymétrique de sillage est systématiquement présent dans l'enveloppe de conduite. Le contrôle ou la suppression de ce mode devrait offrir de nouvelles perspectives d'optimisation des véhicules à culot droit de type monospaces ou SUV. / Since the recent discovery of asymmetric modes in the wake of a simplified vehicle geometry, reminiscent from a bifurcation at low Reynolds numbers, some questions related to the aerodynamic development of ground vehicles such as the influence of lateral wind, pitch and afterbody boat-tail classically used during shape optimization remain unanswered. Our work is devoted to assess those questions experimentally for simplified but also real geometries. The tests are conducted in an industrial wind-tunnel, at the 2/5-scale for the academic body and at the full scale for the minivans. We show that the vehicle's misalignment only modifies the asymmetric mode's orientation without affecting its intensity. We build a model predicting not only this orientation but also the consequences on the cross-flow aerodynamic loading. The contribution of the instability to the lift or side force coefficients is of the order of 0,02 independently of lateral wind or of the vehicle's pitch. Afterbody boat-tails also impact the wake dynamics and its orientation but the instability is never suppressed. These results are retrieved for real vehicles such as minivans, whose wake is then subjected to the same asymmetric mode as well, revealed unambiguously with pitch sensitivity experiments. Our results indicate that, for all considered vehicles, the asymmetric wake mode is systematically present in the driving envelope. The control or the suppression of this mode should offer new optimization's perspectives for blunt based vehicles such as minivans or SUVs.

Le lien entre la force fluide s'appliquant sur un obstacle et les structures cohérentes est évident ; il n'existe pourtant pas de relation quantitative entre chaque structure de l'écoulement et la force qu'elle produit. Nous étudions cette problématique selon deux grands axes : d'abord la définition d'une densité volumique d'effort, puis une définition des structures cohérentes adaptée à cette densité de force. Nous montrons que pour caractériser les structures cohérentes dans un domaine englobant un obstacle, la formulation utilisée ne doit pas faire apparaître de terme de pression et ne doit pas comporter d'information sur les contours du domaine. Nous étudions plus précisément deux formulations de la force et montrons que seule la formulation diffusive faisant intervenir une impulsion du laplacien de vorticité est adaptée à un calcul volumique des efforts. En appliquant cette formulation à un écoulement 2D autour d'un cylindre dans le régime de von Kármán, nous pouvons ensuite étudier les contributions à la force de deux parties de l'écoulement définies à partir du laplacien de vorticité : les couches de vorticité et la zone de recirculation, dans un domaine restreint autour du cylindre. Les couches de vorticité captent ainsi les effets visqueux, tandis que la zone de recirculation capte les effets de l'enroulement des couches limites en tourbillons. Il est intéressant de noter que la zone de recirculation n'englobe pas les tourbillons développés du sillage, l'influence de ces tourbillons étant en fait captée par la densité de force dans une petite zone en aval du cylindre. L'application 3D de la formulation diffusive nécessite une très bonne définition de la vorticité dans la zone proche paroi, et nous montrons que cette approche ne peut pas encore être facilement mise en oeuvre sur des géométries complexes avec les moyens numériques actuels.

The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

Cette thèse CIFRE est le fruit d’une collaboration entre Renault Trucks et le LMFA dans la perspective d’une évaluation de la pertinence du contrôle actif pour la réduction de traînée de véhicule industriel. Les deux principaux objectifs de ces travaux expérimentaux consistent à l’analyse de l’influence de l’écoulement de soubassement sur la dynamique du sillage et l’étude d’une stratégie de contrôle d’écoulement combinant des volets déflecteurs (positionnés sur les bords supérieurs et latéraux du culot) à des actionneurs de type jets pulsés dans l’optique d’une réduction de la traînée aérodynamique d’un corps non profilé à culot droit. Le développement du sillage pour différentes vitesses de soubassement évoluant de 10% à plus de 80% de la vitesse de l’écoulement infini amont est étudié sur une maquette simplifiée de véhicule poids lourd à l’échelle 1/43e. Des mesures de pression au culot permettent d’identifier quatre classes d’écoulement associées à des structures de sillage différentes mises en évidence par des mesures PIV 2D-3C. Le sillage de la première classe d’écoulement obtenu pour les très faibles vitesses de soubassement ressemble au sillage derrière une marche 3D. Pour des vitesses de soubassement plus élevées, l’écoulement de soubassement décolle au niveau du sol et impacte soit le culot ou soit la couche de cisaillement supérieure favorisant le développement des instabilités de type Kelvin-Helmoltz dans ce dernier cas. Enfin, la dernière classe est caractérisée par un sillage comparable à celui d’un corps d’Ahmed. L’ajout de volets déflecteurs à l’arrière du culot engendre une augmentation de la pression au culot pour l’ensemble des classes d’écoulement. Cette augmentation réside principalement dans l’effet de vectorisation de l’écoulement. Un système de contrôle actif est intégré sur une maquette 1/8e géométriquement identique à celle à l’échelle 1/43e et équipée de volets déflecteurs. Deux angles de volet supérieur sont testés afin d’obtenir en moyenne (i) un écoulement naturel attaché à la paroi du volet et (ii) un écoulement naturel détaché du volet. Par rapport au cas sans contrôle actif, des gains sur la traînée sont obtenus pour une certaine gamme de fréquence d’actionnement uniquement dans le cas (ii). Ces gains sont obtenus suite au recollement de l’écoulement sur le volet. Enfin, la robustesse des gains sur la pression au culot est testée avec succès en mettant la maquette en dérapage pour simuler un vent de travers. / This PhD thesis was realized in the scope of a collaboration with Renault Trucks and the LMFA in view of an evaluation of the relevance of active flow control for the drag reduction industrial vehicle. The two main objectives of this experimental work are to analyze the impact of the underbody flow on the wake dynamics and to study a flow control strategy combining inclined flaps (located on the upper and lateral edges of the rear base) with pulsed jet actuators for reducing the aerodynamic drag of a square-back bluff body. The wake development for several underbody velocities ranging from 10% to more than 80% of the free-stream velocity is studied on a simplified truck model at scale 1 :43. Rear base pressure measurements lead to the identification of four flow classes associated with different wake structures highlighted by 2D-3C PIV measurements. The wake of the first flow class obtained for very low underbody velocities looks like that of the wake of a 3D backward facing step. For higher underbody velocities, the underbody flow is separated from the ground impaging either the rear base or the upper shear layer triggering Kelvin-Helmoltz instabilities for this last case. Finally, the fourth class is characterized by a wake comparable to that of the Ahmed body. The implementation of inclined flaps at the rear base increases the base pressure for all classes. This increase is mainly due to the vectoring effect of the flow. An active control system is integrated to a 1 :8 scale model geometrically identical to that of the 1 :43 scale model with flaps. Two upper flap angles are tested to have (i) a natural flow attached to the flap and (ii) a natural flow detached from the flap. In comparison to the case without active flow control, drag reductions are obtained only for a specific range of actuation frequencies only in case (ii). These gains are associated with the reattachment of the flow on the flap. Finally, the robustness of the pressure gains is successfully tested in crosswind conditions.

Cette thèse expérimentale et numérique s’intéresse à l’écoulement à inertie négligeable d’un fluide newtonien et d’un fluide à seuil autour d’une plaque ou d’un cylindre en présence d’une paroi. Les efforts générés et les structures d’écoulement ont été particulièrement étudiés. Pour le fluide à seuil, l’étude est centrée sur le domaine des effets de seuil grands par rapport aux effets visqueux. Pour l’approche expérimentale, un dispositif a été conçu permettant de mesurer simultanément les forces de traînée et de portance en fonction de la vitesse et de la distance obstacle/paroi. Les fluides étudiés sont un sirop de glucose Newtonien et un gel de Carbopol considéré comme un fluide à seuil modèle. Ces matériaux ont été finement caractérisés du point de vue rhéologique. Des simulations numériques utilisant le modèle viscoplastique anélastique d’Herschel-Bulkley régularisé par le modèle de Papanastasiou ont été réalisées. Les résultats obtenus avec le fluide newtonien ont permis de valider l’installation expérimentale et l’approche numérique. Les effets de la contrainte seuil, de la distance paroi/obstacle, de la rhéofluidification, de l’angle d’inclinaison de la plaque sur les coefficients de traînée et de portance ont été examinés en détail. Le régime de lubrification a été étudié pour le cylindre expérimentalement et théoriquement. La morphologie de l’écoulement (zones rigides) et les grandeurs locales ont été montrées. Des solutions analytiques de la traînée et de la portance ont été proposées. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ainsi qu’avec les solutions issues de la plasticité de la mécanique des sols sont analysées. Les écarts sont discutés en termes d’influence de l’élasticité et de plasticité du fluide à seuil. / This experimental and numerical thesis deals with the creeping flow of a Newtonian fluid and a yield stress fluid around a plate or a cylinder in the presence of a wall. The generated forces and the flow structures have been particularly studied. The study focuses for the yield stress fluid on large yield stress effects compared to the viscous effects. For the experimental approach, a device has been designed to measure simultaneously the drag and lift forces as a function of velocity and obstacle / wall distance. The fluids studied are a Newtonian glucose syrup and a Carbopol gel considered as a yield stress fluid model. These materials have been finely characterized from the rheological point of view. Numerical simulations using the Herschel-Bulkley anelastic viscoplastic model regularized by the Papanastasiou model were carried out. The results obtained with the Newtonian fluid allowed to validate the experimental set-up and the numerical approach. The effects of the yield stress, the wall / obstacle distance, the power law index and the inclined plate on the drag and lift coefficients were carefully examined. The lubrication regime has been studied for the cylinder both experimentally and theoretically. The morphology of the flow (rigid zones) and the local field quantities have been shown. Analytical solutions of drag and lift have been proposed. Comparisons between the experimental and numerical results as well as the solutions resulting from the plasticity of soil mechanics are analyzed. Deviations are discussed in terms of the elasticity and plasticity influence of the yield stress fluid.

Le contrôle électromagnétique d'écoulements en eau de mer permet de modifier l'écoulement à l'aide d'un champ de force de Lorentz-Laplace, produit par des actionneurs électromagnétiques affleurants à la paroi. Ces actionneurs sont constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, qui peuvent être associés en réseau et excités périodiquement, dans le temps et dans l'espace. Dans le cadre de ce travail, nous avons mené une étude expérimentale et numérique sur l'effet du forçage électromagnétique sur un écoulement initialement au repos et sur un écoulement en tunnel hydrodynamique. Les deux types d'actionneurs étudiés, normal et parallèle, ont montré que l'écoulement est largement modifié par le forçage, voire même qu'il résulte entièrement de celui-ci. Les résultats obtenus ont permis de caractériser ces modifications et démontrent, en particulier pour des écoulements initialement au repos, la grande sensibilité de la réponse de l'écoulement à la géométrie des actionneurs. Un ensemble de critères objectifs basés sur des bilans intégraux a été proposé. Celui-ci permet de fixer objectivement les échelles du forçage électromagnétique en terme de longueur, de temps, d'accélération et de vitesse, mais aussi celles de l'écoulement, comme la zone d'action et les bilans propulsifs locaux. Les résultats expérimentaux, obtenus à l'aide de techniques de visualisation et de vélocimétrie par image de particules, ont permis de valider les modèles analytiques utilisés pour le calcul du champ de forces. Cette validation repose sur l'excellent accord obtenu entre les simulations numériques et les expériences, pour les cas d'écoulements initialement au repos.

Le contrôle électromagnétique (CEM) d'écoulement en eau de mer permet d'appliquer directement au sein d'un écoulement des forces volumiques locales dans des régions choisies de celui-ci. Des actionneurs électromagnétiques (EM), constitués d'aimants permanents et d'électrodes pariétales, constituent un moyen original de forçage sur une couche limite d'eau de mer. Les forces électromagnétiques volumiques appliquées sont locales et leur rotationnel est une source directe de vorticité. Ces actionneurs peuvent être associés en réseau et activés périodiquement en espace et en temps. Des travaux précédents, Rossi L. et al. (2002), ont montré expérimentalement la possibilité d'altération, par forçage électromagnétique (EM), de structures cohérentes produites synthétiquement dans une couche limite laminaire. Dans la présente étude, une simulation numérique directe (SND) basée sur le code de Paulo Orlandi est entreprise, Orlandi P. (2000). La SND constitue un outil essentiel à l'identification des mécanismes actifs pour chaque schéma de contrôle envisagé. Le travail accompli porte en première étape sur le calcul d'une couche limite turbulente ordinaire non-actionnée. Le champ turbulent obtenu est d'une part comparé avec succès à ceux des travaux faisant référence, d'autre part il constitue le champ initial à un ensemble de simulations de forçage. Les résultats sont analysés sur les champs de vitesse calculés et sur l'identification des structures cohérentes présentes dans cette couche. La seconde étape consiste à imposer divers forçages électromagnétiques locaux à l'écoulement et à analyser la réponse de ce dernier à ces forçages.

Cette thèse porte sur l'étude numérique et physique de la dynamique d'un fluide réel incompressible initialement au repos, mis en mouvement par les oscillations rectilignes transversales forcées d'un cylindre. Ce système est décrit par deux nombres adimensionnels. Le nombre de Reynolds (Re) compare les forces d'inertie aux forces de viscosité, et le nombre de Keulegan-Carpenter (KC) mesure l'amplitude des oscillations du cylindre par rapport à son diamètre. L'objectif est de déterminer l'influence de ces deux paramètres sur les forces de traînée et de portance exercées par le fluide sur la structure, en lien avec la dynamique de l'écoulement. Les équations de Navier-Stokes sont résolues numériquement par une méthode d'éléments finis. Les résultats de ces calculs pour l'écoulement et les forces permettent d'abord d'identifier différents modes de comportement du système sur un cycle d'oscillation du cylindre. Les propriétés de symétrie de l'écoulement et les trajectoires des tourbillons sont corrélées aux signaux temporels des forces. Puis l'analyse de la réponse du système sur des temps longs devant la période d'oscillation du cylindre met en évidence des domaines de stabilité des modes dans le plan (KC, Re). Dans certains régimes, les forces présentent des fluctuations d'amplitude. Elles sont interprétées notamment à l'aide des spectres des forces et des instabilités observées dans l'écoulement. Enfin, le passage du problème d'un seul cylindre à un réseau carré de 25 cylindres est étudié. Une approche énergétique est proposée pour caractériser l'influence de KC et Re sur le comportement global du système, dans le cas du cylindre isolé et celui du réseau.

La sédimentation de particules non-browniennes dans une suspension de laponite a été étudiée expérimentalement. Un protocole de préparation spécifique a été mis en place, la caractérisation rhéologique du fluide a été réalisée : la laponite constitue un fluide thixotrope, à seuil, rhéofluidifiant et viscoélastique. La caractéristique principale est l'augmentation en exponentielle de la viscosité du fluide avec le temps de vieillissement. La sédimentation de particules isolées a été étudiée sous différents aspects : vitesse de la particule, champs de vitesse autour de la particule, biréfringence induite par la sédimentation. La vitesse de la particule évolue en exponentielle décroissante avec le temps de vieillissement. Deux régimes d'écoulement suivant la contrainte exercée par la particule ont été repérés : un écoulement avec une traînée négative (remontée du fluide après le passage de la particule) avec une évolution spatiale quasi-similaire entre l'amont et l'aval. La biréfringence induite par la sédimentation de la particule relaxe très lentement après le passage de la particule. Le temps de relaxation correspondant augmente avec le temps de vieillissement du fluide. La sédimentation de deux particules a été observée dans deux cas : en présence et en absence d'une traînée négative. L'agrégation des particules peut être observée dans chaque cas. De plus, la sédimentation de suspensions a été entreprise : on observe une sédimentation sur une longueur finie conduisant à l'arrêt de la sédimentation contrairement au ca newtonien. La dynamique de cet arrêt est en exponentielle décroissante.