Cette thèse tente d'effectuer une approche de physique statistique (à l'équilibre et hors équilibre) d'un écoulement pleinement turbulent de von Kármán produit par la contra-rotation de deux turbines dans un cylindre rempli de fluide. Dans une première partie, les résultats expérimentaux obtenus en commande en vitesse sont complétés par des observations par PIV, puis étudiés dans le cadre de la mécanique statistique : la divergence de susceptibilité qui est notamment observée est étudiée à la manière d'un modèle d'Ising-Champ moyen, dans lequel les corrélations spatiales de l'écoulement et le théorème fluctuation-dissipation sont examinés. En second lieu, les résultats de commande en couple sont complétés : l'existence de réponses différentielles négatives dans l'écoulement autorise une analogie avec certains dipôles électriques et fluides complexes. Nous interprétons ces résultats comme une forme d'inéquivalence d'ensemble, typique des systèmes possédant des interactions à longue portée. Les temps d'échappement des régimes multi-stables sont également étudiés comme un simple problème de puits de potentiel de Kramers, révélant une dynamique globale à petit nombre de degrés de liberté. Finalement, des résultats préliminaires de l'expérience SHREK effectuées dans l'hélium à très basse température sont présentés. Les couples mécaniques exercés sur les turbines sont similaires dans le cas du fluide normal et du superfluide. Les nombres de Reynolds accessibles dans l'expérience permettent en outre une étude plus complète du cycle d'hystérésis en fonction du nombre de Reynolds.

Le système de Saint Venant est répandu pour modéliser des fluides dont la hauteur est inférieure au domaine d'écoulement. Son écriture nécessite des hypothèses sur le profil de vitesse pour connaître le flux de la quantité de mouvement ainsi que le cisaillement sur le fond. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à un couplage entre un fluide parfait et une couche visqueuse dans l'esprit des couches limites interactives (IBL) introduites en aéronautique. Cette interaction nous permet de proposer un terme de friction en adéquation avec les attentes physiques au regard de la position du maximum local. Une part importante de cette thèse est donc consacrée à la compréhension de la couche visqueuse dans laquelle la recherche du profil de vitesse est cantonnée. Cette étude se décompose en l'écriture des équations de Prandtl puis en l'établissement de l'équation de von Kármán. Cette dernière met en jeu les quantités nécessaires à la définition du flux recherché et est donc un élément clé de la fermeture du système. Des résultats numériques viennent illustrer le modèle obtenu par le couplage entre le fluide parfait et la couche visqueuse. Le dernier chapitre expose deux formulations alternatives obtenues d'un point de vue d'un écoulement d'un fluide parfait dont les conditions sur les bords du domaine sont modifiées, soit par une condition de transpiration définie sur le fond, soit par une modification du domaine enlien avec une topographie apparente. / Shallow Water system is widely used for flows when the depth is smaller than the longitudinal scale. The establishment needs some hypothesis on the velocity profile in order to describe the moment flux and the shear stress on ground. In this thesis, we present a two layer decomposition of the fluid between an ideal fluid and a viscous layer in the spirit of the Interactive Boundary Layer (IBL) introduced in aeronautics. This interaction leads to obtain in our equations a friction term which fits with the physical expectations for the local maximum. So a major part of this work is interested in the comprehension of the viscous layer where the velocity profile is confined. The study is based on the writing of Prandtl equations then the establishment of the von Kármán equation. The last one contains the necessary quantities for a definition of the researched flux. Also this equation is essential for a closure of the system. Some numerical results illustrate the proposed model with the association of ideal fluid ans viscous layer. A last chapter presents two alternatives formulations of the model based on an ideal fluid with modified boundary conditions. The first one keeps the same domain but has a transpiration boundary.

Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l’échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l’échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l’aide d’un montage de suivi lagrangien rapide. L’étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l’apparition d’un phénomène nouveau : à partir d’une certaine taille, les particules n’explorent plus l’écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l’écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l’écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l’écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s’effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d’analyse pour caractériser cette dynamique et l’avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l’écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l’influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l’aide d’un montage d’ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu’elles sont librement advectées par l’écoulement. / We are interested in the turbulent transport of particles whose size is bigger than the Kolmogorov length scale. This issue takes place as much in natural flows (such as sediment transport) as in industrial flows (solid solute in mixer for instance). To tackle this problem, we study the dynamics of particle with size close to the integral length scale, whose density can be neutral or slightly different from the one of the fluid, in a turbulent counter-rotating von Kármán flow, through a fast Lagrangian tracking setup. Studying the fast scale motions, we find out that the fluctuations decrease strongly with particle diameter, but we also discover a new phenomena: particles bigger than a certain size do not sample the flow homogeneously. This preferential sampling is link to the von Kármán mean structure, which applies a trapping force on the particles, overcoming their fluctuations as their size becomes bigger than a critical size. A study in the laminar flow regime, where the mean flow is much greater than the fluctuations, showed an strongly increased trapping effect. The particles indeed orbit for very long times around stable attractors of the fluid particles of the laminar flow. Even in turbulent regime, the motion of the particle between these areas occurs at long times intervals, in a decorrelated way of the turbulent motion. We adapted our analysis tools to characterize this dynamics, comparing it to the one of large neutrally-buoyant particles in a von Kármán flow which presents two asymmetric states. We also designed a model that can reproduce these characteristics in both symmetrical and asymmetrical cases. These issues are tightly linked to mass or heat transfer between a particle and the carrier flow. Therefore, we also studied the melting dynamics of large ice balls in fully developed turbulence, analyzing the impact of particles size and sliding velocity on the turbulent heat transfer, through an afocal shadowgraphy setup. We showed in particular that large freely advected ice balls melt in the ultimate regime of heat transfer.

Ce travail est motivé par l'effort international actuel de créer expérimentalement une dynamo fluide auto-entretenue. L'effet dynamo, dont l'existence a été prevu par Larmor au début du XXème siècle, est considéré comme étant responsable de la production du champ matnétique terrestre et d'autres objets célestes par l'intermédiaire de l'écoulement d'un fluide conducteur. Afin d'étudier numériquement l'écoulement de von Kármán, qui modélise la configuration d'une expérience dynamo mise en place à Cadarache, nous avons développé une approche numérique originale permettant la résolution des équations magnétohydrodynamiques dans une géométrie dylindrique en formulation potentielle. La décomposition en potentiels poloïdal et toroïdal a été utilisée pour garantir la nature solénoïdale des champs de vitesse et magnétique. Nous utilisons la technique de la matrice d'influence pour satisfaire aux conditions aux limites et aux conditions de continuité du champ magnétique à la paroi du cylindre. La grande puissance de calcul, résultant de la parallélisation MPI du code, a presmis de l'appliquer deux problèmes concernant la turbulence dans la géométrie cylindrique : la turbulence axisymétrique et une bifurcation entre états turbulents.

Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l'échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l'échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l'aide d'un montage de suivi lagrangien rapide. L'étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l'apparition d'un phénomène nouveau : à partir d'une certaine taille, les particules n'explorent plus l'écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l'écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l'écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l'écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s'effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d'analyse pour caractériser cette dynamique et l'avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l'écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l'influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l'aide d'un montage d'ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu'elles sont librement advectées par l'écoulement.

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In the flow past bluff bodies for a certain range of velocity a periodical vortex shedding emerges which is known as von Kármán vortex street. This phenomenon causes the periodical alteration of pressure field which affects the body. Should the vortex shedding frequency be similar to the body natural frequency, the amplitude of vibration significantly increases which can lead to fatigue cracking. In the case of water turbines, this phenomenon often affects the stay vanes. Both the vortex shedding frequency and the lift force amplitude can be influenced by the modification of the trailing edge geometry. The aim of this thesis is to use CFD computation in order to find the optimal geometry of the stay vane trailing edge for the specific Francis turbine unit.