Combustion systems utilizing bluff bodies to stabilize the combustion processes can experience oscillatory heat release due to the alternate shedding of coherent, von Kármán vortices under certain operating conditions. This phenomenon needs to be understood in greater detail, since unsteady burning due to vortex shedding can lead to combustion instabilities and flame extinction in practical combustion systems. The primary objective of this study was to elucidate the influence of combustion process heat release upon the Bénard-von Kármán (BVK) instability in reacting bluff body wakes. For this purpose, spatial and temporal heat release distributions in bluff body-stabilized combustion of liquid Jet-A fuel with high-temperature, vitiated air were characterized over a wide range of operating conditions. Upon comparing the spatial and temporal heat release distributions, the fuel entrainment and subsequent heat release in the near-wake were found to strongly influence the onset and amplitude of the BVK instability. As the amount of heat release in the near-wake decreased, the BVK instability increased in amplitude. This was attributed to the corresponding decrease in the local density gradient across the reacting shear layers, which resulted in less damping of vorticity due to gas expansion. The experimental results were compared to the results of a parallel, linear stability analysis in order to further understand the influence of the combustion processes in the near-wake upon the wake instability characteristics. The results of this analysis support the postulate that oscillatory heat release due to BVK vortex shedding is the result of local absolute instability in the near-wake, which is eliminated only if the temperature rise across the reacting shear layers is sufficiently high. Furthermore, the results of this thesis demonstrate that non-uniform fuelling of the near-wake reaction zone increases the likelihood of absolutely unstable, BVK flame dynamics due to the possibility of near-unity products-to-reactants density ratios locally, especially when the reactants temperature is high.

Nous présentons dans ce mémoire deux études centrées sur l'écoulement expérimental de von Karman.<br />Nous confrontons d'une part des prédictions théoriques obtenues dans le cadre idéal d'une mécanique statistique développée pour les écoulements axisymétriques non visqueux et non forcés à des mesures de vitesse réalisées par Vélocimétrie par Imagerie de particule stéréoscopique (SPIV). Nous obtenons des relations globales caractérisant les états stationnaires du système et prouvant une tendance à l'alignement vitesse-vorticité pour les grands nombres de Reynolds. Cette observation nous permet de dériver théoriquement deux théorèmes de fluctuation-dissipation qui sont testés sur des mesures de SPIV à hauts nombres de Reynolds.<br />D'autre part, nous étudions dans le cadre de la collaboration VKS l'effet dynamo dans un écoulement non contraint de sodium liquide. Cet effet est une instabilité qui serait responsable des champs magnétiques des objets astrophysiques dont la Terre. L'expérience en sodium liquide VKS2 a, pour la première fois, permis d'observer au laboratoire un effet dynamo donnant lieu à des dynamiques temporelles variées de champs magnétiques. Des régimes stationnaires, oscillants, intermittents ou encore présentant des inversions erratiques similaires à celle du champ magnétique terrestre sont en effet présentés. Nous montrons que ces différents régimes se classent en fonction du nombre de Rossby de l'expérience et mettons en évidence les liens qui existent entre les bifurcations magnétiques et hydrodynamiques observées.

The geometrically nonlinear constant moment triangle based on the von Karman theory of thin plates is first described. This finite element, which is believed to be the simplest possible element to pass the totality of the von Karman patch test, is employed throughout the present work. It possesses the special characteristic of providing a tangent stiffness matrix which is accurate and without approximation. The stability of equilibrium of discrete conservative systems is discussed. The criteria which identify the critical points (limit and bifurcation), and the method of determination of the stability coefficients are presented in a simple matrix formulation which is suitable for computation. An alternative formulation which makes direct use of higher order directional derivatives of the total potential energy is also presented. Continuation along the stable equilibrium solution path is achieved by using a recently developed Newton method specially modified so that stable points are points of attraction. In conjunction with this solution technique, a branch switching method is introduced which directly computes any intersecting branches. Bifurcational buckling often exhibits huge structural changes and it is believed that the computation of the required switch procedure is performed here, and for the first time, in a satisfactory manner. Hence, both limit and bifurcation points can be treated without difficulty and with continuation into the post buckling regime. In this way, the ability to compute the stable equilibrium path throughout the load-deformation history is accomplished. Two numerical examples which exhibit bifurcational buckling are treated in detail and provide numerical evidence as to the ability of the employed techniques to handle even the most complex problems. Although only relatively coarse finite element meshes are used it is evident that the technique provides a powerful tool for any kind of thin elastic plate and shell problem. The thesis concludes with a proposal for an algorithm to automate the computation of the unknown parameter in the branch switching method.

Cette thèse porte sur l'élasticité des corps minces bidimensionnels. Nous insistons sur les rapports entre les équations de l'élasticité et la géométrie. Nous envisageons tout d'abord le cas des coques, qui sont définies comme les corps élastiques minces possédant une courbure au repos. On sait que le comportement élastique d'une coque est largement conditionné par la rigidité infinitésimale de sa surface moyenne : selon qu'il est possible ou non de déformer cette surface tout en conservant les longueurs de toutes les courbes inscrites, on dira que la coque est isométriquement déformable, ou inhibée. Nous interprétons la classification des surfaces de révolution due à Cohn-Vossen, et la généralisons aux surfaces quelconques. Nous mettons en évidence des courbes rigidifiantes. Nous considérons ensuite la délamination des films minces comprimés : sous certaines conditions mécaniques, ces films se décollent du substrat auxquels ils adhéraient. Nous étudions la fracture de l'interface film/substrat au moyen d'un modèle de fissure avec frottement de Coulomb entre les lèvres. Des motifs de délamination en forme de fil de téléphone ont été largement observés expérimentalement. Nous les interprétons comme le résultat d'un flambage élastique secondaire dans les équations de Föppl–von Kármán. Enfin, nous montrons que la structure des équations de Föppl–von Kármán d'une part, et les propriétés de la fissure interfaciale d'autre part, permettent d'expliquer la stabilité des cloques de délamination.

Rough surface scattering is a problem of interest in underwater acoustic remote sensing applications. To model this problem, a fully three-dimensional (3D) finite element model has been developed, but it requires an abundance of time and computational resources. Two-dimensional (2D) models that are much easier to compute are often employed though they don’t natively represent the physical environment. Three quantities have been developed that, when applied, allow 2D rough surface scattering models to be used to predict 3D scattering. The first factor, referred to as the spreading factor, adopted from the work of Sumedh Joshi [1], accounts for geometrical differences between equivalent 2D and 3D model environments. A second factor, referred to as the perturbative factor, is developed through the use of small perturbation theory. This factor is well-suited to account for differences in the scattered field between a 2D model and scattering from an isotropically rough 2D surface in 3D. Lastly, a third composite factor, referred to as the combined factor, of the previous two is developed by taking their minimum. This work deals only with scattering within the plane of the incident wave perpendicular to the scatterer. The applicability of these factors are tested by comparing a 2D scattering model with a fully three-dimensional Monte Carlo finite element method model for a variety of von Karman and Gaussian power spectra. The combined factor shows promise towards a robust method to adequately characterize isotropic 3D rough surfaces using 2D numerical simulations. / text

Les vibrations de plaques minces présentent des dynamiques très riches et variées, allant de comportements linéaire à fortement non linéaire en fonction de leur amplitude par rapport à l'épaisseur. Cette thèse présente le développement d'un code numérique capable de simuler sans restriction cette dynamique complexe, décrite par les équations de Von Karman, dans le cas de plaques homogènes et présentant une géométrie rectangulaire. L'application principale de ce code est de produire des sons de cymbales et de gongs: cette partie du travail s'inscrit donc dans le contexte de la synthèse sonore par modélisation physique. Pour cela, une approche modale est utilisée, afin de réduire les équations aux dérivées partielles à un ensemble d'équations différentielles ordinaires couplées. Un schéma d'intégration temporelle est proposé, pour lequel la conservation de l'énergie produit une condition de stabilité. Les caractéristiques les plus intéressantes du schéma modal sont sa précision et la possibilité de mettre en place des lois d'amortissements complexes à moindre coût. Le son produit par le code numérique est systématiquement comparée à celui calculé par une autre méthode fondée sur les techniques de différences finies . Les aspects fondamentaux de la physique des vibrations non linéaires sont également pris en compte au cours de ce travail. Lorsqu'une plaque vibre dans un régime faiblement non linéaire, les couplages modaux produisent des vibrations qui dépendent de l'amplitude, des résonances internes, des instabilités, des sauts et des bifurcations. Le schéma modal est utilisée pour construire et analyser la réponse non linéaire de la plaque au voisinage de ses premières fréquences propres, dans un cas conservatif, puis en prenant en compte les effets de l'amortissement et du forçage, montrant ainsi leurs effets sur les modes normaux non linéaires du système hamiltonien. Lorsque les plaques vibrent dans un régime fortement non linéaire, la description la plus appropriée de la dynamique est donnée en termes des propriétés statistiques du système, en raison de la multitude de degrés de liberté activés. Théoriquement, ce cadre est offert par la théorie de turbulence d'ondes. À cause de la grande quantité de modes activés dans de telles vibrations, le code en différence finie conservatif est préféré au schéma modal. Lorsque la plaque est excitée avec un forçage sinusoïdal autour d'un de ses modes propres de basse fréquence, une cascade d'énergie se produit, activant des milliers de modes à plus hautes fréquences. Une interprétation statistique des résultats des simulations est proposée, ainsi qu'une comparaison avec des données expérimentales et des autres résultats numériques trouvés dans la littérature. En particulier, les effets du forçage ponctuel ainsi que des imperfections géométriques des plaques sont analysées.

Les travaux portent sur l’étude de la formation de motifs sédimentaires à l’aval d’un cylindre vertical soumis à un courant. Le cylindre simule une fondation monopieu d’éolienne en mer, ou une pile de pont. Une modélisation théorique est développée. Les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux acquis au cours de la thèse. Une étude préliminaire expérimentale et théorique sur le tri sédimentaire au voisinage du cylindre est également effectuée. / This work concerns the study of sediment patterns formation downstream a vertical cylinder under a steady current. The cylinder simulates an offshore monopile foundation, or a bridge pile. A theoretical modeling is developed. The results are in good agreement with the experimental results obtained in the framework of this PhD. An experimental and theoretical preliminary study on sediment segregation in the vicinity of the cylinder is also performed.

L'écoulement de von Karman est l'écoulement produit par la rotation de deux disques coaxiaux placés en vis-à-vis. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons un certain nombre de résultats expérimentaux visant à la caractérisation des fluctuations à grande échelle d'un écoulement d'allongement sensiblement unitaire. Dans certaines circonstances, nous mettons notamment à jour une "bifurcation globale" ainsi qu'un comportement "intermittent" de la structure de l'écoulement. Nous présentons par ailleurs une relation qui relie les statistiques des fluctuations de l'écoulement aux valeurs des couples fournis par les moteurs. Enfin, nous ébauchons l'étude de l'influence de la force de Coriolis sur l'écoulement. La deuxième partie de cette thèse présente des résultats numériques et expérimentaux portant sur l'étude des caractéristiques magnéto-hydrodynamiques de l'écoulement, et notamment sur sa capacité à produire un champ magnétique par "effet dynamo". Les résultats expérimentaux ont été obtenus à haut nombre de Reynolds magnétique dans le montage "VKS", qui utilise du sodium liquide.

Fluid flow creates an expansive range of acoustic possibilities, particularly in the case of water, which has unique turbulence and vortex shedding properties as compared with the air of ordinary wind instruments. Sound from water flow is explained with reference to a new class of musical instruments, hydraulophones, in which oscillation originates directly from matter in its liquid state. Several hydraulophones which were realized in practical form are described. A unique user-interface consisting of a row of water jets is presented, in terms of its expressiveness, tactility, responsiveness to derivatives and integrals of displacement, and in terms of the direct physical interaction between a user and the physical process of sound production. Signal processing algorithms are introduced, which extract further information from turbulent water flow, for industrial applications as well as musical applications.

Fluid flow creates an expansive range of acoustic possibilities, particularly in the case of water, which has unique turbulence and vortex shedding properties as compared with the air of ordinary wind instruments. Sound from water flow is explained with reference to a new class of musical instruments, hydraulophones, in which oscillation originates directly from matter in its liquid state. Several hydraulophones which were realized in practical form are described. A unique user-interface consisting of a row of water jets is presented, in terms of its expressiveness, tactility, responsiveness to derivatives and integrals of displacement, and in terms of the direct physical interaction between a user and the physical process of sound production. Signal processing algorithms are introduced, which extract further information from turbulent water flow, for industrial applications as well as musical applications.