Дисертації з теми "Structures de sillage"

Les fluides géophysiques sont souvent stratifiés [] ce qui a pour conséquence de rendre les écoulements fortement anisotropes. Ces milieux sont le siège de grands mouvements tourbillonnaires qualifiés de quasi-bidimensionnels []. Dans cette étude expérimentale, nous abordons la dynamique de ces mouvements turbulents sous l'effet stabilisant de la stratification ainsi que la dynamique des structures tourbillonnaires émergeant aux temps longs. [Celles-ci] sont générées expérimentalement dans le sillage d'une sphère dans un milieu linéairement stratifié en salinité. Le premier volet de ce travail consiste à étudier le sillage d'une sphère dans sa globalité, à l'aide de techniques de visualisation, de suivi des particules ou d'anémométrie film-chaud. Nous donnons une description du phénomène d'effondrement, c'est à dire de la transition entre la turbulence tridimensionnelles initiale et la turbulence quasi dimensionnelle du sillage lointain. Nous montrons [] que le sillage proche a un comportement identique au cas des sillages en milieu homogène et que les vitesses déficitaires sont beaucoup plus fortes dans le cas stratifié que dans le cas homogène. D'autre part, la période de l'effondrement se caractérise par une nette accélération de la vitesse moyenne déficitaire du sillage []. Nous montrons également que les taux de décroissance de plusieurs quantités sont indépendantes du régime considéré, laminaire ou turbulent []. Cependant, bien que la dynamique du sillage ne soit donc pas contrôlée par les conditions initiales, il existe un lien entre les structures tourbillonnaires du sillage proche et celles du sillage lointain, qui est mis en évidence à partir de la mesure du nombre de Strouhal []. Le second volet de cette étude consiste à étudier la structure interne en densité de tourbillons en milieu stratifié par des approches expérimentales et théoriques. Nous avons montré qu'après une période transitoire d'adaptation du fluide, les équilibres cyclostrophiques et hydrostatiques dans le centre du tourbillon ont pour conséquence un pincement des surfaces d'égale densité []. L'anomalie de densité est correctement représentée par un modèle analytique de tourbillon isolé basé sur un champ de vitesse gaussien. []. Ce caractère universel des tourbillons en milieu stratifié a pu être vérifié pour un dipôle et pour des tourbillons du sillage d'un cylindre vertical. [] Ainsi, cet exemple nous a permis d'étendre le cas des tourbillons monocouches []

L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer quantitativement le comportement dynamique de l’écoulement d’air turbulent autour d’un profil aérodynamique NACA en fonction de l’écoulement en amont. L’écoulement en amont est constitué d’une famille de structures cohérentes, chacune ayant ses propres échelles temporelles et spatiales. En outre, cet écoulement en amont peut inclure un cisaillement moyen dû à une couche limite à grande échelle. Ces situations se rencontrent couramment dans les parcs d’éoliennes et de turbines marines, où le sillage généré par une turbine devient l’écoulement en amont de la suivante, et où la couche limite atmosphérique peut influencer la dynamique de l’écoulement de l’air du profil aérodynamique. La recherche aérodynamique sur les éoliennes s’est principalement concentrée sur la réponse générale des profils aérodynamiques et sur l’écoulement en aval. Cependant, les profils aérodynamiques ne sont pas encore pris en compte dans un écoulement en amont avec la présence d’une famille de structures cohérentes. Cette étude prend en compte les aspects spatiaux et temporels, ce qui est crucial pour comprendre comment l’énergie cinétique transportée par ces mouvements cohérents est capturée dans le sillage. La nouveauté du projet est de fournir une analyse complémentaire et plus détaillée des interactions entre le profil aérodynamique et l’écoulement en amont, basée sur l’analyse de l’intermittence des conditions en amont. Cela permet de mieux comprendre la réponse dynamique de l’aile en aval et la distribution de l’énergie cinétique sur l’aile. Pour atteindre cet objectif, les distributions de pression (structures cohérentes) doivent être moyennées en phase avec un conditionnement basé sur la dynamique du flux en amont. Ce type d’analyse représente une nouvelle approche et nécessite le développement de méthodes spécialisées à appliquer à des cas complexes. L’un des principaux domaines d’investigation du projet est l’étude de l’énergie cinétique turbulente totale (TKE) lorsque les paquets de structures cohérentes en amont interagissent avec le profil aérodynamique en aval. En outre, d’autres recherches peuvent être menées sur l’énergie cinétique turbulente, en considérant les interactions entre les différentes composantes des fluctuations, telles que les interactions entre le mouvement cohérent et le mouvement aléatoire. Ce travail de thèse est intégré dans le cadre du projet DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) qui est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le projet est une recherche collaborative associant quatre laboratoires français
The primary objective of the thesis is to quantitatively assess the dynamic behavior of turbulent airflow around a NACA airfoil as a function of the upstream flow. The upstream flow consists of a family of coherent structures, each with its own distinct temporal and spatial scales. Additionally, this upstream flow may include a mean shear due to a large scale boundary layer. These situations are commonly encountered in wind and marine turbine farms, where the wake generated by one turbine becomes the upstream flow for the next one, and where the atmospheric boundary layer can influence the dynamics of the airfoil’s airflow. Aerodynamic research on wind turbines has primarily focused on the general response of airfoils, and the flow downstream. However, airfoils are not considered yet in an upstream flow with the presence of a family of coherent structures. This study takes into account the spatial and temporal aspects, which is crucial for understanding how efficiently the kinetic energy carried by these coherent motions is captured within the wake. The novelty of the project is to provide a complementary and more detailed analysis of the airfoil-upstream flow interactions based on the analysis of the intermittency of the upstream conditions. This helps to gain insights into the dynamic response ofthe downstream airfoil and the distribution of kinetic energy over the airfoil. To achieve this goal, pressure distributions (coherent structures) must be phase-averaged with a conditioning based on the dynamics of the upstream flow. This type of analysis representsa novel approach and requires the development of specialized methods to be applied to such complex cases. One of the key areas of investigation within the project is the study of the total turbulent kinetic energy (TKE) when the upstream coherent structure packets interact with the downstream airfoil. Additionally, further research can be involved into turbulent kinetic energy, considering the interactions between different components of fluctuations, such as the interactions between coherent and random motion. This thesis work is integrated in the framework of DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) project that is funded by the French National Agency of Research (ANR). The project is a collaborative research involving four French laboratories, including the CORIA laboratory

Le premier objectif de la thèse est l'analyse par simulation numérique des équations de Navier-Stokes pour des écoulements autour d'un profil d'aile sans incidence, d'un fluide visqueux compressible en régime principalement subsonique et instationnaire. Pour Mach=0. 2-0. 4 et Re=104, nous avons analysé, par le modèle de stabilité de Landau, avec comme paramètre critique le nombre de Mach, l'évolution de ces écoulement vers une instabilité de von Kármán. . Cette instabilité est purement la résultante d'effets de compressibilité. Cette étude a permis de déterminer le nombre de Mach critique d'apparition de cette instabilité. Le second volet de ce travail consiste en l'élaboration d'un code numérique permettant l'évolution du domaine fluide dans le temps par des mouvements de paroi. Les tests effectués (tangage de profils d'aile) montrent de très bonnes adéquations dans les comparaisons de résultats. Ce travail constitue une première approche de l'étude de l'interaction fluide-structure
A main objective of this thesis is the physical analysis by solving the Navier-Stokes equations of flows around an airfoil at zero incidence for a viscous compressible fluid in the subsonic and transonic regimes. For Mach numbers 0. 2-0. 4 and Reynolds 104 we have analysed the evolution of the von Kármán instability by means of the Landau model with use of Mach number as parameter. This instability is found to be triggered by the compressibility effect. This study allowed the evaluation of the critical Mach number for the appearance of this instability. The second part of the study consists of the development of a numerical code for the prediction of the fluid domain motion following the dynamic mesh variation. The pitching irfoils flows studied show a good agreement with the other studies. This work is a first step towards a fluid-structure interaction code

Cette thèse expérimentale s'intéresse aux mécanismes fondamentaux de la propulsion par ailes battantes. Nous utilisons un modèle simplifié, constitué d'un aileron oscillant placé dans un tunnel hydrodynamique, qui nous permet d'établir un cadre d'études pour l'analyse des sillages produits. En particulier, nous étudions l'influence de la flexibilité de l'aileron sur ces sillages. Nous définissons un espace de paramètres à deux dimensions (fréquence et amplitude du battement), dans lequel nous identifions trois principaux régimes d'écoulements, associés à trois types de sillages tourbillonnaires. La technique de PIV nous permet d'analyser et quantifier précisément les paramètres physiques et géométriques des sillages observés. La force moyenne subie par l'aileron est estimée dans chacun des régimes, à partir d'un bilan standard de quantité de mouvement. Nous localisons ainsi la transition traînée-propulsion dans notre espace de phase. Nous montrons la performance propulsive supérieure des ailerons flexibles par rapport à un aileron rigide, et proposons quelques éléments d'explication à ce résultat.

Depuis les travaux de Townsend (1956), il est désormais largement admis qu'un mouvement organisé persiste dans la majorité écoulements cisaillés. Suivant la proposition de Townsend, Reynolds & Hussain (1972) apportent la première démarche analytique en développant, entre autres, les bilans énergétiques en "un point" du mouvement organisé et aléatoire. Cependant, un minimum de deux points est nécessaire afin de définir une échelle et décrire les processus énergétiques à chaque échelle. Pour cette raison, les équations de transport des statistiques en deux points furent initialement considérées par Taylor, Kármán & Howarth, Kolmogorov ou Yaglom. Ces derniers postulent que pour des Reynolds infinis, il existe une échelle où l'influence des structures cohérentes disparaît. Or, les nombres de Reynolds rencontrés en laboratoire ne sont pas suffisamment grands pour qu'une telle supposition soit avérée. La contribution énergétique du mouvement cohérent doit alors être dissociée du reste du champ fluctuant. Le premier objectif de cette thèse est d'affiner les théories existantes en proposant les bilans énergétiques en "deux points" prenant en considération le mouvement cohérent. Puis, à partir de diverses méthodes expérimentales mises en place au CORIA et de données issues d'une collaboration avec l'Université de Newcastle (Australie), l'écoulement de sillage est exploré. Les théories statistiques sont alors utilisées comme outil, afin de décrire l'écoulement avec un degré de complexité croissant. Les attentions se portent sur les interactions cohérence - turbulence, en termes de transport, de contribution énergétique ou de transfert d'énergie au sein de la cascade.

Le travail porte essentiellement sur l'étude du sillage d'un cylindre en milieu confiné. Deux techniques de mesures expérimentales ont été utilisées pour l'investigation du sillage derrière le cylindre : la PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et la méthode polarographique avec des sondes circulaires implantées sur une des deux parois du canal en aval de l'obstacle. Parallèlement à ce travail, on a développé un code de calcul pour l'inversion de l'équation de convection-diffusion, qui est basé sur l'algorithme séquentiel de Beck, pour déterminer le gradient pariétal de vitesse à partir des mesures de courant limite de diffusion délivré par les sondes. Sa validation a été préalablement effectuée par des mesures dans un rhéomètre cône/plan. Par la suite, on a étudié l'écoulement derrière le cylindre en effectuant des mesures synchronisées de PIV et de polarographie. Les mesures de PIV ont servi à caractériser les différents régimes d'écoulement, et à montrer les différences essentielles entre ce cas du sillage confiné (pour un taux de blocage de 1/3) et le cas du sillage non confiné. Ensuite, on a étudié la dynamique des structures tourbillonnaires lâchées par le cylindre. La décomposition des champs instantanés de vitesse obtenus par PIV en modes orthogonaux propres (POD) a permis de suivre leur répartition énergétique pour la gamme des nombres res de Reynolds étudiée ( 50 ≤ Re ≤ 300 ). Cette décomposition a permis de faire un filtrage inhomogène et de reconstituer des champs filtrés résolus dans le temps. Finalement, une comparaison entre les résultats de PIV et d'électrochimie a été effectuée
This work deals with the experimental characterization of the vortex shedding from a circular cylinder between parallel walls. Two experimental measurement techniques were used for the investigation of the wake downstream the cylinder : the PIV (Images Particles Velocimetry) and the polarographic method, with circular probes mounted flush on one of the two parallel walls of the channel downstream from the obstacle. In parallel to this work, one developed a computational code for the inversion of the convection-diffusion equation, which is based on the sequential Beck algorithm, in order to determine the wall shear stress from the limiting current delivered by the probes. Its validation was carried out beforehand by measurements in a cone-plate rheometer. Thereafter, one studied the vortex shedding behind the circular cylinder by synchronized measurements between PIV and polarography. Measurements of PIV were used to characterize the various flow regimes, and to show the main differences between this case of the confined wake (for a blockage ratio of 1/3) and the case of the non-confined wake. Then, one studied the dynamic of vortex structures downstream the cylinder. The decomposition of the instantaneous velocity fields obtained by PIV in Proper Orthogonal Modes (POD) made it possible to follow their energetic distribution for the studied range of Reynolds numbers ( 50 ≤ Re ≤ 300 ). With this decomposition, it is possible to make an inhomogeneous filtering and to reconstitute filtered fields solved in time. Finally, a comparison between the results of PIV and of electrochemistry was carried out

Nos travaux ont porté sur l’étude des structures hydrodynamiques spatio-temporelles présentes dans le sillage d’un mât d’éolienne en mer, assimilé ici à un cylindre, pour une application future au parc éolien de Courseulles-sur-Mer. L’analyse hydrodynamique s’est focalisée sur le phénomène de synchronisation entre des vagues régulières et le sillage généré par le courant derrière deux cylindres verticaux. Un diagramme d’état résumant les différents régimes de synchronisation par rapport aux fréquences des vagues et amplitudes étudiées, a été établi. Pour compléter les résultats obtenus avec les vagues régulières, la synchronisation a aussi été étudiée en présence de vagues irrégulières. Dans le cas de vagues irrégulières, le coefficient de diffusion de la phase, K a été utilisé pour expliquer la synchronisation des fréquences. Après l’étude du phénomène de synchronisation, des essais ont été consacrés au transport sédimentaire (affouillement et rides) autour et dans un environnement proche d’un cylindre vertical sous l’effet de plusieurs types d’écoulement. Parallèlement aux expériences en laboratoire, une étude numérique a été amorcée. Dans un premier temps, une simulation DNS (Direct Numerical Simulation) d’un écoulement d’un courant seul autour d’un cylindre vertical a été effectuée. Un cas d’écoulement plus compliqué (i.e. Comprenant des vagues) et un domaine numérique simulant l’impact hydrodynamique d’un réseau de cylindres (modélisant un réseau de mâts d’éoliennes) soumis à un courant seul ont également été mis en oeuvre. Ce réseau comprend 4 cylindres disposés sur 2 rangées. Après l’étude numérique d’un courant seul, le solveur olaFoam a été utilisé pour imposer un écoulement composé d’un courant et de vagues dans un domaine relativement simple : sans obstacle et avec un fond lisse. Les résultats numériques se sont révélés être en assez bon accord avec la littérature au voisinage de la surface libre, montrant la décélération du courant de surface lorsque les vagues et le courant en entrée se propagent dans le même sens
The various experiments carried out have laid emphasis on the study of hydrodynamic spatio-temporal structures found in an offshore wind turbine’s mast, coupled to a cylinder, which will later on be used at the Courseulles-sur-Mer wind farm. The hydrodynamic analysis focused on the synchronization phenomenon between regular waves and the Von Karman Street generated by a current, behind two different vertical cylinders. A diagram showing the different synchronization regimes with respect to the frequencies of the waves and the amplitudes studied, has been drawn. In addition to the results obtained with regular waves, the synchronization phenomenon has also been analysed using irregular waves. In the case of irregular waves, the phase diffusion coefficient, K, has been used to explain the different frequency synchronization observed. After having studied the synchronization phenomenon, tests were carried out on the study of sediment transport (scour and ripples) under the effect of different types of flows in an environment close to a vertical cylinder. In parallel to the laboratory experiments, a numerical study has also been conducted by studying the DNS (Direct Numerical Simulation) of a steady flow of current around a vertical cylinder. In addition to that a more complicated flow of a steady current around a network of cylinders comprising of a series of 4 cylinders arranged in 2 rows (representing a network of wind turbine masts) have also been observed and analysed. After having studied the flow made up by a steady current, the olafoam solver was used to apply a flow made up of both currents and waves in an obstacle free environment with a smooth floor. The numerical results obtained close to the free surface have been found to fairly agree with the findings of other related studies conducted. We observed a reduction in the intensity of the surface current when the waves and the current propagate in the same direction

En aérodynamique automobile, les écoulements sont caractérisés par des structures fortement décollées, tridimensionnelles et instationnaires qui sont à l'origine de la trainée du véhicule et de la génération de bruit. Une configuration modèle générique de cette aérodynamique a été proposée. On étudie de manière expérimentale l'interaction du sillage tridimensionnel d'un disque de diamètre D placé à une distance H d'une paroi. Sur la base de cet écoulement, l'objectif est de développer une analyse instationnaire des structures de l'écoulement et de leur couplage avec la pression fluctuante. On a mis en oeuvre pour cela des moyens d'essais modernes tels que la mesure synchronisée pression/vitesse ou la mesure HS-PIV (High Speed - PIV) et développé des moyens d'analyse (analyse corrélatoire, outils lagrangien FTLE, moyenne conditionnelle et estimation stochastique). Pour H/D=0.75, le battement du sillage associé au lâcher tourbillonnaire est mis en évidence. Les moyennes de phase, déterminées à l'aide d'une analyse POD du signal de pression, associent le déplacement vertical du sillage au lâcher de structures cohérentes dans le plan de symétrie. L'utilisation de l'estimation stochastique de type spatio-temporelle, dont la supériorité par rapport à l'approche spatiale a été démontrée, a permis de montrer que les structures cohérentes sont reliées de manière linéaire aux fluctuations de pression. Pour H/D=0.3, l'interaction du sillage du disque avec la paroi a considérablement changé. Dans la zone proche du point de décollement, il a été montré à l'aide de l'outil lagrangien FTLE que la fréquence dominante de 30Hz sur les DSP de pression est associée aux fluctuations du point de décollement.

Le transport routier est un contributeur majeur à la dégradation de la qualité de l'air en zone urbaine, et notamment en particules fines et ultrafines. Ces dernières sont néfastes pour la santé des citadins, pouvant aggraver voire causer des pathologies pulmonaires et cardio-vasculaires. Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse alors à l'évolution des particules issues des échappements des poids lourds, à partir de leur émission. L'objectif principal de cette thèse consiste à mettre en lumière l'étendue de la dispersion des particules émises autour et dans le sillage d'un poids lourd. Des méthodes numériques basées sur une approche Euler-Lagrange ont alors été utilisées afin de simuler et de caractériser la topologie de l'écoulement d'air autour du camion, par l'approche RANS (Reynold-Averaged Navier-Stokes), puis la phase dispersée, par une approche lagrangienne. Ces simulations ont été supportées par des mesures en soufflerie, dans le sillage d'un modèle de poids lourd à échelle réduite. La PIV (Particle Image Velocimetry) a été utilisée pour l'analyse des champs de vitesse de l'air, tandis que la dispersion de particules solides ultrafines a été caractérisée au travers de la mesure des champs de concentrations par granulomètre. L'écoulement de sillage du poids lourd est totalement détaché au niveau de la paroi arrière de celui-ci, faisant apparaître une zone de recirculation principalement composée d'un large tourbillon qui se forme à partir de l'écoulement provenant du dessous de la remorque. La dynamique des particules émises par les échappements des poids lourds apparaît comme étant fortement corrélée aux structures tourbillonnaires présentes notamment dans son sillage. En effet, les particules tendent à se concentrer préférentiellement sur la périphérie du tourbillon principal, ainsi que dans les zones de faible intensité turbulente. Le mouvement des particules les plus inertielles (diamètre > 2,5~mu m) est dominé par la gravité, tandis que c'est la turbulence qui est principalement responsable du mouvement et du dépôt des particules les plus fines (diamètre < 2,5~mu m). La position et l'orientation du pot d'échappement ont également une influence considérable sur l'étendue de la dispersion et la répartition des particules dans le sous-bassement et le sillage du poids lourd. En effet, lorsque les particules sont émises par le dessous du poids lourd, elles se concentrent en majorité dans la zone de recirculation, à moins de 1,85H (H étant la hauteur de la remorque), et à hauteur humaine. A l'inverse, les particules émises par le dessus du poids lourd ne sont qu'en très faible part ré-entraînées dans la zone de recirculation et se concentrent au dessus de celle-ci, soit à l'équivalent de 2,6~m (0,9H) du sol. L'exposition des différentes populations aux particules émises par les poids lourds pourrait alors être fortement limitée quand les échappements sont libérés sur le dessus du poids lourd, dans des conditions similaires de roulage
Road transportation is a major contributor to air quality pollution in urban areas, particularly in fine and ultrafine particles. These pollutants are harmful to human health, as they can worsen or cause lung and cardiovascular diseases. In this context, we are interested in the evolution of particles emitted from heavy truck exhausts, starting from their emission. The main objective of this thesis is to study the extent of particle dispersion emitted by heavy truck's exhausts, around and in the wake of heavy trucks. Numerical methods based on an Euler-Lagrange approach were used to simulate and characterize the airflow topology around the truck, using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) method for the fluid phase and a Lagrangian approach for the dispersed phase. These simulations were supported by wind tunnel measurements in the wake of a reduced-scale model of a heavy truck. Particle Image Velocimetry (PIV) was used for analyzing the air velocity fields, while the dispersion of ultrafine solid particles was characterized by measuring concentration fields using a granulometer. The truck's wake flow is completely detached at the rear of the trailer, revealing a recirculation zone mainly composed of a large vortex, coming from the under-trailer. Particles' dynamics appears to be dominated by turbulence and strongly correlated with vortical structures, especially in the wake of the truck. Indeed, particles tend to concentrate preferentially on the periphery of the main vortex formed behind the truck, as well as in areas of low turbulent intensity. The movement of most inertial particles (diameter > 2.5~mu m) is dominated by gravity, while turbulence is mainly responsible for the movement and deposition of the finest particles (diameter < 2.5~mu m). The position and orientation of the exhaust pipe also have a significant influence on the extent of dispersion and the distribution of particles in the underbody and in the wake of the heavy truck. Indeed, when particles are emitted from the under-trailer, most of them are concentrated in the recirculation zone, less than 1.85H away from the trailer (H being the height of the trailer), and at human height. On the other hand, the particles emitted on the top of the truck are very rarely re-entrained in the recirculation zone, and are mostly concentrated above it, at a height equivalent to 2.6~m (0,9H) above ground level. The exposure of populations to the particles emitted by heavy goods vehicles could therefore be sharply limited when the exhausts are released from top of the truck

Les galaxies sont des phares dans l'Univers qui nous permettent de comprendre l'évolution de la répartition dans l'Univers de la matière sous toutes ses formes. L'étude de ces galaxies à différentes époques permet de comprendre comment elles s'organisent à grande échelle (supérieures à la distance inter-galaxies) mais aussi comment elles se forment, et forment leurs étoiles.À notre époque cosmologique, les galaxies dans les environnements les plus denses (amas, groupes) présentent des propriétés bien différentes des galaxies dans les environnements moins denses. Cette bimodalité entre 1) des galaxies elliptiques, massives, vieilles et formant peu d'étoiles dans les environnements denses d'une part, et 2) des galaxies spirales, plus jeunes et en phase de formation stellaire intenses dans les environnements moins denses d'autre part, traduit des mécanismes d'évolution et de formation différents.L'étude des galaxies dans les amas révèle des indices "fossiles" sur une époque de dernière phase significative de formation stellaire à un redshift z~2, et pointe vers un épisode de formation stellaire synchrone dans les galaxies de l'amas, et dans de colossales proportions (~500 Masses solaires par an, à mettre en regard avec les taux de formation stellaire moyens observés dans l'Univers local de l'ordre de ~1-10 Masses solaires par an). Mais cette phase manque toujours d'une conclusion observationnelle directe, même si de récentes observations vont dans ce sens.Une voie possible pour la recherche des ces objets est de chercher à détecter leur émission dans l'infrarouge lointain, qui trace directement la formation stellaire. C'est ce qui a été réalisé à l'aide du satellite Planck. Des données Planck/HFI, une équipe en collaboration avec la notre a extrait 2151 candidats amas en phase de formation stellaire intense. Un suivi sur 228 candidats a été réalisé avec le télescope spatial Herschel/SPIRE, et a révélé des surdensités de sources rouges, compatible avec une distribution en redshift autour de z~2, et des taux de formation stellaire de l'ordre de 700 masses solaires par an.Pour mieux contraindre le redshift de ces candidats, et étudier leur contenu en étoiles, un autre suivi sur 80 candidats a été réalisé à l'aide de l'instrument IRAC sur le télescope spatial Spitzer. Mon travail porte principalement sur le traitement et l'analyse de ces données.Les longueurs d'onde de l'instrument IRAC (3.6 et 4.5 microns) sont en effet parfaitement adaptées pour détecter un pic caractéristique d'émission des populations stellaires, permettant une estimation du redshift et de la masse stellaire.Mon travail a révélé des surdensités de sources IRAC rouges (z>1.3) aux positions des sources SPIRE rouges (z~2, SFR~700Msol.an), compatibles avec des amas ou proto-amas en formation stellaire intense. Des estimations de redshifts photométriques et de masse stellaire montrent que ces objets sont compatibles avec les progéniteurs des amas locaux.Ces candidats nécessitent cependant une confirmation, notamment à l'aide de l'obtention de redshifts spectroscopiques. Ce travail a déjà commencé, et deux candidat ont déjà été confirmés à des redshifts de 2.15 et 2.36 à l'aide du 30m/IRAM. Des données obtenues avec les interféromètres ALMA et NOEMA ont révélé que l'émission SPIRE était dans certains cas originaires de plusieurs galaxies.Ces premiers résultats sont encourageants, mais une étude à d'autres longueurs d'onde (proche infrarouge) est aussi nécessaire pour mieux contraindre le contenu en masse de nos objets, ainsi que leur histoire de formation stellaire. Les données sont en parties déjà disponibles, et leur analyse a déjà commencé
Galaxies are beacons in the Universe that allow us to understand the evolution of the distribution matter in all its forms. The study of galaxies at different epochs helps to understand how they organize at large scales (greater than inter-galaxies distance) but also how they formed, and formed their stars.At our cosmic epoch, galaxies that reside in the densest environments (clusters, groups) have very different properties compared to galaxies residing in less dense environments. This bimodality between 1) elliptical galaxies, massive, old and forming little stars in dense environments on the one hand, and 2) of spiral galaxies, younger and experimenting intense star formation in less dense environments indicates different evolutionary mechanisms and formation mechanisms.The study of galaxies in clusters reveals that they probably experimented intense star formation at redshifts z ~ 2, and points to a synchronous episode of star formation in the galaxies in the cluster, and of colossal proportions (~ 500 solar masses per year, to be compared with the average rate of star formation observed in the local Universe in the order of ~ 1-10 solar masses per year). But this phase still lack a direct observational conclusion, although recent observations in this direction.One possible way to search for these objects is to try to detect their emission in the far infrared, which traces directly star formation. This is what has been achieved with the Planck satellite. From Planck / HFI data, a team in collaboration with us extracted 2151 cluster candidates experimenting an intense star formation phase. A follow-up of 228 candidates was made with the space telescope Herschel / SPIRE, and revealed overdensities of red sources, compatible with a redshift distribution peaking around z ~ 2, and star formation rates of approximately 700 masses solar year.To better constrain the redshift of these candidates, study their contents in terms of stars, another follow-up on 80 candidates was conducted using the IRAC instrument on the Spitzer Space Telescope. My work focuses on the analysis and interpretation of such data.The wavelengths of the IRAC instrument (3.6 and 4.5 microns) are indeed tailored to detect a characteristic peak emission of stellar populations, to estimate the redshift and the stellar mass.My work revealed overdensities of red IRAC sources (z> 1.3) at the positions of the red SPIRE sources (z ~ 2 ~ 700Msol.an SFR), compatible with clusters or proto-clusters in an intense star formation phase. Estimates of photometric redshifts and stellar mass show that these objects are compatible with the progenitors of local clusters.These candidates, however, require confirmation, especially with obtaining spectroscopic redshifts. This work has already begun, and two candidates have already been confirmed at redshifts of 2.15 and 2.36 using the 30m / IRAM. Data obtained with the ALMA interferometer and NOEMA revealed that the SPIRE emission originates in some cases from several galaxies.These initial results are encouraging, but a study at other wavelengths (near infrared) is also needed to better constrain the content of our mass objects, and their star formation history. The data is already available on part of the smple, and analysis has begun

Ce travail s'est attaché à démontrer théoriquement et expérimentalement l'intérêt d'une analyse spectrale de l'émission ionique radiale, croisée à l'observation quantitative des structures plasma excitées, pour cerner plus clairement les phénomènes en jeu au cours de l'interaction d'un laser avec un plasma. Le réglage fin des paramètres laser et plasma ont permis une étude paramétrique détaillée de l'interaction sur une large gamme de densité plasma. Lorsque l'on fait varier la densité plasma pic de très sous-dense à quasi-surdense, les distributions ioniques passent de piquées à maxwelliennes, et présentent de fortes modulations quand la durée de l'impulsion laser est proche de la demi-période plasma, i.e. proche de la résonance du sillage laser. Dans ce cas, le mécanisme d'accélération est différent de celui de l'explosion Coulombienne par l'intervention des effets du champ de sillage laser et du champ de la gaine plasma au bord du canal creusé par le laser. Par ailleurs, pour une densité plasma pic donnée et plus élevée que celle de la résonance, lorsque la longueur du gradient plasma est augmentée, l'accélération ionique est supprimée au profit de structures électromagnétiques fondamentales (soliton/vortex) clairement identifiées optiquement pour la première fois. Grâce à un protocole expérimental innovant, l'étude optique des champs magnétiques au sein de ces structures est à présent rendue possible. Enfin, proche de la densité critique, l'autofocalisation efficace du laser conduit à un dépôt très localisé de l'énergie laser, donnant naissance à une expansion électronique ultra-rapide (moins d'une picoseconde) et à la naissance d'un dipôle magnétique intense qui participe au chauffage des électrons. Pour ces études, des techniques et diagnostics ont été développés et testés simultanément avec succès. Il s'agit, d'une part, de jets de gaz submillimétriques à haute densité permettant une exploration localisée, stable et reproductible sur une large gamme de densités et de profils plasma, et d'autre part, d'interféromètre et polarimètre à hautes résolutions spatiales et temporelles afin d'observer la propagation laser et l'évolution des densités et champs au sein du plasma.

Les vibrations induites par vortex (VIV) d'un solide immergé interagissant fortement avec son sillage sont des oscillations auto-entretenues. Les VIV peuvent atteindre des amplitudes significatives lorsque la fréquence du détachement tourbillonnaire est proche d'une des fréquences propres de la dynamique du solide, et constituent donc un mécanisme d'interactions fluide/structure intéressant pour extraire de l'énergie d'un écoulement. Les VIV de structures flexibles sont par conséquent analysées dans cette thèse à la fois numériquement, grâce au concept d'oscillateur de sillage, et expérimentalement. Nous démontrons ainsi qu'il est possible d'extraire efficacement de l'énergie d'un écoulement grâce aux VIV d'un câble. Nous prouvons également que la flexibilité de la structure lui permet d'adapter sa dynamique aux sollicitations fluctuantes du sillage pour extraire efficacement de l'énergie de l'écoulement, grâce à (i) l'excitation de ses différents modes de vibrations, dans le cas d'un câble tendu équipé de récupérateurs d'énergie périodiquement distribués, chapitre 2, ou (ii) l'apparition d'ondes progressives de VIV transportant l'énergie lorsque l'on considère un câble suspendu par un unique récupérateur d'énergie, chapitre 3.

L'écoulement turbulent autour d'un cylindre circulaire à grand nombre de Reynolds est analysé expérimentalement en utilisant les techniques PIV, PIV Stéréoscopique et PIV haute cadence. Les nombres de Reynolds étudiés correspondent à l'entrée de l'écoulement dans le régime critique, marqué par la diminution de la traînée, et où le point de transition rejoint le point de décollement et la couche limite devient turbulente. Le cylindre est placé en milieu confiné afin de permettre des comparaisons avec des simulations numériques effectuées sur un domaine réaliste. Une base de données permettant la validation et l'amélioration des modèles de turbulence pour les approches statistiques avancées est ainsi fournie. Une attention particulière est portée à la décomposition du mouvement en une composante organisée et une composante aléatoire. Pour ceci, la décomposition en moyenne de phase, puis la décomposition en modes propres orthogonaux (POD), sont appliquées et comparées. L'utilisation de la POD permet également une amélioration de l'évaluation des moyennes de phase. Les contributions des mouvements organisé et chaotique au tenseur des contraintes turbulentes, ainsi que les transferts d'énergie entre ces différentes composantes du mouvement sont ensuite analysés.

Les compresseurs haute pression multi-étages sont parmi les composants les plus critiques du turboréacteur. De par la succession des parties fixes et mobiles, les machines transsoniques multi-étages induisent des phénomènes locaux fortement instationnaires, qui affectent leur performances. Or, les mécanismes de base concernant la génération, le développement et la dissipation de ces phénomènes instationnaires sont encore très mal compris et Souvent négligés dans les procédures conventionnelles de conception et de dessin. Par ailleurs, les codes de calculs tridimensionnels, instationnaires, visqueux, en configurations multi-étages, ne sont pas encore opérationnels. Dans ce contexte, il se fait sentir un besoin de données expérimentales fines, détaillées, et autant qu'il se peut instationnaires. Une analyse du champ aérodynamique à l'amont de la roue mobile du compresseur axial transsonique ECL4, conçu et réalisé par SnECMA, a été menée à partir de résultats instationnaires périodiques obtenus par vélocimétrie laser L2F-2D. Notre étude s'inscrit dans les travaux menés au laboratoire pour étendre l'applicabilité de l'anémométrie L2F aux machines haute vitesse. Elle a en particulier porté sur l'amélioration des accès optiques au compresseur. Afin de garantir un large champ d'exploration, sans introduire de discontinuité géométrique dans la veine, l'utilisation de verres courbes est requise. Une étude des distorsions optiques du faisceau laser au passage de hublots courbes a donné lieu à une méthode de correction optique originale employant un verre correcteur, restituant une qualité du volume de mesure équivalente, si ce n'est meilleure, à celle induite par des verres plans. Les résultats de l'expérience confrontés à ceux d'une méthode analytique développée à partir d'un couplage proposé par Starken, et d'une simulation numérique PROUST se sont montrés très cohérents. Ils ont permis, en outre, d'illustrer tout l'intérêt d'utiliser des méthodes analytiques simples pour définir la résolution spatiale tant du point de vue numérique (constitution du maillage) que du point de vue expérimental (localisation des points de mesures). De plus, les résultats acquis ont montré la capacité d'obtenir des informations précises sur la structure fine de l'écoulement, telles les variations de l'amplitude du sillage RDE résultant des interactions successives avec les ondes de détente et de choc défilant avec la roue mobile. Ce phénomène est par ailleurs confirmé à travers une étude de l'évolution de la vorticité associé à ce sillage. Par ailleurs, il a été possible de quantifier les corrélations des fluctuations purement instationnaires intervenant dans la décomposition d'Adamczyk. Déjà en amont de la roue mobile, elles sont du même ordre de grandeur que les fluctuations spatiales dues au choc oblique, alors qu'elles sont actuellement négligées dans les modèles de fermeture des équations du canal moyenne. On peut donc s'attendre à ce que ces corrélations soient encore plus importantes à l'intérieur de la roue mobile, où sont présentes de multiples sources d'instationnarité (choc fort, interactions visqueuses. . . )
A flow field analysis upstream of the rotor of the ECL4 transonic axial compressor, designed and built by SNECMA, has been made from the unsteady periodic results obtained with the L2F-2D anemometry technique. One objective of this work is to improve the applicability of L2f anemometry to high speed turbomachinery. Particular care has been paid to the improvement of the optical access. Curved glasses,which conform to the shroud contour, have been used in order to avoid any mismatch between the windows and the casing and to prevent any impact on the flow field. The resulting optical distortions of the control volume, which could hinder the acquisition of any data, have been corrected using an original and inexpensive optical assembly. The time dependant results are analyzed in the IGV-rotor inter-row. The aim of this analysis is, one the one hand, to improve our understanding of the unsteady flow phenomena. A study of the interaction between the IGV wakes and the shock waves emanating from the leading adge of the rotor blades proves the increase in magnetude of the wake passing through the moving shock. This result is highlighted by the streamwise evolution of the wake vorticiry. On the other hand the purely time-dependant velocity fluctuations which occur in the time averaging procedure, developed by Adamczyk, are quantified. It may be concluded that they are of the same order of magnitude as the spatial terms for the inlet rotor flow field. This shows that the temporal fluctuations should be considered for the 3D rotor time-averaged simulations

Ce memoire est consacre a la presentation de l'etude experimentale d'une zone de combustion turbulente stabilisee dans le sillage d'un obstacle place dans un ecoulement de canal turbulent pleinement developpe alimente par un premelange de propane et d'air. On etudie la sensibilite des caracteristiques des ecoulements inertes et reactifs a une modification du debit d'alimentation du canal, de la forme et de la section de l'obstacle et du taux de blocage defini comme etant le rapport entre la hauteur de l'obstacle et la hauteur du canal. La comparaison des caracteristiques de ces deux types d'ecoulement presentant les memes conditions de debit et de geometrie d'obstacle montre que, malgre la similarite apparente de la nature de la structure associee au champ de vitesses moyennes qui se manifeste notamment par la presence d'une zone de recirculation suivie par une zone de sillage, le contenu energetique des spectres temporels des signaux de vitesses est profondement modifie lorsque l'on passe de l'ecoulement inerte a l'ecoulement reactif. Dans le cas inerte, les spectres de vitesses presentent, en particulier au voisinage de l'axe de symetrie du canal et pour la composante transverse de la vitesse, une frequence marquee qui est associee a la presence d'un echappement tourbillonnaire. Dans le cas reactif, on observe une disparition complete de cette frequence marquee sur la composante transverse de la vitesse avec, dans certains cas, apparition d'une frequence marquee sur la composante longitudinale et sur le spectre du signal de temperature. Cette modification des caracteristiques spectrales du signal de vitesse s'accompagne d'une forte diminution des fluctuations de vitesse transverse et d'un maintien du niveau des fluctuations de vitesse longitudinale. Ces resultats montrent que, si des structures ordonnees existent encore au sein de l'ecoulement reactif, leur contenu energetique est, au maximum, de l'ordre de grandeur de celui associe a la turbulence

La thèse porte sur l'étude numérique de la stabilité d'écoulements de sillages périodiques en temps générés par des ailes battantes. Elle vise à expliquer trois phénomènes observés expérimentalement et simulés numériquement : (i) la déviation du sillage propulsif d'une aile battante en incidence nulle, (ii) les écoulements quasi-périodiques autour d'ailes battantes en incidence non nulle, et (iii) l'auto-propulsion d'ailes battantes symétriques dans des fluides au repos. Tous ces phénomènes sont reliés à l'existence d'instabilités de l'écoulement fluide autour de l'aile. Plusieurs méthodes originales ont été développées pour calculer les champs de base périodiques instables qui satisfont les symétries spatio-temporelles imposées par la cinématique des ailes. La stabilité de ces écoulements de sillages périodiques a ensuite été étudiée au moyen d'une analyse de Floquet. En plus de ces analyses linéaires, la connaissance des champs de base périodiques permet l'étude de la saturation non linéaire des instabilités rencontrées. Dans chaque cas, ces résultats permettent de discuter les effets observés sur les performances aérodynamiques des ailes battantes
The thesis investigates numerically the stability of time-periodic wake flows generated by flapping wings and aims at explaining three phenomena that have been observed experimentally or simulated numerically : (i) the deviation of propulsive wakes behind a flapping wing with zero mean angle, (ii) the quasi-periodic flows around flapping wings with non zero mean angle, and (iii) the self-propulsion of heaving symmetric wings in a quiescent fluid. All these phenomena are related to the existence of instabilities of timeperiodic base flows. Original methods are developed to compute unstable time-periodic flows that satisfy the spatio-temporal symmetries imposed by the wings kinematics. The stability analysis of these time-periodic base flows are then determined by computing the Floquet multiplier and corresponding modes. In addition to the linear stability analysis, the knowledge of time-periodic base flows allows to investigate the non-linear saturation of these perturbations. In each case, the influence of the instabilities developing in the wake-flows on the flapping wing performances are discussed

Cette thèse consiste en l'étude de stabilité globale linéaire et faiblement nonlinéaire de l'écoulement incompressible autour d'obstacles axisymétriques tels que des cylindres et des bulles ellipsoïdales. Les objets sont considérés fixes dans un écoulement incident, ou mobiles sous l'effet de la gravité dans un fluide newtonien autrement au repos. La configuration "fixe" est étudiée par une analyse modale de façon paramétrique, en fonction du rapport de forme des corps et du nombre de Reynolds. La dynamique du sillage est dominée par les instabilités |m|=1 suivies des modes |m|=2. Les équations d'amplitude traduisant l'interaction des modes globaux sont obtenues pour les trois premières transitions dans la route vers le chaos. Une comparaison avec la DNS donne qualitativement un bon accord. En outre, le cœur de l'instabilité (ou générateur d'ondes) et les zones critiques de sensitivité à une modification extérieure (tensioactifs, etc. ) de l'écoulement autour d'une bulle fixe de forme figée sont identifiées par une approche adjointe. En configuration "mobile", l'analyse de stabilité est mise en œuvre sur le système couplé fluide+objet mobile, et montre une dynamique non-triviale incluant des sauts de fréquence et des points de condimentions multiple. En particulier, on montre qu'une grande variété de trajectoires résulte directement de modes globaux de ce système couplé plutôt que de la dynamique du sillage considéré seul. Une approche quasi-statique dans la limite des grandes masses permet d'établir le lien avec la configuration "fixe". Enfin, on montre que le régime zigzag des disques et des bulles peut être correctement modélisé par une analyse de stabilité faiblement non-linéaire, laquelle révèle en particulier l'importance du champ moyen sur la fréquence
We study the linear and weakly nonlinear global stability of the flow past axisymmetric ostacles such as cylinders and oblate spheroidal bubbles. These bodies are either considered held fixed or mobile under the effect of gravity in a Newtonian fluid otherwise at rest. A modal analysis is used to study the ``fixed" configuration in a parametric manner, varying the body aspect ratio and the Reynolds number. The wake instability is dominated by the helical modes |m|=1, followed up by the |m|=2 modes. The amplitude equations expressing the global modes interactions are derived and validated for thin disks up to the third bifurcation in the transition to chaos. A comparison with DNS shows qualitatively a good agreement. The instability core (wavemaker) and the critical regions most sensitive to an external modification (surfactants, etc) of the flow past a fixed bubble of frozen shape are identified through an adjoint approach. In the ``mobile" configuration, the stability analysis deals with the coupled system modes of the fluid+mobile object and shows non-trivial features of the stability branches among which frequency jumps and codimension-two bifurcation points. We show in particular that many trajectories directly result from the unstable global modes of the coupled system, rather than from the dynamics of the sole wake. A quasi-static approach in the high mass limit is used to establish the the connection with the "fixed" configuration. Last, the zigzag regime of disks and bubbles is proved to be satisfactorily modeled by a weakly nonlinear analysis, which particularly reveals the importance of the mean flow on the frequency

L'ecoulement d'un fluide newtonien sur une plaque plane et dans un canal est etudie au voisinage d'un accident arbitraire place sur les parois. La modelisation mathematique est basee sur un processus asymptotique formel permettant l'analyse de l'ecoulement en toute generalite. Cette analyse fait appel a la methode des developpements asymptotiques raccordes dans sa conception mathematique. On montre ainsi qu'il existe pour la couche limite non confinee, deux accidents caracteristiques, l'un correspondant a la theorie de triple couche de stewartson, l'autre annulant le deplacement. On a donc une approche systematique justifiant completement l'analyse de triple couche. Pour un canal, la situation est differente mais peut etre traitee de facon analogue. En particulier, on constate que le terme lie au deplacement de la couche limite est nul lorsqu'il s'agit d'un canal symetrique. Pour mettre en evidence ces differents aspects, on applique cette analyse au probleme du bord de fuite a la sortie symetrique d'un canal, et l'on compare les resultats obtenus avec les resultats de la litterature pour des problemes analogues. Enfin, une derniere reflexion sur la remontee de l'information est evoquee, etroitement liee au terme de deplacement. Cette remarque prend toute son importance dans la resolution numerique avec les methodes de couplage

Ce travail est consacré à la détermination du rôle du sillage sur les instabilités de trajectoires des bulles isolées en ascension dans un liquide au repos. Pour la première fois, une étude du sillage d'une bulle fixe et de forme imposée dans un écoulement uniforme est réalisée par résolution directe tridimensionnelle et instationnaire des équations de Navier-Stokes. La forme de la bulle est ellipsoi͏̈dale avec un rapport de forme compris entre 2 et 2,5, et le nombre de Reynolds considéré s'élève jusqu'à 3000. Les différentes étapes de l'évolution du sillage sont décrites et comparées avec le cas plus classique du sillage d'une sphère solide. Les deux cas d'écoulement présentent des instabilités et des topologies de sillage similaires, bien que le mode de génération de la vorticité à la surface du corps soit différent. Afin d'établir le lien entre ces instabilités de sillage et les instabilités de trajectoire des bulles millimétriques, un outil numérique couplant les équations du mouvement d'un corps rigide libre de se déplacer est développé. Cette modélisation, appliquée à une bulle de forme ellipsoi͏̈dale imposée afin de séparer les effets de sillage des effets de la déformation de la bulle, permet de retrouver les trajectoires en zigzag et en hélice observées expérimentalement. Une description fine des structures tourbillonaires qui se développent dans le sillage et une étude de l'évolution des efforts hydrodynamique subis par la bulle montrent finalement comment le système couplé aboutit à ces trajectoires.

Recent development in numerical methods together with the increase of computational power available have allowed the simulations of more and more complex flows. However interfacial flows remain a difficult task, especially when breaking, interface fragmentation or reconnection occurs. Smoothed Particle Hydrodynamics, being meshless and Lagrangian, allows to solve simply and elegantly such problems. A SPH based numerical method has been precedently developped in the Fluid Mechanics Laboratory, but its application to wave propagation problem shows weaknesses compared to other numerical methods. In this PhD the initial solver has been improved in order to solve correctly the wave propagation problem. A particular care was taken concerning the theoretical aspects of the method. In particular the introduction of an exact Riemann solver has noticeably increased the numerical stability. This tool allows to adjust automatically the stabilisation required. The use of renormalization together with a weak formulation of the problem help to solve the characteristic lack of consistancy of the SPH method. Extension to free surface flows has been proposed. The use of smoothing length tensor in place of the classical unidimensional smoothing length allows simulations with spatially variable mesh size. Comparaison of obtained results with both experimental results and theoretical results in a variety of test cases such as dam breaking, Riemann problem, deformation of a patch of fluid, wave propagation, shows good agreement, confirming the contribution of the new improvments. Moreover, a new hybrid scheme is presented for specific problems with wave propagation. This new hybrid method relies on the combination of spectral methods and the SPH solver. The wave propagation problem is first solved accuratly with a spectral method. Then the incident wave train is introduced in a consistant way into the SPH solver. First results seem to be encouraging, showing a significantly decrease in cpu time. Thanks to code organization, three dimensional viscous simulations are possible with minimum adaptation.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vibrations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phénomène, appelé vibrations induites par vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes. Une méthode de frontières immergées (IBM) a été intégrée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écoulements fluides incompressibles. La méthode IBM permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans une boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités singulières). La méthode a été étendu au formalisme d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée permettant de modéliser la couche limite à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé
This thesis is related to the simulation and the control of the vortex induced vibrations phenomenon (VIV), which can result from the fluid structure interactions between an unsteady wake and the body, when the shedding frequency in the wake is close to the natural frequency of the body. The control of VIV is a critical issue when optimizing many systems. An Immersed Boundaries Method (IBM) was implemented into the PISO algorithm as a new library of OpenFOAM, in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies.To compute the divergence of the momentum equation and the interpolation of the fluxes, an hybrid calculation with an analytical resolution of the quantities involving the force term (singular quantities) has been proposed. The mesh convergence of several errors was shown by means of a manufactured solution, allowing to analyze both the errors irelated to the discretization and to the IBM. The new algorithm was subsequently extended to the RANS and DDES formalism proposed in OpenFOAM for the simulation of turbulent flows. A wall law was integrated into theIBM method to model the boundary layers that develop around the bodies at large Reynolds numbers. Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving solid bodies (cylinderand sphere) have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers. With the objective of developing optimal control laws for VIV, based on the linear instability mechanisms of the coupled system within the framework of the control theory, a new adjoint solver was also developed and validated in OpenFOAM

La nageoire caudale des animaux aquatiques peut être modélisée par un foil oscillant qui produit de la poussée. Le sillage moyen d'un tel foil oscillant est un jet de quantité de mouvement nette positive. Il a été proposé que les caractéristiques de stabilité de ces sillages moyens sont liées à l'efficacité de la propulsion des animaux aquatiques. Dans cet étude, nous reprenons cette question en tenant compte à la fois de la poussée et de la traînée exercée sur un corps auto-propulsé lorsqu'il nage. Nous étudions la stabilité d'une famille de sillages ayant une quantité de mouvement nulle, construit comme l'approximation d'Oseen d'un doublet de force se déplaçant à vitesse constante. En effectuant une analyse de stabilité locale, nous montrons d'abord que ces sillages subissent une transition convectif-absolu. En utilisant une approche "time-stepper" et intégrant le système de Navier-Stokes linéarisé, nous étudions la stabilité globale et mettons en évidence des effets non-parallèles de l'écoulement principal, ainsi que le rôle de la région absolument instable dans l'écoulement. Pour compléter le scénario d'instabilité globale, nous abordons l'évolution non linéaire d'une perturbation injectée dans le sillage. Ces résultats sont ensuite discutés dans le contexte de la nage d'un animal aquatique. Selon les résultats de stabilité, les sillages de quantité de mouvement nulle produit par les animaux aquatiques sont généralement stables, tandis que le sillage qui correspondrait à la poussée seule est instable. Il est essentiel de considérer toutes les forces exercées sur un animal auto-propulsé lors de l'examen de la stabilité de son sillage et l'efficacité de sa propulsion
The caudal fin of swimming animals can be modelled as a thrust-producing flapping foil. When considered alone, such a foil produces on average a jet wake with a positive net momentum. It has been argued that the instability characteristics of these averaged wakes are linked to the propulsion efficiency of swimming animals. Here, we reconsider this question by taking into account both the thrust and the drag exerted on a self-propelled swimming body. To do so, we study the stability of a family of momentumless wakes, constructed as the Oseen approximation of a force doublet moving at constant velocity. By performing a local stability analysis, we first show that these wakes undergo a transition from absolute to convective instability. Then, using the time-stepper approach by integrating the linearised Navier-Stokes system, we investigate the global stability and reveal the influence of a non-parallel base flow as well as the role of the locally absolutely unstable upstream region in the wake. Finally, to complete the global scenario, we address the nonlinear evolution of the wake disturbance. These results are then discussed in the context of aquatic locomotion. According to the present stability results, the momentumless wake of aquatic animals is generally stable, whereas the corresponding thrust part is unstable. It is therefore essential to consider all forces exerted on a self-propelled animal when discussing its wake stability and its propulsion efficiency

Etude theorique et experimentale. Mesures locales des fluctuations de vitesse avec des sondes a film chaud et du champ magnetique induit avec des magnetodiodes. Analyse du sillage aval en detectant la perturbation magnetique associee a l'allee de von karman

When a flexible body with bluff cross-section is immersed in a flow, the unsteady fluid forces accompanying the vortex-shedding phenomenon may lead to structural vibrations. These vortexinduced vibrations (VIV) occur through a mechanism of synchronization between flow unsteadiness and body displacement, referred to as lock-in. VIV are detrimental to many industrial systems, but may also be used as mechanical energy converter in the context of flow energy harvesting. In the present work, the VIV of a rigid circular cylinder mounted on a elastic support are investigated in various configurations on the basis of direct numerical simulations. Four aspects are studied. (i) The interaction mechanisms are first examined in the early turbulent regime, where VIV have been rarely studied numerically. The Reynolds number, based on the cylinder diameter and oncoming flow velocity, is set to 3900. A combined analysis of the structural responses and fluid forcing in the case where the cylinder is free to oscillate in the in-line and cross-flow directions, i.e. the directions parallel and perpendicular to the oncoming flow, is performed over a range of the reduced velocity (inverse of the oscillator natural frequency). (ii) The system behavior when the body is free to oscillate in a single direction only is also explored, shedding some light on the possible interactions between in-line and cross-flow motions in the two-degree-of-freedom (2-dof) case; the analysis shows for instance how large-amplitude in-line oscillations may be induced by cross-flow motion. (iii) The three-dimensional wake developing downstream of the oscillating body is analyzed in the 2-dof case as well as in the fixed body case. The spanwise flow patterns, which are analyzed quantitatively in terms of wavelength and amplitude of vorticity fluctuations, are differently altered in the shear-layer and wake regions, when the body oscillates. (iv) The last physical configuration involves a cylinder immersed in a flow linearly sheared in the cross-flow direction. The impact of the symmetry breaking induced by the shear, on the flow-structure system behavior, is explored. Different interaction regimes are uncovered in the shear rate - reduced velocity domain. Some of them are associated with a profound reconfiguration of the wake and a major alteration of the fluid forces.

Dans l'analyse du comportement dynamique d'un câble, les études qui traitent de l'analyse des forces hydrodynamiques locales en corrélation avec celle des vitesses sont peu courantes. C'est pourquoi, nous présentons ici une approche expérimentale de l'influence d'un écoulement incident uniforme sur une structure curviligne de forte courbure, de diamètre d=0,022 m, à défaut d'avoir pu entreprendre une analyse similaire au voisinage d'un modèle réduit de câble. Les caractéristiques de l'écoulement amont de vitesse moyenne U sont données pour un nombre de Reynolds compris entre 2000 et 8000. Dans une première étape, nous traitons de l'analyse locale d'un tronçon rectiligne du modèle étudié ; ce tronçon est place perpendiculairement à l'écoulement incident uniforme, loin de toute paroi ou surface libre. Dans une deuxième étape nous abordons l'analyse de l'écoulement au voisinage du modèle, puis celle des efforts locaux induits exercés sur des éléments instrumentés de la structure. D'une part, nous montrons que les variations du coefficient CN de trainée normale, en comparaison avec les valeurs usuelles CNO relatives aux cylindres rectilignes fixes, dépendent des oscillations de l'élément sensible considéré, et de l'angle que fait cet élément avec la direction principale de l'écoulement incident. D'autre part, nous montrons toute l'importance d'un paramètre de sillage W#R* qu'il y a à prendre en compte dans les calculs des coefficients hydrodynamiques (CN et le nombre de Strouhal ST), ceci en vue d'une meilleure compréhension des interactions hydrodynamiques possibles entre le sillage et le modèle étudié

Les haubans de pont peuvent vibrer sous l'effet conjoint du vent et de la pluie (Rain-Wind-Induced Vibrations, RWIV). On observe toujours deux filets d'eau ruisselant le long du hauban sujet aux RWIV. De plus, une expérience récente (Alam et Zhou 2005), réalisée sur un cylindre fixe, montre que le sillage d'air est considérablement perturbé par la présence des filets. Nous présentons un modèle de film mince entourant un cylindre soumis au vent qui permet de prévoir l'apparition de filets, leur position et leur forme. Nous montrons en outre que l'existence des filets n'est possible que dans un intervalle de nombre de Weber, qui compare effet du vent et tension de surface. Un modèle d'interaction entre les filets et l'écoulement d'air environnant est ensuite exposé. Pour un intervalle de nombre de Weber, le détachement tourbillonnaire dévie de la loi de Strouhal et la portance fluctuante s'exerçant sur le cylindre est amplifiée, ce qui est en accord avec les expériences d'Alam. Pour les conditions de vent et de pluie qui président à l'apparition des RWIV, l'intervalle d'existence des filets et l'intervalle d'amplification de portance se recouvrent. Est-ce à dire que les RWIV peuvent être expliquées par un accrochage filets-sillage ?

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse en co-tutelle concerne deux domaines d’étude de l'interaction fluide-structure. Le premier relevant du Génie Minier traite de l'interaction entre une grille mobile au sein d'un sluice et de l'écoulement confiné associé. Le second relevant de l'Hydrodynamique fondamentale porte sur l'interaction d'un cylindre monté sur appuis souples et un écoulement à surface libre en présence de fond. Notre travail contribue à l’étude des écoulements confinés à surface libre par une approche expérimentale. Nous avons couplé des techniques de visualisation par caméra CCD, de mesures de champs de vitesse par PIV et d'efforts hydrodynamiques pour qualifier la dynamique des objets en mouvement dans l'écoulement. Les méthodes et dispositifs expérimentaux sont alors appliqués à l'étude de l'écoulement autour de deux maquettes simplifiées d'un JIG à grille mobile puis à celui du cylindre vibrant sous l'effet de l'écoulement. L’acquisition par PIV suivi des traitements statistique multi-variables par POD nous a permis d'étudier l'évolution des zones de recirculation dans le compartiment ainsi que le champ de vitesse instationnaire. L’étude expérimentale a été complétée par une simulation numérique par ANSYS14.5 pour la maquette de JIG et par un modèle numérique d’oscillation du sillage pour le cylindre. Ces travaux nous ont permis de mettre en évidence une technique simple pour mettre en mouvement, dans un sluice, un filet attaché à un cylindre et d'étudier les effets du confinement sur un cylindre vibrant en présence de surface libre
The work realized under this co-supervised thesis concerns two study areas of fluid-structure interaction. The first concerned the Mineral Engineering and deals with the interaction between a moving grate in a sluice and the confined flow associated. The second concerns the fundamental Hydrodynamics and deals with the interaction of a cylinder mounted on flexible supports and a free surface flow in presence of plane wall. Our work contributes to the study a confined free surface flow by experimental approach. We coupled techniques of CCD camera visualization, velocity fields measurements by PIV and hydrodynamic forces to qualify the dynamics of structure motion in the flow. Experimental methods and devices are applied to the study the flow around two simplified models of a moving JIG grate and then to study a vibrating cylinder due to flow. Treatments of PIV data acquisitions by multivariable statistical POD enabled us to describe evolution of recirculation zones in the compartment and unsteady velocity field. Experimental study was completed by a numerical simulation of Jig model by using ANSYS14.5 and a numerical wake oscillator model for the case of the cylinder. This work highlighted a simple technique to give motion, in a sluice, a attached net to a cylinder and to study effects of free surface flow confinement on a vibrating cylinder

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la sécurisation de l'appontage des hélicoptères sur les frégates. Il s'agit ici d'analyser le sillage aérodynamique d'une frégate générique modélisée par une double marche descendante dans le but de mieux comprendre ce type d'écoulement tridimensionnel instationnaire. Les champs de vitesse moyen et fluctuant ont été analysés essentiellement par voie expérimentale (PIV, fil chaud, visualisation pariétale. . . ) et ont permis de valider la présence de structures tridimensionnelles mises en évidence grâce à une simulation numérique. Les résultats montrent en particulier la présence d'une asymétrie de l'écoulement moyen. Une étude fine autour de l'angle de dérapage nul a permis de confirmer le caractère bistable de l'écoulement autour de cette géométrie. Cette bi-stabilité a été observée dans différentes installations et pour un large éventail de conditions géométriques amont de la maquette. La compréhension de ce phénomène est déterminante avant toute tentative visant à mettre en oeuvre le contrôle de ce type d'écoulement complexe.

La récupération d'énergie est un procédé très fréquent qui peut être observé sous de nombreuses formes dans la nature. Des espèces de poissons ou d'oiseaux sont par exemple connues pour exploiter leurs environnements afin d'accomplir une propulsion à moindre effort. L'objectif de ces travaux est de concevoir un concept d'hydro-éolienne oscillante basé sur des dynamiques similaires. La notion d'interaction fluide-structure est présentée pour expliquer le moyen d'alimentation utilisé dans le transfert énergétique de ce concept. Un mécanisme d'aile oscillante est spécialement modélisé théoriquement et numériquement pour analyser la dynamique de l'hydro-éolienne. L'asymétrie des oscillations, propre aux couplages multi-physiques, est particulièrement considérée pour maximiser le rendement du récupérateur d'énergie oscillant. On remarque que l'intégration de cette caractéristique des oscillations est présente dans la théorie de Couchet qui complète le modèle instationnaire de Theodorsen pour estimer les efforts aérodynamiques d'un profil d'aile oscillant non-symétriquement par rapport au sens de l'écoulement. L'analyse énergétique de l'oscillateur révèle de tellement bons rendements que la proximité avec la limite de Betz provoque un doute sur la définition de l'efficacité pour quantifier le transfert énergétique. En effet, l'optimisation d'un récupérateur d'énergie hydro-aéro-élastique est réalisée soit en maximisant la puissance dissipée par l'oscillateur soit au diminuant artificiellement la puissance disponible dans le fluide en adaptant la section de balayage de l'aile. Une autre définition de l'efficacité énergétique est développée sur la base de la théorie de Couchet pour lever cette incertitude. L'analyse de cet indicateur met en valeur l'importance du rôle du sillage du déplacement asymétrique de l'aile dans la récupération d'énergie
Energy harvesting is a common process presents in so many ways in nature. Fishes and birds use for example their surroundings in order to produce propulsion without any effort. The focus of this thesis is to design a hydro-aéro-elastic harvester based on these dynamics. The fluid-structure interaction is introduced to explain the energy supply of the concept. An oscillating-wing-mechanism is theoretically and numerically developed in the aim to investigate the behavior of the marine-wind turbine. The energetic efficiency is then maximized by the asymmetric oscillations relative to the fluid-structure coupling. Note that the non-symmetric characteristic of the oscillation is included in the theory of Couchet which completes the unsteady aerodynamic theory of Theodorsen. Unusual high performances of the oscillating harvester suggest some apprehensions reading the efficiency’s definition. Indeed, the hydro-aéro-elastic harvester optimization can be achieved ether by increasing the power output or by decreasing the power available in the fluid artificially modified by the sweep section of the foil. These uncertainties are resolved by considering another definition of the energetic efficiency which is developed according to the theory of Couchet. The performance analysis of the new factor presents the contribution of the wake induced by the asymmetric oscillation of the foil on the energy harvesting quantities