Dans cette thèse l'étude expérimentale présentée concerne la réduction du frottement et de la turbulence dans une couche limite. Cette réduction est produite par des oscillations transversales périodiques appliquées au niveau de la paroi sur laquelle se développe une couche limite turbulente. Les simulations numériques directes de Jung et al. (1992) de l'écoulement de canal soumis à des oscillations périodiques, dans la direction transversale, sont à l'origine de cette étude. Elles montrent en effet, une réduction de l'activité turbulente et du frottement qui peut atteindre jusqu'à 40%. Ces réductions ont été également observées dans d'autres études de simulations numériques directes d'une couche limite tridimensionnelle sous l'action d'un gradient de pression transversal constant appliqué a l'écoulement. Les processus qui sont à la base de ces réductions ont été attribués à une modification fondamentale de la structure de l'écoulement très près de la paroi et notamment à une modification de l'interaction qui existe entre les "streaks" et les tourbillons longitudinaux. Les résultats obtenus dans cette étude confirment ces mécanismes et montrent de bon accord avec les simulations de Jung et al. (1992). Les principaux résultats sont les suivants : L'analyse de la tension de Reynolds uv dans les quatre quadrants montre une augmentation de l'intensité des fluctuations de vitesses longitudinales positives, liée à un changement du mécanisme de production de la turbulence près de la paroi. Les corrélations spatio-temporelles de la fluctuation de vitesse longitudinale ainsi que les mesures de vorticite montrent des changements importants aux niveaux des structures "typiques" de la couche limite. On observe notamment une augmentation de l'espacement transversal moyen entre les "streaks", une diminution de la période moyenne des éjections ainsi qu'une réorientation des structures dans la direction transversale. Les bilans effectués à partir de l'équation de transport de l'énergie cinétique montrent, dans la zone ou le cisaillement transversal est important, une réduction du terme de diffusion visqueuse de l'énergie qui tend à atténuer la diminution de l'énergie cinétique turbulente.

etude d'une couche limite bidimensionnelle se developpant sur un cylindre dont l'axe est parallele a la direction de la vitesse exterieure. a une position ou l'ecoulement est pleinement developpe une partie du cylindre est mise en rotation, creant ainsi des effets tridimensionnels qui peuvent etre importants. mesures de pression et de vitesse moyenne dans la sous-couche a proximite de la paroi. determination des coefficients de frottement et mesures de turbulence. analyse numerique a l'aide d'un schema de longueur de melange modifie

CETTE ETUDE A PERMIS D'IDENTIFIER LES MOUVEMENTS ORGANISES DANS UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE SUR PAROI LISSE OU RUGUEUSE. DEUX TECHNIQUES DE MESURES SONT UTILISEES : L'ANEMOMETRIE A FIL CHAUD ET LA P.I.V. DANS UN PREMIER TEMPS, L'ARSENAL CLASSIQUE UTILISANT L'ANALYSE CONVENTIONNELLE A ETE MIS EN UVRE (MOMENTS D'ORDRE ELEVES, ANALYSE SPECTRALE, CORRELATIONS SPATIO-TEMPORELLES...). DANS UN DEUXIEME TEMPS, UNE APPROCHE FONDEE SUR LES METHODES CONDITIONNELLES A PERMIS EN PARTICULIER D'EXTRAIRE LA PARTIE COHERENTE DU SIGNAL ANEMOMETRIQUE ET D'EN ANALYSER L'INTENSITE, L'ECHELLE ET LA FREQUENCE. LES INFORMATIONS FOURNIES PAR CHACUNE DE CES TECHNIQUES SE REVELENT COMPLEMENTAIRES ET OFFRENT UNE VISION GLOBALE DES PHENOMENES. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT L'INFLUENCE DES RUGOSITES DE TYPE K SUR LES STRUCTURES DE LA TURBULENCE. CETTE INFLUENCE S'EXERCE NON SEULEMENT DANS LA REGION DE PROCHE PAROI, MAIS EGALEMENT DANS LES REGIONS EXTERNES. PLUSIEURS METHODES ONT PERMIS DE MONTRER QUE LA RUGOSITE DE TYPE K AUGMENTE LE DEGRE D'ISOTROPIE. L'ANALYSE DES TERMES DU BILAN D'ENERGIE CINETIQUE TURBULENTE MONTRE QUE TOUT MODELE DE TURBULENCE DOIT TENIR COMPTE DE LA GEOMETRIE DE LA SURFACE AFIN DE PREDIRE CORRECTEMENT LES CARACTERISTIQUES DE TRANSPORT DE L'ECOULEMENT. CETTE ETUDE MONTRE EN PARTICULIER QUE CE TYPE DE RUGOSITE SE CARACTERISE PAR UNE PREDOMINANCE DE BALAYAGES CONTRAIREMENT A LA PAROI LISSE OU LES MOUVEMENTS COHERENTS SONT ESSENTIELLEMENT DE TYPE EJECTIONS.

UNE COUCHE LIMITE BIDIMENSIONNELLE SE DEVELOPPE SUR UN CYLINDRE FIXE; LORSQU'ELLE EST PLEINEMENT DEVELOPPEE ELLE ATTEINT UNE PARTIE MOBILE DU CYLINDRE ET SUBIT UN BRUSQUE CHANGEMENT DES CONDITIONS AUX LIMITES; LA COUCHE LIMITE SUBIT ALORS DES DISTORSIONS QUI GENERENT DES EFFETS TRIDIMENSIONNELS. LA COUCHE LIMITE TRIDIMENSIONNELLE AINSI ENGENDREE EST ETUDIEE JUSQUE DANS LA SOUS-COUCHE VISQUEUSE. POUR METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE LA ROTATION SUR LA RESTRUCTURATION DE LA COUCHE LIMITE TRIDIMENSIONNELLE EN COUCHE LIMITE BIDIMENSIONNELLE ON EFFECTUE DES MESURES DANS DEUX SECTIONS: L'UNE OU LA RESTRUCTURATION EST BIEN AVANCEE, L'AUTRE PLUS PROCHE DU BORD D'ATTAQUE DE LA ROTATION. LES MESURES DE VITESSES MOYENNES SONT EFFECTUEES AUX TUBES DE PRESSION, ET AU FIL CHAUD, LES MESURES DE FLUCTUATIONS DE VITESSE ET LEUR CORRELATION AU FIL CHAUD TOURNANT

CETTE ETUDE EXPERIMENTALE PORTE SUR LA STRUCTURE D'UNE COUCHE LIMITE TURBULENTE SUPERSONIQUE. DANS DES CONDITIONS DELICATES, LES DONNEES ACQUISES PAR VELOCIMETRIE LASER DOPPLER SONT DEFINIES COMME REPRESENTATIVES DES PHENOMENES PHYSIQUES. L'ETUDE DE LA COUCHE LIMITE SUPERSONIQUE SANS GRADIENT DE PRESSION MONTRE QUE LE COMPORTEMENT DE LA TURBULENCE EST PROCHE DU MODELE INCOMPRESSIBLE, POUR LES NOMBRES DE REYNOLDS ET DE MACH CONSIDERES. L'ANALYSE PORTE ENSUITE SUR L'INTERACTION ENTRE UNE COUCHE LIMITE ET UNE ONDE DE CHOC INCIDENTE, QUI PROVOQUE SON DECOLLEMENT ET GENERE UNE ONDE DE CHOC REFLECHIE, PUIS UN EVENTAIL DE DETENTE. EN AVAL DE L'INTERACTION, LES EFFETS DE CETTE PERTURBATION SUR LA STRUCTURE DE LA COUCHE LIMITE PEUVENT ETRE ASSIMILES A CEUX D'UN GRADIENT DE PRESSION ADVERSE. A TRAVERS LE CHOC REFLECHI, LA PRODUCTION DE TURBULENCE EST FORTEMENT AMPLIFIEE. AU-DESSUS DE LA ZONE DE RECIRCULATION, LA CONJUGAISON DES EFFETS DE COMPRESSION ET DE COURBURE DES LIGNES DE COURANT PROVOQUE UN CHANGEMENT DE SIGNE DE LA TENSION DE CISAILLEMENT. UNE ZONE DE PRODUCTION NEGATIVE D'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE EST EGALEMENT MISE EN EVIDENCE, INDIQUANT QUE LE TRANSFERT D'ENERGIE DU MOUVEMENT MOYEN VERS LE MOUVEMENT TURBULENT EST LOCALEMENT LIMITE, VOIRE INVERSE

Cette thèse présente la définition et les résultats d'une étude expérimentale de couche limite turbulente incompressible bidimensionnelle sur paroi rugueuse en présence de gradients de pression. La motivation de l'étude est associée à des problèmes rencontrés par EDF sur des aubes de pompes. Une synthèse bibliographique détaillée présente les connaissances actuelles sur la structure des couches limites turbulentes sur paroi lisse et sur parois rugueuses, en se focalisant plus particulièrement sur la notion de lois de paroi. L'établissement d'une similitude locale partielle entre les écoulements bidimensionnels réalisés en soufflerie et les écoulements tridimensionnels en présence de rotation uniforme présents à l'intérieur des pompes est discuté à partir d'une analyse des équations de Navier-Stokes. La difficulté d'assurer une similitude locale complète est mise en évidence. Cinq états de surface rugueux comportant des rugosités en forme de sillons triangulaires jointifs orientés perpendiculairement à l'écoulement ont été réalisés. Deux configurations d'écoulement (sans gradient de pression et ralenti) ont été retenues car des effets indésirables de faibles nombres de Reynolds sont apparus en écoulement accéléré. L'utilisation d'anémomètres à un ou deux fils chauds permet la mesure du champ de vitesses moyennes et de grandeurs turbulentes, avec la possibilité de réaliser des comparaisons croisées entre les différents résultats. Le calcul du coefficient de frottement est fait à partir des profils semi-logarithmiques de la vitesse moyenne à l'aide de lois de paroi. L'évolution des paramètres des lois de parois étudiées et des paramètres de similitude sont également présentées. Il ressort de cette étude que les lois de paroi et surtout la "hauteur de grain de sable équivalent" peuvent dépendre du gradient de pression et que la détermination du coefficient de frottement à partir de ces lois peut s'avérer difficile.

LA PRESENTE ETUDE A ETE ENTREPRISE AFIN DE MIEUX COMPRENDRE LA DEFAILLANCE DES MODELES DE TURBULENCE A EQUATIONS DE TRANSPORT DANS LE CAS D'ECOULEMENT PARIETAUX A FORT GRADIENT DE PRESSION DEFAVORABLE. POUR CELA, UNE EXPERIENCE A ETE IMAGINEE DANS LAQUELLE UN ECOULEMENT DE CANAL PLAN ETABLI EST SOUMIS A UNE FORTE DECELERATION AU TRAVERS D'UN DIFFUSEUR PLAN ASYMETRIQUE. LA DIFFERENCE ESSENTIELLE ENTRE CETTE CONFIGURATION ET LE CAS, PLUS SOUVENT ETUDIE, DE COUCHE LIMITE DECELEREE RESIDE DANS LA STRUCTURE DE LA ZONE EXTERNE QUI EST PLEINEMENT TURBULENTE DANS NOTRE CAS ET INTERMITTENTE POUR UNE COUCHE LIMITE. LA COMPARAISON AVEC LES RESULTATS DE CALCUL ISSUS DU MODELE (, ) EST PRESENTEE, AVEC L'INTENTION DE MONTRER QUE L'HYPOTHESE SELON LAQUELLE LA DEFICIENCE CONNUE DU MODELE EN ZONE EXTERNE POURRAIT-ETRE RELIEE A LA PRESENCE DU PHENOMENE D'INTERMITTENCE. LES RESULTATS OBTENUS SEMBLENT INDIQUER QUE LES PREDICTIONS D'UN ECOULEMENT DE PAROI EN TURBULENCE PLEINEMENT DEVELOPPEE NE PRESENTENT PAS LES DEFAILLANCES OBSERVEES EN COUCHE LIMITE DECELEREE. LE COEFFICIENT DE FROTTEMENT, LES EPAISSEURS CARACTERISTIQUES, LES PROFILS DE VITESSE DEFICITAIRE ET LES PROFILS DES GRANDEURS TURBULENTES SONT EN BON ACCORD AVEC L'EXPERIENCE. EN CONSEQUENCE, EN LES SENSIBILISANT AU PHENOMENE D'INTERMITTENCE, ON EST AMENE A PENSER QUE LA REPONSE DES MODELES POURRAIT-ETRE AMELIOREE.