La turbulence d'onde est un état statistique impliquant un grand nombre d'ondes couplées par effet non linéaire. Cet état générique est potentiellement décrit, dans la limite de faible non linéarité, par la théorie de la turbulence faible. Cette théorie prédit un phénoménologie proche de celle de la turbulence hydrodynamique avec en particulier une cascade d'énergie au travers des échelles. La thèse de doctorat se concentrera sur le cas d'ondes de gravité-capillarité à la surface d'un fluide dans la limite des grandes longueurs d'onde. Ce système est potentiellement représentatif d'états de mer lorsque la houle est développée. Des expériences seront menées dans le canal à Houle 1D de 36m du LEGI. Le cas des ondes unidirectionnelles est assez particulier dans le cadre général de la théorie de la turbulence faible. En effet il est prédit que la turbulence faible est instable dans ces conditions et que l'on devrait observer plutôt l'apparence de structures cohérentes de type soliton. Au cours de cette thèse, on testera différentes conditions de forçage pour tester les prédictions théoriques concernant les cascades d'énergie et de quantité de mouvement. On sortira également du cadre strict de la théorie pour étudier des régimes de forçage fort ou de faible profondeu.

Les modèles de turbulence tendent à prédire l'évolution statistique d'un champ régi par une équation non-linéaire avec des termes de forçage et de dissipation. Pour la turbulence hydrodynamique, le champ de vitesse est gouverné par l'équation de Navier-Stokes. Pour décrire un champ d'ondes aléatoires faiblement non-linéaires en interaction, la théorie de la turbulence d'ondes permet d'obtenir des prédictions sur de nombreuses quantités statistiques. Lorsqu'un champ d'ondes stochastiques obéit à une équation intégrable, on parle de turbulence intégrable. Ces différentes « turbulences » restent des défis théoriques. Afin de mieux les comprendre, il est nécessaire de confronter ces théories à des expériences de laboratoire. Nous avons mené dans cette thèse des études expérimentales sur trois systèmes non-linéaires turbulents. Nous avons mis en place au laboratoire un nouveau dispositif pour engendrer la turbulence hydrodynamique tridimensionnelle. En utilisant des particules magnétiques de petites tailles contrôlées à distance, nous arrivons à forcer le fluide en volume, aléatoirement en espace et en temps. Nous présentons dans cette thèse les principales caractéristiques de la turbulence à petites échelles ainsi engendrée et des résultats sur la dynamique des grandes échelles (échelles plus grand que celle du forçage) en turbulence homogène, isotrope. En utilisant la centrifugeuse de l'ESA, nous avons pu mener des expériences de turbulence d'ondes à la surface d'un fluide en faisant varier la gravité effective jusqu'à 20 fois la gravité terrestre. Nous avons pu notamment montrer l'importance des effets de taille finie du système dans les expériences de turbulence d'ondes. Enfin, en utilisant le grand bassin de l'École Centrale de Nantes, nous avons étudié la propagation unidimensionnelle d'ondes de gravité aléatoires en eau profonde, et la statistique de l'émergence de structures localisées non-linéaires telles que des solitons évoluant sur un fond d'ondes stochastiques. Nous avons mené dans cette thèse trois études expérimentales de systèmes non-linéaires, turbulents. Nous avons mis en place un nouveau dispositif pour engendrer la turbulence hydrodynamique 3-D. En utilisant des particules magnétiques de petites tailles contrôlées à distance, nous arrivons à forcer le fluide en volume, aléatoirement en espace et en temps. Nous présentons dans cette thèse les principales caractéristiques de la turbulence ainsi engendrée et notamment comment le forçage en volume permet d'obtenir une cascade turbulente à des nombres de Reynolds modérés. Grâce à la centrifugeuse de l'ESA, nous avons pu mener des expériences de turbulence d'ondes en faisant varier la gravité effective jusqu'à 20 fois la gravité terrestre. Nous avons pu montrer l'importance des modes grandes échelles du bassin dans les expériences de turbulence d'ondes. Dans le grand bassin et le canal à traction de l'École Centrale de Nantes, nous avons étudié la propagation unidimensionnelle d'ondes de gravité, en eau profonde, modulées aléatoirement en amplitude et en phase, et l'émergence de structures localisées non linéaires et de solitons évoluant sur un fond d'ondes stochastiques. Une telle coexistence est prédite théoriquement pour la turbulence intégrable.

L'interaction entre une phase continue et des particules discrètes constitue un sujet de recherche important. Le plus grand problème est la prise en compte, l'influence des particules sur la turbulence. Ce travail propose le développement d'un code numérique permettant l'écriture de termes sources pour la phase porteuse, et de résoudre les équations des particules via une approche lagrangienne. Ce modèle est confronte à une série de cas tests, notamment en ce qui concerne les fluctuations turbulentes vues par les particules discrètes. La phase porteuse est résolue par un modèle k-. Pour obtenir des mesures 2d en aval d'un rideau d'eau, une technique de mesure instantanée est développée dans le cas d'écoulements multiphasiques. Elle permet de mesurer simultanément la vitesse et la taille de particules sur des images digitales séparées par un certain délai. Elle se base sur le développement d'algorithmes permettant de détecter automatiquement des particules et d'en déterminer la taille au sein d'une image. Afin de retrouver le déplacement, elle utilise une méthode de prédiction-correction ou la prédiction s'effectue aux moyens d'outils statistiques et la correction en se basant sur des algorithmes d'association. Sa validation est présentée à la fois dans des cas monophasiques et diphasiques. La comparaison du code de calcul à la technique est menée pour l'étude de l'influence d'un vent latéral sur l'hydrodynamique des pulvérisateurs. La validation du code de calcul en amont est effectuée via des mesures de LDV. En aval, la confrontation entre les résultats numériques et expérimentaux obtenus par PTVS montre une bonne concordance. Il est montré que le rapport de quantité de mouvement entre l'air et les buses régit l'hydrodynamique. Les niveaux de turbulence atteints au niveau du rideau d'eau sont bien prédits par le code. Il est intéressant de garder un rapport de flux de quantité de mouvement supérieur pour le rideau d'eau afin d'avoir le meilleur mélange possible.

MISE AU POINT DE METHODES DE MESURE BASEES SUR L'EMPLOI DU THERMOANEMOMETRE A FILM CHAUD; ETUDE DE DIFFERENTS MODELES DE SONDE. DEVELOPPEMENT D'UNE METHODE DE SEPARATION DES PHASES LIQUIDE ET GAZEUSE DANS LES ECOULEMENTS AIR-EAU; TRAITEMENT NUMERIQUE DU SIGNAL DES SONDES ANEMOMETRIQUES. DETERMINATION NUMERIQUE DES SPECTRES D'ENERGIE. ETUDE DES ECOULEMENTS DANS LES CONDUITES CYLINDRIQUES ET EN CANAL DECOUVERT; COMPARAISON AVEC D'AUTRES AUTEURS. ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DU PHENOMENE DE RESSAUT HYDRAULIQUE

La turbulence d'onde cherche à apporter une description statistique des interactions d'un ensemble d'ondes faiblement non-linéaires. Initiée dans les années 1960 par les travaux de Zakharov et de Hasselmann, cette théorie est régulièrement mise en défaut par les observations expérimentales, en particulier dans le régime d'ondes de gravité ainsi qu'aux abords de la transition gravito-capillaire. L'objectif de cette thèse est d'étudier expérimentalement ces deux régimes en analysant directement les interactions résonantes qui sont le cœur de la théorie de la turbulence faible. Une première expérience concerne le régime gravito-capillaire. Une cascade d'énergie constituée d'ondes faiblement linéaires est observée en accord avec la phénoménologie de la turbulence faible. L'utilisation d'outils statistiques d'ordre supérieur a permis de montrer que ce sont des interactions à 3-ondes essentiellement colinéaires qui gouvernent la cascade. La seconde expérience explore le régime gravitaire dans la plateforme de Coriolis. Le spectre de puissance montre la présence systématique d'une branche harmonique qui reste faible devant la composante linéaire. Les corrélations indiquent la présence d'interactions à 3-ondes entre la branche linéaire et la branche harmonique. Aucune interaction à 4-ondes comme le prévoit la théorie n'est observée. La dernière partie rapporte les résultats d'une expérience sur des ondes internes ainsi qu'une campagne de mesure in-situ de la mer Noire dont les données ont été mises à disposition par F. Ardhuin. Ces deux expériences confirment les résultats de la partie précédente et soulèvent la question de l'importance des interactions à 3-ondes avec la branche harmonique pour la génération de la cascade en régime de gravité...

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale de la transition sous-critique vers la turbulence dans l'écoulement de Poiseuille plan. Les expériences ont été conduites dans un canal hydrodynamique de large rapport d'aspect assemblé au cours de ce travail. Dans un premier temps, nous montrons que le seuil de déclenchement de la turbulence évolue comme une loi de puissance en fonction du nombre de Reynolds avec un exposant égal à -1. Nous étudions ensuite la genèse d'une bouffée turbulente à l'aide de vélocimétrie par image de particules résolue en temps et montrons que son développement est accompagné par une déformation de l'écoulement à grande échelle. Nous caractérisons la structure tri-dimensionnelle de cet écoulement et montrons qu'il est la superposition de deux dipôles, l'un centré sur la partie avale de la bouffée et au centre du canal et le second centré sur la partie amont et proche des parois. Le champ de vitesse tri-dimensionnel à l'intérieur d'une bouffée turbulente est reconstruit à l'aide d'une hypothèse de Taylor et nous observons des structures périodiques présentant de grandes similarités avec les solutions invariantes, non triviales, de l'équation de Navier-Stokes calculées numériquement. Enfin, nous comparons nos données expérimentales à un modèle d'ordre réduit d'advection-diffusion-réaction à une dimension. Nous étendons ce modèle à deux dimensions et reproduisons les caractéristiques principales de la transition vers la turbulence en écoulements cisaillés : temps de vie des bouffées, temps de séparation des bouffées et apparition de motifs en bandes. En dernier lieu, nous proposons un nouveau montage expérimental équivalent à un canal de longueur "infinie".