Nous analysons ici les efforts exercés par un écoulement uniforme sur un cylindre à section carrée. Une des motivations principales est d'examiner la façon dont les fluctuations d'efforts se construisent, qu'elles soient de natures incohérente ou cohérente à partir de la dynamique de l'écoulement. Le problème est alors abordé sous deux angles : le calcul numérique par simulation LES (code Trio_U développé par le C.E.A., Grenoble) et les mesures en soufflerie avec en particulier le développement d'une balance instationnaire. L'étude de l'écoulement par la confrontation permanente des résultats numériques et expérimentaux à permis de valider la simulation LES, d'enrichir la banque de données relative à cet écoulement par l'étude de la PIV-2C. De plus, les fréquences des deux instabilités de la couche cisaillée (instabilité absolue du sillage et instabilité convective de Kelvin-Helmholtz) ont été analysées. Une analyse des grandes échelles de la dynamique des efforts est proposée à partir de la pression pariétale. Le rôle dominant des corrélations spatiales de pression dans les fluctuations des grandeurs globales est mis en évidence. L'influence de la turbulence sur la dynamique des efforts est aussi discutée. Enfin, nous exposons une technique de détection dans le sillage des tourbillons contribuant aux efforts globaux. La traînée et la portance sont exprimées à l'aide de la vitesse de l'écoulement et de ses dérivées. L'évolution temporelle des efforts est ainsi reconstituée. Cette étude ouvre alors des perspectives pour le contrôle actif des écoulements décollés instationnaires par l'identification des régions de l'écoulement jouant un rôle majeur à la production des forces.

Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d'une population dense d'inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l'équilibre d'un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d'une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d'une plaque statique inclinée. Nous étudions l'influence de la turbulence sur l'équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d'intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l'étude expérimentale de l'équilibre et de la stabilité de la trajectoire d'une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l'écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d'instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d'une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d'air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l'ordre de l ́échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l ́échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d'eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l'échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l'hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d'analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s'organiser en superclusters (amas d'amas).

ETUDE EXPERIMENTALE DU SILLAGE TURBULENT SUPERSONIQUE DE PLAQUE PLANE A HAUT NOMBRE DE REYNOLDS; ANEMOMETRIE A TEMPERATURE CONSTANTE: TENSIONS TURBULENTES ET CORRELATIONS SPATIO-TEMPORELLES, FILTREES OU NON-COMPORTEMENT DU SILLAGE EN TROIS ZONES. EVOLUTION DES FLUCTUATIONS DIFFERENTE DU CAS INCOMPRESSIBLE. CORRELATIONS SPATIALES COMPAREES AU MODELE CLASSIQUE INCOMPRESSIBLE; SURFACES D'ISO-CORRELATION SOUS FORME D'ELLIPSOIDES INCLINEES, VISUALISATIONS ULTRA-RAPIDES; EVOLUTION DES ECHELLES CARACTERISTIQUES ET DE PLUSIEURS PARAMETRES DE TURBULENCE. ETUDE NUMERIQUE PAR FERMETURE AU SECOND ORDRE (MOMENTS EN UN POINT, MOYENNES PONDEREES PAR LA MASSE), EQUATIONS POUR LA DISSIPATION ET UNE ECHELLE CARACTERISTIQUE; APPLICATIONS AUX SILLAGES SUBSONIQUES ET AU CAS SUPERSONIQUE ETUDIE

DANS CE MEMOIRE, L'ATTENTION S'EST PORTEE SUR L'ETUDE DU SILLAGE PROCHE TURBULENT D'OBSTACLES POINTUS ET ELANCES A MACH 7. APRES UNE EVALUATION DE L'ENSEMBLE DES CONNAISSANCES DANS LE DOMAINE DE SILLAGES SUPERSONIQUES, DEUX ASPECTS DE L'ETUDE SONT CONSIDERES. EXPERIMENTALEMENT, DES SONDAGES EN PRESSION ET TEMPERATURE PAR THERMOCOUPLE FIN SONT EFFECTUES DANS LE SILLAGE D'UN CONE ET D'UN DIEDRE. NUMERIQUEMENT, UN CODE RANS, DANS LEQUEL EST IMPLANTE UN MODELE DE TURBULENCE K BAS-REYNOLDS, PERMET LE CALCUL, ENTRE AUTRES, DES DEUX CONFIGURATIONS PRECITEES. L'EVALUATION DU CODE EST D'ABORD REALISEE PAR RAPPORT AU CAS TEST DE L'ARRIERE-CORPS CYLINDRIQUE A MACH 2.4. LES RESULTATS NUMERIQUES CONCERNANT LES SILLAGES DU CONE ET DU DIEDRE SONT, PAR LA SUITE, CONFRONTES AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS A PARTIR DE CES DEUX MEMES CONFIGURATIONS.

ETUDE EXPERIMENTALE DU SILLAGE TURBULENT SUPERSONIQUE DE PLAQUE PLANE A HAUT NOMBRE DE REYNOLDS; ANEMOMETRIE A TEMPERATURE CONSTANTE: TENSIONS TURBULENTES ET CORRELATIONS SPATIO-TEMPORELLES, FILTREES OU NON-COMPORTEMENT DU SILLAGE EN TROIS ZONES. EVOLUTION DES FLUCTUATIONS DIFFERENTE DU CAS INCOMPRESSIBLE. CORRELATIONS SPATIALES COMPAREES AU MODELE CLASSIQUE INCOMPRESSIBLE; SURFACES D'ISO-CORRELATION SOUS FORME D'ELLIPSOIDES INCLINEES, VISUALISATIONS ULTRA-RAPIDES; EVOLUTION DES ECHELLES CARACTERISTIQUES ET DE PLUSIEURS PARAMETRES DE TURBULENCE. ETUDE NUMERIQUE PAR FERMETURE AU SECOND ORDRE (MOMENTS EN UN POINT, MOYENNES PONDEREES PAR LA MASSE), EQUATIONS POUR LA DISSIPATION ET UNE ECHELLE CARACTERISTIQUE; APPLICATIONS AUX SILLAGES SUBSONIQUES ET AU CAS SUPERSONIQUE ETUDIE.

LA TRANSITION A LA TURBULENCE D'UN SILLAGE DERRIERE UN OBSTACLE (BI OU TRIDIMENSIONNEL) EST ETUDIEE PAR SIMULATION NUMERIQUE DES EQUATIONS DE NAVIER-STOKES INSTATIONNAIRES. LE CODE DE CALCUL QUI A ETE CONCU DANS CE BUT UTILISE UNE METHODE MIXTE PSEUDO-SPECTRALE/DIFFERENCES FINIES D'ORDRE ELEVE. DANS UN PREMIER TEMPS, ON ETUDIE DE FACON DETAILLEE LE DEVELOPPEMENT INITIAL LINEAIRE DES INSTABILITES INFLEXIONNELLES ET LE ROLE JOUE PAR UNE STRATIFICATION STABLE EN DENSITE. LES CARACTERISTIQUES DU CHAMP D'ONDES DE GRAVITE INTERNES, A L'EXTERIEUR DU SILLAGE, SONT EXAMINEES A LA LUMIERE DES RESULTATS DE LA THEORIE LINEAIRE DANS L'APPROXIMATION WKB. ON A PU, DE LA SORTE, IDENTIFIER DIFFERENTS REGIMES HYDRODYNAMIQUES EN FONCTION DU NOMBRE DE FROUDE. LE DEVELOPPEMENT ULTERIEUR NON LINEAIRE DES INSTABILITES ET LA FORMATION DE STRUCTURES TOURBILLONNAIRES DISTINCTES SONT ANALYSES TANT D'UN POINT DE VUE TOPOLOGIQUE QUE QUANTITATIF. L'ACCENT EST MIS SUR LES MECANISMES D'INSTABILITE SECONDAIRE QUI ABOUTISSENT A L'EMERGENCE DE STRUCTURES LONGITUDINALES DANS UNE ALLEE TOURBILLONNAIRE DE KARMAN. CETTE ETUDE EST REALISEE EN TRANSITION NATURELLE OU FORCEE, AINSI QU'A GRAND NOMBRE DE REYNOLDS A L'AIDE D'UNE MODELISATION ORIGINALE DES ECHELLES SOUS-MAILLE. EN PRESENCE D'UNE STRATIFICATION, ON S'EST INTERESSE AU CHAMP D'ONDE DE GRAVITE EMIS PAR UNE ALLEE TOURBILLONNAIRE DANS LE SILLAGE D'UNE SPHERE. LA SIGNATURE DU CHAMP D'ONDE AINSI QUE LES POSSIBILITES DE PROPAGATION A L'EXTERIEUR DU SILLAGE ONT ETE CARACTERISEES POUR DIFFERENTS NOMBRES DE FROUDE