CE TRAVAIL A POUR OBJET L'ETUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE D'UN APPENDICE DE NAVIRE ET DE SON SILLAGE SITUES PRES DE LA SURFACE DE L'EAU. DES METHODES INTEGRALES SONT UTILISEES POUR MODELISER L'ECOULEMENT INCOMPRESSIBLE DE FLUIDE PARFAIT SOUS LA SURFACE LIBRE. LES ZONES ROTATIONNELLES SONT MODELISEES EN UTILISANT UNE DISCRETISATION PARTICULAIRE EN DESCRIPTION LAGRANGIENNE DU SILLAGE TOURBILLONNAIRE. DANS CE CADRE DES DEVELOPPEMENTS THEORIQUES SUR LE TRAITEMENT NON LINEAIRE DU SILLAGE ONT ETE MENES. ON INTRODUIT UN PREMIER MODELE DE DIFFUSION TRIDIMENSIONNEL DU ROTATIONNEL: IL ASSOCIE UN DEPLACEMENT DETERMINISTE DES PARTICULES SUIVANT LA DIRECTION DONNEE PAR LA COMPOSANTE LOCALE DU TOURBILLON ET UNE METHODE INTEGRALE SUIVANT LES DEUX AUTRES DIRECTIONS. UN SECOND MODELE PERMET DE TRAITER UNE PERTURBATION PERIODIQUE IMPOSEE AU SILLAGE TOURBILLONNAIRE PAR UN TRAITEMENT ASYMPTOTIQUE DES DIFFERENTS TERMES INTERVENANT DANS L'EQUATION D'HELMHOLTZ. CES DEUX MODELES PERMETTENT D'ORES ET DEJA D'ENVISAGER D'AUTRES APPLICATIONS. L'ETUDE EXPERIMENTALE DE L'ECOULEMENT A SURFACE LIBRE PRES D'UN PROFIL IMMERGE EN CANAL HYDRODYNAMIQUE NOUS A AMENES A DEVELOPPER UN DISPOSITIF OPTIQUE DE MESURE DE SURFACE LIBRE (MESURE LOCALE ET NON INTRUSIVE EN REGIME INSTATIONNAIRE). LES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT EN BON ACCORD AVEC LES SIMULATIONS NUMERIQUES

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA TRANSITION A LA TURBULENCE DANS LA ZONE DE FORMATION DES TOURBILLONS ALTERNES DU SILLAGE PROCHE D'UN CYLINDRE CIRCULAIRE EN REGIME SUBCRITIQUE. MESURE PAR ANEMOMETRIE A FIL CHAUD ET VISUALISATION PAR INTERFEROMETRIE DIFFERENTIELLE. AUX FAIBLES NOMBRES DE REYNOLDS (2000(RE(7000) ON MET EN EVIDENCE DES COUPLAGES EN FREQUENCE ENTRE LES TOURBILLONS ALTERNES ET CEUX DE LA ZONE DE MELANGE. ETUDE DU SILLAGE, APRES SUPPRESSION DES ALLEES DE TOURBILLON, A L'AIDE D'UNE PLAQUE DE RECOLLEMENT: RESOLUTION NUMERIQUE DES EQUATIONS DE NAVIER STOKES INSTATIONNAIRES. AUX GRANDS NOMBRES DE REYNOLDS (16000(RE(56000) MISE EN EVIDENCE DE L'INTERMITTENCE D'APRES LA FORME DES HISTOGRAMMES D'AMPLITUDE

Le sillage d'un avion est composé de tourbillons intenses. La durée de vie de ces tourbillons dépend des conditions atmosphériques et peut être de l'ordre de plusieurs minutes. Ils peuvent constituer un danger considérable pour un avion pénétrant dans ce sillage et leur action peut se traduire par un fort mouvement de roulis ou descendant. Le but de ce travail est d'étudier les effets des conditions atmosphériques sur le comportement des tourbillons de sillage par la simulation numérique. Dans le champ proche étendu nous avons simulé le phénomène de la fusion instable due au développement de l'instabilité elliptique en étudiant la robustesse de ce phénomène sous l'effet de la turbulence ambiante. L'effet de la turbulence ambiante à également été étudié dans le champ lointain. Ceci a été réalisé en considérant différentes configurations de vortex et une étude paramétrique a identifié les paramètres pertinents qui gouvernent la dégénérescence du sillage due à la turbulence. Ces résultats ont été utilisés pour définir un modèle préliminaire de dégénérescence pour des tourbillons affectés par la turbulence. Une étude de la propagation d'onde dans des tourbillons représentatifs du sillage lointain a montré l'apparition de l'instabilité hélicoi͏̈dale et du phénomène de 'vortex bursting'. Pour atteindre ce but, des configurations simples et plus réalistes (correspondant au sillage d'un avion de transport) ont été considérées. D'autres simulations ont été faites pour étudier l'effet de la stratification stable sur les tourbillons de sillage dans le champ lointain [...]

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.

Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnection des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.

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 []