UPThèses

Tout corps épais immergé dans un écoulement provoque, sous certains régimes, la formation de structures tourbillonnaires. La dynamique de ces structures peut alors interagir avec celle du corps lorsque ce dernier possède, typiquement, une certaine flexibilité de mouvement et/ou une fréquence propre de résonance. On parle alors d’interaction fluide-structure (IFS), phénomène largement rencontré en pratique et pouvant être à l’origine de vibrations significatives. Parmi les mécanismes d’ IFS largement étudiés, celui de vibrations induites par vortex (VIV), observé dans le cas d’un cylindre circulaire monté de manière élastique et soumis à un écoulement uniforme, est le plus documenté (Williamson & Govardhan 2008). Cette configuration, bien qu’académique, est repré- sentative d’un nombre important de procédés d’ingénierie pour lesquels les vibrations peuvent être considérées comme néfastes (échangeurs thermiques, colonne montante offshore, etc) ou, au contraire, comme source d’inspiration pour l’élaboration de dispositifs d’extraction d’énergie (Bernistas et al. 2008, Lee et al. 2019). Ce manuscrit propose un nouveau dispositif de cylindre oscillant monté de manière élastique sur paliers à air et alliant une solution mécatronique pour l’émulation de différentes valeurs d’amortissement et de raideur. Le dispositif permet également la mise en rotation alternée ou non du cylindre autour de son axe principal. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par la Région Nouvelle-Aquitaine et visant, à long terme, au contrôle du mécanisme de VIV dans un contexte d’extraction d’énergie propre. Le travail, présenté dans cette thèse, concerne : (1) la description du dispositif, (2) la validation de la solution mécatronique, (3) l’analyse fine de la réponse en amplitude et fréquence du système oscillant pour un amortissement négligeable et une raideur donnée, ainsi que de la dynamique du sillage en fonction du régime de l’écoulement, (4) l’effet de l’amortissement et de la raideur sur l’efficacité énergétique du dispositif, et enfin (5) une analyse de l’effet de la fréquence et de l’amplitude de rotation du cylindre sur la plage, dite de synchronisation fluide-structure. L’ensemble des essais a été mené en canal hydraulique à l’Institut Pprime (Poitiers). Les analyses réalisées ont fait appel à des techniques de visualisation par bulles d’hydrogène et de vélocimétrie à images de particules (PIV), ainsi qu’à des outils de post-traitement, tels que l’analyse en moyenne de phase ou encore la décomposition aux valeurs propres (POD). Les résultats obtenus laissent entrevoir de larges perspectives à la fois pour la modélisation et le contrôle des mécanismes de VIV.

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.

La bataille navale d’Actium, qui s’est déroulée à l’embouchure du golfe Ambracique, fut un tournant de l’Antiquité en opposant trois personnages historiques (Octave contre Cléopâtre et Marc-Antoine). Ce combat a connu une issue inattendue, la flotte d’Octave s’imposant sur celle d’Antoine, pourtant composée d’embarcations plus imposantes. Pour élucider ce mystère les commentateurs de l’époque ont évoqué l’echeneis ou rémora, un poisson qui aurait eu le pouvoir de ralentir à lui seul une galère. A l’aune de mesures océanographiques modernes, et sur la base d’une approche pluridisciplinaire, ce travail de thèse cherche à expliquer les évènements qui sont survenus le 2 septembre 31 av. J.C.. Les eaux d’Actium présentent deux singularités : des hauts fonds et une stratification en densité faisant du golfe l’unique fjord de Méditerranée. Chacun de ces aspects a été exploré à travers des expériences en laboratoire, étayées de calculs analytiques. Dans un bassin des carènes, une reproduction de la galère antique Olympias est tractée à vitesse constante. L’analyse de la surface libre montre que le sillage du navire présente un motif particulier accompagnant la crise de résistance à l’avancement due aux effets de profondeur d’eau finie. Pour des vitesses proches de celles nécessaires à la technique martiale de l’éperonnage, les ondes divergentes du sillage se déplient, formant alors des bandes parallèles. Le pic de résistance et l’amplitude des ondes sont d’autant plus marqués que le rapport entre tirant d’eau et profondeur est grand, favorisant de ce fait les galères légères. La présence d’un bi-couche avec une marche en densité au niveau de la pycnocline, caractéristique particulière de l’embouchure, est connue pour être responsable d’un autre phénomène de ralentissement des navires appelé effet d’eaux-mortes. D’après la littérature antérieure, le mouvement d’un bateau au sein d’une stratification entraîne la génération d’ondes internes causant là encore une résistance à l’avancement, ainsi que des oscillations en vitesse. A partir du développement d’une technique de détection subpixel permettant de suivre des ondes internes micrométriques, et en tractant à force constante une maquette de bateau dans un aquarium stratifié, deux systèmes d’ondes ont pu être identifiés. Le premier est un sillage interne, stationnaire dans le référentiel du bateau : nommé sillage de Nansen, il est responsable d’un ralentissement continu du navire. Le second est une dépression ondulante dispersive, appelée onde d’Ekman, générée par l’accélération initiale du bateau. Longtemps confondue avec une émission périodique de solitons internes, l’onde d’Ekman peut être approximée par une onde linéaire agissant sur le bateau comme un tapis roulant bosselé. Le navire ressent alors une résistance de vague fluctuante, justifiant l’apparition d’oscillations en vitesse. Un modèle analytique linéaire a été développé et mène à des expériences numériques de stratification. Il apparaît que le caractère oscillant des eaux-mortes n’est qu’une période transitoire de la dynamique du bateau : l’onde d’Ekman finit par s’échapper à la proue ou par être abandonnée à la poupe. De plus, les confinements latéraux imposés par les expériences de laboratoire accentuent ces phénomènes. Enfin, des mesures de champs de vitesses en milieu stratifié révèlent que le sillage de Nansen crée des courants modifiant l’aspect des ondes surfaciques et provoquant l’apparition de bandes lisses ou rugueuses dans le sillage de surface. Les particularités du golfe Ambracique font de la bataille d’Actium une curiosité sur le plan de la physique des interactions ondes-courants-bateaux. Bathymétrie et stratification jouent toutes deux un rôle sur la dynamique des bateaux, pouvant les empêcher d’atteindre les vitesses recherchées, et faisant apparaître dans la forme du sillage des bandes ou ondes transverses rappelant le disque de succion du rémora. Peut-être l’origine de la légende de l’echeneis ?

Les dispositifs électriques, notamment embarqués, sont de plus en plus compacts et nécessitent toujours plus de puissance. Or, tous ces composants électriques produisent de la chaleur qu’il faut absolument évacuer pour maintenir un fonctionnement optimal. Dans cet objectif, l’équipe électrofluidodynamique de l’institut Pprime développe des systèmes électrohydrodynamiques (EHD) qui ont déjà montré de nombreux avantages pour les applications aussi bien spatiales que terrestres. Pour fonctionner de façon optimale, les systèmes EHD utilisent des liquides diélectriques avec un impact écologique faible comme les Hydrofluoroethers (HFE) dont le comportement électrique est mal connu. L’objectif du travail réalisé dans cette thèse est de caractériser la variation des propriétés électriques des HFE 7000 et 7100 en fonction de la température. Plusieurs méthodes ont été employées pour analyser le comportement électrique en basse tension ; une première méthode conforme aux directives de la normes CEI 61620 puis une seconde basée sur la spectroscopie diélectrique. L’étude est ensuite élargie au comportement thermique sous haute tension. L’analyse des caractéristiques courant-tension permet de mettre en évidence les trois zones typiques de comportement : ohmique, quasi-ohmique et d’injection et ainsi de définir les limites des régimes de conduction et d’injection. Cette partie haute tension aborde également, dans le respect la norme CEI 60156, le problème de la rigidité diélectrique des deux HFE à différentes températures en phase gazeuse et en phase liquide. Enfin, une étude préliminaire novatrice sur l’effet Kerr dans le HFE-7100 est réalisée. Elle montre que cet effet électro-optique peut être utilisé pour l’étude du développement des couches chargées aux interfaces HFE/électrodes. En conclusion, les résultats obtenus dans ce travail apportent une contribution à la compréhension du comportement électrique des HFE. Ceci est nécessaire pour améliorer et optimiser les performances des systèmes EHD fonctionnant avec ces liquides.

Cette étude est consacrée au développement d’une nouvelle technique numérique pour la simulation du transfert thermique conjugué avec une application pour la reproduction de l’écoulement turbulent dans une conduite. La méthode est construite progressivement pour atteindre la haute-fidélité souhaitée. Tous les développements numériques et simulations sont effectués sur la base du code libre et massivement parallèle Incompact3d/Xcompact3d. Dans une première phase, le potentiel de la stratégie numérique choisie est étendu puis évalué par simulation directe et implicite à grande échelle pour mieux cerner la façon de combiner avantageusement ses caractéristiques. Parmi ces dernières, on peut mentionner la méthode des frontières immergées basée sur des interpolations polynomiales de Lagrange, la technique originale de filtrage visqueux et la modélisation implicite de turbulence pariétale par utilisation d’une dissipation numérique d’ordre élevé comme ersatz de la contribution sous-maille. La deuxième partie est consacrée à l’introduction d’une stratégie originale pour la simulation du transfert thermique turbulent pariétal. Dans ce but, la méthode des frontières immergées est adaptée pour permettre l’imposition de conditions aux limites thermiques spécifiques. L’approche est validée par simulation numérique directe du transfert de chaleur en turbulence de conduite avec des conditions aux limites de type Isoflux ou mixte. Une attention particulière est accordée au cas Isoflux qui nécessite des développements pour permettre l’imposition d’une condition aux limites de type Neumann. Cette stratégie est ensuite mise à profit pour mettre au point une méthode polyvalente qui permet la reproduction d’un phénomène de transfert thermique conjugué entre un fluide turbulent et le corps de la conduite qui le contient. Il est démontré que cette technique de couplage est capable de fournir une description précise de l’interaction thermique entre les milieux fluide et solide, ce qui peut être utile, par exemple, pour améliorer la modélisation RANS/LES dans les applications industrielles pour lesquelles les contraintes thermiques fluctuantes sont une préoccupation. La conduite cylindrique considérée ici,sans lien avec la nature Cartésienne du maillage, peut être vue comme un prototype de géométrie complexe, ceci ouvrant la voie à la réalisation de simulations haute-fidélité en géométrie réaliste telle que celle d’un Té de mélange avec plus largement des applications dans le cadre des centrales nucléaires ou solaires.

Les modèles haute-fidélité employés en Turbulence sont inutilisables lorsque des résolutions multiples sont nécessaires, comme c'est le cas en optimisation ou en contrôle des écoulements. La réduction de modèle a pour objectif de construire des modèles de dimension réduite (ROMs) afin d'approximer de manière précise la dynamique haute-fidélité sous-jacente. La méthode de réduction de modèle par projection de Galerkin, largement utilisée, est intrusive car elle nécessite la connaissance des équations d'évolution et/ou d'avoir accès au code source décrivant la physique. La réduction de modèle de type intrusif est donc inadaptée aux problèmes présentant aucune ou une faible connaissance du système physique. Dans ces cas, une alternative est offerte par les méthodes non intrusives ou modélisations basées sur des données pour lesquelles les modèles réduits sont appris à partir de séries temporelles obtenues par simulations numériques ou expériences. Dans cette thèse, des approches basées "données" de type intrusif et non intrusif sont présentées pour prédire la dynamique d'écoulements. Concernant les approches de type intrusif, un modèle réduit de dynamique basé sur la Proper Orthogonal Decomposition (POD-ROM) est considéré. La méthode POD offre l'avantage de préserver la dynamique non linéaire en projetant les équations d'état sur un espace de faible dimension engendré par des modes optimaux. Dans un premier temps, des méthodes de régression creuse issues de l'apprentissage statistique sont utilisées pour identifier les inconnues linéaires du modèle réduit. Une méthode de bootstrap est ensuite proposée pour quantifier de manière probabiliste les incertitudes associées aux méthodes de régression. Dans un second temps, un modèle non linéaire de viscosité turbulente est ajouté aux équations du modèle réduit. Ce modèle de Turbulence fournit une représentation fermée basée sur la physique de la dynamique de l'écoulement. Finalement, les paramètres du modèle de fermeture sont estimés à l'aide d'une approche de type Dual Ensemble Kalman Filter (Dual EnKF) qui intègre les sorties du modèle et des mesures, tout en prenant en compte les incertitudes respectives. Concernant les approches de type non intrusif, des modèles de régression basés sur des réseaux de neurones (NN-ROM) sont considérés comme alternative de l'approche POD-ROM. Cette méthode traite les limitations de l'approche POD-ROM -- le manque de garantie a priori de stabilité, et la nécessité de termes de fermeture pour prendre en compte les modes non résolus -- au prix de l'interprétabilité du modèle approché résultant. Le modèle NN-ROM sert de méthode d'intégration temporelle des coefficients de projection POD. Pour cela, un réseau de neurones paramétrisé, multi-pas est introduit pour représenter les termes de résidus. Ce modèle est utilisé dans le cadre d'une méthode d'assimilation de données (DA) afin d'améliorer la prédiction à long terme du modèle. Les approches intrusive et non intrusive proposées sont appliquées sur un système dynamique canonique (Lorenz), sur des données numériques issues de simulations à bas nombre de Reynolds d'un écoulement de sillage et d'un jet à faible nombre de Mach, et enfin sur des données expérimentales d'un écoulement de sillage.

Le passage des navires dans une voie navigable produit des ondes de batillage qui modifient le régime d’écoulement du canal, affectent les berges, remettent du matériel en suspension et modifient la morphologie du lit. L’énergie transmise par les ondes de batillage dans les berges est dissipée par la friction de l’écoulement à l’intérieur des berges. Lorsque cet écoulement interne est intense, le risque d’érosion des berges apparaît. Les ondes de batillage peuvent alors être à l’origine de la destruction des berges. Pour connaître la stabilité des berges des canaux navigables, il faut estimer le comportement de l’écoulement dans les canaux navigables et dans les berges. L’objectif de ce travail est de construire un code 2D permettant de simuler l’amortissement d’un train de vagues dans une structure poreuse. La modélisation de l’interaction des vagues est difficile dû à la nécessité de connaître la distribution précise de la pression du fluide en fonction de la porosité du matériau. Des améliorations des méthodes Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) ont été proposées pour corriger les problèmes de champs de pression et des conditions aux limites sur l'interface fluide pur-milieu poreux. Deux approches classiques, SPH faiblement compressible (WCSPH) et SPH incompressible (ISPH) ont été optimisés. Les méthodes ISPH sont coûteuses en termes de temps CPU dû à la résolution de l’équation de Poisson pour obtenir la distribution de pression. Par conséquent, un couplage ISPH-maillage est adopté pour calculer la pression sur une grille régulière, réduire le temps CPU et obtenir une méthode efficace. De plus, une technique de remaillage est proposée pour garantir une distribution uniforme des particules. À partir d’une audite sur les méthodes particulaires SPH, la méthode SPH la plus robuste est utilisée pour le développement du code 2D. La comparaison des algorithmes optimisés ISPH et WCSPH pour simuler trois benckmarks d’écoulements incompressibles a été faite : un vortex de Lamb-Oseen, un écoulement de cavité entraînée et la rupture de barrage. Les effets de la résolution spatiale sont considérés dans l’étude ainsi que le nombre de Reynolds, la fréquence de remaillage, le pas de temps et le temps de calcul. WCSPH est moins robuste, mais il se limite à des discrétisations fines et à très petits pas de temps associés à la condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). ISPH est plus robuste en termes de temps et du maillage. La solution du problème de Poisson sur une grille a largement réduit le temps de calcul, mais ISPH reste aussi performant que WCSPH. Pour simuler l'écoulement à l'interface fluide pur-milieu poreux, les méthodes SPH sont exposées à deux difficultés. La continuité de la pression, de la vitesse et des contraintes normales et tangentielles doit être garantie. La différence du comportement de l'écoulement entre la zone fluide pur et la zone poreuse, par l'influence de la porosité, seront traitées avec l'équation de Brinkman pour résoudre de manière simultanée l'écoulement dans les deux zones et garantir la continuité des quantités physiques dans l'interface. Une deuxième difficulté est la différence de taille des particules. Le développement de Taylor à l’ordre 2 est appliqué à la fonction de lissage du noyau afin de prendre en compte les tailles des particules différentes. La validation de l’amélioration se fait avec l'infiltration d'un écoulement dans une structure poreuse à partir d'une rupture de barrage. Une validation finale du couplage batteur-structure poreuse est présentée. Le train de vagues est simulé par l’introduction d’une force source dans l’équation de conservation de mouvement. Le calcul des coefficients de réflexion et de dissipation sera présenté et comparé à des solutions analytiques pour quantifier l’amortissement de l’énergie des vagues.

Au cours des 20 dernières années, la production de gaz naturel a augmenté de plus de 70 % dans le monde. Cela implique qu’à toutes les étapes du transport, des comptages précis soient opérés. L’élargissement du domaine des pressions, pouvant atteindre 70 bar, conduit à des nombres de Reynolds (Re) supérieur à 107, dépassant ainsi les seuils définis par la norme ISO9300. Les opérations nécessitent des incertitudes de mesures inférieures à 0,1 % ce qui, en l’absence de référence pour les Re élevés, est quasiment impossible à tenir dans l’état des connaissances actuelles. La méthode pour l'étalonnage des débitmètres consiste à utiliser des tuyères en régime d'écoulement critique (CFVN). Leur utilisation est le cœur d’activité du laboratoire de Cesame-Exadébit (LNE-LADG) qui est détenteur de l'étalon de débit national. L’un de ces objectifs est l’amélioration constante de l’incertitude de mesure du débit de gaz. Ce travail de thèse vise à contribuer à la compréhension du comportement des écoulements au sein de telles tuyères afin de pouvoir étendre leur utilisation à des gammes plus élevées de Re. Dans un premier temps, l’étude bibliographique a permis d’établir un état complet des connaissances des écoulements dans les tuyères à géométrie cylindrique et des coefficients de décharge (Cd) associés pour les régimes d’utilisation rencontrés en pratique. Pour les régimes à bas Re, déjà bien étudiés, la majorité des études convergent, ce qui a permis d’établir des courbes semi-empiriques d’évolution du Cd. Pour les haut-Re, aucune loi empirique ne permet de décrire la dépendance aux états de surface Dix tuyères cylindriques ont été usinées avec pour chaque diamètre, des niveaux de rugosité (Ra) différents qui ont été caractérisés par des mesures d'état de surface. Chaque pièce a été étalonnée à l'aide des installations de Cesame-Exadébit au moyen de la méthode primaire (pVT,t) donnant l'accès à une large gamme de Re avec des incertitudes de 0,1 %. L'ensemble des résultats expérimentaux obtenus a été comparé à la base de données du laboratoire ainsi qu'aux mesures de la littérature scientifique. Pour Re>106, le Cd atteint une valeur plateau dont la valeur dépend de la rugosité. Cette tendance a été confirmée par des mesures comparatives réalisées dans les installations à haute pression de la PTB. Le modèle empirique élaboré permet de décrire la valeur asymptotique du Cd avec un coefficient Cd, similaire à la rugosité relative bien connue pour les études en guide (Colebrook), et fortement corrélé à la valeur expérimentale du paramètre Ra/d, mesuré dans la partie cylindrique. La seconde partie du travail de thèse est dédiée à la définition et la mise en œuvre d’une stratégie numérique, pouvant permettre de caractériser l’évolution de la structure de l’écoulement et d’identifier les phénomènes physiques, pouvant piloter l’évolution non-monotone du Cd en fonction du Re. Le choix se porte sur OpenFoam pour réaliser des simulations numériques. L'outil est éprouvé dans un premier temps par une confrontation à des cas de référence. Une stratégie numérique adaptée au cas des tuyères en géométrie cylindrique est ensuite proposée. Les résultats numériques montrent l'évolution du Cd dans une tuyère cylindrique qui est comparée, sous différentes conditions initiales, aux mesures expérimentales dans l’ensemble de la gamme des Re. Cette évolution est analysée au regard de la variation de la structure de l’écoulement au col en fonction des conditions amont.

La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la conception et l’utilisation d’actionneurs plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de faible épaisseur et à géométrie complexe afin d’exercer un contrôle d’instabilité sur deux configurations d’écoulement dont la dynamique est régie par des mécanismes d’instabilités primaires et/ou secondaires. Le cas d’une couche limite tridimensionnelle telle que rencontrée sur une aile en flèche est étudié à l’aide de deux stratégies de forçage permettant de manipuler la transition induite par un phénomène d’instabilité stationnaire. Ici, un réseau d’éléments de rugosité discrets (DRE) est installé en amont du forçage par DBD afin de verrouiller l’origine et l’évolution des tourbillons stationnaires transversaux de la couche limite. La première approche de forçage consiste à modifier l’écoulement amont par déformation (UFD). Une seconde approche par modification directe de l’écoulement de base est également introduite (BFM). Un retard de transition est observé indépendamment du forçage réalisé. Cependant, comme les tourbillons transverses sont fortement amplifiés en raison de l’utilisation de DRE, l’action par approche UFD peut conduire à la fois à une atténuation directe des structures fluidiques transverses telle qu’envisagée mais aussi à une action non intentionnelle sur la nature inflectionnelle de l’écoulement de base. La méthode BFM résulte en une interaction directe sur les tourbillons transverses, interactions confirmées par une étude théorique de l’instabilité sous l’effet d’un modèle simplifié d’actionneur DBD. Il s’agit de la première démonstration expérimentale du retard de transition sur une aile en flèche grâce à l’effet d’un actionneur plasma et également à la première preuve de concept expérimentale de la stratégie BFM. Le sillage d’une couche de mélange plane à bord épais et les phénomènes d’instabilité primaire et secondaire responsables pour l’expansion spatio-temporelle du sillage sont également étudiés. Des conditions de forçage fréquentiel puis spatial sont successivement testées et analysées par approche spectrale (décomposition orthogonale spectrale, SPOD) sur des données expérimentales de PIV multi-champs résolues en temps. L’instabilité primaire est excitée par un forçage spatialement homogène pulsé à la fréquence naturellement la plus amplifiée. Ce forçage l’atténue les instabilités aux sous-harmoniques et inhibe l’appariement tourbillonnaires. A l’inverse, le forçage aux sous-harmoniques renforce les phénomènes d’appariement conduisant à un fort taux d’épanouissement de la couche de mélange. Enfin, l’effet d’un forçage modulé spatialement se traduit par un taux d’accroissement variant selon la position transverse et qui traduit à la fois le renforcement et la modulation spatiale des structures à grande échelle. La segmentation du forçage selon l’envergure de la couche de mélange permet toujours de modifier les structures transverses mais en sus, la coalescence des structures longitudinales et transversales est favorisée. Les travaux de recherche réalisés confirment la capacité des actionneurs plasma de type DBD à exercer un forçage modulé à la fois temporellement et spatialement. La large réduction de la puissance électrique consommée dans le cas d’un forçage modulé spatialement permet une amélioration notable de l’efficacité du système de contrôle.

La présence des centrales hydroélectriques restreint la circulation des poissons migrateurs dans les rivières. Plusieurs dispositifs ont été, donc, aménagés dans ces centrales afin de faciliter leur passage. Les bases de conception et de dimensionnement de ces dispositifs, dénommés "prises d’eau ichtyocompatibles", ont été définies en 2008 par Courret & Larinier à partir des retours d’expérience acquis en France et à l’étranger. Des études hydrauliques sur des modèles réduits de grille, un des composant des prises d’eau, ont ensuite permis de confirmer ou préciser certains critères concernant leur implantation et la conception des exutoires associés. Il en résulte aussi des formules d’évaluation des pertes de charge adaptées aux configurations testées afin de quantifier la perte d’énergie résultante à l’installation de ces grilles. Cette thèse vient explorer de nouveaux concepts de grilles ichtyocompatibles (grille placée à l’entrée des turbines afin d’en dévier le poisson et lui permettre de continuer sa migration) qui minimisent les pertes de charges pour les producteurs et qui sont adaptées à la dévalaison des poissons. Dans un premier temps, une optimisation des grilles inclinées est proposée avec des formes de barreau différentes et l’ajout de l’effet des supports qui maintiennent les grilles. La courantologie de ce type de grille est ensuite étudiée in-situ afin d’évaluer l’efficacité des premières grilles ichtyocompatibles implantées dans les centrales hydroélectriques en appui des simulations numériques réalisées parallèlement. Dans un deuxième temps, de nouvelles barrières physiques sont étudiées. D’abord, les grilles orientées à barreaux horizontaux sont testées et montrent un guidage de poissons favorable et une perte de charge faible. La deuxième nouvelle solution explorée est la plaque perforée, qui s’est avérée aussi efficace que la grille inclinée en terme de guidage de poisson avec l’avantage de minimiser encore plus les pertes de charge.