L’objectif de cette thèse est d’analyser le potentiel de croissance transitoire des perturbationsbidimensionnelles et tridimensionnelles dans les jets ronds inhomogènes, depuis leurphase initiale quasi-parallèle jusqu’à l’enroulement non linéaire induit par l’instabilitéprimaire axisymétrique de Kelvin–Helmholtz (KH). Une analyse linéaire de stabiliténon-modale est effectuée sur la base d’une approche directe-adjointe afin d’identifierles mécanismes physiques de croissance aux temps courts et l’émergence d’instabilitéssecondaires. La recherche de perturbations optimales par adoption d’une approchenon-modale est justifiée par la non-normalité de l’opérateur linéaire de Navier–Stokeset le caractère instationnaire de l’écoulement de base. La première partie concerne lesperturbations optimales qui se développent sur des jets ronds homogènes. Nous examinonsl’influence du nombre d’onde azimutal m, de l’intervalle d’optimisation, du nombre deReynolds Re et du rapport d’aspect du profil de vitesse initial. La deuxième partieest consacrée à l’analyse de stabilité non-modale pour les jets ronds à masse volumiquevariable, avec une attention particulière à l’influence du nombre d’Atwood At sur lesinstabilités secondaires qui peuvent déclencher les "jets latéraux".

Cette thèse étudie la possibilité d’améliorer les performances d’un avion de transport à travers un relâchement de la stabilité de route et une réduction de l’empennage vertical. L’idée principale est l’utilisation active de la poussée différentielle, rendue possible grâce au changement de paradigme apporté par la propulsion électrique distribuée. Ce moyen de contrôle supplémentaire et la réduction de l’empennage vertical sont étudiés en trois axes principaux. L’objectif de la première partie est l’évaluation de la stabilité de route ainsi que la contrôlabilité directionnelle de l’avion afin d’identifier les conditions de vol dimensionnant l’empennage vertical. Une contribution est apportée afin de prendre en compte l’aspect non-conventionnelle de la propulsion électrique distribuée. Des outils mathématiques sont développés pour trimmer l’avion utilisant la poussée différentielle comme moyen de contrôle et des outils aérodynamiques sont développés afin de modéliser un empennage vertical de taille variable ainsi que les interactions aéro-propulsives apparaissant sur une voilure soufflée par des hélices. Cette analyse permet d’isoler des conditions dimensionnantes, particulièrement en cas de pannes moteur au décollage et conduit à une réduction significative de la taille de l’empennage pour des cas statiques. De plus, il est montré que la gouverne de direction peut être remplacée par la poussée différentielle. Dans une seconde partie, les aspects dynamiques d’un avion utilisant la poussée différentielle à la place d’une gouverne de direction sont abordés. Une méthode est proposée afin de répondre au questionnement suivant : comment l’empennage vertical et les systèmes de propulsion devraient être dimensionnés afin de satisfaire un ensemble de qualités de vol imposées ? Une architecture de contrôle automatique et une méthode de co-design se basant sur la synthèse H1 structurée et sur des outils d’optimisation non convexe sont utilisés pour gérer le compromis entre la taille de l’empennage vertical et la bande passante des moteurs. Cet ensemble d’outils est ensuite mis à contribution pour étudier l’avion dans les conditions définies dans la première partie et notamment en présence de pannes moteur. Dans une dernière partie, un moyen de recherche expérimentale est développé afin de contribuer à un effort de production de donnée sur la propulsion électrique distribuée. Ce démonstrateur de vol est spécifiquement orienté vers l’étude de la mécanique de vol latérale d’un avion possédant une aile soufflée. Il a été possible d’identifier depuis les mesures réalisées en vol, les dérivées aérodynamiques de l’avion ainsi que leur dépendance à la poussée. Cela a ensuite permis d’illustrer les particularités de la dynamique de vol d’un avion à propulsion distribuée et aile soufflée.

Le projet dans lequel s’inscrit ce travail de thèse porte sur la détermination de la durabilité des structures métalliques de grandes dimensions lorsqu’elles sont soumises à des surcharges accidentelles (collision, explosion, impact d’oiseau, etc). À cette fin a été développée une méthodologie numérique unifiée tri-dimensionnelle capable de reproduire qualitativement et quantitativement les étapes successives de dégradation menant à la rupture ultime des structures constituées de métaux et alliages ductiles (aciers, alliages d’aluminium et de titane, etc.). Ces étapes comprennent généralement (i) l’endommagement induit par la croissance de microcavités, (ii) la localisation de la déformation /endommagement dans une bande étroite, et (iii) la formation et la propagation de macro-fissures. Dans la première étape (i), le matériau est supposé obéir au modèle de plasticité microporeuse de Gurson en utilisant la méthode standard des éléments finis (FEM), tandis que dans la troisième étape (iii) les conséquences cinématiques de l’ouverture de la fissure sont décrites par la méthode des éléments finis étendus (XFEM). L’étape intermédiaire (ii) de localisation, qui est probablement la plus complexe à reproduire d’un point de vue physique et numérique, est décrite via un modèle de zone cohésive (CZM) couplé à la XFEM. Le CZM décrit ladégradation progressive des propriétés mécaniques du matériau de la bande de localisation induite par une augmentation de la coalescence des microcavités et conduisant finalement à l’ouverture de la fissure. Un intérêt particulier est porté aux critères de transition entre endommagement diffus et localisation et à la détermination de l’orientation du plan de localisation. La localisation est traitée ici comme un phénomène résultant soit d’une instabilité plastique soit de la coalescence des microcavités. En conséquence, deux critères sont considérés : le premier est basé sur l’analyse de bifurcation, tandis que le second repose sur une porosité critique et rend compte de la compétition entre Mode I et Mode II fonction du taux de triaxialité local. Ainsi, la bifurcation ‘flat-to-slant’ du plan de rupture (l’effet ‘cup and cone’ lors de la traction d’une éprouvette axisymétrique) est correctement reproduite numériquement. En outre, des critères opérationnels d’amorçage et de propagation de la bande de localisation en trois dimensions sont proposés. Un autre aspect important de la méthodologie est le nouveau schéma utilisé pour l’intégration numérique des équations d’équilibre, à savoir l’intégration par moyennage sur les volumes (VAI). La méthodologie est implémentée en tant que routine utilisateur (UEL) dans le code de calcul commercial par éléments finis ABAQUS et ses performances sont évaluées par des simulations numériques tridimensionnelles de divers cas de chargement. Une étude paramétrique de l’effet des constantes du modèle est réalisée, montrant que la méthodepeut reproduire une grande variété de réponses dans le régime adoucissant. La méthodologie proposée se révèle être indépendante du maillage et capable de reproduire correctement les surfaces de rupture. Elle donne également des résultats prometteurs concernant les réponses globales des structures étudiées par rapport aux données expérimentales.

Les ceintures de radiation de la planète géante Jupiter sont constituées d’électrons, de protons et d’ions lourds de très haute énergie. Ces particules chargées représentent un risque majeur pour les satellites artificiels cherchant à explorer Jupiter. Dans le même temps, comprendre l’origine et la répartition de ces particules est une problématique fondamentale du domaine de la Physique de l’Espace. Le modèle physique Salammbô de l’ONERA répond aux deux enjeux précédents. Il a été développé pour le cas de la planète géante au cours de deux thèses successives qui se sont terminées en 2004 [Santos-Costa, 2001 ; Sicard, 2004]. Les travaux précédents ont permis de mettre en place un modèle d’électron qui s’étend de l’atmosphère de Jupiter jusqu’à l’orbite d’Europe (9 Rj) et un modèle de proton jusqu’à l’orbite de la lune volcanique Io (6 Rj). Depuis cette date, la mission américaine Galileo, qui fut en orbite autour de Jupiter jusqu’en 2003, a livré de nombreuses informations sur les ceintures de radiation et sur l’environnement qui influence celles-ci. Cette thèse revisite le modèle électron et étend le modèle proton jusqu’à l’orbite d’Europe. Cela permet, en particulier, de montrer que les ondes électromagnétiques se propageant entre les orbites des lunes Io et Europe induisent des pertes significatives de particules, celles-ci étant précipitées dans l’atmosphère de Jupiter. Les modèles proposés au cours de cette thèse sont également mieux à même de prédire l’environnement extrême et limitant des ceintures de radiation que les précédents travaux.

L’objectif de cette thèse est de fournir une approche générale permettant d’aborder les problèmes de contrôle aéroélastique.Tout d’abord, un modèle d’aile oscillante est développé afin de rendre compte des phénomènes d’hystérésis des charges aérodynamiques et de décrochage dynamique qui peut être observé, particulièrement à fort angles d’attaque ou à faible nombre de Reynolds. Le modèle est alors entraîné et comparé avec succès aux résultats expérimentaux obtenus pour une aile NACA 0018. Ce modèle, comme de nombreux modèles aérodynamiques, souffre d’une complexité inhérente et de non-linéarités qui rendent son analyse et son contrôle complexes. Par conséquent, le modèle a été modifié afin d’inclure les non-linéarités dans une formulation polytopique aux paramètres incertains. S’appuyant sur la théorie de la commande linéaire quadratique et utilisant les inégalités des matrices linéaires, plusieurs théorèmes sont développés, considérant les saturations qui sont un problème majeur et récurent de la dynamique du vol. Les théorèmes sont alors appliqués avec succès au cas du stall flutter en présence de saturations en position et en vitesse.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du développement d’outils métrologiques avancés pour la mécanique des fluides, et en particulier pour les souffleries. La Background Oriented Schlieren (BOS) 3D, développée à l’ONERA, est une technique qui exploite la déviation des rayons lumineux par un milieu non homogène pour mesurer la masse volumique. Elle consiste à comparer l’image de référence d’un fond texturé avec l’image de ce même fond en présence d’un écoulement. La corrélation entre ces deux images permet de calculer la déviation des rayons lumineux. En réalisant une acquisition simultanée à partir de différents points de vue, il est possible de reconstruire le champ de masse volumique associé, par résolution d’un problème inverse. Afin de poursuivre le développement de la technique, nous avons tout d’abord développé une chaîne de traitement plus systématique puis amélioré la robustesse de notre algorithme de reconstruction. Après avoir réalisé une validation sur des données de synthèse, nous avons mise en oeuvre notre méthode sur un banc d’essais comportant 12 caméras. Par la suite, la technique a été déployée pour la première fois en soufflerie sur un jet chaud subsonique. Lors de cette campagne, elle a été validée par comparaison avec des mesures de température. Des acquisitions couplées BOS 3D et stéréo PIV ont également été effectuées. Une démonstration à l’échelle d’une soufflerie industrielle a ensuite été réalisée dans la soufflerie S1MA de l’ONERA. Les problématiques rencontrées sur les écoulements compressibles lors de ces essais ont ensuite conduit à étudier de manière plus approfondie les écoulements présentant de forts gradients d’indice optique. Un banc de mesure BOS 3D a été conçu en laboratoire afin d’optimiser la mesure d’un jet sous-détendu. Sur cette configuration, de très bon accords ont été obtenus avec la littérature ainsi qu’avec une simulation DES. A travers cette étude, nous avons étendu le domaine d’application de la BOS 3D aux écoulements compressibles et démontré son utilisation en soufflerie. La qualité des résultats obtenus démontre le potentiel offert par la technique pour l’analyse physique des écoulements.

Nous avons étudié le comportement de capteurs d'images CCD commerciaux sous contrainte radiative spatiale. L'objectif est de comparer la dégradation des paramètres sensibles de ces composants à celle observée sur des CCD durcis. Il apparaît que la densité de courant d'obscurité des CCD commerciaux est sensible à la dose cumulée. Pour des doses jusqu'à 200 Gy(Si), il s'agit même de la principale source de dégradation des capteurs. La charge d'oxyde est en grande partie responsable de ce comportement, comme le montre la guérison partielle du courant d'obscurité lors d'un recuit à 100°C. Il est montré que cette charge agit principalement dans les oxydes d'isolation, en mettant la surface du semiconducteur en inversion, constituant ainsi un transistor parasite. L'activation thermique de ces courants de fuite est mise en évidence par des simulations numériques, rejoignant ainsi les observations expérimentales. L'évolution du courant d'obscurité après exposition à des particules responsables de la création de défauts (protons et neutrons) est bien expliquée par les contributions des interactions élastiques (aux protons) et inélastiques. La dose cumulée aux protons apporte une contribution supplémentaire à la dégradation moyenne. Notons également l'apparition de pixels présentant un fort signal RTS et l'augmentation de l'inefficacité de transfert. Dans un contexte d'assurance durcissement, ce travail permet de mieux appréhender les points importants pour une bonne estimation de la dégradation en vue d'une utilisation spatiale. On retiendra en particulier le rôle prédominant des courants de fuite, qui perturbent directement l'estimation des autres paramètres critiques des CCD, comme le facteur de conversion ou l'inefficacité de transfert. Ce comportement se distingue des CCD durcis. Une caractérisation en dose cumulée des capteurs commerciaux s'avère indispensable, ainsi que l'estimation du nombre de pixels fortement dégradés et du risque de RTS lors d'effets non ionisants.

L'étude a pour objectif l'estimation d'échanges de chaleur surfaciques transitoires dans des environnements agressifs, c'est à dire inaccessibles à la mesure directe, tant dans les cas linéaires que non-linéaires. Les champs d'application concernés sont vastes : chambres de combustion, systèmes anti-givrage, caractérisation de réactions chimiques exothermiques. Une méthode de résolution inverse permet de résoudre ces problèmes. Une équation d'observation formée par des mesures de températures surfaciques sur une face est nécessaire à l'estimation des échanges. Dans la mesure où ces méthodes inverses sont très sensibles au bruit de mesure, il a été nécessaire d'adopter une stratégie de stabilisation des solutions efficace. De ce fait, l'utilisation d'une transformée en cosinus discrète (T.C.D.) afin de filtrer et/ou compacter les données du problème constitue un point clé de l'étude. Chaque outil présenté est soumis à des tests numériques afin de connaître son domaine de validité. De plus, deux expériences de laboratoire permettent de juger des principales sources d'erreur rencontrées lors de la confrontation des modèles à la réalité.

Cette étude s'inscrit dans un thème de recherche sur les écoulements internes dans les chambres de combustion afin d'améliorer le rendement et la propreté de moteurs aéronautiques ou automobiles. A cet effet, il est important de valider expérimentalement des modèles théoriques décrivant .le processus d'évaporation du carburant liquide injecté sous forme d'un brouillard de gouttelettes. L'objectif des travaux présentés est de concevoir un système opto-électronique infrarouge appliqué à la mesure de température de gouttes de carburant. La prise en compte des différents aspects d'une chaîne radiométrique infrarouge : transferts par rayonnement, optique, électronique et traitement, a permis la conception et la réalisation d'un système de mesure de température autour d'un détecteur monoélément travaillant dans la bande 8-12 microns. Le système permet la mesure de la température de surface de gouttes de 200 microns dans un jet monodisperse. Les mesures IR ont pu être confrontées aux modèles théoriques et comparées à une autre technique expérimentale basée sur la réfractométrie. Une étude prospective du suivi et de la mesure simultanée de température de gouttes sur leur trajectoire est effectuée. Les caractéristiques optimales d'un détecteur IR matriciel adapté à cette application sont analysées. La faisabilité d'une extension de la thermométrie IR à la mesure de température de gouttes en combustion a été démontrée. Des résultats préliminaires sur la mesure de température de gouttes en combustion à l'intérieur d'une flamme sont présentés.