Wakes are constitutive components of engineering, aeronautical and geophysical flows. Despite their canonical nature, many fundamental questions surrounding wakes remain unanswered. The present work studies the nature of archetypal planar splitter-plate wakes in the sub- and supersonic regimes from a theoretical as well as a numerical perspective. A highly-parallelizable com putational fluid dynamic solver was developed, from scratch, for the very-large scale direct numerical simulations of high-speed free shear flows.

Wakes m aintain a near indelible memory of their origins;​ thus, changes to the state of the flow on the generating body lead to multiple self-similar states in the far wake. To understand the source of the lack of universality, three distinct wake evolution scenarios are investigated in the incompressible limit:​ the Kelvin-Helmholtz transition, the bypass transition in an asymmetric wake and the initially turbulent wake. The multiplicity of self-similar states is the result of a plurality of far wake structural organizations, which maintains the memory of the flow. The structural organization is predicated on the presence or absence of near wake anti-symmetric perturbations (as a result of shedding, instability modes and/or trailing edge receptivity). The plurality of large-scale structural organization contrasts with the commonality observed in the mid-sized structures, which are dom inated by inclined vortical rods, and not, as previously assumed, by horseshoe structures.

The compressibility effects are a direct function of the maximal velocity defect in the wake and are therefore only im portant in the transitional region - the far wake having an essentially incompressible character. The compressibility simultaneously modifies the growth rate and wavelength of the primary instability mode with a concomitant effect on the emerging transitional structures. As a direct result, the spanwise rollers have an increasing ellipticity and cross-wake domain of influence with the increasing Mach number of the wake. Consequently, structural pairing - a key feature of wake transition - is inhibited at a critical Mach number, which greatly modifies the transitional dynamics. In idealized wakes, the increased stability caused by the compressibility effects leads to a vortex breakdown of secondary structures prior to the full transition of the principal mode. These findings open the door to novel mixing enhancement and flow control possibilities in the high-speed wake transition.

Le sillage est une composante constitutive de plusieurs types d'écoulements en ingénierie, en aéronautique et en géophysique. Malgré sa simplicité, de nombreuses questions sur la dynamique du sillage demeurent sans réponses. Une étude théorique et numérique est entreprise pour étudier la nature interne du sillage plan et canonique dans les régimes sous- et supersoniques. Un solveur pour des écoulements à grande vitesse a été développé, vérifié et validé pour effectuer des simulations numériques directes à très grande échelle.

Le sillage conserve une mémoire quasi indélébile de son origine, donc tout changement de l'état de l'écoulement du champ rapproché peut modifier les statistiques autosemblables du champ éloigné. Pour comprendre l'absence d'universalité qui caractérise le sillage, trois évolutions types sont étudiées:​ une transition de Kelvin-Helmholtz, une transition 'bypass' d'un sillage asymétrique et un sillage initialement turbulent. La multiplicité des statistiques autosemblables est le résultat d'une pluralité d'organisation structurelle du champ éloigné du sillage. Les structures à grandes échelles perpétuent la mémoire du sillage et s'organisent en fonction de la présence ou de l'absence de perturbations antisymétriques dans le champ rapproché (causé par le détachement, par des instabilités et/ou par la réceptivité du bord de fuite). La pluralité de l'organisation structurelle à grande échelle tranche avec l'uniformité des structures à moyenne échelle principalement en forme de bâtonnet de vorticité et non en forme de fer à cheval.

Les effets de compressibilité varient en fonction du déficit de vitesse du sillage. Par conséquent, la compressibilité joue un rôle important seulement dans le champ rapproché ou lors de la transition du sillage, le champ éloigné ayant une dynamique essentiellement incompressible. La compressibilité allonge la longueur d'onde, diminue le taux de croissance de la perturbation principale et modifie les structures émergentes lors de la transition. Les structures deviennent ellipsoïdales avec un domaine d'influence principalement dans la di- rection transversale du sillage avec une croissance du nombre de Mach. Ces caractéristiques entravent le jumelage de structures, typique des écoulements à basse vitesse, et modifient les dynamiques internes de transition. On note un éclatement tourbillonnaire des struc- tures secondaires qui précède la transition des structures principales. Cette observation offre de nouvelles possibilités pour le contrôle et une amélioration du mélange turbulent pour les écoulements à grande vitesse. Mots-clés:​