Ce manuscrit a pour but d'étudier un nouveau dispositif générateur de cavitation dont le potentiel favorable à l'intensification de réactions chimiques est évalué. Ce dispositif est constitué d'une plaque mobile qui frappe un liquide contenu dans un réacteur. L'impact génère une forte augmentation de pression dans le milieu suivi d'une dépressurisation. Nous montrons que la couche de gaz/vapeur piégée entre le piston et la surface du liquide influence les pics de pression et les fréquences générées dans le milieu. La visualisation à l'aide d'une caméra rapide montre que la dépressurisation active les sites de nucléation à l'origine des bulles de cavitation qui grandissent et implosent en générant occasionnellement des jets de grande vitesse. Nous étudions aussi la réponse de bulles préexistantes. Nous identifions un rayon de bulle critique qui dépend de la hauteur d'impact, de la pression extérieure et des caractéristiques du piston. Les bulles dont le rayon initial est supérieur à la valeur critique implosent au moment de l'impact, tandis que les petites bulles ne sont activées qu'après (sous tension). Des évolutions de pression différentes sont observées après l'impact en fonction de la présence/absence de grandes bulles. Nous étudions enfin l'oxydation du phénol en montrant que l'impact sur l'eau pure est incapable de générer des espèces radicalaires responsables de la dégradation. En ajoutant du peroxyde d'hydrogène comme oxydant, la molécule est décomposée sous certaines conditions. En général, la quantité d'oxydant requise pour déclencher une oxydation significative diminue lors de l'augmentation de l'intensité de l'impact sur lequel dépend le taux de dégradation. / This manuscript aims at characterizing a new device based on a plate impact on a liquid surface to generate cavitation and evaluate its potential to induce chemical reactions. The device is composed of a reactor containing a liquid that a piston hits due to pressure difference. This impact generates a strong and uniform pressure increase in the medium followed by a depressurization. We show that the gas/vapor layer trapped between the piston and the liquid free surface influences the pressure peaks and frequencies generated in the medium. High-speed camera visualization shows that depressurization activates nucleation sites leading to bubble appearance in the solution. Bubbles expand and collapse intensively generating high velocity jets under some conditions. We also investigate the response of pre-existing bubbles. We identify a critical bubble radius that depends on the impact height, external pressure and piston’s characteristics. Bubbles with an initial radius larger than the critical one collapse at the moment of impact while smaller bubbles are only activated after it (under tension). Significant differences are observed in the pressure recordings after the impact depending on the presence/absence of large bubbles. We finally study the oxidation of phenol. We show that impacting on pure water is incapable of generating radical species responsible of the degradation. By adding hydrogen peroxide as an oxidant we show that the molecule is decomposed under certain conditions. In general, the amount of hydrogen peroxide required to initiate a significant oxidation decreases when increasing the intensity of the impact on which the degradation rate mainly depends.

La sonoporation, c'est-à-dire l'utilisation d'ultrasons pour augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire et permettre le transfert de molécules dans la cellule, est une méthode de transfection alternative intéressante. Cependant, même s'il est généralement admis que la cavitation acoustique joue un rôle important dans la sonoporation, les mécanismes physiques sous-jacents à ce phénomène ne sont pas totalement compris. Pour obtenir des informations sur les interactions entre les bulles, les cellules et le milieu environnant, nous avons développé un système de sonoporation adapté à la visualisation en temps-réel sous microscope et dédié aux cellules adhérentes. Le champ acoustique dans le puits cellulaire est composé d'ondes stationnaires et possède donc des positions d'équilibres pour les bulles au fond du puits, c'est-à-dire à proximité des cellules. Après avoir confirmé que les effets biologiques sont liés à la cavitation inertielle, un système de régulation de la cavitation inertielle a été implémenté pour augmenter la reproductibilité de la sonoporation. L'utilisation de cette régulation permet de s'affranchir des problèmes d'initiation et de maintien de l'activité de cavitation ainsi que de travailler sans ajout d'agents de contraste ultrasonore. Ce système permet de sonoporer des cellules adhérentes et ceci de manière plus reproductible lors de l'utilisation de la régulation qu'à intensité acoustique fixée. L'utilisation de la régulation permet également de s'affranchir de la température du milieu (à 24 ou 37 °C). De plus, la sonoporation des cellules ne semblent pas induire d'effets négatifs sur la reprise de croissance des cellules. L'utilisation de membrane modèle (des bicouches lipidiques fluorescentes) permet l'observation des interactions bulles-membrane, principalement sous la forme de dégâts de type fissures ou impacts présents à la fois sur les ventres et nœuds de pression acoustique. Ces positions particulières sont également le siège du détachement cellulaire et de la sonoporation / Sonoporation, the use of ultrasound to increase cell membrane permeability and allow the transfer of molecules into cells, is an interesting alternative method of transfection. However, even if it is generally admitted that acoustic cavitation plays an important role in sonoporation, the physical mechanisms acting during sonication are not fully understood. To obtain information on the interaction between bubbles, cells and the _owing medium during sonication, we designed a sonoporation device adapted to real-time microscope visualization and dedicated to adherent cells. The acoustic field in the well is composed by standing waves and provides cavitation bubble equilibrium positions at the bottom of the well, near cells. After biological effects have been confirmed to be linked to inertial cavitation, a regulation device on inertial cavitation has been implemented in order to improve reproducibility of sonoporation. This regulation allows overcoming problems linked to initiation and time stability of cavitation activity without adding ultrasound contrast agents in the medium. The sonoporation device allows the sonoporation of adherent cells, and this, with more reproducible results when using regulation instead of a fixed acoustic intensity. The cavitation control allows also to obtain the same biological effects at 24 and 37 °C. Furthermore, cell sonoporation does not apparently induce negative effects on cell growth. The use of a membrane model (fluorescent lipid bilayer) allows the observation of bubbles-membrane interactions, principally in the form of damages as cracks or impacts present at both nodal and anti-nodal positions of the acoustic field. Cell detachment and sonoporation appear also at these particular locations

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la cavitation de bulles de vapeur dans un liquide confiné sous tension (c’est-à-dire sous pression négative). Ce travail s’est développé en étudiant deux aspects différents mais complémentaires : la simulation numérique et l’expérience biomimétique. L’étude numérique utilise la simulation par dynamique moléculaire d’un liquide confiné dans une cellule solide. Cette méthode nous a permis d’étudier précisément l’effet de l’interaction entre le solide et le liquide (angle de contact), mais aussi de la géométrie sur la nucléation de bulles de vapeur. Nous avons également étudié l’interaction entre deux cellules voisines, et ainsi par comparaison avec un modèle, nous avons mis en évidence une corrélation entre deux évènements de cavitation ainsi que les paramètres importants dans ce phénomène. L’étude expérimentale, quant à elle, a été réalisée sur un dispositif en hydrogel de polymère inspiré de systèmes naturels. Cette méthode nous permet d’étudier un système ayant des caractéristiques mécaniques proches des observations naturelles sur les sporanges de fougères tout en pouvant contrôler sa géométrie. Nous avons alors mis en évidence l’effet de l’épaisseur des parois entre cellules permettant d’observer des cavitations isolées ou groupées de plusieurs centaines de bulles. La taille des cellules permet de mesurer des vitesses de propagation allant jusqu’à plus de 800 m/s. A l’aide d’un modèle acoustique nous avons mis en évidence les paramètres importants dans cette propagation. / In this work, we have been interested in the cavitation process of vapor bubbles in a confined and stretched liquid. We have followed two complimentary points of view: numerical simulation and biomimetical experiments. For the numerical study we have used molecular dynamics simulations of a liquid confined in a solid cell. This method allows us to study precisely the effect of the interaction between the solid and the liquid (contact angle), and also the geometrical properties on the nucleation of vapor bubbles. We have also studied the interaction between two neighboring cells, and by comparing with a model, we have shown a correlation between two cavitation events and the important parameters taking place in this phenomenon. For the experimental study, we have used polymer hydrogel devices inspired from natural systems (ferns sporangia). This method allows us to study a system having almost the same mechanical properties as the natural one, and showing the possibility to control its geometry. We have shown that the wall thickness between the cells can control the propagation properties from isolated cavitation to grouped propagation (up to several hundreds of bubbles). The cell size controls the propagation velocity, up to values of 800 m/s. We have shown by comparing with an acoustical model the important parameters that control this phenomenon.

La cavitation acoustique (formation, croissance et effondrement de bulles de gaz dans un liquide soumis aux ultrasons) est à l'origine de réactions chimiques (sonochimie) via la génération de conditions extrêmes lors de l'effondrement des bulles. Des températures de 103-104K et des pressions de l'ordre de 1000 atm sont atteintes au cœur des bulles [1]. Dans ces conditions, les liaisons chimiques des molécules volatiles présentes dans les bulles peuvent être rompues, formant, dans le cas de solutions aqueuses, des radicaux OH et H. Par ailleurs, l'effondrement violent des bulles de cavitation peut être accompagné par l'émission de lumière, sonoluminescence (SL), qui est le sujet d'étude de ce travail. Cette émission lumineuse est formée d'un continuum, de l'UV au proche IR, similaire à l'émission d'un corps noir, sur lequel peuvent se superposer des lignes d'émission atomiques ou moléculaires.On distingue deux types de SL: la SL mono-bulle (SBSL) et la SL multibulle (MBSL). En général, les spectres de MBSL se différencient de ceux de SBSL par la présence de lignes d'émission (d'atomes alcalins, de radicaux hydroxy… [2]), si bien que les mécanismes d'émission ainsi que la nature des conditions à l'intérieur des bulles lors de leur effondrement ont longtemps été considérés comme différents pour les systèmes mono- et multi-bulles. Un pont a été érigé entre les deux systèmes par le travail de Liang et al. [3] qui mit en évidence les conditions expérimentales permettant l'apparition de lignes dans le spectre de SBSL. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail était de comparer les émissions de SBSL (27 kHz) et MBSL à haute et basse fréquences (20, 203, 607 kHz) pour différentes solutions aqueuses. Un sonoréacteur monobulle a été développé, dans lequel la température, la nature et la pression de gaz dissous ainsi que la pression acoustique sont contrôlés. Les électrolytes étudiés étaient : NaCl et les chlorures de lanthanides luminescents Ce3+, Tb3+, Eu3+ et Gd3+. Ces derniers peuvent être excités soit par absorption de photons dans l'UV soit par collisions avec des particules énergétiques [4].Dans la première partie de ce travail, les conditions à l'intérieur d'une monobulle lors de son effondrement ont été estimées via un fit du continuum par l'équation de Planck du corps noir. Les températures du corps noir obtenues sont de l'ordre de 104K, en accord avec des études précédentes. Elles sont indépendantes de la présence de NaCl et de la pression acoustique alors que l'intensité de SL y est très sensible. Les résultats obtenus remettent en question l'utilisation du modèle du corps noir en SL. Des lignes d'émission atomique et moléculaire se superposent parfois au continuum de SL : en MBSL, et en SBSL dans certaines conditions particulières (pression d'argon suffisante, faible pression acoustique) [3, 5]. Ce travail met en évidence la similarité entre la forme de l'émission de OH en SBSL et en MBSL à 20kHz, ce qui indique des conditions intrabulles très proches dans les conditions expérimentales étudiées [6]. En SBSL sous 70mbar d'Ar, l'intensité des lignes diminue lorsque la pression acoustique augmente, jusqu'à leur disparition dans le continuum. Cette évolution peut apparaître comme un lien entre SBSL et MBSL.Par ailleurs, cette étude confirme que la concentration en sodium à l'interface bulle-liquide, qui peut être enrichie par l'utilisation d'un contre-ion tensioactif, est le paramètre clé de l'observation de l'émission du sodium en SBSL, suggérant que l'excitation du sodium a lieu soit à l'interface de la bulle, soit en son cœur, après injection de gouttelettes. La seconde partie de cette étude concerne l'effet de la fréquence ultrasonore et de la puissance acoustique sur l'intensité de luminescence des ions lanthanides en MBSL. La luminescence des ions Tb3+, Ce3+ et Eu3+ est ainsi observée. La comparaison des rendements de SL et de photoluminescence indique qu'à l'exception de Ce3+, l'excitation par photons est min / The importance of acoustic cavitation, i.e., the formation, growth and collapse of gaseous cavities in liquid exposed to ultrasound, in sonochemistry is based on the generation of extreme conditions upon bubble collapse. Temperatures and pressures inside the collapsing bubble are approximated to reach 104 K and 1000 atm, respectively [suslick-1999]. Under such conditions chemical bonds of the solvent vapour or volatile solutes present in the bubble core are easily cleaved, which in the case of aqueous systems, leads to the formation of chemically reactive OH and H radicals. These primary radicals either recombine leading to chemiluminescence, or diffuse into solution, where they are liable to react with other species. Of particular importance in this work is the light emission that accompanies cavitation, termed sonoluminescence (SL). This emission is a broad continuum ranging from 200nm to 900 nm, resembling the emission of a blackbody, which can be superimposed with atomic or molecular emission lines comparable to bremsstrahlung. It is necessary to distinguish two forms of SL, single-bubble (SBSL) and multibubble (MBSL). In general, MBSL spectra differ from SBSL spectra in that they contain emission lines, e.g., from alkali atoms or hydroxyl radicals [matula-1995]. Consequently, it was, until recently considered that the mechanisms of light emission, and the nature of the bubble interior upon collapse were fundamentally different for the single and multibubble systems. Considering that MBSL is a cloud of single bubbles a bridging theory is desired.With this background the objective of the present work was to conduct a comparative spectroscopic analysis of SBSL, driven at 27 kHz, and MBSL generated from low and high ultrasonic frequencies (20, 203 and 607 kHz) of aqueous electrolyte solutions. Therefore a single bubble sonoreactor was developed, where the temperature, gas content and type, as well as the acoustic pressure could be controlled. The electrolytes of choice were: sodium chloride and chlorides of the luminescent lanthanide ions, Ce3+, Tb3+, Eu3+ and Gd3+, which can be excited by UV light absorption and collisions with energetic particles [kulmala-1995]. In the first part of this work the conditions upon bubble collapse were approximated by fitting the broad-band continuum of SBSL spectra of water with 70 mbar of argon and a 0.5 M NaCl solution with 70 mbar of argon using Planck's law of blackbody radiation. The obtained blackbody temperatures are in the range of 104 K, which is in good agreement with previous studies, but with the discrepancy of being independent of the presence of NaCl and the acoustic pressure, whereas the SL intensity increased by a factor of more than 10 upon increased acoustic pressure. The different trends followed by SL intensity and blackbody temperatures question the blackbody model. Another observation questioning the blackbody model is the appearance of atomic and molecular emission lines in MBSL and as recently observed also in SBSL [liang-2007, young-2001]. The present work proofed that the key factors for line emission in SBSL are small amounts of argon and low acoustic pressure. Moreover, the work revealed that the shape of the OH• radical emission is very similar to that in MBSL spectra, indicating the strong similarity of intrabubble conditions in MBSL and SBSL under certain experimental conditions [schneider-2011]. An increase of the acoustic pressure caused the continuum to overlap the lines until they become indistinguishable giving the usually in SBSL observed featureless continuum. This advance is a big step toward bridging the gap between SBSL and MBSL. Furthermore this study reveals that the concentration of the sodium ion at the interface of a single bubble can be enriched with a surface active counterion and the concentration is crucial for the observation of the sodium line in SBSL, suggesting that excitation of sodium either takes place at the interface of the

Cette thèse vise à analyser expérimentalement une structure flexible et légère dans différents régimes d’écoulement, dont le régime cavitant. Un protocole expérimental a donc été mis en place afin de caractériser le comportement hydroélastique d’un profil NACA 0015 en polyoxyméthylène (POM) et de le comparer à un profil en acier inoxydable considéré comme « rigide ». Des mesures en écoulement subcavitant ont été réalisées : chargement hydrodynamique, contraintes, déformées statiques, réponse vibratoire et champ de vitesse ont été mesurés pour les deux matériaux. Enfin, une analyse vibratoire a été menée en écoulement cavitant. Ces mesures nous ont permis de constater que les déformées statiques du profil flexible sont similaires aux déformations observées sur une poutre encastrée : la flexion est la déformation principale et la torsion est faible. Toutefois les performances du profil flexible sont moins bonnes que pour un profil rigide : la portance diminue tandis que la traînée augmente. D’autre part, il apparaît que la dynamique du profil est contrôlée par l’écoulement. En effet, lorsque l’incidence du profil est proche de l’angle de décrochage, une fréquence liée au détachement tourbillonnaire apparaît sur les spectres de vibration des profils. Elle conduit à une réduction des fréquences propres liées à la flexion : si l’influence de cette fréquence sur le profil rigide reste faible à basse vitesse, sa proximité avec la fréquence propre du profil flexible conduit à un lock-in. Celui-ci se produit également en écoulement cavitant : lorsque la poche de cavitation devient instable, sa fréquence d’oscillation devient très énergétique et prend le contrôle de la dynamique du profil flexible. Le lock-in prend fin quand une supercavitation se développe autour du profil. Il conduit à une augmentation de la masse ajoutée au profil alors qu’elle devrait diminuer en présence de vapeur d’eau. / This work deals with an experimental analysis of a flexible and light lifting profile for various flow conditions, including cavitation. An experimental protocol was set up to study a flexible NACA 0015 made of polyoxymethylene (POM) and compare its behaviour with a foil made of steel, which is considered as rigid. The forces, strains, stresses and vibrations of the foils were measured, as well as the velocity field. Moreover, a vibratory analysis was performed in cavitating flow. The flexible foil behaves like a built-in beam : the deformations corresponds to predictions from the beam theory, with high bending and low twisting. These deformations imply lower lift and higher drag compared to the rigid foil. The vortex shedding frequency appears on the vibration spectra near stall. It increases with flow velocity and leads to a decrease of the natural bending frequency. But flexibility involves lower natural frequencies : the first bending frequency of the flexible foil is 3.5 times lower than the rigid one. This allows lock-in between the first bending frequency of the flexible foil and the vortex shedding frequency. Lock-in occurs in cavitating flows too : when cavitation becomes unstable, it oscillates with a frequency close to the bending natural frequency of the flexible foil. This lock-in ends when the cavitation number is low enough, what leads to a decrease of the cavitation oscillation frequency. In those conditions, the added mass of the flexible foil does not decrease with the cavitation number as the added mass of the rigid foil.

Ce travail s'intéresse au suivi spatio-temporel par imagerie ultrasonore de la cavitation acoustique. Celle-ci est un phénomène physique complexe utilisé au cours de certaines techniques de thérapie par ultrasons, correspondant à la formation de bulles de gaz qui oscillent et éclatent. Initialement, la méthode TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping, en anglais), a été développée pour cartographier l’activité de cavitation à partir des signaux acoustiques émis par les bulles, enregistrés passivement par une sonde linéaire d'imagerie ultrasonore. Toutefois, le TD-PAM souffre d’une trop faible résolution et de nombreux artefacts de reconstruction. De plus, il est lourd en temps de calcul car il est formalisé dans le domaine temporel (TD). Pour pallier ces deux limitations, il est proposé d'étudier, de comparer et de développer des méthodes avancées d'imagerie ultrasonore passive. Ce manuscrit s'articule autour de trois contributions principales : Une méthode adaptative originale a été formalisée dans le domaine temporel, reposant sur la compression d'amplitude des signaux ultrasonores par racine pième : le TD-pPAM. Cette approche améliore la résolution et le contraste des cartes de cavitation pour un temps de calcul équivalent au TD-PAM. La notion de matrice de densité inter-spectrale a été introduite pour l'imagerie de la cavitation. Dès lors, quatre méthodes dans le domaine de Fourier (FD) ont été étudiées et comparées : le FD-PAM (non-adaptatif), la méthode Robuste de Capon FD-RCB (adaptatif, par optimisation), le Functional Beamforming FD-FB (adaptatif, par compression non-linéaire) et la méthode MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptatif, par projection en sous-espaces). Les performances de ces méthodes FD ont été étudiées expérimentalement in vitro cuve d’eau avec une comparaison par imagerie optique. Les méthodes adaptatives FD proposées ont démontré leur potentiel à améliorer le suivi spatio-temporel des bulles. Le FD-RCB offre une localisation supérieure au FD-PAM mais souffre d'une importante complexité algorithmique. Les performances du FD-FB sont intermédiaires à celles du FD-PAM et du FD-RCB, pour une complexité de calcul équivalente au FD-PAM. Le FD-MUSIC a le potentiel de mettre en évidence de faibles sources acoustiques, mais ne conserve pas leurs quantifications relatives / This work focuses on the spatio-temporal monitoring of acoustic cavitation by ultrasonic imaging. This is a complex physical phenomenon used in some ultrasound therapy techniques, corresponding to the formation of gas bubbles that oscillate and implode. Initially, the TD-PAM (Time Domain Passive Acoustic Mapping) method was developed to map cavitation activity from acoustic signals emitted by bubbles, passively recorded by a linear ultrasonic imaging probe. However, the TD-PAM suffers from too low resolution and many reconstruction artifacts. In addition, it is time-consuming because it is formalized in the time domain (TD). To overcome these two limitations, it is proposed to study, compare and develop advanced methods of passive ultrasound imaging. This manuscript is structured around three main contributions: An original adaptive method has been formalised in the time domain, based on the amplitude compression of ultrasonic signals by root pth: TD-pPAM. This approach improves the resolution and contrast of cavitation maps for a computing time equivalent to the TD-PAM. The notion of cross-spectral density matrix has been introduced for cavitation imaging. Four Fourier domain (FD) methods were therefore studied and compared: FD-PAM (non-adaptive), Capon Robuste FD-RCB (adaptive, by optimization), Functional Beamforming FD-FB (adaptive, by non-linear compression) and MUltiple Signal Classification FD-MUSIC (adaptive, by subspaces projection). The performance of these FD methods was studied experimentally in vitro in water tank with a comparison by optical imaging. The proposed adaptive FD methods have demonstrated their potential to improve the spatial and temporal tracking of bubbles. The FD-RCB offers a superior localization to the FD-PAM but suffers from a high algorithmic complexity. The performance of the FD-FB is intermediate to that of the FD-PAM and the FD-RCB, for a calculation complexity equivalent to the FD-PAM. The FD-MUSIC has the potential to highlight weak acoustic sources, but does not keep their relative quantifications

The main goal of this thesis is the examination of hydraulic characteristics for different cavity nozzles, influence of liquid rotation and visualization of cavitating flow. Thesis is divided into two parts, theoretical and practical. Theoretical part deals with the description of cavity - creation, development and its extinction. This part also contains description of vortex flow and basic vertex models. Practical part compares nozzles performance experimentally. The aim of experiment was to measure hydraulic characteristics and their comparison. Jet performance was judged using visualizations and measured data was processed in Microsoft Excel and Parametr.

L’atomisation texturelle désigne le mécanisme d’arrachage de gouttes à l’interface d’un écoulement liquide libre. Cemécanisme est contrôlé par les caractéristiques de l’écoulement au sortir de l’injecteur et se manifeste dans son champproche. Peu étudiée, l’atomisation texturelle est un phénomène rapide, impliquant de très petites structures ligamentaireset produisant un brouillard de très fines gouttes. Le travail de cette thèse est une étude expérimentale d’un processusd’atomisation texturelle observé sur des écoulements produits par des injecteurs cavitants. Trois atomiseurs académiquestransparents sont utilisés et des diagnostics optiques sont mis en oeuvre : la LDV (vélocimétrie doppler laser) et le PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) pour décrire l’écoulement interne et le spray, respectivement, et l’imagerie fixe à forterésolution spatiale ou à haute-cadence pour les écoulements interne et externe. Une première observation montre un lienimportant entre le régime de cavitation et le processus d’atomisation texturelle. Une analyse impliquant la mesure devariabilité de l’écoulement et du processus d’atomisation texturelle quantifie ce lien. Ici, le processus d’atomisation estdécrit par la mesure de sa distribution d’échelle. Associée au concept de système équivalent, cette analyse multi-échellepermet de produire une écriture mathématique du processus étudié. Ce résultat est sans précédent. Complété par unedescription mathématique de la distribution de taille des gouttes produites, il offre un appui nouveau pour construire unmodèle d’atomisation ligamentaires présenté dans ce travail et qui relie taille et forme des ligaments aux populations degouttes formées. Ces analyses fines amènent une meilleure connaissance du mécanisme d’atomisation étudié. Par exemple, on apprend qu’à débit fixé, la hauteur du canal d’alimentation de l’orifice de décharge n’influence pas les processus d’atomisation texturelle. Par ailleurs, un critère est établi pour identifier la plus petite échelle de déformation des ligaments impliquée dans la production des gouttes. / Textural atomization designates the mechanism of drop peeling from the interface of a free liquid flow. This mechanismis controlled by the characteristics of the flow issuing from the injector and manifests at its vicinity. Almost uninvestigated,textural atomization is a rapid phenomenon, implies very small ligamentary structures and produces a mist of fine droplets.The work of this thesis is an experimental investigation of a textural atomization process observed on flows issuing fromcavitating injector. Three academic transparent atomizers are used and optical diagnostics are implemented: LDV (LaserDoppler Velocimetry) and PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) to describe the internal flow and the spray, respectively,and still imaging at high spatial resolution or high-speed imaging for the internal and external flows. A first observation revealsa strong link between the cavitation regime and the textural atomization process. An analysis implying the measurementof the variability of the internal flow and of the atomization process quantifies this link. Here, the atomization process isdescribed by the measurement of its scale distribution. Associated with the concept of equivalent system, this multi-scaleanalysis returns a mathematical expression for the investigated atomization process. This result is unprecedented. Completedby a mathematical description of the spray drop-diameter distribution, it offers a new support to build a model of ligamentaryatomization processes presented in this work and that connects ligament size and deformation to the drop populations. Thesefine analyses provide a better knowledge of the investigated atomization process. For instance, we learn that, at fixed flowrate, the height of the inlet pipe feeding the orifice has no influence on the atomization process. Furthermore, a criterion hasbeen established to identify the smallest ligament deformation scale implied in the drop production.

Les technologies laser sont largement utilisées dans le contexte de l'impression 3D de matériaux de toute taille ainsique pour la bioimpression des constituants de tissue biologiques. Dans ce contexte, la bioimpression par laser (LAB), basée sur le procédé LIFT, a émergé comme une technique permettant de s'affranchir des inconvénients des technologies d'impression à jet d'encre(par exemple le colmatage). La bioimpression par Laser est une technique d'écriture directe de matériaux sous forme solide ou liquide dotée d'une haute résolution spatiale. La technique permet ainsi le transfert précis de microgouttelettes (volume de l'ordre du pL) de biomatériaux et de cellules sur un substrat de réception. Dans nos travaux de recherche, afin de mieux comprendre la dynamique du processus de transfert et d'utiliser la technique en ingénierie tissulaire, nous avons avons développé une approche expérimentale basée sur une méthode d'imagerie résolue en temps. Nous avons tout d'abord caractérisé les différents régimes d'éjection afin de définir des conditions appropriées à l'impressiond'éléments biologiques. Nous avons également exploré la fenêtre d'éjection, afin d'étudier l'influence de l'énergie laser sur la dynamique de jet. Ensuite, nous avons étudié une nouvelle de configuration bioimpression par laser pour laquelle des études paramétriques impliquant l'effet de la viscosité et de la distance d'impression sur la morphologie des gouttes imprimées ont été réalisées. Cette configuration permet d'imprimer des encres biologiques en obtenant des contours très lisses et uniformes jusqu’à une grande distance de séparation (≤10 mm). Les paramètres d'impression de cellules ont aussi été analysées par TRI en fonction de la concentration cellulaire des encres. Nos résultats fournissent des renseignements clés sur l'optimisation et devraient permettre un meilleur contrôle du mécanisme de transfert du processus de LAB. Enfin à la lumière de ces études, nous proposons un mécanisme complet pour la bioimpression par laser. / Laser-based approaches are among the pioneering works in cell printing. These techniques are being extensively focussed for two or three-dimensional structures of any size in transferring pattern materials including deposition of 3D biological constructs. In this context, Laser-Assisted Bioprinting (LAB), based on Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as a nozzleless method to surmount the drawbacks (e.g. clogging) of inkjet printing technologies. LAB is a laser direct-write technique that offers printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomaterials and living cells. The technique enables controlled transfer of droplets onto a receiving substrate. A typical LAB setup comprises three key components: (i) a pulsed laser source, (ii) a ribbon coated with the material to be transferred and (iii) a receiving substrate. The ribbon integrates three layers: (i) a quartz disk support transparent to laser wavelength, (ii) a thin (1–100 nm) absorbing layer (like Ti or Au), and (iii) a bioink layer (few tens of microns) incorporating the material to print. The receiving substrate is faced to the bioink and placed at 100 μm to 1 mm distance from the ribbon. Rapid thermal expansion of metallic layer (on absorbing laser pulse) propels a small volume (~pL) of the ink towards a receiving substrate. Such a metallic interlayer eliminates direct interaction between the laser beam and the bioink. Volume of deposited material depends linearly on the laser pulse energy, and that a minimum threshold energy is required for microdroplet ejection. The thickness of the absorbing layer, viscosity and thickness of the bioink, different optical parameters such as the focus spot and the laser fluence are the controlling parameters to obtain a microscopic resolution and to limit the shock inflicted on the ejected cells. In our research works, we considered experimental approach to study the physical mechanism involved in the LAB using a time-resolved imaging method in order to gain a better insight into the dynamics of the transfer process and to use the technique for printing biomaterials. First we designed and implemented a novel configuration of LAB for upward printing. Then we characterized different ejection regimes to define suitable conditions for bioprinting. We further explored jetting window to study the influence of laser energy on jet dynamics. Ejection dynamics has been investigated by temporal evolution of the liquid jet for their potential use in cell printing. In addition parametric studies like effect of viscosity and printing distance on the morphology of the printed drops were conducted to explore jetting “window”. This configuration allows debris-free printing of fragile bioinks with extremely smooth and uniform edges at larger separation distance (ranging from 3 to 10mm). Material criteria required for realization of the cell printing are discussed and supported by experimental observations obtained by TRI investigation of cell printing from donors with different cell concentrations. These results provide key insights into optimization and better control of transfer mechanism of LAB. Finally, in the light of these studies, a comprehensive mechanism is proposed for printing micro-drops by LAB.

Dans le contexte actuel de changement climatique, anticiper la réponse des écosystèmes forestiers face à un risque de sécheresse accrue constitue un enjeu socio-économique, écologique et scientifique majeur. Les îles antillaises au-delà de leur statut de « hot spot de biodiversité », se situent dans un « hot-spot climatique », particulièrement à même d’être affecté par la réduction des précipitations. L’archipel Guadeloupéen constitue un modèle de choix dans l’étude des réponses végétales aux conditions environnementales. Il abrite l’ensemble de la diversité des écosystèmes caribéens, distribués le long d’un gradient altitudinal et de pluviométrie. Aux deux extrémités de ce gradient se situent des formations forestières expérimentant des conditions environnementales très contrastées : la forêt sèche et la forêt de nuage. Le premier objectif de cette étude était de caractériser les stratégies de croissance et la réponse physiologique à la contrainte hydrique de 8 espèces d’arbres structurants la forêt sèche et la forêt de nuage de Guadeloupe. Dans un premier temps, nous avons quantifié in situ, à différentes saisons, un large panel de traits fonctionnels intervenant à différentes échelles (cellule, feuille, individu) reflétant les principales fonctions végétatives des arbres (croissance, photosynthèse, transport hydraulique). Cette approche a permis de dresser un portrait fin du fonctionnement hydrique et carboné des espèces. L’approfondissement de la caractérisation de l’architecture hydraulique des espèces a été réalisée ex situ à travers une analyse structurelle (anatomique, morphologique) et fonctionnelle (résistance du xylème à la cavitation et des feuilles au flétrissement) afin de préciser leur potentiel de résistance à la sécheresse. Cette approche des différentes composantes du fonctionnement hydrique, rarement mise en œuvre, a permis de cerner les réponses des arbres de façon intégrée. Une importante diversité fonctionnelle a été mise en évidence au sein de chaque écosystème. Les espèces de forêt sèche, subissant une contrainte hydrique saisonnière marquée, montrent une capacité de résistance à la contrainte hydrique supérieure à celle des espèces de forêt de nuage. Cependant, la coexistence de différentes stratégies phénologiques dans cet écosystème aboutit à une importante diversité de stratégies hydriques et de croissance. En forêt de nuage, la contrainte hydrique édaphique est rare mais les espèces sont à même de subir une contrainte hydrique liée aux conditions atmosphériques. Dans cet écosystème, une diversité de comportement dépendant de la capacité des espèces à maintenir leur fonctionnement en cas de contrainte atmosphérique a aussi été mise en évidence. Nous avons identifié des corrélations intervenant entre la croissance cambiale, la résistance à la cavitation, la résistance au flétrissement foliaire et ses mécanismes d’ajustements sous-jacents ainsi que la sensibilité stomatique. Ces relations ont matérialisé un continuum cohérent et robuste de réponses fonctionnelles. La forte diversité relevée au sein des deux écosystèmes a induit une mixité de répartition des espèces le long de ce continuum. Afin de simplifier et résumer cette diversité mise en évidence nous avons cherché à former des groupes d’espèces déterminés par un jeu de traits morphologiques faciles à acquérir pour 14 espèces de forêt sèche et de forêt de nuage. / In the current context of climate change, anticipate the response of forest ecosystems facing an increased risk of drought is a socio- economic, ecological and scientific major issue. The Caribbean islands, beyond their status as «biodiversity hot spot», are in a "climate hot-spot ", particularly likely to be affected by reduced rainfall. The Guadeloupe archipelago is a model of choice in the study of plant responses to environmental conditions. It harbors all the diversity of Caribbean ecosystems, distributed along an altitudinal gradient and rainfall. At both ends of this gradient fall forest formations with contrasting environmental conditions: dry forest and montane cloud forest. The first aim of this study was to characterize growth strategies and the physiological response to water stress of 8 species of trees structuring the dry forest and cloud forest of Guadeloupe. First, we quantified in situ, in different seasons, a wide range of functional traits occurring at different scales (cell, leaf, individual) reflecting the main vegetative functions of trees (growth, photosynthesis, water transport). The deepening of the characterization of the hydraulic architecture of the species was carried out ex situ through a structural (anatomical, morphological) and functional (xylem resistance to cavitation and leaves wilt) analysis to clarify their potential resistance drought. This approach has enabled the identification of fine portrait of the water and carbon-functioning in the species. An important functional diversity has been demonstrated within each ecosystem. Dry forest species experience a marked seasonal water stress, show a higher resistance to water stress than that of cloud forest species. However, the coexistence of different phenological strategies in this ecosystem leads to a wide diversity of water and growth strategies. In cloud forest, edaphic water stress is rare but the species are likely to suffer water stress due to atmospheric conditions. In this ecosystem, a behavioral diversity dependent of the species' ability to maintain their functioning during atmospheric strain was also highlighted. We identified correlations between cambial growth, cavitation resistance, leaf wilt resistance and stomatal sensitivity. These relationships have materialized a coherent and robust continuum of functional responses. The high diversity recorded in the two ecosystems induced a mix of species distribution along this continuum.To simplify and summarize this diversity we sought to form groups of species determined by a set of morphological traits easy to acquire for 14 species of dry forest and cloud forest. This method produced groups reflecting different strategies for carbon management, influenced by the phenology of species. In contrast, groups obtained did not reflect drought response of species.Finally, because the seedling stage is a primary stage in terms of natural regeneration potential of forests, we evaluated ex situ the resistance to drought of dry forest seedlings. Like the adults, the dry forest seedlings showed a variety of strategies to cope drought.