Ce travail présente une contribution à la modélisation numérique des systèmes de suspensions dans le cadre de la théorie cinétique. Cette description continue des systèmes de suspensions permet de prendre en compte l'influence de la structure à l'échelle microscopique sur la cinétique de l'écoulement macroscopique. Cependant elle présente l'inconvénient majeur d'être définie sur un espace à haute dimension et rend alors difficile la résolution de ces modèles avec des approches déterministes classiques. Afin de s'affranchir, ou du moins d'alléger, le poids du caractère micro-macro des approches en théorie cinétique, plusieurs techniques de réduction dimensionnelle s'appuyant sur l'utilisation de la Décomposition Généralisée en modes Propres (PGD) sont présentées. Une étude de différents algorithmes PGD est conduite, et dont l'efficacité en termes de vitesse de convergence et d'optimalité de la solution est illustrée. La simulation de mélanges de fluides immiscibles est conduite à l'aide du Tenseur d'aire qui est un puissant outil de caractérisation du mélange. Cependant celui-ci nécessite l'introduction d'une relation de fermeture dont l'impact est évalué avec le modèle de théorie cinétique équivalent et exact. Finalement, la simulation de systèmes de suspensions colloïdales décrits par l'équation de Smoluchowski présente une approche originale de la modélisation des suspensions solides. Cette approche permet de s'affranchir avantageusement du bruit statistique inhérent aux simulations stochastiques traditionnellement mises en œuvre.

Les suspensions d'objets microscopiques ayant la faculté de se déplacer par eux-mêmes dans le fluide qui les entoure sont des systèmes qui présentent un intérêt croissant dans la communauté scientifique. Du fait de leur dynamique intrinsèquement hors-équilibre au sens de la physique statistique, ils génèrent des effets particulièrement complexes. Parmi les micro-objets autopropulsés existants, les micro-algues vertes représentent une part importante de la biomasse de la Terre et participent activement au retraitement du CO2 par leur activité photosynthétique. Elles présentent de plus un remarquable potentiel dans les domaines de la production de bio-carburants, du retraitement des déchets, de la fabrication de cosmétiques et de compléments alimentaires. La compréhension de la dynamique de nage de ce type de microorganisme est d'un intérêt primordial d'un point de vue industriel. Cet ouvrage présente l'étude de la dynamique de la micro-algue Chlamydomonas Reinhardtii. En utilisant un système de suivi de particules en imagerie optique que nous avons développé, nous analysons ici le mécanisme fondamental de nage utilisé par cette algue jusqu'à ses implications en terme d'effets collectifs sur la dynamique de nage d'une suspension semi-diluée.

Dans ce mémoire, je synthétise les résultats des recherches que j'ai menées sur les propriétés rhéologiques des pâtes granulaires au sein du Laboratoire des Matériaux et Structures du Génie Civil (puis Laboratoire Navier) depuis mon intégration au CNRS en octobre 2003. Les pâtes granulaires, telles les laves torrentielles, la terre crue, les pâtes alimentaires, les bétons frais et les mousses de plâtre, sont des suspensions concentrées de particules très polydisperses (du nm au cm), qui impliquent une grande diversité d'interactions physiques entre particules (colloïdales, hydrodynamiques, contacts). Ce sont généralement des matériaux à seuil, qui ne s'écoulent que sous l'effet d'une contrainte de cisaillement suffisamment forte. Cette caractéristique joue un rôle particulièrement important dans la mise en oeuvre des matériaux du génie civil. Le comportement des pâtes granulaires dépend par ailleurs généralement de leur histoire d'écoulement, à travers des phénomènes réversibles comme la thixotropie (qui se traduit par leur vieillissement en régime solide, et leur fluidification lorsqu'ils sont cisaillés) et des phénomènes irréversibles comme le développement d'hétérogénéités de concentration sous cisaillement. Au cours de mes recherches, je me suis appliqué à isoler les phénomènes observés dans les pâtes granulaires et à identifier leur origine microscopique, puis à modéliser le comportement macroscopique de ces matériaux. J'ai choisi pour cela d'effectuer des études expérimentales détaillées sur des matériaux à caractère modèle. J'ai notamment cherché à prédire les conditions de blocage de leurs écoulements, à déterminer l'évolution de leurs propriétés rhéologiques en fonction de la concentration en particules, et à mieux comprendre les conditions de développement d'hétérogénéités. Je me suis par ailleurs attaché à valoriser mes travaux dans les domaines de la rhéologie et de la mise en oeuvre des bétons frais, par des collaborations avec le LCPC et à travers une activité contractuelle importante. Je me suis tout d'abord intéressé aux suspensions de particules non-colloïdales (chapitre II) dans le cas où le fluide suspendant est newtonien. Les problèmes posés par les bétons frais dans lesquels les particules non-colloïdales (les granulats) sont plongées dans une matrice à seuil thixotrope (la pâte de ciment) m'ont amené naturellement, dans une démarche de changement d'échelle, à étudier les suspensions de particules en interaction à travers un fluide à seuil (chapitre IV) et à m'intéresser aux propriétés des matériaux à seuil simples et thixotropes (chapitre III), en me concentrant sur leur transition liquide/solide.

Lorsqu'une suspension concentrée est en écoulement, il est fréquent d'observer que la concentration en particules ne reste pas homogène mais que les particules migrent vers des régions préférentielles de l'écoulement. Globalement, il existe deux types de modèles pour décrire cette interaction entre l'écoulement et la structure qui apparaît dans la suspension. Les premiers sont assez phénoménologiques et reposent sur l'étude des collisions qui surviennent entre les particules en écoulement. Ils donnent lieu à une description de la migration en terme de diffusion des particules. Le second modèle, appelé "Suspension Balance Model" (SBM), fait appel à l'action des contraintes normales d'origine particulaire engendrées par l'écoulement. Ce modèle semble très pertinent mais son utilisation souffre du manque de données sur les contraintes normales dans les suspensions. Ce manuscrit rapporte une étude expérimentale et numérique de la rhéologie et de la migration induite par un écoulement dans des suspensions non-browniennes concentres. La partie expérimentale consiste à mesurer, en géométrie torsionnelle plan-plan, la viscosité, les deux différences de contraintes normales et le tenseur des contraintes particulaires. Les contraintes particulaires déterminées expérimentalement sont alors injectées dans le "Suspension Balance Model" qui relie le flux de particules à la divergence du tenseur des contraintes particulaires, dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Les équations couplées de la conservation de la masse, des particules et du moment d'inertie sont implémentées dans OpenFOAM et résolues par la méthode des volumes finis. Les résultats numériques sont comparés à des résultats numériques et expérimentaux de la littérature. Enfin, le SBM est généralisé pour être utilisé dans tout type d'écoulement à 2 dimensions ; les cas du cisaillement d'un nuage de particules et de l'effet de la gravité dans un écoulement de Couette horizontal sont traités.

Cette étude porte sur la mise en forme des matériaux composites renforcés par des fibres ou des mèches de fibres courtes tels que les SMC ou les BMC. Un travail expérimental a dans un premier temps été réalisé à l'échelle macroscopique. Ce travail a permis de mettre au point un rhéomètre de compression lubrifiée ainsi que des méthodes d'essais et de dépouillement. Ceci permet de mieux caractériser la rhéologie des compounds SMC et BMC en traitant les problématiques de leur compressibilité et des frottements éventuels entre les parois du rhéomètre et la matière déformée. Un travail numérique a ensuite permis de simuler la mise en forme d'un BMC après l'identification des paramètres d'un modèle rhéologique simple à partir des données expérimentales obtenues sur le rhéomètre. Enfin, un travail expérimental à l'échelle microscopique a permis d'une part de caractériser finement les microstuctures de SMC modèles à partir de microtomographies à rayons X, et d'autre part de caractériser et de modéliser par le biais d'essais d'extraction de fibres les interactions entre les mèches formant le renfort fibreux de ces matériaux.

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Cette thèse est consacrée au mécanisme conduisant à des taux de collisions importants dans les suspensions turbulentes de particules inertielles. Le travail a été effectué en suivant numériquement des particules, par simulations directes des équations de Navier-Stokes, et également par étude de modèles simplifiés. Les applications de ce domaine sont nombreuses aussi bien dans un contexte industriel que naturel (astrophysique, géophysique). L'approximation des collisions fantômes (ACF), souvent utilisée pour déterminer les taux de collision numériquement, consiste à compter dans une simulation, le nombre de fois que la distance entre les centres de deux particules devient plus faible qu'une distance seuil. Plusieurs arguments théoriques suggéreraient que cette approximation conduit à une surestimation du taux de collision. Cette thèse fournit non seulement une estimation quantitative de cette surestimation, mais également une compréhension détaillée des mécanismes des erreurs faites par l'ACF. Nous trouvons qu'une paire de particules peut subir des collisions répétées avec une grande probabilité. Ceci est relié à l'observation que, dans un écoulement turbulent, certaines paires de particules peuvent rester proches pendant très longtemps. Une deuxième classe de résultats obtenus dans cette thèse a permis une compréhension quantitative des très forts taux de collisions souvent observés. Nous montrons que lorsque l'inertie des particules n'est pas très petite, l'effet " fronde/caustiques ", à savoir, l'éjection de particules par des tourbillons intenses, est responsable du taux de collision élevé. En comparaison, la concentration préférentielle de particules dans certaines régions de l'espace joue un rôle mineur.

The characteristics of fibers suspensions depend on the properties of fibers, the suspending fluid, and fiber-fiber interactions. This thesis demonstrates the development and application of a novel coupled method (lattice Boltzmann and finite element methods) to investigate these relationships. Fibers are modeled as flexible rod particles which are simulated by the finite element method. The fluid flow that causes the fibers to deform is calculated by the lattice Boltzmann method. The method is extended from the two dimensional case to the three dimensional case. Results from simulation show the rigid fiber in simple shear flow produces a good agreement for orientation of a fiber relative to the theoretical study by Jeffery (1922). The flexible fiber exhibits an increase on the rotational period from the rigid fiber due to more deformation shape is revealed during rotation. The simulation technique demonstrates the ability to simulate fiber-fiber interactions to further study of relative viscosity of suspensions in shear flow. Simulation results show that fiber orientation and relative viscosity depend on the fiber characteristics (fiber aspect ratio, fiber flexibility, and volume fraction). The results are verified against known experimental measurements and theoretical results. The broad aim of this research is to better understand the behavior of fibers in fluid flow. It is hoped that future researchers may benefit from the new technique and algorithms developed here.

Cavitation is the spontaneous vaporisation of a liquid to its gaseous state due to the local absolute pressure falling to the liquid's vapour pressure (Douglas, Gasiorek et al. 1995). Cavitation is present in a wide range of mechanical systems ranging from ship screws to journal bearing. Generally, cavitation is unavoidable and may cause considerable damage and efficiency losses to these systems. This thesis considers hydraulic systems specifically, and uses a modified Greens equation to develop a boundary integral method to simulate the effect that suspended solid bodies have on a single cavitation bubble. Because of the limitations of accurately modelling cavitation bubbles beyond touchdown, results are only presented for cases up to touchdown. The aim of the model is to draw insight into the reasons there is a measurable change in cavitation erosion rate with increasing oil-in-water emulsion percentage. This principle was extended to include the effect that ingested particulates may have on cavitation in hydraulic machinery. Two particular situations are modelled; the first consists of stationary rigid particles in varying proximity to a cavitation bubble near a rigid boundary. The second case is similar; however the suspended particle is allowed to move under the influence of the pressure differential caused by the expanding/contracting cavitation bubble. Numerous characteristics of the domain are considered, including domain pressures and fluid field motion, and individual boundary surface characteristics. The conclusion of the thesis is that solid bodies, either stationary or moving, have little effect on the cavity from an energy perspective. Regardless of size or density, all energy transferred from the cavity to the solid body is returned indicating that there is no net change. As this energy is ultimately responsible for the peak pressure experienced by the domain (and hence responsible for eroding the rigid boundary) as the cavity rebounds, it then serves that a cavity with a solid body will rebound at the same pressure as a cavity without a suspended body present. If this is coupled with the observation that the cavity centroid at touchdown is largely unaffected by the presence of a suspension, then it would appear that the bubble near a solid would rebound at a very similar position as a cavity without a solid. Consequently, the damage potential of a cavity is unaffected by a suspension. However, there is one point of contention as the profile of the re-entrant jet of the cavity is altered by the presence of a suspension. As energy is radiated away from the cavity during penetration, it is possible that the shape of the jet may alter the rate that energy is radiated away during penetration. However, this requires further research to be definitive.

Parmi les centrales solaires thermiques à concentration, la technologie des centrales à tour offre l'un des rendements les plus importants de production d'énergie. Néanmoins, l'efficacité et la sécurité de ces centrales sont améliorables. En effet, les sels fondus, généralement utilisés comme fluide de transfert thermique, présentent une plage limitée d'utilisation (200-550°C), à l'origine des limites d'efficacité de la conversion thermique-électrique, ainsi que de consommations parasites d'énergie de chauffage. De plus, leurs caractères corrosif et comburant sont à l'origine de sévères contraintes de sécurité. Un nouveau concept de récepteur solaire, dont les caractéristiques permettent de s'affranchir des contraintes associées aux sels fondus, est présenté dans ce manuscrit. Il utilise des suspensions denses de particules fluidisées par un gaz comme fluide de transfert et de stockage de l'énergie thermique. Ce concept, et la technologie de récepteur associée, a été brevetée par Flamant et Hemati dans le cadre d'une collaboration entre le Laboratoire CNRS-PROMES d'Odeillo, et l'Institut National Polytechnique de Toulouse. Son développement a reçu le soutien financier du CNRS, puis de la Commission Européenne. Les propriétés thermiques du carbure de silicium ont déterminé le choix de ce solide. Le diamètre moyen des particules utilisées avoisine 60 micromètres (groupe A). Ces particules présentent d'excellentes propriétés de fluidisation pour des vitesses de gaz faibles. La construction et l'exploitation d'une maquette froide transparente ont permis de démontrer la faisabilité hydrodynamique du concept. Cette maquette est un échangeur à deux passes. Chaque passe est constituée de deux tubes verticaux en parallèle. L'une est traversée par un débit vertical ascendant de solide, l'autre descendant. Un débit de solide continu, stable et équitablement réparti a été obtenu à l'intérieur des tubes. La caractérisation hydrodynamique détaillée de l'écoulement, et du comportement globale de la maquette, en fonction des conditions opératoires, a été effectué sur la partie ascendante de l'écoulement dans l'échangeur. La construction et l'exploitation d'une maquette chaude, constituée d'un seul tube traversé par une suspension dense en écoulement ascendant, chauffé par 3 fours d'une puissance totale de 5,6 kW, a permis d'estimer la capacité de transfert thermique de ce nouveau type d'échangeur. Le contrôle et la stabilité des conditions opératoires a permis d'évaluer l'effet de ces dernières sur le transfert thermique entre l'échangeur et la suspension dense de fines particules le traversant. La modélisation par 3 approches du transport ascendant de la suspension dense a également été réalisée. Une approche corrélative 1D basée sur le formalisme du modèle Bulle-Emulsion, adapté afin de tenir compte de l'entraînement des particules dans le sillage des bulles. Ce modèle permet de représenter la structure diphasique de l'écoulement. Une autre approche 1D a été utilisée. Elle repose sur la résolution des équations locales de conservation de masse et de quantité de mouvement sur chaque phase gaz et solide. Cette méthode permet de s'affranchir des hypothèses du modèle Bulle-Emulsion. Enfin, la simulation numérique 3D a été réalisée sur un maillage complet du système, de telle sorte que les conditions aux bornes imposées son identiques à celle imposée par l'opérateur (débit de fluidisation, débit d'aération, débit de solide, pression de la nourrice). Cette dernière apporte des informations sur la structure locale de l'écoulement, dont les caractéristiques permettent d'expliquer l'efficacité du transfert thermique entre la suspension et la paroi observé expérimentalement. / Among concentrating solar power plants, solar tower technology is one of the more power efficient. Nevertheless, their efficiency and safety can be improved. Indeed, molten salts, commonly used as heat transfer fluid, have a limited range of operating temperature (470-820K), thus lowering the thermal-electrical conversion efficiency, and increasing parasitic power consumption. Moreover, they are corrosive and combustion agent, leading to severe safety constraints. A new concept of solar receiver is presented in the present study, the characteristics of which avoid most of the molten salts drawbacks. It uses dense gas-particle suspension as heat transfer and storage fluid. This concept and the associated technology has been patented by Flamant et Hemati in the frame of a collaboration between the PROMES-CNRS Laboratory of Odeillo and the Polytechnic National Institute of Toulouse. Its development has been first supported by the CNRS, and later by the European Commission. Thermal properties of silicon carbide have determined the choice of this solid. The mean diameter of particles is around 64 microns (A group). These particles have excellent fluidisation properties at low gas velocities. The construction and the operation of a transparent cold mockup allowed demonstrating the hydrodynamic feasibility of this concept. This mockup is composed of two passes. Each pass is composed of two tubes in parallel. One pass is upward flow of solid, the other is downward flow. A steady, stable and evenly distributed solid flow has been set inside the tubes. The global behaviour of the system and the hydrodynamics of the suspension has been evaluated as a function of operating parameters on the upward pass. The construction and the operation of a hot mockup allowed estimating the heat transfer efficiency of this new kind of exchanger. On this mockup, the dense suspension flows upward inside a single tube, heated by three ovens of 5.6 kW total power. Thanks to the control and stability of the operating parameters, their effects on the heat transfer between the tube and the dense gas-solid suspension has been accurately determined. Modelling of the suspension upward flow has been performed using 3 approaches. The first one is based on the 1D Bubble-emulsion formalism, adapted to take into account the solid entrainment by the bubble wakes. It allows modelling the diphasic structure of the flow. The resolution of the local mass and momentum balance equation on each phase has also been performed. It allows to sidestep the Bubble-Emsulion assumptions, and to study the effects of drag models. 3D simulation has been performed on a complete mesh of the system, so that the boundary conditions are the same as those imposed by the operator (fluidisation flow rate, aeration flow rate, solid flow rate, dispenser pressure). These simulations give information on the local structure of the suspension flow, influencing on the heat transfer efficiency between the exchanger wall and the suspension.