Cette thèse propose une analyse originale des phénomènes de brisure de gouttes et d'action d'un champ électrique dans un système microfluidique.<br /> Une première partie présente l'étude d'une goutte traversant une jonction microfluidique. Après avoir identifié trois scénarios possibles - dont deux entraînent la brisure - nous proposons<br />une étude quantitative des comportements observés dans l'espace des variables locales puis des paramètres de contrôle. Ces résultats ont été appliqués à l'extraction de phase microfluidique.<br /> Dans une seconde partie, nous étudions l'effet du champ électrique sur une goutte fortement confinée. La pertinence de l'approche théorique bidimensionnelle est établie sur deux expériences modèles qui analysent l'évolution de la forme d'une goutte confinée sous champ et la variation de vitesse d'une goutte soumise à un champ inhomogène. Enfin, nous appliquons ces résultats au contrôle de gouttes dans des systèmes microfluidiques d'architectures variées.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail concerne la généralisation d'un modèle de dépôt de particules. La première partie présente l'approche de modélisation adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le coeur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi (MPP) destiné au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les modèles. La validation est assurée par le passage en particules fluides en vérifiant que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. Ce travail a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le MPP reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons choisi de modéliser la thermophorèse dans le MPP. Nous étudions d'abord la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie est consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le MPP. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt en milieu liquide / We present new results obtained with the generalisation to non isothermal flows of a Near-Wall particle deposition Model (NWM). This work is divided in two parts. The first part consists in coupling the Generalised Langevin Model used to compute the particles statistics in the core of the flow with the NWM that calculates particles motion in the vicinity of the wall. In order to achieve the coupling, we focus on the balance of fluxes of fluid particles crossing the interface between the models. This amounts to assessing if the coupling is valid in the fluid limit case, as non-physical accumulation of fluid particles can occur at the interface. It has lead to theoretical and numerical developments on the conditional statistics of particles crossing an interface. The particle deposition rate is then computed with inertial particles and the model reproduces satisfactorily experimental studies in isothermal flow. In the case of non isothermal flows, particles can experience thermophoresis (which is a mechanism that induces a particle flux in the presence of a temperature gradient) that may strongly affect the particle deposition rate. We thus choose to model thermophoresis in NWM to predict accurate particule deposition in non isothermal flows. We first investigate thermophoresis in gas as it is well explained. Thermophoresis in liquids is then studied. In contrast to the gases, the theory and experiment of thermophoresis in liquids are far from being well established. The last part of this work, dedicated to the modelisation of thermophoresis in liquids in the NWM has lead to new promising numerical results of particle deposition enhanced by thermophoresis

On s'intéresse dans ce travail à la simulation des écoulements diphasiques. Différents modèles, tous hyperboliques, sont considérés suivant les configurations étudiées. Dans un premier temps, plusieurs schémas Volumes Finis sont comparés pour l'approximation du modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model), notamment en présence de faibles densités. Ensuite on démontre l'existence et l'unicité de la solution faible entropique d'une loi de conservation scalaire gouvernant l'évolution de la saturation d'un écoulement diphasique dans un milieu poreux. On propose alors deux schémas Volumes Finis tenant compte du caractère résonnant de cette équation. La troisième partie concerne les écoulements en eaux peu profondes et l'approximation des termes sources raides. Une méthode permettant le maintien d'états au repos ainsi que le recouvrement et l'apparition de zones sèches, est présentée et comparée aux méthodes habituellement utilisées dans l'industrie. Enfin, une classe de modèles hyperboliques non conservatifs se basant sur l'approche bifluide à deux vitesses et deux pressions est proposée. Une étude des solutions discontinues du système convectif permet d'exhiber une classe de fermetures sur la vitesse interfaciale et sur la pression interfaciale, tout en permettant de définir de manière unique les produits non conservatifs. L'approximation se fait à l'aide d'une méthode de splitting d'opérateur. On utilise deux schémas Volumes Finis, le schéma de Rusanov et le schéma de Godunov approché VFRoe-ncv pour l'étape de convection. Plusieurs cas tests sont présentés et commentés : tubes à choc, conditions limites de paroi, robinet d'eau, sédimentation.

Pour les études de sécurité industrielle, il est nécessaire d'évaluer le débit diphasique lors de vidanges accidentelles de stockages de gaz liquéfiés sous pression. Or, seules de rares études existent avec d'autres produits que l'eau. Le présent travail s'intéresse donc à l'influence de la nature du fluide mais aussi de la géométrie de la conduite. Nous avons conçu un montage expérimental (réservoir de 27 litres admettant une pression de 0,4 MPa) afin de comparer l'eau, le CFC11 et le CFC113 dans une même installation. Différentes conduites (diamètres 8 et 16 mm et longueurs de 0,1 à 0,6 m) ont d'abord été utilisées avec l'eau afin de déterminer la meilleure géométrie pour cette comparaison. Les mesures réalisées dans le réservoir montrent qu'au cours de la vidange il existe des oscillations de la pression, qui sont plus importantes pour les CFC que pour l'eau. Malgré ces différences, les trois fluides testes restent très prés des conditions d'équilibre. Les débits mesures sont ensuite comparés aux estimations de différents modèles. Les hypothèses les plus simples (Modèle homogène à l'équilibre) conduisent à une bonne évaluation du débit. Il ressort de cette analyse qu'il est nécessaire de considérer des frottements pour une bonne description des mesures faites le long de la conduite. Cependant, il existe des écarts résiduels entre les prévisions de ces modèles et les résultats expérimentaux: les débits mesures et ceux estimes ne sont pas égaux mais, de plus, le rapport de ces deux débits est différent selon le fluide utilisé. Pour expliquer ces écarts, il nous apparait nécessaire de prendre en compte simultanément des vitesses différentes (Échanges de quantité de mouvement entre les phases) d'une part et des écarts à l'équilibre d'autre part.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour but de modéliser puis de simuler des problèmes de balistique intérieure. Nous étudions deux modèles diphasiques différents: le modèle de Gough répandu dans la littérature balistique et un modèle de relaxation. Ces modèles ont des propriétés mathématiques différentes mais ont en commun qu'ils sont conditionnellement hyperboliques et non conservatifs. Nous proposons une méthode numérique pour résoudre les systèmes d'équations associés en trois dimensions d'espace. Une attention particulière est portée sur les termes sources et en particulier sur le critère d'allumage et le modèle de combustion à basse pression.

L’objet de cette thèse est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d’écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais qui consistent à calculer directement les plus grandes structures de l’écoulement et à modéliser les plus petites. Ces méthodes adaptées aux écoulements turbulents monophasiques sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type ’ Volume Of Fluid’ (VOF) spécifique au caractère diphasique de l’écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée sur la configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l’impact d’un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA-CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations. / The scope of this dissertation is to model and simulate non-miscible two-phase turbulent and incompressible flows. The modeling and the simulation of this kind of flows are carried out in the framework of the Large Eddy Simulation (LES) which consists in calculating directly the largest structures of the flow and in modeling the finest ones. These numerical methods, applied usually to the simulation of single-phase turbulent flows, are extended to the simulation of two-phase turbulent flows in this work. Hence, the LES methods are coupled with an Eulerian ’Volume of Fluid’ (VOF) approach which is particularly adapted to interfacial flows. The relevance of this numerical coupling bewtween LES and VOF methods is validated in the following industrial configuration of the CEA-CESTA: the impact of a turbulent round jet on a free water/air surface in a cavity. Some experimental velocity measurements (Particle Image Velocimetry PIV), carried out at the CEA-CESTA, are available to validate the numerical results.

Dans l'industrie du pétrole et des moteurs, les écoulements de fluides non-miscibles sont fréquemment rencontrés : écoulements d'hydrocarbures dans les conduites, séparation en production, injection de carburant dans les moteurs, procédés de raffinage, etc.Pour modéliser ce type d'écoulement, deux approches sont possibles. Soit l'écoulement est décrit de façon macroscopique et les phénomènes locaux (rupture et coalescence des gouttes, glissement des phases, compaction locale, etc.) sont modélisés à l'aide de lois de fermeture analytiques ou empiriques. Soit l'écoulement est modélisé de manière directe à l'échelle de la goutte et on s'attache à décrire précisément l'interface et les interactions entre les phases. C'est cette dernière approche que nous avons proposé d'adopter pour étudier des écoulements à phase dispersée liquide-liquide, et plus particulièrement les phénomènes de rupture et coalescence, collision ou déformation de gouttes. Ainsi, le but principal de ce travail de thèse a été le développement d'un code de simulation numérique directe capable de modéliser un écoulement diphasique liquide-liquide, afin d'étudier en détail les effets de coalescence et de rupture entre les gouttes. Ce travail a nécessité l’utilisation d’une technique de suivi d’interface appropriée et le développement d’un solveur des équations de Navier-Stokes incompressible pour calculer le champ de vitesse, ainsi qu’une méthode de couplage entre ces deux solveurs pour la simulation des écoulements diphasiques. Notre outil numérique a été validé sur de nombreux cas tests académiques et appliqué à l'étude du processus de séparation liquide-liquide. / The flow of immiscible fluids is a frequent issue in the petroleum industry: hydrocarbon in pipelines, separation process for production, fuel injection in engines, refinery treatment processes, etc.There are two possible approaches to model this type of flow. In the first one, the flow is described macroscopically. In this case, local phenomena (breakage or coalescence of droplets, phase slip, local compaction) are modeled thanks to analytic closure laws or empiric laws. In the second approach, the flow is simulated indirectly on a scale of droplet and we want to describe precisely the interface and the interactions between phases. We propose here to consider the second method to study liquid/liquid dispersed flows and especially the phenomena of breakage or coalescence and collision or distortion of the droplets.Thus, the main purpose of this work was the development of a direct numerical simulation code that is capable to model a liquid-liquid two-phase flow, in order to study in detail the effects of droplets coalescence and breakage. To model a two-phase flow, it is necessary to choose an appropriate interface tracking method and to develop a solver for Navier-Stokes incompressible equations to compute the velocity and pressure values. Also, a coupling method that is able to handle the discontinuous quantities at the interface has to be implemented. Our numerical tool has been validated on numerous academic test cases and applied to study the process of liquid-liquid separation.

Le travail réalisé dans cette thèse a consisté en le développement et l'utilisation des modèles numériques pour étudier les interactions multi-échelles entre une éolienne offshore et la dynamique locale océanique et sédimentaire. Dans une première partie, les interactions entre le système couplé océan-sédiment et le sillage atmosphérique généré par une turbine éolienne offshore sont étudiées à l'aide d'un modèle numérique 2D développé au cours de la thèse et écrit en fortran. Ce modèle résout les équations de Barré-De-Saint-Venant pour l'océan et l'équation d'Exner pour le sédiment. Dans un seconde partie, le phénomène d'affouillement 3D autour d'un cylindre vertical est étudié à l'aide d'un modèle diphasique eulérien-eulérien, sedFoam, implémenté dans la boîte à outils numériques OpenFOAM. L'approche diphasique permet de tenir compte des processus de petite échelle en s'affranchissant des hypothèses classiquement faites pour la modélisation du transport sédimentaire, notamment la corrélation locale entre le flux de sédiments et la contrainte de cisaillement fluide sur le fond.Concernant l'impact du sillage atmosphérique généré par une turbine, nous avons montré que celui-ci peut générer des allées tourbillonnaires dans l'océan. La dynamique turbulente océanique est alors contrôlée par le paramètre de sillage S=Cd D/H, où D est le diamètre du sillage au point d'impact sur la surface de l'océan, Cd est le coefficient de la loi de friction quadratique entre l'océan et le fond et H la profondeur de l'océan. Une paramétrisation des flux turbulents basée sur S est proposée pour modéliser la dynamique océanique dans des modèles à plus grande échelle de type RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Les résultats montrent que la dynamique océanique a une rétro-action sur la puissance du vent disponible. Les résultats montrent également que la dynamique sédimentaire instantanée est couplée à la dynamique océanique. Cependant, les variations de l'élévation du fond marin sont faibles (mm/mois) et l'impact morphodynamique du sillage est négligeable.Concernant la simulation diphasique de l'affouillement, après une validation du modèle sur des configurations 1D et 2D, des simulations tridimensionnelles autour d'une pile cylindrique sont présentées. Dans un premier temps, une configuration sans sédiments est réalisée afin de valider la capacité du modèle de turbulence URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) développé dans ce travail de thèse à reproduire les structures tourbillonnaires responsables de l'affouillement comme le tourbillon en fer à cheval et le lâché tourbillonnaire à l'aval du cylindre. Ensuite, les premières simulations diphasiques 3D de l'affouillement autour du cylindre ont été réalisées en régime de transport de type lit-mobile. Ces simulations constitue un véritable challenge en terme calcul numérique à haute performance. La comparaison favorable des résultats de simulations avec les résultats expérimentaux de la littérature apporte la preuve de concept que l'approche diphasique est pertinente pour étudier des configurations d'écoulements complexes instationnaire et tridimensionnelle. Les résultats de simulation sont ensuite analysés pour étudier la relation entre le flux local de transport de sédiments, la valeur de la contrainte fluide sur le fond et la pente locale du lit sédimentaire. La déviation par rapport aux résultats obtenus en écoulement uniforme permet d'identifier les mécanismes prépondérant de transport associées au tourbillon en fer à cheval, à la pente de fond et aux tourbillons lâchés dans le sillage du cylindre. Les résultats obtenus montrent une sensibilité à la résolution numérique en particulier à l'aval du cylindre illustrant le besoin de réaliser des simulations des grandes échelles turbulentes diphasiques. / The work undertaken in this PhD thesis was to develop and use numerical models to investigate the multi-scale interactions between an offshore wind turbine and the local ocean and sediment dynamics. First, the interactions between the coupled ocean-sediment system and the atmospheric wake generated by an offshore wind turbine are investigated using an idealized two-dimensional model developed during this Phd thesis and written in fortran. The model integrates the shallow water equations for the ocean together with the Exner equation for the sediment bed. In a second part, the 3D scour phenomenon around a vertical cylinder in a steady current is studied using a two-phase flow eulerian-eulerian solver, sedFoam, written within the framework of the numerical toolbox OpenFOAM. The two-phase flow approach accounts for small-scale processes by avoiding the traditional assumptions made for sediment transport modeling, such as a local corre- lation between the sediment flux and the fluid bed shear stress.Regarding the atmospheric wake generated by a turbine, the results shows that its impact on the ocean’s surface can generate vortices. The resulting turbulent ocean dynamics is controlled by the wake parameter S = CdD/H, where D is the wake diameter at the impact location on the ocean surface, Cd is the quadratic friction coefficient between the ocean and the sediment and H is the oceanic layer depth. A turbulence parameterization based on S is proposed, allowing for upscaling simulations in larger scales Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models. It is shown that the ocean dynamics has an effect on the available wind power. The results also show that the instantaneous sediment dynamics is strongly coupled with the ocean one but that the overall seabed elevation variations remain small (a few millimeters/month). The morphodynamic impact of the wake is thus negligible.Concerning the two-phase flow simulation of scour, sedFoam is first validated on 1D and 2D configurations. Then, 3D simulations around a vertical cylindrical pile are presented. At first, a validation of the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence model developed in this work is performed on a configuration without sediment. The results show that the vortices structures responsible for scouring, the Horse Shoe Vortex (HSV) and the vortex-shedding in the lee of the cylinder are correctly reproduced. Then, 3D two-phase flow simulations of the scour around a cylindrical pile have been carried out in a live-bed configuration. This work is the first attempt to model 3D scour phenomenon using the two-phase flow approach. Such simulations represent a real challenge in terms of high performance computing. The good agreement between the numerical predictions and the literature experimental results provide the proof of concept that the two-phase flow approach can be used to study complex 3D and unsteady flow configurations. The relationship between the local bed shear stress, the sediment flux and the local sediment bed slope is further investigated. The deviation of the results from a uniform flow configuration is further analyzed to identify the relevant sediment transport mechanisms associated with the HSV, the slope in the scour mark and the vortex-shedding downstream of the cylinder. Finally, the numerical results show a grid sensitivity of the morphological predictions in the lee of the cylinder that are most probably related to small-scale resolved vortical structures. This highlights the need for two-phase flow Large Eddy Simulations on this configuration in the future.

La conception de chambres de combustion de nouvelles génération moins polluantes et fonctionnant sur des plages de stabilité plus grandes nécessite une meilleure connaissance et modélisation de la dynamique de la combustion.De nombreux systèmes sont alimentés avec des carburants liquides atomisés qui interagissent avec des grandes structures de l’écoulement d’air puis avec le front de flamme. Il existe cependant peu de données qui permettent de valider les outils de simulation dans des configurations mettant en jeu des flammes en interaction avec des structures contrôlées pour des écoulements polyphasiques.Certaines de ces interactions fondamentales sont étudiées dans ce travail pour des écoulements laminaires soumis à des modulations de vitesse. Les configurations expérimentales correspondent à des flammes à contre-courant et à des jets inertes libres, avec une injection de combustible liquide vaporisé ou sous la forme de sprays polydisperses. Ces écoulements peuvent être soumis à des modulations de vitesse de manière à reproduire les effets d’instationnarité. En fonction de la fréquence de la pulsation, des tourbillons de tailles contrôlées sont générés à la sortie des brûleurs et sont convectés par l’écoulement. Ils interagissent avec le spray de combustible ou la flamme.Une première partie de la thèse vise à caractériser la dynamique de flammes prémélangées dans des écoulements à point d’arrêt pour des combustibles gazeux. L’étude se concentre tout particulièrement sur l’interaction de structures tourbillonnaires avec une flamme plane. Différentes réponses de la flammes ont identifiées et analysées en fonction de la taille des tourbillons générés.Deux régimes de propagation des perturbations de vitesse sont mis en évidence correspondant à une oscillation en bloc de la zone de combustion ou à des perturbations limitées à la périphérie du front de flamme. Ces constatations remettent en cause le choix des conditions aux limites à imposer dans les simulations numériques unidimensionnelles de ces configurations. Des comparaisons entre des prévisions numériques et des mesures du champ de vitesse supportent nos conclusions. L’analyse de la réponse de ces flammes est ensuite poursuivie par la détermination de leurs fonctions de transfert entre le dégagement de chaleur et les perturbations vitesses imposées à la sortie du brûleur.Ces mesures basées sur l’étude du signal de chimiluminescence rayonné par la flamme mettent à nouveau en évidence une différence de comportement entre la région restreinte au centre de l’écoulement à point d’arrêt et le comportement global de l’ensemble de la zone de combustion. Ces configurations sont ensuite utilisées pour identifier les mécanismes de production de bruit par des flammes parfaitement et partiellement prémélangées.La deuxième partie des travaux est dédiée à la caractérisation de la réponse à des tourbillons d’un spray dilué convecté par un jet inerte ou d’un spray combustible alimentant une flamme plane de diffusion dans un écoulement à contre-courant lorsqu’ils interagissent avec des tourbillons. L’originalité du travail repose sur l’utilisation combinée de diagnostics optiques avancés pour caractériser la dynamique de la phase gazeuse et de la phase dispersée, ainsi que leurs interactions par une prise d’images en moyenne conditionnée à différents instants du cycle de modulation. La distribution de la vapeur de carburant injecté dans les phases gazeuses et liquides est notamment caractérisée grâce à la Fluorescence Exciplex Induite par Laser (LIEF). La distribution de vitesse et la granulométrie des gouttelettes du spray sont déterminées localement par effet Doppler (PDA) et dans un plan par Interférométrie par Imagerie de Particules (IPI). Ces diagnostics sont complétés par l’utilisation de la Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) et la Vélocimétrie par Imagerie de Particules(PIV) pour déterminer la réponse de la phase gazeuse de ces écoulements. / Modern combustion systems benefit from constant technological advanceswhich aim at reducing the emissions of chemical pollutants and at wideningregimes of stable operation. Further progress in the combustion field requiresa better understanding and modelling of the combustion dynamics. In thesesystems, the combustible is often injected as a liquid polydisperse spray. Experimentaldata are thus required to validate simulation tools in configurationswith flames interacting with controlled structures in multi-phase flows.This thesis aims at studying some of these fundamental interactions in wellcontrolledlaminar flows submitted to upstream modulations. Two experimentalconfigurations are investigated comprising counterflow flames and free inertjets, fed with gaseous or liquid combustibles. The flows may be submittedto upstream velocity modulations to reproduce effects of unsteadiness. Dependingon the pulsation frequency, vortices of controlled sizes are shed fromthe burner lips and convected with the flow, while interacting with the sprayand the flame.In the first part of this thesis, the dynamics of a premixed stretched flameis analysed in a stagnation flow. The study focuses on determining the flowand flame structures under upstream modulations, and principally on studyingthe dynamics of flame/vortex interactions. Different responses of the flameare identified and analysed relative to the size of the vortex ring generated atthe burner outlet. Two propagation modes for the velocity perturbations areidentified, corresponding to a bulk oscillation of the entire reaction zone orto a flame perturbed only at its periphery. This leads to a discussion on thechoice of velocity boundary conditions to conduct 1D simulations of theseconfigurations. Comparisons between simulations and measurements of thevelocity field illustrate these conclusions. Flame transfer functions betweenheat release rate and velocity perturbations imposed at the burner outlet areestablished for different flow conditions. These measurements relying on localand global chemiluminescence of the flame show again a distinct behaviourof the emission originating from the flame region close to the burner axis andthe whole flame. Mechanisms of sound production by partially and perfectlypremixed flames are also identified and analysed relative to flame/vortex interactions.In the second part, the dynamics of a spray convected by a free inert jet or impinginga diffusion flame submitted to velocity modulations is analysed. Theoriginality of this work consists in characterizing the flow and spray dynamicsusing a set of advanced diagnostics. Phase-conditioned images at different instantsin the modulation cycle are used to analyse the interactions between thegaseous phase and the spray. The spatial distribution of combustible vapourand liquid phases is determined using Laser Induced Exciplex Fluorescence(LIEF). Velocities and sizes distribution of droplets from the spray are determinedlocally by Phase Doppler Anemometry (PDA) and in a plane by InterferometricParticle Imaging (IPI). Laser Doppler Velocimetry (LDV) andParticle Image Velocimetry (PIV) are also used to determine the response ofgaseous phase. These phase-conditioned analysis highlight some interactionsbetween the gaseous and liquid phases and constitute an interesting databasefor detailed simulation of these two-phase flows.