Les maladies pulmonaires obstructives touchent aujourd'hui plusieurs millions de personnes dans le monde. Ces maladies se manifestent par l'accumulation d'un liquide appelé mucus dans les poumons, pouvant aboutir, lorsqu’elle est trop importante, à la formation de ponts liquides entravant la circulation de l’air. Les voies pulmonaires peuvent néanmoins se rouvrir via la rupture de ces ponts liquides. Ces réouvertures peuvent résulter du cycle respiratoire, d’écoulements plus violents provoqués par le mécanisme de toux ou encore nécessiter des séances de kinésithérapie respiratoire pour les malades atteints de bronchites chroniques ou de mucoviscidose. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à la rupture de ponts liquides engendrée par un cycle de respiration ou via un forçage unidirectionnel d’intensité suffisante. En particulier nous avons caractérisé expérimentalement et théoriquement les pressions critiques nécessaires pour rouvrir des voies obstruées. Nous avons aussi étudié les derniers instants de vie d’un pont liquide et mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement différents régimes de rupture. A forte vitesse, cette rupture est obtenue via l’atomisation du liquide, c’est à dire la formation de gouttelettes qui pourraient correspondre aux éjectas lors de la toux. Enfin nous nous sommes intéressés à un problème plus éloigné des poumons mais néanmoins fondamental en microfluidique : la dynamique de ponts liquides sur des surfaces partiellement mouillantes. Nous avons montré qu’au-dessus d’un certain seuil en vitesse, le déplacement d’un simple doigt de liquide à débit constant aboutit à la formation d’un train de bulles et de ponts liquides calibrés. / Obstructive pulmonary disease now affects several million people worldwide. These diseases are manifested by the accumulation of a liquid called mucus in the lungs which, when too large, can lead to the formation of liquid plugs which impede air circulation Pulmonary pathways can nevertheless reopen via the rupture of these liquid plugs. These reopenings may result from the respiratory cycle, more violent outflows caused by the cough mechanism or require respiratory physiotherapy sessions for patients with chronic bronchitis or cystic fibrosis. In this thesis we were interested in the rupture of liquid plugs generated by a breathing cycle or by a unidirectional forcing of sufficient intensity. In particular, we have experimentally and theoretically characterized the critical pressures necessary to reopen obstructed pathways. We also studied the last moments of life of a liquid plug and demonstrated both experimentally and numerically different regimes of rupture. At high velocity, this rupture is obtained via the atomization of the liquid, ie the formation of droplets that could correspond to the ejections during the cough. Finally, we were interested in a problem more distant from lungs but nevertheless fundamental in microfluidics: the dynamics of liquid plugs on partially wet surfaces. We have shown that above a certain velocity threshold, the displacement of a single liquid finger at constant flow results in the formation of a train of calibrated bubbles and liquid plugs.

Le système respiratoire est très complexe de par sa structure fractale qui induit des physiques très différentes. Les bouchons liquides caractéristiques de certaines maladies comme la mucoviscidose, les bronchites chroniques ou l’asthme résultent de l’accumulation de mucus dans les voies pulmonaires. Comprendre les mécanismes à l’œuvre lors de l’écoulement de ces bouchons lors d’un cycle respiratoire est donc primordial pour améliorer notre compréhension et le traitement de ces pathologies. Nous présentons dans cette thèse une première étude théorique et expérimentale de la dynamique de ces bouchons liquides dans des tubes capillaires rigides soumis à des forçages unidirectionnels et cycliques. Nous avons développé au cours de ce travail un modèle simplifié permettant de reproduire quantitativement les dynamiques observées, de comprendre la physique sous-jacente et d’identifier les sources d’instabilités qui entraînent la rupture d’un pont liquide. Ce modèle nous a permis de déterminer les pressions critiques nécessaires à la réouverture des voies pulmonaires. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dynamique des ponts liquides dans des tubes rectangulaires. Nous avons identifié de nouveaux régimes qui n’apparaissent pas dans les géométries cylindriques, et en particulier un régime d’oscillation stable sous forçage en pression périodique. Enfin nous nous sommes intéressés à la dynamique cyclique de ponts liquides dans des réseaux synthétiques en arbres. Nos premiers résultats montrent que les ponts qui ne sont pas détruits lors du premier demi-cycle persistent très longtemps dans les voies et oscillent de manière cyclique dans une génération jusqu’à leur rupture. / Owing to the complexity of the respiratory system, the mechanism of breathing is not well understood, especially in pathological conditions when airways are obstructed by mucus. The presence of liquid plugs resulting from the accumulation of mucus in the bronchial tree is a characteristic of genetic diseases like cystic fibrosis or chronic diseases like asthma or chronic bronchitis. Thus, understanding the dynamics of these plugs during the breathing cycle is essential to improve our understanding of those diseases. In this thesis, we study experimentally and theoretically, the dynamics and rupture of liquidplugs under unidirectional and cyclic forcing in a rigid capillary tube. We develop a reduced dimension model, which quantitatively reproduces the observed dynamics, unveil the underlying physics and in particular the sources of the plug instability leading to its rupture. From this model, we are able to derive the critical pressure magnitude required to reopen obstructed pathways. Then we investigated the cyclic dynamics of liquid plugs in rectangular channels, a geometry of the utmost interest for microfluidic systems. In this case, we show that under cyclic pressure forcing, two regimes can be observed depending on the values of the capillary number: one leading to the rupture of the plug and one to stable cyclic oscillations.Finally, in the last part of this work, we study experimentally the cyclic forcing of liquid plugs in tree structures mimicking the geometry of intermediate generation of the lung. These preliminary results show that plugs not ruptured during the first half cycle persist in the airways for a long time and oscillate until their rupture.

Cette thèse porte sur les effets combinés de l'excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l'écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l'écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d'instabilité. L'écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l'excentricité repousse le seuil d'instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L'effet de l'advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L'excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor " pseudo-toroïdaux " lorsque le débit axial est nul, et de structures " pseudo-hélicoïdales " d'ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l'on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l'instabilité absolue est étudiée par application d'un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d'inhiber fortement l'instabilité absolue, d'origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d'un ordre de grandeur. L'effet de l'excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l'instabilité convective, le mode dominant l'instabilité absolue correspond à l'écoulement tourbillonnaire " pseudo-toroïdal " pour toute la gamme de paramètres considérée.

Cette thèse porte sur les effets combinés de l’excentricité et du débit axial sur les propriétés de stabilité linéaire de l’écoulement de Couette circulaire avec cylindre extérieur fixe. Cet écoulement intervient, entre autres, lors du forage de puits de pétrole. Une méthode pseudospectrale est mise en oeuvre pour calculer l’écoulement de base, stationnaire et invariant suivant la direction axiale, ainsi que les modes normaux d’instabilité. L’écoulement est régi par quatre paramètres adimensionnels : rapport de rayons _ et excentricité e pour la géométrie, nombres de Reynolds azimuthal et axial, Re et Rez, pour la dynamique. La première partie de l’étude est consacrée aux propriétés de stabilité temporelle. Il apparaît que l’excentricité repousse le seuil d’instabilité convective vers de plus fortes valeurs de Re. L’effet de l’advection axiale sur le seuil est principalement stabilisant également. L’excentricité a pour conséquence de déformer la structure des modes par rapport au cas concentrique. Le mode au plus fort taux de croissance temporelle est ainsi constitué de tourbillons de Taylor « pseudo-toroïdaux » lorsque le débit axial est nul, et de structures « pseudo-hélicoïdales » d’ordre azimuthal croissant lorsque Rez augmente. Les résultats sont qualitativement similaires lorsque l’on change le rapport de rayons. Les prédictions théoriques sont en bon accord avec les quelques résultats expérimentaux disponibles. Dans une seconde partie, l’instabilité absolue est étudiée par application d’un critère de point selle à la relation de dispersion. Le débit axial a pour effet d’inhiber fortement l’instabilité absolue, d’origine centrifuge, et la valeur de Re au seuil est typiquement supérieure à celle de Rez d’un ordre de grandeur. L’effet de l’excentricité est plus complexe : légère stabilisation aux faibles valeurs de e, puis déstabilisation marquée aux excentricités modérées lorsque Rez est suffisament grand, et enfin stabilisation lorsque e croît davantage. Contrairement au cas de l’instabilité convective, le mode dominant l’instabilité absolue correspond à l’écoulement tourbillonnaire « pseudo-toroïdal » pour toute la gamme de paramètres considérée. / This work is concerned with the combined effects of eccentricity and pressure-driven axial flow on the linear stability properties of circular Couette flow with a fixed outer cylinder. An example of this flow can be found in oil-well drilling operations. A pseudospectral method is implemented to compute the basic flow, steady and homogeneous in the axial direction, as well as the normal modes of instability. There are four non-dimensional parameters: the radius ratio _ and the eccentricity e for the geometry, the azimuthal and axial Reynolds numbers, Re and Rez, for the dynamics. The first part of the study is devoted to the temporal stability properties. It is found that eccentricity pushes the convective instability threshold towards higher values of Re. The effect of axial advection on the threshold also tends to be stabilising. Eccentricity deforms the modes structure compared to the concentric case. As a result, the mode with the largest temporal growth rate takes the form of ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortices in the absence of axial flow, and ‘pseudo-helical’ structures with increasing azimuthal order as Rez becomes larger. Results are qualitatively similar for different radius ratios. Agreement with the few available experimental data is good. In a second part, absolute instability is studied by applying the pinch-point criterion to the dispersion relation. Axial flow is found to strongly inhibit absolute instability, the mechanism of which being centrifugal, and the value of Re at the threshold is typically one order of magnitude larger than that of Rez. The effect of eccentricity is more complex: weak stabilisation for low values of e, marked destabilisation for moderate eccentricities and high enough Rez, and finally stabilisation as e is further increased. Unlike temporal instability, the dominant absolutely unstable mode is the ‘pseudo-toroidal’ Taylor vortex flow over the whole range of parameter space considered.

Les réacteurs structurés de type monolithe apparaissent comme une alternative intéressante aux réacteurs triphasiques conventionnels (à lit fixe ruisselant ou à suspension), car ils offrent dans leurs canaux millimétriques, dans une large gamme de débits, un écoulement bien défini, consistant en une succession de bulles et bouchons liquides (écoulement dit de Taylor). Celui-ci, proche de l'écoulement idéal " piston ", permet également une intensification du transfert gaz-liquide, notamment grâce à l'existence d'un film mince de liquide séparant les bulles de la paroi catalytique. Par ailleurs, les dernières technologies de fabrication additive offrent de nouvelles possibilités de réalisation de ce type de réacteur, sous la forme d'une structure métallique conductrice alternant canaux catalytiques et canaux dédiés au fluide caloporteur. Cette configuration efficace de réacteur-échangeur autorise à considérer le monolithe comme uniforme en température et à réduire sa modélisation à celle d'un canal unique isotherme. C'est la stratégie de modélisation adoptée dans ce travail de thèse, qui cherche à représenter chacun des phénomènes avec seulement le niveau de complexité nécessaire, en progressant de l'échelle locale à l'échelle du réacteur. L'outil choisi ici est le logiciel COMSOL Multiphysics pour sa capacité à traiter des problèmes multi-physiques et multi-échelles. Une approche classique pour les écoulements de Taylor est appliquée, construite autour d'une " cellule unitaire " qui se déplace à la vitesse diphasique le long du canal. Le champ hydrodynamique calculé sert alors de support au calcul du transfert de masse entre les phases. Le premier cas d'étude traité - transfert d'oxygène dans l'eau avec réaction de consommation de l'oxygène en paroi - sert à poser les bases du modèle, en examinant le bien-fondé de différentes hypothèses simplificatrices, concernant le nombre de phases modélisées, les conditions aux limites du domaine pour les équations résolues, ou encore la forme de bulle. Ce travail préliminaire a montré que la résolution de la phase liquide uniquement, autour d'une bulle de forme simplifiée, peut assurer une représentation satisfaisante des profils de vitesse dans les bouchons et dans le film de lubrification par rapport à des calculs diphasiques. Il a aussi permis d'évaluer de façon séparée les contributions au transfert gaz-liquide de chacune des zones d'interface (film, nez ou arrière de la bulle) et de quantifier l'influence sur l'efficacité du transfert de la fréquence de bullage, qui modifie à la fois l'aire interfaciale et l'intensité de recirculation dans les bouchons. La démarche est ensuite appliquée au cas de l'hydrogénation de l'alpha-pinène, et validée par une campagne d'essais réalisés pour un tube catalytique de 2 mm de diamètre et de 40 cm de longueur, fonctionnant sous 21 bar et entre 100°C et 160°C. Le modèle utilise pour la couche catalytique en paroi une loi cinétique intrinsèque, identifiée en réacteur autoclave agité (pour le même catalyseur de Pd/Al2O3, mais sous forme de poudre). Il suit par un calcul instationnaire la progression de la cellule unitaire jusqu'à la sortie du réacteur. Outre les effets des paramètres clés mis en évidence précédemment, ceux de la consommation de gaz le long du réacteur et des conditions " initiales " de saturation du liquide sont examinés. Le fonctionnement du monolithe peut être reproduit dans son intégralité à partir de ce modèle, par association de canaux recevant des débits individuels de gaz et de liquide représentatifs de la distribution des fluides observée expérimentalement, et en lui incorporant un module de mélange des fluides issus de chacun des canaux en sortie de réacteur. Ce modèle sert aussi de référence pour l'évaluation d'un outil de dimensionnement plus direct, basé sur une hydrodynamique simplifiée et des coefficients d'échange globaux évalués à partir de corrélations ou des simulations numériques dédiées. / Structured reactors of monolith type arise as an interesting alternative to conventional three-phase reactors (trickle-bed or slurry reactors), because they offer, in a wide range of flow rates, a welldefined flow structure in their millimetric channels, consisting of an intermittent series of gas bubbles and liquid slugs (i.e. Taylor flow). This flow regime, close to the ideal “plug flow” behavior, enables the improvement of gas-liquid mass transfer, thanks to the thin liquid film laying between the bubbles and the catalytic wall. Moreover, recent additive manufacturing technologies offer new possibilities for producing such a reactor, in the form of a metal heat-conducting block alternating catalytic channels and channels dedicated to the coolant. This efficient reactor/heat exchanger configuration allows the monolith to be considered as uniform in temperature and to reduce its modeling to that of a single isothermal channel. This is the modeling strategy adopted in this thesis, which aims to represent each phenomenon with the required level of complexity only, progressing from the bubble/slug scale to the reactor scale. COMSOL Multiphysics® software is selected as the numerical tool for its ability to handle multiphysics and multi-scale problems. The approach classically used for Taylor flows is applied, based upon a "unit cell" (gas bubble associated to a lubricating liquid film and two liquid half-slugs) that travels along the channel at the two-phase velocity. Solved hydrodynamics then serves as a basis for the calculation of gas-liquid mass transfer. The first study case - oxygen transfer into water with consumption at the channel wall – lays the foundations of the model, by examining the merits of various simplifying hypotheses concerning the number of phases to be considered (gas and liquid, or liquid only), the boundary conditions for the solved equations (periodicity, slip conditions at the gas-liquid interface), or the bubble shape (calculated or "simplified"). This preliminary work has shown that the simplest approach, which consists in solving the liquid phase only, as flowing around a bubble of simplified shape, can ensure a satisfactory representation of the velocity profiles in the liquid slugs and in the lubrication film, compared with two-phase flow (semi-analytical or CFD) calculations. This study also allows to evaluate separate contributions from different parts of the bubble surface (film, and front or back cap) to gas-liquid mass transfer, and to quantify the influence on transfer efficiency of bubble frequency, which affects both the interfacial area and the recirculation intensity in the slugs. The modelling approach is then applied to the hydrogenation of alpha-pinene and validated by an experimental tests carried out in a catalytic tube of 2 mm diameter and 40 cm length, operating at 20 bar and between 100°C and 160°C. The model uses an intrinsic kinetic law for the reaction occurring in the catalytic washcoat, identified in a stirred autoclave reactor (for the same Pd/Al2O3 catalyst, but in powdered form). Transient calculation follows the progression of the unit cell until the reactor exit. In addition to the effects of the key parameters previously identified, those of gas consumption along the reactor (hydrogen being here the limiting reactant) and "initial" saturation conditions of the liquid are examined. The behavior of the entire monolith can be mimicked from this model by combining, in a mixing module, the outflows of channels whose individual gas and liquid flow rates match a measured fluid distribution. This model also serves as a reference for evaluating a more direct reactor sizing tool, based on simplified hydrodynamics and overall exchange coefficients evaluated from correlations or dedicated numerical simulations.

Cette thèse s’articule autour de trois projets principaux indépendants les uns des autres. En premier lieu, nous avons développé une méthode de résolution chirale innovante reposant sur l’écoulement de Taylor-Couette et ne nécessitant donc pas l’utilisation d’une phase stationnaire. Les résultats de cette étude sont présentés dans le chapitre 2. En parallèle, nous nous sommes également investis en chimie supramoléculaire et avons notamment commencé à explorer l’effet d’un faible champ magnétique (< 2 T) sur le processus d’auto-assemblage de motifs moléculaires paramagnétiques. Nos efforts expérimentaux sont consignés dans le chapitre 3, chapitre à la fin duquel nous discutons de l’intérêt des états hors-équilibre dissipatifs, en particulier en chimie supramoléculaire. Ces derniers sont d’ailleurs (encore aujourd’hui) une branche énigmatique de la thermodynamique dans la mesure où de tels systèmes ne sont encore décrits par aucun principe thermodynamique (à l’inverse des systèmes à l’équilibre, parfaitement décrits par la thermodynamique classique) rendant leur prédiction compliquée. Dans le chapitre 4, nous exposons notre tentative de description d’un système dissipatif (un oscillateur de pH tout organique) au moyen de mesures calorimétriques à flux continu. Ces trois projets, bien que très différents, s’articulent néanmoins tous autour d’une philosophie commune : l’auto-assemblage loin de l’équilibre. / This thesis deals with three main projects, which are loosely related to one another. Chapter one introduces the progress made in the field of mechanical chiral resolution. The second chapter of this thesis shows the development of a resolution method based on Taylor-Couette flow, and how nonequilibrium self-assembly amplifies the resolution process. The third chapter describes our efforts to control non-equilibrium self-assembly by using weak magnetic fields (<2T). Finally, in chapter four, we show our attempts to describe non-equilibrium dissipative states using continuous-flow calorimetry. All chapters contain elements of non-equilibrium self-assembly or non-equilibrium systems, hence the title: “Non-equilibrium self-assembly: from shear flows to magnetic fields”

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de la spirale turbulente, le régime de coexistence laminaire-turbulent en forme d'hélice observé dans l'écoulement de Taylor-Couette, l'écoulement cisaillé entre deux cylindres coaxiaux. A cette fin nous avons réalisé des écoulements de Couette aux dimensions inégalées. Nous montrons que la spirale turbulente est un motif de grande longueur d'onde devant l'écartement des cylindres et ne peut exister si le rapport d'aspect azimutal est inférieur à 50. Nous révélons pour la première fois, l'existence d'un régime équivalent, partageant les mêmes propriétés d'un point de vue qualitatif et quantitatif, dans l'écoulement de Couette plan, l'écoulement cisaillé entre deux parois planes circulant à vitesses égales mais opposées, pourvu que ses rapports d'aspect soient suffisamment grands. Ceci nous incite à considérer la spirale turbulente comme la manifestation propre à l'écoulement de Taylor-Couette d'un motif de coexistence laminaire-turbulent ordonné de grande longueur d'onde générique des écoulements cisaillés. Nous avons étudié son émergence à partir de l'écoulement turbulent et constaté que le motif apparaît progressivement suivant un scénario identique pour les deux écoulements. L'étude quantitative conduite dans l'écoulement de Taylor-Couette, montre qu'il apparaît comme le résultat d'une instabilité de l'écoulement turbulent homogène, la coexistence laminaire-turbulent étant obtenue loin du seuil lorsque l'amplitude des modulations est suffisamment forte pour qu'il y ait relaxation vers l'état laminaire dans les minima. Le motif apparaît via une bifurcation supercritique et un jeu d'équations de Ginzburg-Landau couplées à coefficients réels suffisent pour reproduire nos observations à condition d'y ajouter du bruit. La cohérence de cette démarche est confirmée par la détermination des coefficients et nous proposons un schéma global de la transition dans le cadre d'une dynamique potentielle en présence de bruit.

Les contacteurs centrifuges, basés sur les écoulements de Taylor-Couette, sont bien adaptés pour la mise en œuvre de réactions chimiques ou biochimiques, y compris en milieu polyphasique. Ils possèdent particulièrement plusieurs propriétés favorables à la mise en œuvre des opérations d'extraction liquide-liquide. Un dispositif expérimental a été conçu avec cette idée en tête. Il est constitué de deux cylindres concentriques avec le cylindre intérieur entraîné en rotation et l'externe fixe. L’écoulement de Taylor-Couette se produit dans l’espace annulaire entre eux. Il présente la particularité d’évoluer vers la turbulence par apparition successive d’instabilités. La dispersion axiale ainsi que le mélange, sont extrêmement sensibles à ces structures d’écoulement, ce qui rend difficile la modélisation du couplage entre l’hydrodynamique et le transfert de matière. Ce point particulier a été étudié expérimentalement et numériquement. L’écoulement et le mélange ont été caractérisés par des mesures simultanées de PIV (Vélocimétrie par Imagerie de Particules) et PLIF (Fluorescence Induite par Laser). Les champs de concentration PLIF ont permis d’identifier les différents mécanismes de transport intra et inter-vortex. Pour les régimes ondulatoires (WVF et MWVF), le mélange intra-vortex est contrôlé par l’advection chaotique, directement lié aux caractéristiques du champ de vitesse, qui confère aux vortex une capacité plus importante à convecter et à étirer les filets de fluide. En revanche, l’apparition des vagues brisent les frontières qui séparent les vortex ce qui favorise le transport inter-vortex. La combinaison de ces deux mécanismes contrôle principalement la dispersion axiale. Nous avons également mis en évidence le comportement non monotone des propriétés de mélange en fonction de l’histoire de l’écoulement. Notamment l’état d’onde (la longueur d’onde axiale et l’amplitude de la vague). Nous avons calculé le coefficient de dispersion axiale Dx à l’aide des mesures de distribution de temps de séjour (DTS) et de suivi Lagrangien de particules (DNS). Les deux résultats numériques et expérimentaux ont confirmé l’effet significatif des structures de l’écoulement et de l’histoire sur la dispersion axiale. / Taylor-Couette flows between two concentric cylinders have great potential applications in chemical engineering. They are particularly convenient for two-phase small scale devices enabling solvent extraction operations. An experimental device was designed with this idea in mind. It consists of two concentric cylinders with the inner one rotating and the outer one fixed. Taylor-Couette flows take place in the annular gap between them, and are known to evolve towards turbulence through a sequence of successive instabilities. Macroscopic quantities, such as axial dispersion and mixing index, are extremely sensitive to these flow structures, which may lead to flawed modelling of the coupling between hydrodynamics and mass transfer. This particular point has been studied both experimentally and numerically. The flow and mixing have been characterized by means of flow visualization and simultaneous PIV (Particle Imaging Velocimetry) and PLIF (Planar Laser Induced Fluorescence) measurements. PLIF visualizations showed clear evidences of different transport mechanisms including « intravortex mixing » and « inter-vortex mixing ». Under WVF and MWVF regimes, intra-vortex mixing is controlled by chaotic advection, due to the 3D nature of the flow, while inter-vortex transport occurs due to the presence of waves between neighbouring vortices. The combination of these two mechanisms results in enhanced axial dispersion. We showed that hysteresis may occur between consecutive regimes depending on flow history and this may have a significant effect on mixing for a given Reynolds number. The axial dispersion coefficient Dx evolution along the successive flow states was investigated thanks to dye Residence Time Distribution measurements (RTD) and particle tracking (DNS). Both experimental and numerical results have confirmed the significant effect of the flow structure and history on axial dispersion. Our study confirmed that the commonly used 1-parameter chemical engineering models (e.g. the « well-mixed stirred tanks in serie » model) are not valid for Taylor-Couette reactors modelling : two parameters are at least required for an efficient description of mixing in Taylor-Couette flows.

Cette thèse vise à modéliser les instabilités hydrodynamiques générant des détachements tourbillonnaires pariétaux (ou VSP) responsables des Oscillations De Pression dans les moteurs à propergol solide longs et segmentés par interaction avec l’acoustique du moteur. Ces instabilités sont modélisées en tant que modes de stabilité linéaire globaux de l’écoulement d’un conduit à parois débitantes. En supposant que les structures pariétales émergent d’une perturbation de l’écoulement de base, des modes discrets et indépendants du maillage utilisé sont calculés. Dans ce but, une discrétisation par collocation spectrale multi-domaine est implémentée dans un solveur parallèle afin de s’affranchir de la croissance polynomiale des fonctions propres et de la présence de couches limites. Les valeurs propres ainsi calculées dépendent explicitement des frontières du domaine, à savoir la position de la perturbation et celle de la sortie, et sont ensuite validées par simulation numérique directe. On montre alors qu’elles permettent bien de décrire la réponse à une perturbation initiale de l’écoulement modifié par une rupture de débit pariétale. Ensuite, la simulation d’une réponse forcée par l’acoustique se fait sous forme de structures tourbillonnaires dont les fréquences discrètes sont en accord avec celles des modes de stabilité. Ces structures sont réfléchies en ondes de pression de même fréquences remontant l’écoulement. Finalement, la simulation numérique et la théorie de la stabilité permettent de montrer que le VSP, dont la réponse est linéaire vis-à-vis d’un forçage compressible comme l’acoustique, est le phénomène moteur des Oscillations De Pression. / The current work deals with the modeling of the hydrodynamic instabilities that play a major role in the triggering of the Pressure Oscillations occurring in large segmented solid rocket motors. These instabilities are responsible for the emergence of Parietal Vortex Shedding (PVS) and they interact with the boosters acoustics. They are first modeled as eigenmodes of the internal steady flowfield of a cylindrical duct with sidewall injection within the global linear stability theory framework. Assuming that the related parietal structures emerge from a baseflow disturbance, discrete meshindependant eigenmodes are computed. In this purpose, a multi-domain spectral collocation technique is implemented in a parallel solver to tackle numerical issues such as the eigenfunctions polynomial axial amplification and the existence of boundary layers. The resulting eigenvalues explicitly depend on the location of the boundaries, namely those of the baseflow disturbance and the duct exit, and are then validated by performing Direct Numerical Simulations. First, they successfully describe flow response to an initial disturbance with sidewall velocity injection break. Then, the simulated forced response to acoustics consists in vortical structures wihich discrete frequencies that are in good agreement with those of the eigenmodes. These structures are reflected into upstream pressure waves with identical frequencies. Finally, the PVS, which response to a compressible forcing such as the acoustic one is linear, is understood as the driving phenomenon of the Pressure Oscillations thanks to both numerical simulation and stability theory.

Implanter une machine électrique dans un véhicule hybride pose avant tout des problèmes d’encombrement. Sous-dimensionner la machine semble légitime compte tenu de l’usage qui en est fait sur véhicule. Par contre, cela suppose que les aspects thermiques soient pris en compte non seulement lors de l’utilisation, mais aussi lors de la conception de la machine. Le phénomène majeur limitant la densité de puissance massique des machines électriques est l’échauffement interne des bobines et des aimants. La modélisation thermique de la machine est complexe compte tenu de la diversité des sources de chaleur et de la coexistence de différents modes de transferts thermiques : conduction dans la matière, convection avec l’eau de refroidissement, conduction, convection et rayonnement dans l’entrefer. En termes de géométrie, si une première approche peut être réalisée en ne considérant que des flux de chaleur radiaux, la composante axiale doit nécessairement être prise en compte dès lors qu’on veut tenir compte aussi des extrémités de machine, et notamment de la chaleur produite par les roulements et les têtes de bobines. Ainsi pour pouvoir analyser pertinemment les transferts thermiques dans la machine, des méthodes numériques de type CFD ont été utilisées pour caractériser le transfert thermique par convection. La caractérisation des échanges thermiques par convection naturelle et forcée a été réalisée à l’intérieur d’une machine synchrone à aimants permanents internes (MAPI). Des relations empiriques ont été proposées afin de prendre en compte le couplage entre la thermique et l’aérodynamique dans les cavités des machines électriques totalement fermées. Afin de valider la pertinence des modèles numériques dans le cadre de ce travail, des mesures thermiques à l’aide des moyens d’essais de l’UTC ont été réalisées. Les résultats de cette étude sont utilisés pour construire des circuits thermiques équivalents qui prennent en compte les phénomènes thermiques complexes dans les machines électriques fermées utilisées dans les véhicules hybrides et électriques. Ces recommandations de conception permettront l’optimisation de l’effort investi pour le refroidissement de la machine électrique dans ses différentes phases de fonctionnement. / The integration of an electrical machine into modern hybrid vehicles is associated with new technical constraints such as the integrability into small volume without losing certainly in performance. Therefore, the development of compacter electrical machines is a well-founded argument for car manufacturers as well as electrical machine designers. On the other hand, this finding assumes that the thermal aspects are undertaken not only during the operation of the electrical machine, but also during the design process. The internal heat generated in different areas impacts strongly the power density and the magnet health which deeply reduce the electrical machine reliability. Heat transfer modeling inside electrical machines is a tricky task because of the strong coupling between the different physics governing their operations. Indeed, the generated losses spread inside the electrical machine through three heat transfer modes which are: conduction (heat diffusion), convection(heat transport) and radiation (heat scattering). In terms of geometry, if a first approach can be carried out by considering only radial heat fluxes, the axially-transferred heat must be undertaken when it is also necessary to consider end caps effects, and particularly the heat released by the bearings. In order to carry out relevantly the thermal analysis of a permanent magnets synchronous machine, CFD based methods are used to characterize the convective heat transfer inside this machine over a large operating range. Both natural and forced convection are analyzed and the corresponding heat transfer coefficients are numerically-estimated. Empirical equations are proposed in order to take into account the coupling between thermal and fluid dynamics inside the cavities of the studied totally-enclosed machine. These correlations are integrated then into a detailed and reduced thermal network. Experimental tests are carried out using a test bench in order to measure temperature distribution in different areas of the electrical machine. Afterward, a comparison between estimated and measured temperatures shows that the results of the numerically-enhanced thermal network are in a good agreement with measurements. Thus, the proposed recommendations based on CFD modeling allow the convective heat transfer to be characterize quickly and precisely. These correlations are useful for upcoming studies dealing with convection inside automotive electrical machines as well as high speed electrical machines.