La connaissance du flux d'eau que le sol peut transmettre entre une nappe peu profonde et la surface est d'importance pour la gestion de la ressource en eau et la pérennité des périmètres irrigués. En régime permanent, on estime classiquement ce flux en résolvant la loi de Darcy ; on admet donc que le processus de remontée capillaire s'effectue sous la forme d'un écoulement liquide isotherme. La solution de l'équation présente une asymptote : pour un sol et une profondeur de nappe donnés, il existe un flux limite indépendant des conditions à la surface du sol. A partir de mesures sur une colonne de sol et de calculs basés sur un modèle de transferts d'eau et de chaleur dans le sol et l'atmosphère, nous étudions l'effet de la diffusion vapeur et du couplage entre le sol et l'atmosphère sur le flux dans la zone non saturée. Nous montrons que la loi de Darcy est bien adaptée à l'estimation de ce flux d'autant que les variations climatiques diurnes sont sans conséquence sur le flux moyen.

Le processus de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine des dommages au bâti durant les périodes de sécheresse. Dans cette thèse, les processus de retrait-gonflement de deux formations de sol argileux en France qui sont les Argiles Plastiques du Sparnacien et l'argile d'Héricourt du Lias sont étudiés à différentes échelles et différents états (intact, remanié, compacté et traité à la chaux) en considérant spécialement le rôle de la microstructure. Pour ce faire, une partie de la recherche est réalisée sur la caractérisation des sols étudiés pour analyser leurs propriétés minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques par rapport à leur propriété de retrait-gonflement. La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'analyse des processus de gonflement, de retrait, de fissuration des sols au cours d'un cycle simple ou de cycles répétés d'humidification-séchage à l'échelle de l'éprouvette. Les processus de retrait-gonflement de sol à une échelle plus grande sont étudiés dans la troisième partie en réalisant les essais d'infiltration et d'évaporation dans une chambre environnementale. Les résultats obtenus mettent en évidence les différences de comportement au retrait-gonflement pour différents états des sols étudiés. Les minéraux argileux ainsi que le quartz, les carbonates et des hydrates, mais aussi la microstructure des sols contrôlent ces phénomènes de retrait-gonflement lors des échanges hydriques. Tous les changements de volume de sol argileux au cours de gonflement-retrait sont gouvernés principalement par la famille de pores inter-agrégats naturels. Ces résultats sont apportés par les analyses microstructurales porosimétriques et au MEB. / The shrink-swell process of clayey soils is causing damage to the structures during periods of drought. In this thesis, the shrink-swell process of two clayey soils in France that are the Plastic Clays of Sparnacian age and Héricourt clay of Lias is studied at different scales and different conditions (intact, remoulded, compacted and lime treated) by insisting on the role of microstructure. To do this, a part of the study is carried out on the characterisation of soils studied to analyse their mineralogical, microstructural, geotechnical and hydraulic properties in relation with their shrink-swell property. The second part of the study focuses on the analysis of swelling, shrinkage, cracking processes of soil during a single cycle or repeated wetting-drying cycles at specimen scale. The shrink-swell process of soil at a larger scale is studied in the third part by performing infiltration and evaporation tests in the environmental chamber. The results highlight the difference in the shrink-swell behavior at different conditions of soils studied and emphasize the importance of the presence and nature of clay minerals also quartz, hydrates and microstructure of soil to the shrinkage and swelling during water exchange. All changes in the volume of clayey soil during shrinkage and swelling are mainly governed by natural inter-aggregate pores, which are showed by microstructural analyses of MIP and SEM tests.

La physique de mouillage et de séchage de sang n’est pas encore bien connue. Dans le cadre d’un travail collaboratif, une étude est réalisée afin d’apporter de nouveaux outils aux équipes d’investigations criminelles. L’objectif est de comprendre les dynamiques qui entrent en jeu dans la formation de traces de sang, un fluide complexe. Nous nous intéressons aux traces dites passives telles que l’égouttement ou l’accumulation, qui résultent de l’action de la pesanteur. Nous considérons d’abord les gouttes passives. Le comportement d’impact de gouttes de fluides complexes est un sujet qui a été largement étudié mais suscite encore de vifs débats. Bien que le séchage d’une goutte déposée ait déjà été étudié, ceci n’est pas le cas pour des gouttes qui viennent impacter perpendiculairement une surface, tombant depuis une certaine hauteur. Parallèlement nous étudions le séchage de flaques de sang car leur dynamique de séchage n’a pas été étudiée jusqu’à présent. Différents paramètres tels que la nature des substrats, l’humidité et la température sont pris en compte afin de comprendre le lien entre la typologie des motifs séchés et les phénomènes observés en vue de répondre à des applications criminelles. Enfin des relations empiriques sont établies. Grace à des méthodes inverses, ces relations permettent, par la suite, d’obtenir une estimation de la vitesse d’impact de gouttes séchées. / The physics behind wetting and drying of blood is not yet completely understood. In the context of a collaborative project, new techniques have been developed to provide evidence for investigators in crime solving. Given that blood is a complex fluid, the major aim has been to investigate the dynamics involved in the patterns of stain formation. Interest is focused on passive stains, which result from the action of gravity in dripping or blood flow accumulation. In the case of drip stains, the impact behaviour of complex fluid droplets, despite many studies, raises much debate. Although the drying dynamics of a deposited drop of blood were already studied, this is not the case for drops of blood impacting perpendicularly a surface, falling from a certain height. Beside this, until the present work, little attention has been paid to the dynamics controlling the drying of blood pools. In both situations, the influence of different parameters such as substrates, humidity and temperature are examined. Empirical relations are established between final dried blood patterns and the generating mechanism, yielding possible application in blood pattern analysis for forensic investigations. Finally, using inverse methods, the empirical relations allow estimating an impact velocity, for dried drip stains.

Ces travaux ont pour contexte de participer à l’optimisation les cycles de décontamination des salles propres en utilisant un nouveau système de décontamination. Le principe de ce système est de décontaminer un volume par condensation de vapeur de peroxyde d’hydrogène sur toutes les parois intérieures du volume. Différents modèles de condensation et d’évaporation pariétaux ont été étudiés, développés et implémentés dans un code CFD, en incluant des modèles simples ainsi que des modèles plus complexes prenant en compte la forme de la phase liquide pariétale. En parallèle, afin de valider les modèles, un dispositif expérimental d’isolateur pour la décontamination a été utilisé afin de créer une base de données expérimentale de condensation de vapeur. Enfin, la validation de ce modèle numérique a été réalisée en comparant les résultats numériques fournis par le modèle développé dans une reproduction numérique de l’isolateur expérimental avec les résultats des expérimentations. / The context of this work is to contribute to the optimization of clean room decontamination cycles by using a new decontamination system. The concept of this system is to decontaminate a volume by condensing hydrogen peroxide vapour on all the inner walls of the volume. Different models of wall condensation and evaporation have been studied, developed and implemented in a CFD code, including simple models as well as more complex models taking into account the shape of the liquid phase at the wall. In parallel, in order to validate the models, an experimental isolator device for decontamination was used to create an experimental steam condensation database. Finally, the validation of this numerical model was carried out by comparing the numerical results provided by the model developed in a digital reproduction of the experimental isolator with the results of the experiments.

L’évaporation du carburant injecté dans une chambre de combustion est un phénomènecrucial dans un foyer aéronautique car elle détermine la quantité de vapeur qui sera ensuite brûléepour fournir de l’énergie au moteur. Cependant, ce phénomène reste mal décrit du fait desdifficultés de mesurer expérimentalement les taux d’évaporation des gouttes appartenant à unbrouillard. D’autre part, les hypothèses des modèles théoriques ne sont toujours pas représentativesdes conditions rencontrées dans les foyers de combustion.La thèse s’inscrit dans une démarche visant à étudier l’évaporation d’un groupe de gouttesdans un écoulement turbulent au moyen de la Simulation Numérique Directe (SND). En effet, lorsde l’évaporation de groupes de gouttes, des effets collectifs peuvent influer sur le taux d’évaporationde chaque goutte ou sur le taux d’évaporation global du nuage de gouttes. L’approche SNDpermet de quantifier précisément ces effets afin d’améliorer les modèles actuels d’évaporation.Dans un premier temps, des algorithmes ont été développés et utilisés dans une configuration1D sphérique pour décrire l’évaporation d’une goutte statique isolée et sans gravité. Puisdans un second temps, l’évaporation d’une goutte a été étudiée dans un écoulement laminaire.Une analyse des échanges de chaleur entre la goutte et le milieu extérieur ainsi que de la force detraînée exercée par l’écoulement laminaire sur la goutte a été effectuée. Dans cette partie, il a étémis en évidence que l’évaporation induit une diminution des échanges thermiques et de la traînée.Il a notamment été observé que dans certains cas de forte évaporation, la traînée de la gouttepeut devenir négative. Cela implique que l’évaporation peut être à l’origine d’un phénomène depropulsion de la goutte. Une analyse théorique permet de lier ce comportement à une asymétriedu débit d’évaporation. Dans un troisième temps, l’influence de la turbulence sur l’évaporationd’une goutte a été étudiée. Pour cela, un générateur de fluctuations turbulentes a été implémentéet des techniques de calculs parallèles ont été introduites pour réduire le temps des calculs. Celaa permis d’analyser les échanges thermiques et le comportement de la traînée d’une goutte eninteraction avec un écoulement turbulent. Il a été montré que ces deux grandeurs ont tendanceà être amplifiées par la turbulence. Enfin, dans un dernier temps, l’évaporation de groupes degouttes a été étudiée. Pour trois groupes de gouttes différents, les déplacements des gouttes ontété analysés avec les échanges de chaleur lorsque ceux-ci sont placés dans un écoulement laminaireou turbulent avec ou sans changement de phase. En présence d’évaporation, il a été mis enévidence que les déplacements sont différents des cas sans évaporation et donc que le changementde phase modifie les effets collectifs. De plus, ces effets de groupes ont aussi été observés sur leséchanges thermiques. / The vaporisation of injected fuel in a combustion chamber is a crucial phenomenon inan aeronautical motor because it determines the vapour quantity which will be burned to bringenergy to the motor. Still, this phenomenon is not well understood due to the difficulties tomeasure on experiments vaporisation rates of injected sprays. Moreover, hypothesis of theoriticalmodels are not representatives of conditions encountered in combustion furnaces.The thesis take place in an effort to analyse the evaporation of droplet groups in a turbulentflow by mean of Direct Numerical Simulation (DNS). Indeed, during droplet group evaporation,collective effects can modify single droplet rates of vaporisation and the group global rate ofvaporisation. The DNS approach should allows to quantify precisely this effect and leads to animprovement of actual models of evaporation.Firstly, algorithms are developped and used in a 1D spherical configuration to describe theevaporation of a single static droplet without gravity. Secondly, the vaporistion of a droplet in alaminar flow has been studied. The analysis focus on heat exchanges between the droplet and theexternal environment as well as the force exerced on the droplet by the laminar flow. In this part,it has been highlighted that the evaporation induced a decrease in thermal exchanges and drag.In some cases of strong evaporation, the drag of the droplet has been observed to be negative.It means that the evaporation can cause a propulsion phenomenon of the droplet. A theoriticalanalysis allows to link this behaviour to an asymetry of the vaporisation rate. Thirdly, a studyof the turbulence influence on the evaporation of a droplet has been carried out. A generator ofturbulent fluctuations has been implemented and parallel approaches have been introduced toreduced computational time. It allowes to analyse thermal exchanges and drag behaviour of adroplet interacting with a turbulent flow. The analysis showed that theses two variables increasewith turbulence. Lastly, the evaporation of groups of droplets has been studied. For three differentgroups of droplets, trajectories of droplets have been analysed with heat exchanges when they areput in a laminar or a turbulent flow with or without phase change. In presence of evaporation,the analysis pointed out that trajectories were different from cases whitout evaporation and sothat phase change modifies collective effects. Moreover, these collective effects have also beenobserved on thermal exchanges.

Les MEMS RF sont des composants clés pour le développement de nombreuses fonctions de systèmes hyperfréquences plus efficaces et plus compactes (déphaseurs, module transmission/réception, réseau d’antennes à déphasage, circuits reconfigurables, réseau d’adaptation …). Pour le développement des prochaines générations de systèmes RADAR, Thales s’intéresse notamment à l’intégration de MEMS RF capacitifs pour développer des fonctions reconfigurables pouvant supporter des puissances hyperfréquences de l’ordre de 30 W. Les travaux exposés dans ce manuscrit se sont concentrés sur l’étude de matériaux diélectriques et de techniques de dépôts pour identifier, intégrer et démontrer la viabilité de diélectriques prometteurs pour les MEMS RF capacitifs de puissance. Les aspects relatifs à la fabrication de ces composants ont également été étudiés, particulièrement l’impact de la maitrise des états de surface sur les performances, la tenue en puissance et la défaillance des dispositifs. En outre, ces travaux ont montrés qu’avec l’introduction des matériaux déposés par ALD, la tenue en puissance des MEMS RF capacitifs n’est plus limitée par le diélectrique. En intégrant ces matériaux ALD, l’architecture des dispositifs devient le facteur limitant la tenue en puissance, particulièrement l’épaisseur de la membrane et la configuration du commutateur. En perspectives, différentes architectures ont donc été développées et étudiées pour adresser ces limitations de tenue en puissance. / RF MEMS are key components to improve the efficiency and size of numerous functions of microwave systems (Phase shifter, transmission/reception module, antennas array, reconfigurable systems, impedance matching…). To develop the next generation of RADAR systems, Thales takes special interest in the integration of capacitive RF MEMS devices to demonstrate reconfigurable functions with power handling capabilities up to 30 W. The work reported in this thesis did focus on the study of dielectric materials and deposition techniques to identify, integrate and demonstrate the advantages of promising dielectrics for capacitive RF MEMS power handling. The components fabrication aspects have also been studied, especially the impact of surface state quality on performances, power handling and devices failure mechanisms. Furthermore, this work did point out that with the integration of ALD material, power handling of capacitive RF MEMS is no longer limited by the capacitance dielectric. Furthermore, with the integration of ALD material the components design become the limiting factor for power handling, particularly the membrane thickness and the switch configuration. To open new prospects, several designs have been developed and studied to address these power handling limitations.

Les recherches que nous présentons dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre de l’analyse des phénomènes de transport fondamentaux impliqués lors du processus d’évaporation d’un film liquide mince. Outre les mécanismes macroscopiques (résistance thermique du solide, capillarité, thermocapillarité, …) qui influencent le comportement de tels films, des développements fondamentaux et expérimentaux ont mis en évidence le rôle significatif d’effets microscopiques, comme les forces de van der Waals [11,96,117]. L’objectif de cette thèse est double. Il s’agit tout d’abord de caractériser les phénomènes locaux qui influencent le processus d’évaporation et ensuite, d’étendre notre étude à une échelle globale “macroscopique”. Ce manuscrit est divisé en deux parties qui correspondent à ces deux objectifs. L’étude décrite dans la première partie propose une contribution originale à la modélisation de l’évaporation des films minces, y compris au voisinage des lignes de contact. De manière générale, nous cherchons à mettre en évidence l’influence de phénomènes qui se déroulent aux petites échelles sur le transfert thermique d’un film mince déposé sur une paroi plane et chauffée. Dans le cadre de l’hypothèse de lubrification, deux modèles sont dès lors développés. Le premier modèle décrit l’évaporation d’un film liquide mince dans sa vapeur pure tandis que le second modèle porte sur l’évaporation d’un film liquide mince dans un gaz inerte. Les diverses recherches menées sont principalement orientées vers la quantification, d’une part, des angles de contact apparents générés par l’évaporation, malgré le caractère parfaitement mouillant du couple liquide-solide utilisé et, d’autre part, des flux de chaleur et de matière interfaciaux. Une particularité du premier modèle est qu’il généralise divers modèles existants [15,25,86,117] en regroupant un ensemble de phénomènes spécifiques et complexes tels que le saut de température à l’interface liquide-vapeur, la résistance thermique de la vapeur et celle du solide ou la variation locale de la température de saturation à l’interface liquide-vapeur suite à la courbure interfaciale et aux forces de van der Waals. En plus de ces effets, d’autres mécanismes plus classiques sont inclus dans le modèle : la tension superficielle, la thermocapillarité, la pression de disjonction, l’évaporation et le recul de vapeur. Des analyses de stabilité linéaires et des études paramétriques ont été réalisées afin de quantifier l’influence de ces phénomènes sur la stabilité d’un film liquide mince, sur son évaporation et sur le transfert de chaleur associé. Au travers des chapitres 3 et 4, nous mettons notamment en évidence • comment les forces de van der Waals compensent l’évaporation du film liquide mince de façon à créer un film stationnaire stable, • pourquoi le recul de la vapeur et la thermocapillarité sont deux phénomènes qui peuvent être négligés dans les conditions étudiées dans ce travail, • des lois analytiques qui décrivent certaines variables du problème, plus particulièrement l’angle de contact et le maximum du flux de chaleur, en fonction de la surchauffe de la paroi solide. Faisant suite aux travaux proposés par Haut et Colinet [59], nous avons ensuite développé un second modèle afin de caractériser l’évaporation dans une faible quantité de gaz inerte d’un film liquide mince déposé sur une paroi plate et chauffée. Tout comme dans le cadre de l’étude précédente, notre analyse s’articule autour d’une étude de stabilité linéaire ainsi que d’études paramétriques réalisées sur des nombres caractéristiques du problème. Alors que les conclusions sur la stabilité du film sont indépendantes de la quantité de gaz inerte contenue dans la phase vapeur, il n’en est pas de même pour les transferts de matière et de chaleur interfaciaux comme montré au chapitre 5. Dans la seconde partie du travail, nous utilisons les conclusions auxquelles nous sommes arrivés dans la première partie dans le cadre d’une application industrielle. En collaboration avec le Centre d’Excellence en Recherche Aéronautique (CENAERO) et la société Euro Heat Pipes (EHP), une stratégie a été élaborée afin de simuler les transferts thermiques radiaux dans une rainure d’un caloduc au niveau de l’évaporateur. Les résultats numériques, obtenus sur base d’un modèle multi-échelle développé à l’ULB et implémenté numériquement lors d’un stage chez CENAERO, montrent que ces transferts sont influencés par la valeur de l’angle de contact. Celui-ci dépendant des phénomènes microscopiques, il s’avère par conséquent nécessaire de les inclure dans le modèle thermique. En effet, si nous ne considérons que les aspects macroscopiques du problème, qui se résument à la conduction dans le solide et dans le liquide, le coefficient d’échange global au niveau de la rainure est surestimé.

La pomme, fruit le plus cultivé sur le sol français, est principalement menacée par le pathogène Venturia inaequalis, responsable de la maladie de la tavelure qui génère des pertes considérables si elle n'est pas traitée. La politique actuelle de gestions des risques phytopathologiques en France incite à une forte réduction des traitements phytosanitaires tout en maximisant le rendement et la qualité des productions. Dans ce contexte, il apparaît indispensable de mieux comprendre les interactions entre l'arbre, son pathogène, et leur environnement, qui s'articulent pour le cas de la tavelure du pommier autour de la durée d'humectation des feuilles. Au cours de ce travail nous nous sommes intéressés à ce paramètre pour essayer de mieux comprendre les interactions entre microclimat de l'arbre et durée d'humectation. L'étude s'est déroulée en trois étapes majeures : la modélisation de l'évaporation d'une goutte sur un support végétal, l'étude expérimentale de la mouillabilité des feuilles de pommier, et l'étude expérimentale de la variabilité spatiale de la durée d'humectation sous un couvert de pommiers. Ce travail a permis d'expliciter la forte variabilité intra-couronne de la durée d'humectation via la prise en compte de la structure de l'arbre et de la dynamique horaire du microclimat. Le modèle développé, au delà des liens déjà connus entre l'intensité du flux évaporatif et les variables climatiques, a montré la sensibilité importante du temps d'évaporation à la mouillabilité du support via la forme de la goutte d'eau, mettant en avant la nécessité de quantifier au mieux cette interaction goutte support via l'estimation des angles de contact statiques et dynamiques.

Ce manuscrit présente des études expérimentales sur l'évaporation de gouttes et la chimiotaxie de la mite.Une première partie s'intéresse à l'évaporation de spray dense au moyen d'une nouvelle approche, par analogie avec le mélange scalaire. Dans cette limite de forte densité en gouttes, où il y a saturation en vapeur au sein des structures constituantes, l'évaporation est principalement fonction de l'étirement auxquelles ces structures sont soumises. C'est en effet celui-ci qui conditionne le taux d'évacuation de cette vapeur interstitielle, ce qui permet de mettre les gouttes en contact avec un environnement plus sec, déclenchant ainsi leurs évaporations.Une deuxième partie s'intéresse à une application de la compréhension de cette dynamique d'évaporation de spray dense à un contexte d'entomologie: la chimiotaxie de la mite. Il s'agit du processus par lequel l'animal va se repérer dans un champ de concentration, pour localiser la source d'une substance attractive par exemple (ici de la phéromone sexuelle). Cette partie a tendu vers l'obtention d'une visualisation conjointe de la trajectoire de l'animal et du champ de concentration sous-jacent par la visualisation des gouttes. / This thesis present some experiments on droplets evaporation and moth chemotaxis.In a first part, dense spray evaporation is explained through a new approach, drawing an analogy with scalar mixing. In this high density droplets limit, where vapor saturation is reached within the structures, evaporation is mainly controlled by the intensity at which these structures are stretch. It is indeed the stretching that controls the rate at witch interstitial vapor is evacuated: droplets are thus in contact with a dryer environment, so they can start to evaporate.A second part take an interest in applying dense spray evaporation dynamic understanding to an entomologist situation: moth chemotaxis. This is the process by which animals find their way in a concentration field, such at finding a chemoattractant source for instance (sexual pheromone in our case). This part tended towards visualizing animal trajectory and concentration field underlying through droplets visualization simultaneously.

La pomme, fruit le plus cultivé sur le sol français, est principalement menacée par le pathogène Venturia inaequalis, responsable de la maladie de la tavelure qui génère des pertes considérables si elle n'est pas traitée. La politique actuelle de gestions des risques phytopathologiques en France incite à une forte réduction des traitements phytosanitaires tout en maximisant le rendement et la qualité des productions. Dans ce contexte, il apparaît indispensable de mieux comprendre les interactions entre l'arbre, son pathogène, et leur environnement, qui s'articulent pour le cas de la tavelure du pommier autour de la durée d'humectation des feuilles. Au cours de ce travail nous nous sommes intéressés à ce paramètre pour essayer de mieux comprendre les interactions entre microclimat de l'arbre et durée d'humectation. L'étude s'est déroulée en trois étapes majeures : la modélisation de l'évaporation d'une goutte sur un support végétal, l'étude expérimentale de la mouillabilité des feuilles de pommier, et l'étude expérimentale de la variabilité spatiale de la durée d'humectation sous un couvert de pommiers. Ce travail a permis d’expliciter la forte variabilité intra-couronne de la durée d'humectation via la prise en compte de la structure de l’arbre et de la dynamique horaire du microclimat. Le modèle développé, au delà des liens déjà connus entre l’intensité du flux évaporatif et les variables climatiques, a montré la sensibilité importante du temps d’évaporation à la mouillabilité du support via la forme de la goutte d’eau, mettant en avant la nécessité de quantifier au mieux cette interaction goutte support via l’estimation des angles de contact statiques et dynamiques. / Apples, which are the most cultivated fruit in France, are mainly endangered by the fungal pathogen Venturia inaequalis that cause apple scab disease on apple. This disease can be responsible of major products loss unless orchards are treated against apple scab. Nowadays in France, the phytopathological diseases management policies are encouraging growers to reduce considerably the use of pesticides, while keeping a high quality and yield level. In this context, one must understand better how the plant, the pathogen and their environment, interact with each other: for apple scab, the most important environmental parameter is leaf wetness duration. During this work, we studied leaf wetness duration to understand the interactions that occur between the tree microclimate and the wetness duration. To do that we divided our work in three major steps : the modeling of evaporation of a droplet at rest on a leaf, the experimental study of apple leaves wettability, and the experimental study of wetness duration spatial variability within an apple trees orchard. This study led us to clarify the strong intra-crown variability of leaf wetness duration through the consideration of tree structure and hourly dynamics of microclimate. The model we developed, beyond the known links between the evaporative flux intensity and the climatic parameters, showed a strong sensibility of the evaporation duration to the substrate wettability, highlighting the necessity to quantify at best this interaction, through the estimation of static and dynamic contact angles.