Ce manuscrit présente différentes études expérimentales qui s'inscrivent dans le cadre d'une recherche dont l'objectif est la réalisation d'un “laser à atomes” continu et intense. Nous commençons par décrire le dispositif expérimental qui permet de mettre en oeuvre le refroidissement par évaporation forcée d'un jet atomique guidé magnétiquement. Le gain observé, d'un facteur 10, sur la densité dans l'espace des phases est limité par la dynamique collisionnelle du jet.<br />Pour améliorer les performances du refroidissement, il apparaît nécessaire de développer de nouvelles techniques expérimentales. Nous détaillons ainsi une nouvelle méthode d'évaporation très efficace, par mise en contact des atomes du jet avec une surface matérielle.<br />Les autres études menées portent sur la production et la manipulation de nuages atomiques ultra-froids. La première consiste à ralentir des paquets atomiques par réflexion sur un miroir magnétique mobile. La seconde permet la capture et le refroidissement d'une succession de paquets atomiques dans un train de pièges de Ioffe-Pritchard. La dernière technique met en oeuvre un piège dipolaire, produit par un faisceau laser de forte puissance, afin de produire puis de mettre en mouvement des paquets atomiques ultra-froids très denses. Nous présentons enfin un nouveau protocole d'imagerie par absorption donnant accès à des mesures quantitatives et précises des nuages atomiques optiquement épais que nous produisons.

Ce travail expérimental est une contribution à l'étude du fractionnement <br />et évaporation <br />d'un liquide par un gaz en géométrie de jets turbulents coaxiaux. Ce <br />phénomène est notamment rencontré dans les moteurs cryotechniques de <br />fusée. L'utilisation de l'hélium liquide et gazeux permet de réaliser des <br />écoulements à grands nombres de Reynolds $R_{e} \approx 10^5$ et <br />grands nombres de Weber $W_{e} \approx 10^3$. De plus la faible chaleur latente <br />de l'hélium liquide (20~J/g) permet de faire varier l'importance du <br />phénomène de vaporisation dans de grandes proportions. <br /><br />Une première étude à l'aide de micro thermomètres a isolé les rôles <br />respectifs du fractionnement et de l'évaporation du liquide par le <br />cocourant gazeux. Pour des jets à fort nombre de Weber, nous avons <br />montré que le fractionnement du liquide est très efficace et fournit <br />l'accroissement de surface d'échange nécessaire à l'évaporation rapide.<br /><br />Une seconde étude par diffusion de la lumière dans l'aérosol d'hélium <br />a permi de quantifier la disparition d'interface liquide/gaz par <br />vaporisation. Dans nos conditions expérimentales ($W_{e} \approx <br />10^3$), nous avons montré que la quantité d'interface au delà du cône <br />potentiel du jet liquide décroît exponentiellement avec l'excès <br />d'enthalpie transporté par le gaz.<br /><br />L'utilisation de fluides cryogéniques pour des expériences <br />d'hydrodymique a donné lieu à un important dévellopement instrumental <br />qui est présenté dans ce mémoire.

Deux exemples de tunnels optiques sont étudiés par des méthodes de l'optique femtoseconde pour leurs propriétés propagatives. Le premier est une opale artificielle : un matériau de la famille des cristaux photoniques aux propriétés analogues dans le domaine optique à celles des semiconducteurs. Ils possèdent une bande interdite photonique (BIP) empêchant pour toutes les directions la propagation de photons dont l'énergie se trouve dans cette bande. Le second système est un bi-prisme en réflexion totale.<br> La première partie est consacrée aux opales : empilements réguliers de sphères de silice submicrométriques. Chaque phase de l'élaboration est en revue. Une description théorique des propriétés des cristaux photoniques est faite pour plusieurs structures. On en déduit que les opales n'ont pas de BIP mais une "stop-band" inhibant la transmission des photons dont la bande d'énergies dépend de la direction. Les caractéristiques structurelles, mises en relation avec les propriétés spectrales, sont abordées par des méthodes microscopiques et optiques. Un dispositif de temps de vol a été réalisé pour déterminer les propriétés propagatives d'opales sondées par un continuum en utilisant un fenêtrage temporel par absorption à deux photons dans du ZnS. Après des corrections en fréquence et en temps, on dispose du profil spectral de vitesse de groupe. Celui-ci est expliqué par un modèle basé sur la relation de Kramers-Krönig. Cela permet de décrire la "stop-band" comme un système à "deux niveaux photoniques".<br> La dernière partie est dédiée à l'étude de la transposition en optique d'un nouvel effet prédit dans les conditions de l'effet tunnel : "l'évaporation quantique". Il se manifeste par l'augmentation drastique de la transmission d'un paquet d'onde. Il se produit en transférant à l'instant de la réflexion une petite quantité de mouvement au paquet d'onde. Un bi-prisme en réflexion totale séparé par une lame d'air est employé pour reproduire les conditions de cet effet. On utilise une technique pompe-sonde qui simule le transfert de moment par effet Kerr. Après analyse des effets en compétition avec l'évaporation quantique, nous observons des signaux qui, une fois traités selon des critères précis, ont les caractéristiques de l'effet recherché. Ceci constitue une présomption de la première observation en optique de ce nouvel effet.

Une chambre environnementale a été développée pour étudier le comportement de l'interface sol-atmosphère durant l'infiltration et l'évaporation. Un volume d'environ un mètre cube d'argile verte de Romainville a été mis en place par compactage. Près de cent capteurs ont été utilisés pour assurer un suivi très large des paramètres du sol (succion, teneur en eau, température, gonflement à la surface) et de l'air (vitesse du vent, humidité relative, température). La température à la surface ainsi que la fissuration due au séchage ont été également suivies. Les mesures pendant la première phase d'humidification ont permis la détermination de la conductivité hydraulique en fonction de la succion et de la courbe de rétention d'eau du sol. La deuxième phase comporte quatre essais de séchage dont deux pour l'évaluation du taux d'évaporation potentiel PE et deux autres pour la détermination du rapport du taux d'évaporation réel AE au taux d'évaporation potentiel PE. Les résultats obtenus ont permis l'élaboration d'une nouvelle approche de calcul de PE, et le développement d'une nouvelle approche de calcul de AE en tenant compte de la fissuration en surface du sol.

Cette thèse étudie théoriquement les processus de transport au voisinage de la ligne triple de contact liquide-gaz-solide et leur impact sur l'évaporation macroscopique. Dans la première partie de la thèse, l'hydrodynamique au voisinage de la ligne de contact est étudiée sous les conditions de mouillage partiel. L'évaporation induite par le chauffage du substrat dans l'atmosphère de vapeur du même fluide est considérée. La relaxation de la singularité hydrodynamique de la ligne triple est considérée. La principale conclusion de la thèse est que l'effet Kelvin (dépendance de la température de saturation de la pression) est suffisant en soi, pour faire disparaitre la singularité des variables hydrodynamiques. La microrégion (le voisinage de la ligne de contact) est résolue numériquement et analytiquement pour de faibles pentes de l'interface liquide-vapeur. Les échelles de longueur caractéristiques du problème sont identifiées et la nature multi-échelle du phénomène est prise en compte. Les études paramétriques effectuées révèlent le rôle de la résistance thermique de l'interface vapeur-liquide, de la longueur de glissement, du terme thermocapillaire, du recul de vapeur et ainsi que des forces de surface. Une extension de l'approximation de lubrification pour de pentes élevées de l'interface gaz-liquide à l'évaporation est discutée. Dans la seconde partie de la thèse, le modèle précédemment établi pour la microrégion est couplé à des simulations numériques de la croissance d'une bulle de vapeur. Le départ de la bulle de vapeur de la paroi chauffante pendant l'ébullition a également été étudiée. Il a été proposé dans la thèse, que sous des charges thermiques élevées, l'augmentation de l'angle de contact apparent provoque l'étalement de la bulle de vapeur sur la paroi chauffante. Ce phénomène peut conduire, au séchage de la paroi observé pendant la crise d'ébullition.

La présente étude porte sur l'hydrogéologie des formations sédimentaires de couverture d'âge Néoprotérozoïque (Infracambrien) à Tertiaire de la plaine du Gondo. La superficie de la plaine du Gondo atteint 30 000 km2, partagée entre le Mali et le Burkina Faso. Elle renferme une nappe libre dans les dépôts détritiques du Continental Terminal (CT) et une nappe plus profonde qui est en charge. La nappe libre est en dépression piézométrique et le toit de la nappe s'approfondit au fur et à mesure que l'on va vers le centre du bassin du Gondo. La présente étude traite du contexte naturel de la plaine du Gondo en général, et du bassin du Sourou à Lery en particulier, avant de s'appesantir sur la lithologie et la géométrie du système aquifère de la plaine du Gondo. Ensuite, les résultats des diverses investigations utilisant une approche interdisciplinaire (télédétection, géophysique, chimie des majeurs, géochimie isotopique, pompage d'essai, modélisation hydrogéologique) ont permis de mieux comprendre la recharge des nappes et leur fonctionnement hydrodynamique. Des solutions d'exploitation de la nappe profonde sont proposées en vue de satisfaire les besoins d'alimentation en eau potable en milieu urbain et semi-urbain. Sous l'effet conjuguée de l'infiltration dans les mares endoréiques et bas-fonds et en dessous du lac du barrage du Sourou, une hausse piézométrique de près de 0,9 m à 5 m / an est enregistrée. Un modèle de recharge des nappes en régime permanent a été utilisé. Ce modèle prend en compte l'exfiltration par évaporation et l'infiltration supplémentaire dans les cônes d'épandage en bordure du bassin du Gondo.

La ressource en eau et son exploitation furent à la base du fondement des grandes civilisations humaines et restent vitales dans le fonctionnement de nos sociétés actuelles. L'évolution conséquente de la croissance démographique sur Terre et la concentration géographique de la demande en nourriture par les populations posent de nombreuses questions quant à la pérennité de l'eau douce prélevée pour l'agriculture. En effet, celle-ci est en moyenne globale la première consommatrice en eau devant les prélèvements industriels et municipaux. De plus, dans un contexte de changement climatique, les interrogations sont nombreuses face aux devenirs des précipitations continentales qui sont cruciales pour l'agriculture, d'autant plus dans certaines régions déjà très exposées à la sécheresse. Aussi l'irrigation tente-t-elle justement de pallier le déficit hydrique des cultures en période sèche mais implique en contre-partie des prélèvements en eau non négligeables dans les fleuves ou les nappes. Il est donc légitime de se poser la question: en quoi l'irrigation peut-elle avoir un impact sur les bilans d'eau continentaux? L'irrigation représente-elle un élément perturbateur, inhibiteur ou favorisant dans le cycle de l'eau? Quels peuvent être les effets de cette action anthropique sur le climat notamment au niveau des grands pôles d'irrigation que sont le bassin du Mississippi, l'Inde ou encore la Chine? La modélisation climatique nous a permis d'apporter quelques éléments de réponse quant à l'effet de l'irrigation sur les bilans d'eau. Tout d'abord nous avons testé la capacité du modèle de surface SECHIBA à simuler les deux composantes majeures du cycle de l'eau susceptibles d'être impactées par l'irrigation: l'humidité des sols et le débit des rivières. Pour cela, nous avons utilisé un jeu de données atmosphériques à haute résolution sur les Etats-Unis pour forcer notre modèle. Une étude de sensibilité des paramètres de végétation du modèle sur l'humidité des sols a notamment permis de montrer l'effet majeur de l'extraction de l'eau par les racines simulée par SECHIBA. De plus, la comparaison avec des observations de terrain en Illinois a montré la bonne représentation des variations saisonnières de l'humidité des sols sur trois ans. La seconde étude a porté en détail sur le fonctionnement du module de routage de l'eau via les fleuves vers l'océan dans le modèle SECHIBA. Nous avons montré la nécessité du changement du pas de temps de routage lorsque l'on force le modèle à haute résolution sur le bassin du Mississippi et sur ses sous-bassins. Enfin, un calcul réaliste de la demande en irrigation simulée par SECHIBA a été mis en œuvre et testé. Le couplage du modèle de surface avec le GCM LMDZ a permis la prise en compte des rétroactions s'effectuant entre la surface continentale et l'atmosphère. Les différences des résultats obtenus entre une simulation prenant en compte l'irrigation et une simulation sans ce prélèvement ont révélé un effet de l'irrigation principalement sur l'évaporation et les pluies en Inde et sur le bassin du Mississippi. L'impact de l'irrigation sur le bilan d'eau peut être différent selon les régions du globe. L'irrigation contribue significativement à l'augmentation des précipitations sur la région sèche de ce bassin alors que la région humide ne présente pas de variations dans le bilan d'eau. En revanche, les résultats sur l'Inde indiquent que l'irrigation affaiblit significativement le déclenchement de la mousson via la réduction du gradient thermique terre-mer conduisant à moins de pluies en été.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur l'évaporation de gouttes reposant sur un substrat solide. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à la description de l'évaporation d'une goutte liquide en regardant notamment l'influence du substrat. Le problème est approché sous un angle nouveau : en contrôlant avec précision les différentes propriétés du substrat que sont sa rugosité, son énergie de surface et ses propriétés thermiques. Cette méthode a permis de découpler les différentes influences du substrat et d'étudier l'évaporation pour différentes dynamiques de ligne triple et une large gamme d'angles de contact, de conductivités thermiques et de températures de substrat. Les résultats expérimentaux sont comparés au modèle classique d'évaporation. Ce modèle considère l'évaporation comme un processus contrôlé par la diffusion de la vapeur dans l'atmosphère. L'étude révèle les domaines de validité de ce modèle et met en évidence les différents mécanismes additionnels pouvant se développer ainsi que leur contribution. L'utilisation d'une caméra infrarouge dévoile le développement d'un motif hydrodynamique complexe non-axisymétrique. L'origine de cette instabilité, ces dynamiques spatiales et temporelles sont également explorées. Dans une seconde partie, l'étude a été étendue à l'évaporation d'une goutte de suspension biologique : le sang. Le séchage de ce fluide conduit à la formation d'un motif complexe dépendant de la mouillabilité du substrat. Alors qu'une situation mouillante met en évidence un dépôt de type annulaire accompagné de fractures radiales, une situation non-mouillante révèle une forme complexe composée de fractures et de plis. / This thesis presents an experimental study on the evaporation of droplets on a solid substrate. In the first part we describe the evaporation of a liquid droplet, taking a particular interest in the influence of the substrate. The problem is approached from a new angle by ensuring that the various properties of the substrate, such as its roughness, surface energy and thermal properties, are controlled precisely. Thanks to this method it is possible to decouple the different influences of the substrate and to study evaporation in relation to various dynamics of triple lines and a wide range of contact angles, thermal conductivities and temperatures of the substrate. Experimental results are compared with the classic evaporation model, which considers evaporation as a process determined by the diffusion of vapor into the atmosphere. The study reveals the range of validity of this model and highlights the different additional mechanisms which may develop as well as their contribution. The use of an infrared camera reveals the development of a complex hydrodynamic non-axisymmetric pattern. The origin of this instability and its spatial and temporal dynamics are also explored. In the second part, the study is extended to the evaporation of a dropl of a biological suspension: human blood. As this fluid dries a complex pattern is formed which is dependent on the wettability of the substrate. Whereas a wetting situation leads to a ring-like deposit with radial cracks, a non-wetting situation reveals a complex shape composed of cracks and folds. The study focuses on the understanding of the physical mechanisms leading to these patterns and of the role of biology.

L'objectif de cette thèse est de mettre en œuvre une description multi-échelle adaptée aux écoulements de fluides dans des micro-/nano-conduites. Cette approche doit permettre de décrire, aussi bien les petites échelles relatives aux interactions du fluide avec les atomes du mur, que les grandes échelles de l’écoulement engendrées par les conditions aux limites d'entrée/sortie du canal. Pour cela, nous avons développé une méthode qui couple une modélisation continue des écoulements et des transferts de chaleur dans le cœur du canal avec une modélisation discrète proche des parois, basée sur une représentation atomistique du fluide et du mur.Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie, couplées à une équation d’état, sont approximées par une méthode de volumes finis dans le cœur de l’écoulement alors que des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour représenter finement les interactions entre le fluide et la paroi. Cette approche hybride nécessite la transmission d’informations entre les modélisations : les grandeurs moyennées moléculaires sont imposées comme conditions aux limites pour le modèle continu, et la dynamique sous contrainte, couplée à un thermostat de Langevin, est utilisée pour piloter l’échelle moléculaire. Une représentation par des plots moléculaires locaux de petite taille, intelligemment répartis le long de l’interface entre le fluide et le mur, permet de traiter des écoulements et des transferts dans des canaux de très grands allongements, pour des coûts de calcul raisonnables.Après une partie de validation, des simulations hybrides multi-échelles d’écoulements dans des canaux constitués de parois en platine ont été menées pour de l’argon en phase liquide (incompressible) ou gazeuse (compressible), en tenant compte éventuellement du changement de phase au voisinage de la paroi / The main objective of this thesis is to model the multi-scale heat and fluid flows in micro-/nano channels. This method must be able of capturing at the same time the fluid/solid interaction at the small scale but also the flows induced by the inlet/outlet boundary conditions at the large scale. To this aim, we have adopted an approach coupling the continuum model in the bulks of the channel and the discrete model at the vicinity of the wall, based on an atomistic representation of the fluid and the solid.The Navier-Stokes and energy equations, coupled with an equation of state, are approximated by a finite volume method and the molecular dynamics simulations are used to finely represent the interaction between the fluid and the solid. This hybrid method requires information transmission between the former two regions: averaged quantity in molecular dynamics simulations are imposed as boundary conditions for the continuous model and constrained dynamics, coupled with a thermostat Langevin, is used to control in the molecular level. A set of small molecular dynamics blocks, smartly distributed all along the wall/fluid interface, allows to treat flow and heat transfers in a long micro/nano-channel with a reasonable computational cost.After a validation step, the hybrid multi-scale simulations of complex fluid flows in the channel composed of the platinum wall have been conducted for argon in incompressible liquid or compressible gaseous phase with and without phase change in the vicinity of the wall

Le présent travail apporte une contribution à la compréhension des mécanismes des transferts combinés de chaleur et de masse en convection naturelle lors de l’évaporation d’un film liquide d’eau d’épaisseur négligeable dans un canal vertical ondulé. L’écoulement est laminaire et bidimensionnel. Les équations régissant le phénomène sont résolues à l’aide d’une méthode aux volumes finis et le traitement du couplage vitesse-pression est réalisé par la méthode de projection. Les influences de la densité de flux de chaleur, de la température ainsi que l’humidité de l’air à l’entrée et la forme de la paroi du canal sur les transferts sont étudiées. Les résultats sont présentés sous la forme de ligne de courant, d’isothermes et d’iso-concentrations.Les simulations numériques effectuées ont permis l’étude détaillée de la structure de l’écoulement ainsi que des champs thermiques et massiques. Nous représentons également, les nombres de Nusselt et de Sherwood. / The present work is a contribution to the understanding of the mechanisms of combined heat and mass transfers in natural convection during the evaporation of a liquid film with negligible thickness in a wavy vertical channel. The flow is laminar and two-dimensional. The equations governing the phenomenon are resolved using the finite volumes method and the treatment of the coupling between velocity and pressure is carried out by the projection method. The influences of the heat flux density, the temperature and the humidity of the inlet air and the shape of the channel wall on the transfers are studied. The results are presented in the form of cstreamlines, isotherms and iso-concentrations.The numerical simulations carried out have allowed the detailed study of the flow structure as well as the thermal and mass fields. We also represent the Nusselt and Sherwood numbers.