Le travail présenté ici a pour objet l’étude de la zone de recirculation qui se développe à l’aval d’un élargissement brusque ayant lieu dans un canal à surface libre, avec une attention particulière portée sur la longueur de recirculation. Ce travail consiste en une approche combinée expérimentale et numérique. L’analyse dimensionnelle ainsi que les travaux préliminaires antérieurs à cette thèse montrent que la longueur de recirculation adimensionnée dépend de 3 paramètres que sont : le nombre de frottement S, la hauteur d’eau adimensionnée par la taille de l’élargissement h/d et enfin le rapport géométrique de l’élargissement Rb. Cependant, faire varier dans les expériences S ou h/d sans affecter l’autre paramètre s’avère être une tâche très délicate qui a été négligée dans les études précédentes. En utilisant cette même approche, les résultats présentés ici font état d’une forme de cloche très inattendue de la courbe : L/d= f (S). Ces résultats sont en fort désaccord avec ceux de la littérature. Afin d’améliorer notre approche et de faire varier S et h/d indépendamment, une campagne de modélisation numérique 3D est menée et prouve que L/d dépend en fait des deux paramètres considérés S et h/d et que la forme de cloche résulte des influences opposées de ces deux paramètres. De plus, l’analyse de la couche de mélange qui prend place entre la zone de recirculation et l’écoulement principal, mesurée expérimentalement pour 4 écoulements à différentes valeurs de S et h/d montre que la longueur de la zone de recirculation est gouvernée par le confinement latéral dû à la paroi latérale et à la taille des cellules turbulentes advectée le long de la couche de mélange. Pour aller plus loin, les bilans de quantité de mouvement et d’énergie à l’échelle de l’écoulement dans son ensemble montrent que i) la force de cisaillement exercée le long de la couche de mélange est négligeable par rapport aux autres forces mises en jeu et ii) que la réelle signification de S est de quantifier l’intensité du frottement du fond à l’échelle de l’écoulement global intervenant dans ces bilans. Les différents régimes d’écoulement qui peuvent être rencontrés dépendent donc: i) selon la valeur du nombre de frottement S l’écoulement peut être frictionnel (S élevé) ou non-frictionnel (S faible) et ii) selon la valeur de la hauteur d’eau adimensionnelle, l’écoulement peut être confiné verticalement (faible valeur de h/d) ou non-confiné (forte valeur de h/d). Une corrélation empirique permettant d’estimer la longueur de la zone de recirculation L/d en fonction des paramètres S, Rb and h/d est finalement obtenue. Elle s’avère être en bon accord avec les calculs numériques et les mesures expérimentales. / The present research focuses on the recirculation zone developing downstream of an expansion in a shallow open-channel flow with a specific attention on its length. The work consists of combined experimental and numerical approaches. The dimensional analysis and previous studies permit to express the dimensionless recirculation length as a function of 3 parameters: the friction number S, the ratio between the water depth and the expansion step h/d and the geometrical aspect ratio Rb. Nevertheless, varying either S or h/d on the experimental set-up without affecting the other is a complicated task which was not performed by previous studies. Following this approach permitted to obtain an unexpected bell shape for the L/d=f(S) curve, differing form the literature results. In order to improve the approach and vary S and h/d independently, a 3D numerical campaign was performed and proved that L/d actually depends both on S and h/d parameters and that the bell shape is in fact the consequence of the opposite influence of both parameters. Moreover, the precise experimental analysis of themixing layer at the frontier between the main flow and the recirculation for flows with different S and h/d values showed that the recirculation length is governed by the lateral confinement due to the reattachment wall and the size of the eddies present in the mixing layer. Hence, an integral approach is adopted, using balances of momentum and of energy at the whole flow scale, showing: i) that the shear force exerted along the mixing layer is negligible compared to the other forces and ii) that the meaning of S parameter is to quantify the intensity of the bottom friction of the whole flow on these balance. The following regimes can thus be encountered: i) according to the bed friction S values, the flow can be non-frictional (small S) or frictional (large S) and ii) according to the relative water depth, the flow can be vertically unconfined (large h/d) or confined (small h/d). An empirical correlation permitting to estimate the recirculation length L/d as a function of S, Rb and h/d is finally obtained and appears to fairly fit the numerical calculations and experimental measurements.

Dans cette thèse on cherche à étudier le flux péristaltique des liquides dans un canal à onde de pression déterminée aux confins. Dans la plupart des recherches de systèmes de transportation péristaltiques la variation des coordonnées de la paroi est prédéfinie pour les raisons de commodité. Cependant les parois d’organes creux (comme oesophage intestin grêle, côlon urètre, vaisseaux lymphatiques) dont le fonctionnement consiste à transmettre des produits par la voie péristaltique, sont dotées de barorécepteurs – capteurs qui perçoivent la pression dans la couche limite de fluides et servent à réguler le calibre des vaisseaux. Pour créer le modèle du comportement des systèmes biologiques pareils il nous semble plus adéquat de prédéfinir l’onde de pression aux confins des vaisseaux. Cette approche réalisée dans notre thèse permet de découvrir et décrire des effets nouveaux, inexplorés auparavant. Dans cette thèse nous étudions aussi l’influence des pulsations transversales des parois du canal sur la transmission du produit dues aux chutes de pression. Cet objectif est apparu lors de la détermination de la viscosité du liquide utilisant la méthode des canaux compressibles (squeezing flow viscometry). Des problèmes similaires sont assez répandus dans l’étude d’une variété des systèmes biologiques, en particulier, des mouvements de lubrification des articulations ou des micro-vaisseaux des muscles. Nous avons aussi étudié l’influence du son sur l’interaction d’une particule solide tombante et d’une bulle de gaz montante dans le liquide. La pertinence de ce travail est liée à l’importance de recherche des solutions possibles pour augmenter l’efficacité de flottation, méthode d’enrichissement basée sur l’accrochage des particules minérales par des bulles de gaz / The thesis studies the peristaltic flow of fluid in a channel with the specified pressure wave at the boundary. The law of wall’s coordinate variation isn’t determined a priori. It is found from the initially definite law of pressure-variation on the wall. This way is based on the fact that some hollow organs change diameter under the signals of baroreceptors (sensors that detects the pressure). We studied the effects of various parameters on flow rate and structure of flow. Besides we studied the influence of vibration on the peristaltic flow under long wave approximation. The paper also considers the influence of the wall transverse pulsation on the fluid transport under the pressure drop. This problem arises in defining the liquid viscosity by squeezing flow viscometry. The same problems occur in analyzing different biological systems, including the lubricant movement in joints or in the microvessels of working muscles. The influence of sound on the interaction of a solid particle and a gas bubble in fluid is studied as well.

Cette thèse présente une étude expérimentale du problème de mélange dans les fluides complexes, étude menée en partenariat avec l’entreprise Sanofi Pasteur. Le mélange est un acte des plus fréquents dans la vie courante et aussi dans l’activité industrielle. On trouve dans la littérature de nombreuses études s’intéressant aux cuves de mélange pour en améliorer les performances à partir d’observations faites à grande échelle. Par contre, à notre connaissance, il y a peu de recherche sur l’hydrodynamique du mélange dans les fluides complexes. Dans notre travail, on étudie des fluides non-Newtoniens formés de solutions diluées de polymères caractérisés par leurs propriétés rhéofluidifiante et viscoélastique. Il s’agit de solutions aqueuses de Polyacrylamide (PAA) ou de la gomme de Xanthan (XG). Afin d’identifier la différence de comportement avec les fluides Newtoniens, une étude expérimentale avec de l’eau est effectuée dans les mêmes conditions que celles pour les fluides non-Newtoniens. Cette étude a été menée, en premier, sur un modèle réduit d’une cuve de mélange de Sanofi Pasteur. Les résultats obtenus, non représentés dans ce mémoire de thèse, nous ont amenés à mettre en place une étude fondamentale de l’écoulement dans un mélangeur de géométrie plus simple. Il s’agit alors de pouvoir contrôler les conditions initiales et de s’affranchir des effets secondaires de l’agitation pour ne s’intéresser qu’au mélange. Pour cela, la géométrie retenue est celle d’un mélangeur en T avec deux entrées perpendiculaires. L’exploration en 2D des champs de vitesse et de concentration de scalaire dans cette jonction en T est assurée simultanément aux moyens des techniques optiques (PIV et PLIF). Les observations montrent un effet non négligeable sur l’hydrodynamique et le mélange lié à la présence de polymères dans l’écoulement. De plus, les résultats obtenus permettent de calculer la tension de Reynolds uv et les flux de masse vc et uc. Ils seront utilisés par la suite pour vérifier leur conformité avec le modèle k epsilon couramment utilisé dans l’industrie. / This thesis presents an experimental study of the mixing in complex fluids which is conducted in partnership with Sanofi Pasteur. The mixture is one of the most common act in everyday life and also in industrial activities. We found in the literature many studies focusing on the mixing tanks with objective to improve performance based on observation of large scale. By cons, in our knowledge, there is few or no research on the hydrodynamics of a mixture in complex fluides. In our work, we study non-Newtonian fluids formed of diluted solution of polymer which characterized by their viscoelastic and shear thinning properties. We used in this study aqueous solutions of polyacrylamide (PAA) or xanthan gum (XG). To identify the difference in behavior with Newtonian fluid, an experimental study with water is carried out under the same conditions as those non-Newtonian fluids. At first, this study was on a reduced mixing tank of Sanofi Pasteur. The results, which not shown in this thesis, led us to develop a fundamental study of flow in a mixer with a simple geometry. The objective is to be able to control the initial conditions and to avoid the side effects of agitation to focus on the mixture. For this, we chose a mixer in a T shape with two perpendicular inputs. Exploring 2D velocity and scalar concentration fields in this T-junction is provided simultaneously of optical techniques (PIV and PLIF). Observations show a significant effect on the hydodynamic and mixture related to the presence of polymers in the flow. In addition, results are used to calculate the Reynolds stress uv and the scalar flux vc and uc. They will be used to check their compliance with the k epsilon model that commonly used in industry.

Les cavités latérales sont des zones mortes à surface libre situées sur le côté d’un écoulement fluvial ou côtier. Les vitesses caractéristiques au sein de la cavité étant beaucoup plus faibles que celles de l’écoulement, une couche de mélange se développe à l’interface entre ces deux régions. Cette couche de mélange peut alors transférer de la quantité de mouvement de l’écoulement vers la cavité et ainsi mettre en mouvement la cavité et peut aussi transférer de la masse entre les deux régions, telle une pollution venant de l’écoulement amont. L’étude de cette thèse a alors consisté à étudier les caractéristiques de la couche de mélange, qui est rendue spécifique par le fait qu’elle se développe entre deux coins géométriques formés par l’intersection entre les parois de la cavité et celles de l’écoulement principal. Nous avons alors pu identifier l’origine et l’alternance des mouvements de fluide dans la direction transverse: de la cavité vers l’écoulement et inversement. Concernant la mise en mouvement de la cavité, le choix a été fait de considérer un écoulement principal fixé et de modifier l’extension de la cavité dans la direction perpendiculaire à l’écoulement, passant ainsi d’une cavité rectangulaire alignée avec l’écoulement principal à une cavité allongée dans le sens opposé. La mesure de champ de vitesse par PIV 2D a alors montré une forte évolution de la forme de l’écoulement à mesure que la géométrie de la cavité évolue : un système avec deux cellules alignées dans le sens de l’écoulement à un système à une seule cellule, puis un système à deux cellules et enfin un système complexe 3D ont ainsi été observés pour une cavité de plus en plus allongée. Ensuite, une modification du dispositif expérimental a permis de mesurer de deux façons différentes le transport de scalaire de l’écoulement principal vers la cavité, de comprendre les processus associés à ce transfert et enfin de quantifier cette capacité de transfert pour différents écoulements principaux et différentes géométries de cavités. Nous avons notamment montré que la géométrie de la cavité a peu d’effet alors que le nombre de Reynolds et la profondeur d’eau normalisée ont un effet majeur sur cette capacité de transfert de masse entre les deux régions. / Lateral cavities are free-surface dead-zones located on the side of a fluvial or coastal main flow. As the typical velocities are much larger in the main flow than in the cavity, a mixing layer appears at the interface between both regions. This mixing layer is able to transfer between the main flow and the cavity momentum which then sets the fluid in the cavity in motion and also passive scalar, such as a pollution coming from upstream. The objective of this work was then to investigate the characteristics of the mixing layer, which specificity comes from the fact that it is constrained between the upstream and downstream geometrical corners. It was possible to observe the origin and alternation of the transversal fluid motions: from the cavity towards the main flow and conversely. Regarding the motion in the cavity, the choice was made to keep a constant main flow and to measure the 2D horizontal velocity field using PIV as the extension of the cavity increases. The flow pattern then passes from a 2-cell patterns aligned in the direction of the main flow to a single-cell pattern, then a 2-cells patterns aligned along the direction perpendicular to the main flow and finally a complex 3D pattern for the widest cavity. Then a modification of the experimental set-up permitted to investigate the passive scalar exchanges from the main stream towards the cavity. It was possible to understand the processes responsible for such transfer and to quantify the transfer capacity. The analysis dimensional revealed that in the present subcritical, smooth simplified geometry cavity, the three parameters possible responsible for the modification of the transfer capacity are the geometrical aspect ratio of the cavity, the Reynolds number of the main flow and finally the normalized water depth. It was then shown that the impact of the cavity geometry remains negligible but that the Reynolds number and the normalized water do impact this passive scalar transfer capacity.