Στόχος της μεταπτυχιακής διατριβής αποτέλεσε η πειραματική μελέτη φαινομένων μεταφοράς μάζας από υγρά μη υδατικής φάσης (NAPLs) σε δισδιάστατα πορώδη δοκίμια. Τα υγρά μη υδατικής φάσης αποτελούνται από υδρογονάνθρακες οι οποίοι διαλύονται μερικώς στο νερό. Αποτελούν τη συχνότερα εμφανιζόμενη πηγή μόλυνσης των υπόγειων υδροφορέων και είναι ιδιαίτερα επιβλαβή για τον άνθρωπο. Ο κύριος διαχωρισμός των NAPLs σε κατηγορίες γίνεται με βάση την πυκνότητά τους σε σύγκριση με αυτή του νερού. Έτσι, υπάρχουν τα Light NAPLs (LNAPLs), τα οποία είναι ελαφρύτερα από το νερό με αποτέλεσμα να επιπλέουν στην επιφάνειά του και τα Dense NAPLs (DNAPLs), τα οποία είναι βαρύτερα από το νερό και διαπερνούν τη μάζα του μέχρι να συναντήσουν κάποιο αδιαπέραστο στρώμα. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε αποτελούνταν από γυάλινα δισδιάστατα πορώδη δοκίμια που είχαν κατασκευαστεί με τη λιθογραφική μέθοδο. Με τη βοήθεια αντλίας τα δοκίμια τροφοδοτούνταν με σταθερή παροχή και σε κατάλληλη χρονική στιγμή γινόταν η εισαγωγή του ρύπου στο δοκίμιο. Στη συνέχεια με τη βοήθεια φωτογραφικής μηχανής λαμβάνονταν στιγμιότυπα σε καθορισμένες χρονικές στιγμές και με γραφικές μεθόδους υπολογιζόταν η μεταφορά μάζας. Στο πρώτο κεφάλαιο, περιέχονται εισαγωγικά στοιχεία για τη δομή και τη φύση των υγρών μη υδατικής φάσης καθώς και οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον. Επίσης, γίνεται μια σύντομη αναφορά στο φαινόμενο της διαχύσεως και στο πρώτο πείραμα που παρατηρήθηκε η διάχυση από τον Dalton και περιγράφεται με συντομία το πείραμα που διεξήχθη. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται εκτενής περιγραφή όλων των στοιχείων των υγρών μη υδατικής φάσης και αναλύεται η κίνηση των υγρών αυτών σε όλα τα είδη εδάφους. Επίσης, εξηγείται η διαφορετική συμπεριφορά που αυτά εμφανίζουν στα διάφορα μέσα με βάση τις φυσικές τους ιδιότητες και επίσης παρουσιάζονται οι πρώτες μαθηματικές σχέσεις που δικαιολογούν την κίνησή τους αυτή. Στο τέλος του κεφαλαίο αναφέρονται και χημικές διεργασίες που συμβαίνουν στο υπέδαφος και επηρεάζουν την κίνηση των NAPLs. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται το φαινόμενο μεταφοράς μάζας στο νερό αλλά και σε πορώδη μέσα. Αναφέρονται και περιγράφονται οι σημαντικότεροι και απαραίτητοι τύποι που περιγράφουν τη μεταφορά μάζας και αναλύονται όλοι οι όροι που παίρνουν μέρος στη σύνταξη των τύπων αυτών. Τέλος, αναφέρονται κάποια πειράματα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν οι τύποι που περιέχονται στη θεωρία. Στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφεται η προετοιμασία της πειραματικής διαδικασίας και αναφέρεται ο τεχνικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή της. Περιγράφονται όλα τα στάδια του πειράματος με λεπτομέρειες στις διάφορες μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν για τη κατασκευή και τον υπολογισμό των ιδιότητων των δοκιμίων. Επίσης, γίνεται περιγραφή της λειτουργίας του προγράμματος Comsol που χρησιμοποιήθηκε κατά το σχεδιασμό των δοκιμίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων. Τα αποτελέσματα αναλύονται και περιγράφονται με λεπτομέρεια προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Τέλος εξάγονται συμπεράσματα και γίνονται υποδείξεις για την περαιτέρω διερεύνηση του φαινομένου. / The aim of this Master thesis was the experimental study of mass transfer phenomena of non-aqueous phase liquids (NAPLs) in two-dimensional porous specimens. The liquid non-aqueous phase consisting of hydrocarbons which partially dissolve in the water. Are the most frequently occurring source of contamination of aquifers and is particularly harmful to humans. The main distinction of NAPLs into categories is based on the density compared to that of water. Thus, there are the Light NAPLs (LNAPLs), which is lighter than water so that float on the surface and Dense NAPLs (DNAPLs), which are heavier than water and penetrate the mass of up to meet a impermeable layer . The experimental setup used consisted of two-dimensional porous glass specimens were manufactured with lithographic method. With the pump cores fed with a constant flow and at an appropriate time was the introduction of the pollutant in the essay. Then with the help of camera footage taken at fixed times and graphical methods estimated the mass transfer. In the first chapter, contained introduction to the structure and nature of the non-aqueous phase liquids and their impact on the environment. Also, there is a brief reference to the effect of diffusion in the first experiment observed the diffusion of the Dalton and briefly describes the experiment conducted. The second chapter is a detailed description of all elements of non-aqueous phase liquids and analyzed the movement of fluids across all kinds of terrain. It also explains the different behavior they show in various media based on physical properties and also presents the first mathematical relationships that justify this movement. At the end of the chapter lists and chemical processes occurring in the soil and affect the movement of NAPLs. The third chapter describes the phenomenon of mass transfer in water and in porous media. Listed and described the most important and necessary formulas describing mass transfer and analyze all terms that take part in the preparation of these types. Finally, some experiments indicated that used types contained in the theory. The fourth chapter describes the preparation of the experimental procedure and specifying the equipment used to conduct it. Describes all stages of the experiment in detail the various methods used to construct and calculate the properties of the samples. Also, there is a description of the operation of the program Comsol used in the design of essays. The fifth chapter presents the results of the experimental procedure in the form of tables and diagrams. The results are analyzed and described in detail problems encountered in conducting the experiments. Finally conclusions are drawn and suggestions are made for further investigation of the phenomenon.

Dans la configuration de Rayleigh-Bénard, on considère une fine couche de fluide placée entre deux parois horizontales, chauffée par le bas et refroidie par le haut. Cette couche peut être le siège d'une instabilité si le gradient thermique est suffisamment important : on passe alors de l'état conductif à l'état convectif et on parle de bifurcation primaire pour qualifier cette première transition. Cette mise en mouvement du fluide se fait de manière ordonnée : on constate ainsi l'émergence de différents motifs de convection comme des rouleaux, des carrés ou encore des hexagones. Ces structures vont à leur tour subir des instabilités qualifiées de secondaires qui vont limiter la gamme de nombres d'onde stables. On étudie ici théoriquement ces instabilités d'une part à proximité du seuil de la convection grâce à une approche faiblement non linéaire, d'autre part loin des conditions critiques grâce à une approche fortement non linéaire. Le fluide est rhéofluidifiant, ce qui correspond au comportement rhéologique le plus fréquemment rencontré, et est décrit par le modèle de Carreau. À proximité du seuil, on considère deux situations : la première correspond au cas où les plaques ont une conductivité finie, la seconde à celui d'un fluide thermodépendant. Dans chaque cas, l'influence du caractère rhéofluidifiant sur la nature du motif émergeant à la bifurcation primaire et sur les instabilités secondaires est mise en évidence. Pour étudier les motifs de convection loin des conditions critiques, on a recours à une procédure de continuation permettant de déterminer de proche en proche les caractéristiques de l'écoulement comme les champs de vitesse ou de température ainsi que le nombre de Nusselt. / In the Rayleigh-Bénard configuration, we consider a thin layer of fluid confined between two horizontal slabs which is heated from below and cooled from above. This layer undergoes an instability if the thermal gradient is strong enough: a transition from the conductive state to the convective state and called _ primary bifurcation _occurs. Moreover, it happens in an ordered way: we can notice the emergence of various convection patterns such as rolls, squares or hexagons. In their turn, these patterns undergo _ secondary instabilities _ that limit the range of stable wavenumbers. These instabilities are studied theoretically _firstly near the threshold thanks to a weakly nonlinear approach, and secondly far from critical conditions thanks to a strongly nonlinear approach. We consider a shear thinning fluid, the most common rheological behavior, which is described by the Carreau model. Near the threshold, two situations are considered: the first corresponds to finite conductivity plates, the second corresponds to a thermodependent fluid. In each case, the influence of the shear thinning effect on the nature of the pattern emerging at the primary bifurcation and on secondary instabilities is highlighted. To study the convection patterns far from the critical conditions, a continuation procedure is used to determine, step-by-step, the characteristics of the flow, such as the velocity or temperature fields and the Nusselt number.

The majority of this work is concerned with the local-linear convective instability analysis of the incompressible boundary-layer flows over prolate spheroids and oblate spheroids rotating in otherwise still fluid. The laminar boundary layer and the perturbation equations have been formulated by introducing two distinct orthogonal coordinate systems. A cross-sectional eccentricity parameter e is introduced to identify each spheroid within its family. Both systems of equations reduce exactly to those already established for the rotating sphere boundary layer. The effects of viscosity and streamline-curvature are included in each analysis. We predict that for prolate spheroids at low to moderate latitudes, increasing eccentricity has a strong stabilizing effect. However, at high latitudes of ϴ ≥ 60, increasing eccentricity is seen to have a destabilizing effect. For oblate spheroids, increasing eccentricity has a stabilizing effect at all latitudes. Near the pole of both types of spheroids, the critical Reynolds numbers approach that for the rotating disk boundary layer. However, in prolate spheroid case near the pole for very large values of e, the critical Reynolds numbers exceed that for the rotating disk. We show that high curvature near the pole of prolate spheroids is responsible for the increase in critical Reynolds number with increasing eccentricity. For both types of spheroids at moderate eccentricity, we predict that the most amplified modes travel at approximately 76% of the surface speed at all latitudes. This is consistent with the existing studies of boundary-layer flows over the related rotating-disk, -sphere and -cone geometries. However, for large values of eccentricity, the traveling speed of the most amplified modes increases up to approximately 90% of the surface speed of oblate spheroids and up to 100% in the prolate spheroid case.

Dans cette thèse, nous avons développé un code de simulation numérique directe pour l’étude des écoulements particulaires. Le schéma numérique est basé sur une technique de domaines fictifs. Le code est validé sur de nombreux cas test puis nous l’avons utilisé pour étudier la sédimentation de particules bidimensionnelles en milieu confiné. Trois cas ont été analysés : sédimentation d’une particule unique, d’un doublet de particules et d’un grand nombre de particules. Dans le premier cas nous retrouvons le phénomène de survitesse qui apparaît pour une particule excentrée à bas nombre de Reynolds. Nous montrons que cette survitesse est très sensible à l’inertie du fluide : elle diminue lorsqu’on augmente le nombre de Reynolds. Cet effet est retardé par le confinement. Dans le cas d’un doublet de particules, nous retrouvons les comportements complexes observés dans la littérature (hystérésis, cascade sous-harmonique et chaos). Nous montrons qu’une nouvelle série de bifurcations et un nouvel attracteur apparaissent pour des particules plus pesantes. Il s’agit là d’une transition vers le chaos par la voie de la quasi-périodicité. Nous donnons le diagramme de bifurcation étendu. La nouvelle branche correspond à une structure horizontale qui conduit à une sédimentation lente. Dans le cas d’un grand nombre de particules, nous montrons que la vitesse de chute de l’interface fluide-particules suit une loi de type Richardson-Zaki, mais avec un exposant d’environ 4. Comme pour des sphères, la valeur de cet exposant dépend du confinement. Enfin, nous observons un phénomène de blocage, inattendu pour des particules non-cohésives, dû au caractère bidimensionnel de la suspension / In the present thesis, a fully-resolved numerical code has been developed for the analysis of particle-laden flows. A fictitious domain method is used. First, this numerical tool has been validated by using classical benchmarks. It has then been used to simulate the complex sedimentation of particles in three generic two-dimensional configurations: a single particle, a particle pair and a large number of particles in a confined domain. In the first case, the peak-velocity of an off-centred inclusion is recovered at low-Reynolds number. It is shown that this peak-velocity is very sensitive to fluid inertia: the peak-velocity decreases when the Reynolds number increases. This effect is delayed by the confinement. The very complex dynamics of a pair of particles sedimenting in a confined domain, observed in the litterature, is recovered (hysteresis, period-doubling cascade and chaos). It is shown that a new series of bifurcations, leading to a new attractor, emerges when the non-dimensional particle weight is increased. This new transition corresponds to a quasi-periodic route. The extended bifurcation diagram is given. The new branch discovered in this work corresponds to a nearly horizontal particle doublet, with a slow settling velocity. In the case of the settling of large number of particles, a RZ-like law is recovered for the sedimentation velocity of the fluid-particle interface. The exponent is close to 4, in contrast with the case of spheres. Finally, the sedimentation velocity at the end of the settling process is observed to be significantly reduced, like for cohesive sediments. This unexpected behaviour is related to the two-dimensionality of the suspension

Ce travail concerne l'étude expérimentale et numérique de la distribution simple et double phase dans un échangeur à plaques et ondes. Des mesures expérimentales de débit et de pression et des visualisations par caméra rapide ont permis de caractériser l'écoulement du mélange eau/air à la pression atmosphérique et dans des conditions adiabatiques. Les simulations numériques par CFD ont permis de caractériser les pertes de charges en simple phase dans les ondes « serrated » et de simuler les régimes d'écoulement diphasiques (bulles, poches, bulles toriques,...) au niveau du distributeur. Des traçages au sel analysé par conductimétrie ont permis de caractériser les régimes d'écoulement diphasiques et de faire le diagnostic de l'échangeur : déterminer les défauts, leurs amplitudes et leurs localisations. Ces trois moyens : visualisation et mesure expérimentale des distributions des phases et des pertes de charges, simulation de type CFD et traçage ont mis en évidence les paramètres influant sur la distribution comme les alimentations des fluides, les propriétés physiques des fluides, la géométrie du distributeur, les régimes d'écoulement, afin d'améliorer les performances des systèmes avec échange thermique / This work deals with experimental and numerical studies of single and two-phase flow distribution in a plate and fin heat exchanger. Flow rates and pressure measurements, as well as visualization using speed camera have been used to characterize the air/water flow at atmospheric pressure and at adiabatic conditions. CFD simulations have permitted to calculate pressure drop in single phase flow of offset strip fins and to simulate two phase flow patterns (bubbles, slug, toric bubbles,...) in the distributor. Tracer experiments using salt and conductimetry allowed to characterize single and two phase flow distribution and to perform a diagnosis of the heat exchanger: find the defaults, their amplitudes and their localizations. All these methods: experimental data, CFD simulations and tracer methodology allowed to point out the important parameters affecting the distribution like same or opposed inlet fluid alimentations, physical properties, distributor design and the flow patterns, to improve overall performances of heat transfer systems

Une modélisation d'ordre réduit basée sur le partitionnement des données (cluster-based reduced-order modelling ou CROM) est développée pour identifier de manière non supervisée des mécanismes d'interaction non linéaires. La connaissance de ces mécanismes permet de pronostiquer la formation d’événements souhaitables ou non. L’approche proposée adopteun point de vue probabiliste en mettant à profit la linéarité de l’équation d’évolution de probabilité qui tient cependant compte d'éventuelles actions non linéaires des actionneurs. Le cadre est appliqué à l’attracteur de Lorenz, aux données numériques de la couche de mélange, à la turbulence tridimensionnelle du sillage d’un corps non profilé, d’un train, et aux données expérimentales d’un moteur à combustion.Pour ces exemples, le CROM permettait l'identification des quasi-attracteurs par exemple les deux régimes d’écoulement de la couche de mélange ou les états bimodaux du corps Ahmed . Les transitions principales entre ces quasi-attracteurs sont caractérisées par des regroupements de données appelé « flipper cluster ». L'identification de ces « flipper cluster » peut servir pour le contrôle des écoulements en utilisant le partitionnement des données obtenues par exemple de l'évolution temporelle de la traînée ou de la portance.Un contrôle en boucle fermé basé sur la CROM est appliqué à un écoulement le long d'une rampe courbée en vue de diminuer les extensions de la zone de recirculation par rapport à la meilleure excitation périodique en boucle ouverte. L'actionneur est mis en marche en fonction des regroupements préalablement observés. Le résultat est comparé à l’ensemble des lois de contrôle définies par toutes les combinaisons possibles des « on » et « of » par les regroupements de données. Bien quele contrôle basé sur la CROM ne permet pas de réduire la zone de recirculation par rapport à la réduction maximale en boucle ouverte, 28 % de l'apport d 'énergie nécessaire et 81 % pour une loi de contrôle particulière peuvent être économisé. / A cluster-based reduced-order modeling strategy is developed for the unsupervised identification of nonlinear flow mechanisms and precursors to desirable or undesirable events. The proposed approach assumes a probabilistic viewpoint taking advantage of the linearity of the evolution equation for the probability while including nonlinear actuation dynamics.The framework is applied to the Lorenz attractor, numerical data of the spatially evolving mixing layer, the three-dimensional turbulent wake of a bluf body, of a train, and experimental data of a combustion engine.For these examples, CROM has been shown to identify quasi-attractors such as the two shedding regimes of the mixing layer or the bimodal states of the Ahmed body; main transition processes between those quasiattractors are characterized by branching regions or flipper cluster; desirable phase space regions and possible actuation mechanisms areindicated by analysis of cluster features like drag and lift forces which can be further exploited for control purposes.In particular, a CROM-based feedback control is applied to a separating flow over a smooth ramp to examine whether the recirculation area can be diminished compared to the best open-loop periodic excitation by turning the actuation on or of depending on the applicable cluster. The CROMbased control is compared to the complete set of control laws defined byall possible combinations of 'on' and 'of' for the given set of clusters.While the recirculation area cannot be further decreased compared to the best open-loop forcing, a similar size can be achieved for 28% (CROMbased control) or 81% (one particular control law) savings in the control input energy.

Une étude numérique et des investigations expérimentales sont menées sur une bulle de Taylor ascendante au passage d’une contraction ou d’un élargissement brusque dans un liquide Newtonien stagnant. Le code CFD est issu du logiciel libre Gerris utilisant la méthode VOF (Volume Of Fluid) pour représenter l’interface liquide-gaz. La méthode numérique est vérifiée en utilisant les résultats existants sur des bulles de Taylor ascendantes dans des colonnes droites. L’étude expérimentale permet d’étudier une bulle d’azote dans un mélange eau-glycérol pour différentes concentrations. Le rapport des diamètres de la conduite varie de 0,69 à 1,72. Les images de la bulle montante dans les singularités sont capturées par une caméra haute vitesse. Les variations de vitesse de la bulle et de l’épaisseur du film liquide sont étudiées. Les résultats montrent que l’élargissement brusque avec un rapport de diamètres plus élevé entraîne plus de perturbations sur la bulle avec de forts effets sur sa queue. Les queues de bulles instables sont coupées en petites bulles dans certains cas et une carte d’écoulement permet de le prédire. En outre, il a été observé que les variations de la forme de la bulle dépendent de la longueur des bulles. En ce qui concerne la bulle passant par une contraction, le phénomène de blocage a été observé et une carte de prédiction a été proposée. Finalement, cette étude, basée sur un intervalle assez large du nombre d’Eötvös et du rapport de diamètres, propose de nouvelles connaissances pour mieux comprendre l’ascension d’une bulle de Taylor dans les singularités. / Numerical simulations and experimental investigations of rising individual Taylor bubble through a vertical sudden expansion and contraction in stagnant Newtonian liquid is presented. The CFD procedure is based on the open source package Gerris which adopts the volume-of-fluid (VOF) method to represent the gas/liquid interface. The numerical method is verified using the existing results of single Taylor bubbles rising in straight columns. The experiments investigate a nitrogen bubble rising in a water-glycerol mixture for different concentrations. The pipe diameter ratio ranges from 0.69 to 1.72. The images of the bubble rising through the singularities are captured by a high-speed camera. Our investigations focus on the transient process of the bubbles passing the singularity. The variations of the bubble velocity and the liquid film thickness are investigated. The results show that the greater expansion ratios yield more perturbations on the bubbles and have strong effects on the tail of the bubble. The unstable bubble tails are cut off into smaller bubbles in some of the test cases and a bubble break-up regime map obtained by simulations has been proposed. The bubble shape variations depend also on the length of the bubbles. For a bubble passing through a contraction, the blocking phenomenon has been observed and a map has been proposed. Finally, this study, based on a large range of Eötvös numbers and expansion/contraction ratios, provides new insights to better understand the effect of singularities on rising Taylor bubbles.

Quand on augmente le nombre de Reynolds d’un écoulement, il passe progressivement d’un état ordonné, laminaire, à un état chaotique, turbulent. Lors de cette transition, on voit apparaître des structures hydrodynamiques ordonnées qui se désordonnent sous l’effet de déstabilisations successives. Ces structures peuvent poser problème lorsqu’on souhaite par exemple homogénéiser des suspensions car des particules peuvent s’y retrouver piégées et générer des zones sur ou sous-concentrées. La plupart des fluides naturels et industriels sont non newtoniens. Pour mieux comprendre et contrôler l’apparition des structures hydrodynamiques dans de tels fluides, nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, aux mécanismes d’instabilités gouvernant la transition vers la turbulence de fluides complexes dans la configuration simplifiée de Taylor-Couette. Dans un premier volet théorique et numérique, les concepts d’instabilités hydrodynamiques ont été appliqués à l’écoulement de Taylor-Couette pour trois modèles rhéologiques : la loi de puissance, le modèle de Carreau et le modèle de Bingham. Deux rapports de rayons et différentes vitesses de rotation des deux cylindres ont été considérés. La déstabilisation de l’écoulement de Couette circulaire a été étudiée pour prédire l’apparition de structures telles que les rouleaux de Taylor-Couette aux temps longs. Une analyse aux temps courts a également été effectuée pour étudier les phénomènes de croissance transitoire dans l’écoulement. Dans un second volet expérimental, un dispositif de Taylor-Couette en plexiglas a été élaboré. Dans un premier temps, des mesures de couple avec un fluide newtonien (glycérol) ont été réalisées et comparées avec succès avec les résultats de la littérature. Des mesures rhéométriques ont ensuite été réalisées pour choisir des fluides répondant aux lois rhéologiques utilisées dans le volet théorique. Des visualisations ont été effectuées pour détecter l’apparition des instabilités et les conditions critiques ont été comparées aux prédictions de l’analyse linéaire de stabilité. Des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV) ont été aussi effectuées pour déterminer les champs de vitesse de l’écoulement. Ces différentes études ont permis de mettre en évidence le caractère sous-critique et l’apparition d’un écoulement chaotique engendrés par le caractère rhéofluidifiant des fluides. / When increasing the Reynolds number of a flow, it passes gradually from an ordered state, called laminar, to a chaotic state, called turbulent. During this transition, organized hydrodynamic structures appear which disorganize under successive destabilizations. These structures may cause problems for example in the relation to the homogenization of suspensions, because particles may be trapped in the structures, leading to under or over-concentrated zones. Furthermore, most of the fluids found in nature and in the industry are non-Newtonian. In order to better understand and control the apparition of hydrodynamic structures in such fluids, we focused during this PhD on the instability mechanisms governing the transition to turbulence of complex fluids in the simplified configuration of Taylor-Couette. In a theoretical and numerical approach, concepts of hydrodynamic instabilities were applied to the circular Couette flow for three rheological models: the power law, the Carreau and the Bingham models. Two radius ratios and different rotation velocities were considered for the cylinders. The destabilization of the circular Couette flow was studied to predict the apparition of structures such as Taylor vortex at long times. An analysis at short time was also performed to study the phenomena of transient growth. In an experimental approach, a Taylor-Couette device was designed. First, the torque on the inner cylinder was measured for a Newtonian fluid (glycerol) and successfully compared to previous results of the literature. Secondly, rheological measurements were conducted in order to select fluids showing rheological behaviors considered in the theoretical approach. Visualizations were then performed in order to detect the apparition of instabilities and the critical conditions were compared to the predicted by means of the linear stability analysis. Finally, PIV measurements provided velocity fields in the flow. These different studies evidenced a subcritical transition and chaotic flow due to the shear-thinning character of the fluids.

Il est bien connu que les particules inertielles dans un écoulement périodique ont tendance à se focaliser sur des trajectoires privilégiées. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'influence de cette focalisation sur le transport et la sédimentation de particules dans une fracture plane à rugosité périodique. Tout d'abord, un écoulement monophasique dans une fracture est analysé asymptotiquement dans le cas de faible rugosité. Les résultats classiques de la théorie de la lubrification inertielle sont généralisés au cas de fractures avec des parois asymétriques. Les corrections non linéaires à la loi de Darcy sont calculées explicitement en fonction des facteurs géométriques de la fracture. Le transport de particules dans une fracture horizontal est étudié asymptotiquement dans le cas de particules de faible inertie. Les particules se focalisent sur une trajectoire attractrice, si le débit d'écoulement est assez fort par rapport à la gravité. Un diagramme complet de focalisation a été obtenu, qui prédit l'existence de l'attracteur en fonction du nombre de Froude et des facteurs géométriques de la fracture. Les paramètres quantitatifs du transport ont été calculés également. L'influence de la force de portance sur la migration de particules a été étudiée également. Dans un canal vertical, la portance (provoquée par la gravité) modifie le nombre d'attracteurs et leurs positions. En absence de gravité, la portance peut provoquer une dynamique chaotique des particules. En outre, le captage des particules par une paire de tourbillons a été étudié. Le diagramme d'accumulation obtenu démontre que toute paire de tourbillons peut être un piège à particules / It is well-known that inertial particles tend to focus on preferential trajectories in periodic flows. The goal of this thesis was to study the joint effect of particle focusing and sedimentation on their transport through a model 2D fracture with a periodic corrugation. First, single-phase flow though the fracture has been considered: the classical results of the inertial lubrication theory are revisited in order to include asymmetric fracture geometries. Cubic corrections to Darcy's law have been found analytically and expressed in terms of two geometric factors, describing channel geometry. For weakly-inertial particles in a horizontal channel it has been shown that, when inertia is strong enough to balance out the gravity forces, particles focus to some attracting trajectory inside the channel. The full trapping diagram is obtained, that predicts the existence of such attracting trajectory regime depending on the Froude number and on geometric factors. Numerical simulations confirm the asymptotic results for particles with small response times. The influence of the lift force on particle migration has also been studied. In a vertical channel the lift is induced by gravity and leads to complex trapping diagrams. In the absence of gravity the lift is caused by inertial lead/lag of particles and can lead to chaotic particle dynamics. Finally, for dust particles in a vortex pair it has been shown that particles can be trapped into one or two equilibrium points in a reference frame rotating with the vortices. A full trapping diagram has been obtained, showing that any pair of vortices can trap particles, independently of their strength ratio and the direction of rotation

La compréhension des écoulements multiphasiques dans les évaporateurs à mini-canaux est primordiale pour la performance des boucles de climatisation dans le secteur automobile notamment. Cette thèse s’est principalement intéressée à l’écoulement d’entrée de tels évaporateurs ainsi qu’à la répartition des phases dans les mini-canaux. Dans un premier temps, l’écoulement adiabatique diphasique en entrée d’évaporateur a été étudié. Un dispositif expérimental transparent, respectant au mieux la géométrie d’entrée de l’évaporateur, a été réalisé afin de reproduire l’écoulement diphasique d’entrée en eau-air mais en respectant les régimes d’écoulement rencontrés avec du R134a. Plusieurs techniques de caractérisation ont été mises en œuvre (visualisation, conductimétrie, tube de Pitot et prises de pression) afin de quantifier les pertes de pression, les épaisseurs de film et les vitesses du gaz dans un régime principalement annulaire. Suivant le même principe, un autre module en acier-inox a été développé pour caractériser l’écoulement directement en entrée d’évaporateur avec du réfrigérant R134a. Dans un second temps, nous avons étendu l’étude au cas d’un évaporateur compact à mini-canaux. Dans deux situations adiabatiques : monophasique (eau) et diphasique (eau-air), les pertes de pression, la répartition des phases le long de l’évaporateur et le régime d’écoulement dans les mini-canaux ont été étudiés sur un échangeur fabriqué en polycarbonate dont la géométrie s’approche au mieux de celle d’un échangeur réel. Les nombreux résultats ainsi obtenus constituent une base de données conséquente utile à la simulation numérique de ce type d'écoulements diphasiques / Understanding of multiphase flows in mini-channel evaporators is essential for the performance of air-conditioning systems, particularly in automotive sector. This thesis is mainly interested in behavior of inlet flow and phase distribution in the mini-channels. Initially, an adiabatic two-phase flow at the evaporator's inlet was studied. A transparent experimental apparatus with the same geometry as an evaporator's inlet has been designed. This test section helped us to reproduce the same flow regimes with air-water as flow regimes encountered with R134a in an evaporator. Several characterization techniques were used (visualization, conductance probes, Pitot tube and pressure taps) to determine pressure losses, liquid film thickness and gas velocity in a predominantly annular flow regime. Following the same principle, another experimental facility in stainless steel was developed to directly characterize the R134a flow at the evaporator's inlet. Finally, we have extended the study to the case of a compact evaporator in two adiabatic situations: single-phase (water) and two-phase (air-water). Pressure losses, phase distribution along the evaporator and flow regime in mini-channels were studied on an evaporator made of transparent materials (polycarbonate) with a close geometry to that of a real evaporator. Numerous results were obtained to provide a consistent database that would be useful for numerical simulation of this type of two-phase flows