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This thesis reports on experimental and theoretical investigations relevant to the understanding of the phenomenon of phase inversion and its effect on pressure drop during dispersed flow of two immiscible liquids in horizontal pipelines. Experimental studies of phase inversion and associated phenomena were carried out in the liquid flow facility in the Department of Chemical Engineering at University College London (UCL), and at the Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway (NTNU). Detailed local conductivity measurements have been obtained at UCL (using conductivity ring probes, a local needle conductivity probe and a flush probe mounted on the pipe wall), which revealed phase continuity at different locations in the pipe cross section as the system approaches phase inversion and after it. In both systems, pressure gradient was measured and phase inversion identification measurements along the pipe were enabled with the use of the conductivity ring probes. A new probe that enables phase and drop size distribution measurements was designed and developed for use at UCL. At the UCL facility, velocity ratio of the two phases, the dispersed phase droplet velocity profiles, and phase distribution at the pipe cross section and droplet chord length were also measured. This revealed a significant increase in the dispersed drop size at inversion point. The results also enabled the equal surface energy criterion validation, based on droplet size considerations. The velocity ratio of the two phases was found to have a higher value than unity at all conditions studied, while inversion from water to oil continuous mixtures results in a decrease in its value. The drop velocity was also becoming lower with increasing dispersed phase fraction and it was found to be affected by the presence of high dispersed phase concentrations. Various parameters and their effect on inversion were studied. Three types of oil (with viscosities of 1.7, 5.5 and 11 mPa s) were used while different pipe diameters and materials were tested (namely, acrylic with 32 and 60 mm ID, stainless steel with 38 and 60 mm ID and an epoxy coated stainless steel pipe with 60 mm ID). Mixture velocities from 2.5 m/s to 6.2 m/s (depending on the test section) were used, selected so that the mixture away from the inversion was dispersed. Also, two experimental routes were followed, starting from oil continuous and water continuous dispersions to investigate the existence of a possible hysteresis at the occurrence of inversion. It was found that phase inversion is accompanied with significant changes in pressure gradient it was preceded by a sharp peak when the less viscous oils were used, while no peak was recorded with the use of the more viscous oil. An ambivalent range was seen for the less viscous oil, possibly related to the creation of secondary dispersions. A mechanistic model that describes the layered structure of the flow during inversion (detected experimentally) was proposed for the prediction of flow characteristics and pressure gradient at the region of inversion. It is suggested that inversion starts when a thin layer of the dispersed phase (that is to become continuous) forms at the top or the bottom of the pipe. A clear layer of the continuous phase may also exist at the bottom or the top of the pipe respectively. Two or three layer models were used for these configurations. Results showed that the two layer model predicts pressure gradient and layer thickness well. The homogeneous model was found to agree well with the experimental results, especially in the water continuous region when considerations for the mixture velocity. The friction factor was modified to compensate for the appearance of the drag reduction in the conducted measurements. In addition, a commercial feasibility study has been carried out which confirmed the considerable and immediate potential for the commercialisation of the impedance probe developed within this research for phase and drop size distribution measurements.

Segmented flows in microfluidics have attracted much recent attention. Of particular interest is the use of nanolitre droplets as interface tools in microfluidics. A droplet interface connects techniques while leaving them sufficiently independent of each other; a task that difficult to perform within a continuous flow system. The first part of this thesis is dedicated to sample preparation and analysis in continuous flow microfluidic systems. The polymerase chain reaction (PCR) is investigated, using electroosmotic flow to transport the sample across various temperature zones. Additionally, a novel sieving matrix for electrophoretic separation of dsDNA fragments and PCR amplicons on microchip and capillary is demonstrated. The second part of this thesis focuses on interfacing segmented and continuous flows. Two novel interfaces are described and demonstrated. The first interface connects droplet flows and a chip-based electrophoresis device. Using this interface, samples or reactions performed in droplets can be directly transferred to a separation channel without suspending the separation. This allows multiple samples to be analysed in a single separation channel, without cross contamination between droplets. Consequently, PCR reactions and dsDNA calibration ladders can be prepared in droplet format and analysed in high throughput. The second interface links nano-liquid chromatography and MALDI mass spectrometry. Droplet fractionation post nano-LC separation is used to preserve resolution between separated bands. The droplets are subsequently delivered to a MALDI plate for mass spectrometric analysis by removing the continuous oil phase using a hydrophobic oleophilic membrane. The tools developed here reduce manual intervention and provide a link between multiple analytical techniques involved in biomolecule analysis. These innovations will improve reproducibility and reduce cross-contamination between samples.

Le but de cette recherche consiste à la modélisation numérique et expérimentale d’écoulement sanguin dans les artères, en utilisant les nouvelles méthodes de couplage fluide structure. Plusieurs approches numériques peuvent être utilisées pour ce type de couplage, la méthode des éléments finis pour la modélisation de la structure. Pour la modélisation du domaine fluide la méthode de type éléments fnis ou méthode particulaire, Smooth Particle Hydrodynamic method, (méthode SPH) peuvent utilisées. Afin de valider ces deux méthodes numériques, Eléments Finis et SPH, une première application consiste à la modélisation numérique du gonflement d’une membrane en caoutchouc. Pour cette application des données expérimentales sont disponibles pour la validation des résultats numériques. Pour le matériau caoutchouc, une loi de comportement de type Mooney Rivlin est utilisée. Pour la structure la méthode des éléments finis, formulation coque est utilisée, pour le fluide nous avons opté pour la méthode particulaire SPH. Concernant la sensibilité par rapport au maillage, plusieurs maillages pour la modélisation des domaines fluide et structure sont testés. Une bonne corrélation en terme de déplacement et de vitesse du centre de la membrane, entre les résultats numériques et données expérimentales a été observée. Cette application est publiée dans un journal international de rang A.La seconde formulation développée dans le manuscrit consiste à la modélisation et simulation numérique du problème en vue. La méthode de couplage de type Euler Lagrange, une formulation Eulerienne à maillage fixe pour le fluide et une formulation Lagrangienne pour la structure, est utilisée pour la modélisation de l’écoulement sanguin dans les artères. Différentes méthodes de pénalisation pour le couplage fluide structure ont été testées. Pour une meilleure consistance, plusieurs types de maillages fluide et structure ont été analysés, and des pas de temps vérifiant la condition de stabilité. Comme très peu de résultats expérimentant dans le domaine biomécanique sont disponibles. Les résultats numériques sont comparés aux résultats théoriques publiés dans la littérature. Une bonne corrélation entre les résultats numériques et les données théorique a été signalée dans le manuscrit. Ces résultats sont publiés dans un Journal International de rang A. / The aim of this thesis is to investigate blood flow in arteries using Fluid-Structure Interaction (FSI) numerical approach. There are different approaches which could be used, Finite Element (FE) method for modelling artery wall and either FE or Smoothed Particles Hydrodynamic (SPH) method for blood modeling. In order to investigate the appropriate numerical method to simulate the biomedical problem. both SPH and Finite Element methods were applied. Both methods were first validated for applications where experimental data are available. In order to validate the SPH and FEM method used to simulate the fluid domain and arteries, we investigate a specific problem concerning membrane inflation. Finite Element method with shell formulation was used for the membrane made of rubber material, and SPH Particle method for the fluid. This application has been selected since experimental data are available. Mooney Rivlin constitutive material law for hyper elastic incompressible material is used for the membrane and compressible air for the fluid. For mesh sensitivity and consistency, different meshes for the membrane and different particle numbers for SPH have been investigated, Good agreement with experimental data were obtained in term of displacement and velocity of the membrane center. The application is published in an international Journal with Index Citation. The second formulation developed in the manuscript concerns the fluid structure coupling problem we are interested in. Coupled Eulerian Lagrangian (CEL) approach for the modelisation of Pulse Wave Velocity (PWV) in large arteries. Different penalty methods for the fluid structure coupling have been investigated for good accuracy and consistency of the results using different fluid and structure meshes and time step satisfying stability condition. Since experimental data are not available for these approaches, numerical results were compared to the theoretical theory and previous work published in the literature. This work is published in an International Journal with Index Citation.

Cette thèse est dédiée à l’étude analytique et numérique des instabilités d’origine thermique et thermodiffusive de fluides visco-élastiques. L’objectif recherché est de contribuer à la compréhension de la dynamique qui résulte de la compétition entre plusieurs moteurs d’instabilités. En plus du caractère visco-élastique du fluide et de la présence d’un gradient de température vertical déstabilisant, d’autres sources d’instabilités viennent s’y ajouter : Le couplage "convection/écoulement de Poiseuille" d’une part, et le couplage "convection/effet Soret" inhérent aux mélanges binaires d’autre part. Deux configurations physiques sont alors considérées. La première partie de cette thèse est consacrée aux écoulements de convection mixte de type Rayleigh-Bénard-Poiseuille de fluides visco-élastiques, alors que la deuxième partie concerne l’effet de la thermodiffusion sur les instabilités de ces fluides saturant un milieu poreux. Le choix d’un milieu poreux est essentiellement motivé par la suggestion d’un protocole industriel de séparation possible des constituants d’une solution de polymères. / This thesis is dedicated to analytical and numerical study of thermal and thermodiffusive instabilities of viscoelastic fluids. The objective is to contribute to the understanding of the dynamics that results from the competition between different origins of instabilities. In addition to the viscoelastic nature of the fluid and the presence of a destabilizing vertical temperature gradient, other sources of instabilities have to be added: the coupling "convection/Poiseuille flow" on the one hand, and the coupling "convection/Soret effect" inherent to binary mixtures on the other hand. Two physical configurations are then considered. The first part of this thesis will be devoted to the Rayleigh-Bénard-Poiseuille mixed viscoelastic fluid convection, while the second part aims to identify the effect of thermodiffusion and viscoelasticity on convective instabilities in a porous medium. The choice of a porous medium in the second part is primarily motivated by the suggestion of an industrial protocol for separating the constituents of a polymer solution.

Ce travail présente les résultats numériques et une analyse des écoulements des fluides newtoniens et viscoélastiques du type Phan-Thien-Tanner (PTT), dans une conduite courbée de 180◦ avec section carrée et une région de sortie linéaire. Les équations de Navier-Stokes sont écrites en coordonnées orthogonales généralisées, et résolues en utilisant la méthode des volumes finis. On montre les résultats numériques des lignes de courant, du développement de tourbillons et des profils de vitesses dans la région de sortie, pour trois nombres de Dean (125 ; 137 et 150) et quatre nombres de Deborah différents (0,1 ; 0 2 ; 0 3 et 0, 4). Nous avons observé que la formation de paires supplémentaires de tourbillons contre rotatifs et les transitions des modèles de deux tourbillons au modèle de quatre tourbillons et au modèle de six tourbillons, ainsi que les dimensions des tourbillons et le moment de leur apparition dépendent du nombre de Dean et du nombre de Deborah. / This work presents the numerical results and the analysis of the flow behavior of Newtonian and viscoelastic fluids, type Phan-Thien-Tanner (PTT), in an 180◦ curved duct of square cross section and straight output zone. The Navier-Stokes equations were written in generalized orthogonal coordinates, and solved using the finite volume method. The numerical results of the streamlines, development of vortex and velocity profiles in the output region are shown, for Dean numbers (125 ; 137 ; and 150) and four different Deborah numbers (0,1 ; 0,2 ; 0,3 ; and 0,4). We observed that the formation of supplementary twin counter-rotating vortex and the transitions of two-vortex patterns to four-vortex patterns or six-vortex patterns, as well as the vortex dimensions and the apparition time depend of number Dean and number Deborah.

Ce travail de thèse sur les milieux poreux est axé sur deux parties. La première concerne l'étude numérique de l'écoulement d'un fluide Newtonien ou non-Newtonien au sein d'un système fluide/poreux. L'approche à un seul domaine qui consiste à écrire l'équation de Navier-Stokes incluant le terme de Darcy-Brinkman-Forchheimer est adoptée dans cette étude. La relation entre le gradient de pression et la vitesse débitante linéaire dans le cas de Darcy où le fluide est Newtonien, est obtenue. Cette relation est étendue dans le cas non-Darcy où le fluide est non Newtonien. L'influence des nombres de Darcy et de Forchheimer sur la structure de l'écoulement est montrée. Dans la seconde partie, une étude de stabilité linéaire et numérique de la convection naturelle de fluides viscoélastiques saturant une couche poreuse horizontale chauffée par un flux constant est réalisée. Une étude d'instabilité primaire et secondaire nous a permis de montrer que pour un fluide Newtonien, la convection monocellulaire perd sa stabilité au profit des rouleaux longitudinaux. Dans le cas des fluides viscoélastiques, on trouve que l'élasticité du fluide induit la sélection des rouleaux transversaux propagatifs. Une solution numérique basée sur un schéma aux différences finies est venue conforter ces résultats analytiques. / The present thesis on porous media concentrates in two parts. The first concerns the numerical study of the flow of a Newtonian or a non-Newtonian fluid within a fluid/porous system. The approach of a single domain, which consists of/in writing the Navier-Stokes equation including the Darcy-Brinkham-Forchheimer term, is chosen in this study. The linear relation between the pressure gradient and the bulk velocity in the Darcy case, for which the fluid is Newtonian, is obtained. This relation is extended to the non-Darcy case, for which the fluid is non-Newtonian. The influence of Darcy and Forchheimer numbers on the structure of the flow is presented. In the second part, linear stability and numerical analysis of the natural convection of viscoelastic fluids saturating a horizontal porous layer heated by a constant flux is performed. A primary and secondary instability study allowed to show that, for a Newtonian fluid, the unicellular convection loses its stability to the benefit of longitudinal rolls. In the case of viscoelastic fluids, the elasticity of the fluid leads to the selection of propagation transverse rolls. A numerical solution based on a finite difference scheme has reinforced these analytical results.

Dans ce travail de thèse tant théorique que numérique, on étudie les différentes instabilités pouvant se développer dans un milieu poreux saturé par un fluide viscoélastique et chauffé par le bas. La formulation mathématique des équations de ce problème repose sur la loi phénoménologique de Darcy généralisée à un fluide viscoélastique vérifiant l’approximation de Boussinesq. Ce problème admet une solution de conduction, et on trouve que deux types de structures sont susceptibles d’apparaître lorsque l’état de conduction perd sa stabilité : des structures stationnaires et des structures oscillatoires. Les seuils d’apparition de ces structures sont étudiés en fonction des paramètres adimensionnés du problème, à savoir le nombre de Rayleigh, les temps de relaxation et de retardation associés à l’élasticité du fluide. Une étude linéaire et non linéaire est donc menée. Il est intéressant de noter qu’une compétition entre les structures stationnaires et oscillatoires peut exister au voisinage d’un point appelé point de codimension 2. Une analyse non linéaire est donc menée au voisinage de ce point et est confrontée aux résultats issus des simulations numériques. Enfin, s’appuyant sur les propriétés de mélanges binaires des fluides viscoélastiques, une étude théorique est réalisée et nous montrons qu’il y a une compétition entre deux régimes : un régime où la viscoélasticité est dominante et un autre où l’aspect mélange binaire l’emporte. Ce résultat permet d’expliquer certaines observations expérimentales. / In this theoretical and numerical work, we study differents instabilities which can develop in a porous media saturated by viscoelastic fluid and heated from below. The mathematical formulation of the equations of this problem is based on phenomenological Darcy law generalized to a viscoelastic fluid verifying Boussinesq estimate. This problem admits a solution of conduction, and we find that two types of structures may appear when the conduction state loses his stability : stationary and oscillatory structures.The apparition thresholds of these thermo-convectives structures are studied and depend on the non-dimensionnalized parameters of the problem, Rayleigh number, relaxation and retardation time associated to the fluid elasticity. A linear and non linear stability is also realized. It is interesting to note that it can have a competition between stationary and oscillatory structures near a point named codimension 2 point. A linear analysis is also realized near this point and is compared to the numerical simulation results.Finally, by taking into account binary mixtures properties of the viscoelastic fluids, a theoretical study is realized and we show that there is a competition between two states : a state in which viscoelasticity is dominant and another state in which binaries properties are also dominants. This result can explain experimental observations.

Dans cette étude, une nouvelle approche numérique intitulée modèle de fuite multicouche a été développée permettant la simulation efficace par des éléments coques 2D multicouches de la nature tridimensionnelle de l’écoulement dans des préformes multicouches pourvues ou non d’un drainant et caractérisées par un fort gradient d’anisotropie le long de l’épaisseur. La convergence de l’approche développée a été démontrée via une comparaison avec un modèle 2D dans le plan xz. L’efficacité du modèle de fuite vis-à-vis du modèle 3D a été quantifiée. L’intérêt de la nouvelle approche numérique a été révélé via des problèmes à échelle industriel à savoir l’optimisation de la stratégie de dépôt de drainant dans un raidisseur en Hi-Tape, la simulation de remplissage d’une coque de bateau pendant le procédé VARTM et l’étude de l’écoulement dans un stratifié NCF. / In this study, a new numerical approach called « Multilayer Leakage Model » has been developed for the efficient numerical simulation of the 3D flow by 2D multilayered shell elements in anisotropic multilayer preform with or without a distribution medium. The convergence of the developed approach has been demonstrated by a comparison with a 2D model in the xz plan. The efficiency of the multilayer leakage model versus the 3D model has been quantified. The advantage of the new numerical approach has been verified through industrial part simulations such as the optimization of distribution medium position in a Hi-Tape stiffener, the flow simulation of a boat in VARTM process and the flow analysis of a NCF laminate.