La filtration de molécules est un enjeu vital dans les domaines biomédicaux tels que la dialyse jusqu’à la production à grande échelle d’eau potable. Dans les dernières décennies, des matériaux nanoporeux ont permis des avancées significatives, mais s’appuient toujours sur une géométrie de type "passoire" où une membrane avec de petits trous permet la sélection des molécules cibles. Ceci entraîne notamment une diminution du transport à travers ces trous, et rend les procédés de séparation coûteux en énergie. Ici je développe plusieurs approches innovantes pour la filtration, inspirées par des filtres biologiques (les reins humains, les aquaporines). Je définis de nouveaux concepts pour la séparation, en m’appuyant sur des modèles simples. J’explore notamment des arrangements topologiques différents, mais aussi l’idée d’une passoire active, où la taille des trous peut par exemple varier dans le temps. Tous ces principes pourraient être implémentés à partir d’éléments existants et fournir des alternatives pour la dialyse ou le recyclage des eaux usées. Ces recherches amènent aussi des questions fondamentales originales en physique. En particulier, des grandeurs définies traditionnellement à l’équilibre comme la pression osmotique ou la perméabilité d’un pore ne sont pas bien définies quand le pore a des propriétés qui dépendent du temps. Pour autant, on imagine aisément qu’il est possible d’étendre ces concepts hors d’équilibre, et que cela aura de nombreuses conséquences pour la filtration, et même le pompage ionique. / Filtering specific molecules is a challenge faced for several vital needs: from biomedical applications like dialysis to the intensive production of clean water. The domain has been boosted over the last decades by the possibilities offered by nanoscale materials. Filtration is however always designed according to a sieving perspective: a membrane with small and properly decorated pores allows for the selection of the targeted molecules. This inevitably impedes the flux and transport, making separation processes costly in terms of energy. Here I investigate several innovative approaches to separation and filtration. I draw inspiration from biological systems (the human kidney, biological channels like aquaporins) and rationalize some new concepts for sieving, based on simple models. These approaches rely on different alternative strategies: either exploring new topologies or the idea of active sieving, with dynamically responsive channels and pores. All these principles could be readily mimicked using existing technologies to build artificial dialysis devices or alternatives for advanced water recycling. In a broader perspective, these approaches open fundamental questions in the fields of statistical physics and fluid dynamics. In particular, traditional in equilibrium quantities like osmotic pressure and permeability are not defined when the pore has an active component, yet one easily imagines that such concepts could be extended to these out-of equilibrium situations. This has numerous consequences on filtration and desalination, but also on ionic pumping and sorting.

Les limitations récentes imposées par ICAO-CAEP, qui règlent les émissions de NOx, mènent à l’implémentation du concept de combustion lean dans les moteurs aéronautiques. Du point de vue du design, il faudrait étudier de façon plus approfondie la combustion lean et donc la Computational Fluid Dynamics(CFD) peut être un outil essentiel à ce but. Plusieurs phénomènes sont impliqués et différentes stratégies de modélisation, avec des différences en termes de coûts de calcul, sont disponibles. Néanmoins, jusqu'à présent, peu d'outils numériques peuvent prendre en compte les effets de la préparation du combustible liquide dans les calculs réactifs. Les conditions limites d’atomisation sont normalement déterminées par des approches corrélatives qui ne couvrent pas toutes les conditions de fonctionnement et les caractéristiques géométriques des brûleurs aéronautiques. Cependant, comme on peut lire dans la première partie de ma thèse, où plusieurs études de cas de littérature sont analysées, l'impact de la préparation du combustible liquide peut être extrêmement important. Les considérations basées sur des approches corrélatives ne sont pas fiables. Des méthodes prédictives focalisées sur l'atomisation du combustible sont nécessaires. Cette activité de recherche vise donc à développer un outil numérique général, utilisable dans le domaine industriel et capable de modéliser la phase liquide de son injection jusqu'à la génération d'un spray dispersé. Le modèle ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization), basé sur une approche eulérienne dans la région dense et une lagrangienne dans la zone diluée, a été choisi à ce but. Le solveur traite le combustible liquide jusqu'à la génération d'une phase dispersée et prend en compte le processus d’atomisation par l'introduction de la densité d'interface liquide-gaz. Néanmoins, si on applique cette méthode dans un environnement réactif fortement turbulent comme un brûleur aéronautique on peut rencontrer plusieurs limites. Par conséquent, on a dédié une attention particulière tout d’abord à l'étude du terme de flux turbulent à l'intérieur de l'équation de la fraction volumique liquide. Cette quantité est d'une importance primaire pour un écoulement turbulent, avec des vitesses de glissement élevées entre ses phases. Une nouvelle fermeture de second ordre pour cette variable est proposée et validée sur un cas de jet en crossflow. Ensuite, pour gérer un environnement réactif, un nouveau modèle d'évaporation est intégré dans le code et évalué par rapport aux résultats expérimentaux. Enfin, une autre méthode de dériver la distribution de la taille des gouttes dans le contexte ELSA pour l'injection lagrangienne est présentée et validée avec des simulations DNS. Pour conclure, ce travail introduit une nouvelle méthode pour une description unifiée de la combustion et de l’atomisation dans les calculs CFD. L'approche proposée devrait conduire à une description complète de l'évolution du combustible et à une caractérisation plus pertinente de l'écoulement réactif. Plusieurs aspects qui sont également mis en évidence sont améliorables et peuvent offrir des suggestions pour d’ultérieurs travaux. / The recent limitations imposed by ICAO-CAEP, regulating NOx emissions, are leading to the implementation of lean burn concept in the aero-engine framework. From a design perspective, a depth insight on lean burn combustion is required and Computational Fluid Dynamics (CFD) can be a useful tool for this purpose. Several interacting phenomena are involved and various modelling strategies, with huge differences in terms of computational costs, are available. Nevertheless, up to now few numerical tools are able to account for the effects of liquid fuel preparation inside reactive computations. Spray boundary conditions are normally determined thanks to correlative approaches that are not able to cover the wide range of operating conditions and geometrical characteristics of aero-engine burners. However, as highlighted in the first part of the dissertation, where several literature test cases are analysed through numerical calculations, the impact of liquid preparation can be extremely important. Considerations based on correlative approaches may be therefore unreliable. More trustworthy predictive methods focused on fuel atomization are required. This research activity is therefore aimed at developing a general numerical tool, to be used in an industrial design process, capable of modelling the liquid phase from its injection till the generation of a dispersed spray subject to evaporation. The ELSA (Eulerian Lagrangian Spray Atomization) model, which is based on an Eulerian approach in the dense region and a Lagrangian one in the dilute zone, has been chosen to this end. The solver is able to deal with pure liquid up to the generation of a dispersed phase and to account for the breakup process through the introduction of the liquid-gas interface density. However, several limitations of such method arise considering its application in a highly swirled reactive environment like an aero-engine burner. Therefore, particular attention has been here devoted first to the study of the turbulent liquid flux term, inside the liquid volume fraction equation. This quantity is of paramount importance for a swirled flow-field, with high slip velocities between phases. A completely innovative modelling framework together with a new second order closure for this variable is proposed and validated on a literature jet in crossflow test case. Then, to handle a reactive environment, a novel evaporation model is integrated in the code and assessed against experimental results. Finally, an alternative way to derive the Drop Size Distribution (DSD) in ELSA context for the lagrangian injection is presented and assessed by means of Direct Numerical Simulations. Ultimately, this work introduces an innovative framework towards a uni- fied description of spray combustion in CFD investigations. The proposed approach should lead to a comprehensive description of fuel evolution in the injector region and to a proper characterization of the subsequent reacting flow-field. Several improvable aspects are also highlighted, pointing the way for further enhancements.

La modélisation des hydrosystèmes souterrains est devenue un outil crucial dans la gestion des ressources d'eaux souterraines ainsi que pour la surveillance des sites contaminés. L'objectif de ce travail de thèse est de modéliser l'écoulement d'une phase non-aqueuse liquide dense (DNAPL) dans les sols, et de développer un code pour la simulation des écoulements triphasiques de fluides incompressibles en milieux poreux. Le modèle mathématique pour les écoulements multiphasiques de fluides en milieux poreux est généralement constitué d'une équation de pression et de deux équations de saturation. Notre approche est fondée sur une formulation en pression globale : elle permet un découplage partiel des équations de pression et de saturations, et elle est plus efficace en termes de résolution numérique. Le nouveau modèle est discrétisé selon un schéma IMPES. Dans ce travail de thèse, la méthode des Eléments Finis Discontinus de Galerkine est combinée à un schéma de Godunov généralisé pour la résolution de la partie convective de l'équation de saturation. Un écoulement diphasique non miscible avec effets gravitaires importants et sans capillarité a été simulé. Une analyse fonctionnelle démontre que le profil de saturation de la phase non-aqueuse entrante dépend essentiellement du rapport de la vitesse totale sur la différence de densité entre la phase non aqueuse et l'eau. Le code développé a permis de simuler un drainage gravitaire à grande échelle. Enfin, un modèle numérique non-linéaire d'écoulement triphasique de fluides utilisant la Méthode des Lignes est introduit. Les causes d'oscillations instables du système en zone elliptique sont examinées. Des méthodes de relaxation et la construction d'un modèle de perméabilités relatives vérifiant la condition de Différentielle Totale sont envisagées. / Numerical simulation has become a crucial tool in addressing water-resource management and other environmental problems such as polluted sites monitoring. The aim of this work is to model the flow of a dense non aqueous phase liquid (DNAPL) in the subsurface by developing a numerical code to simulate three-phase (DNAPL, water, and gas), incompressible flow in porous media. The mathematical model for multiphase flow in porous media is generally composed of a system of one pressure and two saturation equations. Our approach is based on a global pressure model : it leads to a partial decoupling of the pressure and the saturation equation and is more efficient from the computational point of view. The new model is discretized by a Mixed Hybrid Finite Elements Method (MHFEM), Discontinuous Galerkin Finite Elements (DGFEM), IMPES resolution method. In this work, the DGFEM scheme is combined with a generalised Godunov scheme to solve the convective part of the saturation equation. An immiscible two-phase flow with predominant gravity effects and whithout capillary effects has been modelled. It has been shown that the saturation profile of a displacing non-aqueous phase liquid (NAPL) in an initially water-saturated porous medium depends strongly on the ratio between the total specific discharge and the density difference between the NAPL and water. The 2D-code enabled a simulation of a large-scale gravity drainage. Finally, a non-linear three-phase 1D flow formulation using Method of Lines (MOL) has been introduced. Unstable oscillatory behavior of the system when the initial state are in the elliptic region of the ternary diagram is examined. Non-equilibrium formulation and construction of relative permeability model satisfying the Total-Differential are foreseen.

Les modèles numériques présents dans les salles de chirurgie requièrent simultanément une précision millimétrique, une vitesse de résolution importante, tout en prenant en compte la variabilité inter-patient. Dans l’étude proposée, nous développons un modèle numérique du foie, intégrant des lois de comportement hyper-élastiques ainsi que l’impact mécanique de la vascularisation. Une fois constitué, le modèle est traité par des outils mathématiques de réduction de modèles et d’apprentissage afin de fournir une réponse en temps réel. Pour cela, des données mécaniques sont extraites d’indentations numériques puis homogénéisées, pour construire un modèle numérique intégrant l’impact de la vascularisation. Une fois validé sur un échantillon réel les déformations simulées sont utilisées par une méthode d’apprentissage pour construire une réponse fonctionnelle. Une fois intégrée dans un outil chirurgical, ce dernier permet de fournir une réponse en temps réel des déformations du foie. / Numerical models used for surgical application require simultaneously a precision close to the millimeter, high speed resolution and to account for the patient variabilities. In the present study, we develop a numerical model of the liver, which relies on hyper-elastic mechanical behavior completed with the vascularization impact on the macroscopic level. Once completed and implemented, the model is treated with model reduction and learning tools in order to provide a real-time response. Mechanical properties are extracted from numerical indentations and homogeneised to build a model accounting for the impact of the vascularization. Once validated on a real sample, simulated deformations are used as input to a learning solution to build a functional solution. Finally, the function is integrated in a surgical tool, to provide a quick and precise representation of the liver deformations.

Les phénomènes d’interaction fluide-structure jouent un rôle important dans le calcul de tenue au séisme des assemblages combustibles. Afin de quantifier les marges de dimensionnement, le modèle de forces fluides utilisé doit être validé et affiné. Pour cela, des campagnes d’essais à l’échelle industrielle ont été réalisées en amont de la thèse. L’objectif ici est de contribuer à l’interprétation des essais industriels pour le cas stationnaire, et de valider les méthodes numériques permettant de simuler ce type d’écoulement. La problématique industrielle s'inscrit dans la tradition de l'étude des structures élancées sous écoulement axial. Le modèle de force fluide locale généralement utilisé, que nous appelons modèle de Taylor-Lighthill-Païdoussis (TLP), consiste en stationnaire à combiner un terme de force fluide potentielle, proportionnel à la courbure, et un terme de force fluide visqueuse, proportionnel à la pente. Des versions dynamiques de ce modèle ont été employées avec succès pour prédire le comportement vibratoire de cylindres flexibles en écoulement axial. Néanmoins, la littérature propose très peu de données de validation directe de cette représentation des forces fluides. Afin d’acquérir de telles données, pour le cas particulier d’un cylindre confiné dans un réseau de cylindres, un nouveau banc d’essai a été conçu et mis en place au laboratoire. Il s’agit d’un faisceau de 3x3 cylindres disposé dans une veine de soufflerie. Le cylindre central possède trois degrés de liberté : rotation, translation, flexion. Les efforts fluides résultants sont mesurés à l’aide d’une balance. Un modèle numérique similaire à la maquette est aussi réalisé et donne accès aux forces fluides locales. Les forces globales obtenues numériquement et expérimentalement sont comparables. Les forces locales obtenues dans les simulations numériques s’expliquent bien à l’aide du modèle TLP, en ignorant les effets de bord à l’entrée et à la sortie du faisceau. La transposition au cas industriel, de géométrie plus complexe, est réalisable par recalage des coefficients du modèle. / Fluid-structure interaction phenomena play a major role in the seismic design of fuel assemblies. In order to evaluate the design margins, the implemented model of fluid forces needs to be carefully assessed. Industrial-scale tests have been carried out with that purpose. Our goal is to contribute to their interpretation in the steady case, and to validate CFD methods usually applied to the type of flow at stake here. This fits in the tradition of the study of slender structures in axial flow. The local steady fluid forces decompose in a potential term, which is proportional to the curvature of the structure, and a viscous term, proportional to the angle of incidence. Adapted versions of this representation, which we call Taylor-Lighthill-Païdoussis (TLP) model, have proved successful in predicting the dynamic behaviour of flexible cylinders in axial flow. However, there is a lack in the literature of sound validation data for the fluid forces themselves. In order to gather such data, a new test rig has been designed and built. It consists in a 3x3 cylinder bundle confined in a wind tunnel. The central cylinder can be rotated, translated or bent. Resultant fluid forces are measured using a load cell. CFD calculations give access to the local fluid forces. CFD and experiments give similar results on the global fluid forces. The TLP model performs well at predicting the local fluid forces, except in the inlet and outlet regions. It can be fitted to the industrial case by adapting its coefficients.

Cette thèse traite des instabilités hydrodynamiques survenant dans les ligaments liquides en présence d’écoulement axial, afin de comprendre la formation des gouttes lors des processus d’atomisation. Il a été montré par des études précédentes que tout processus d’atomisation passe par l’étape de la formation des ligaments, qui se déstabilisent en gouttelettes. Le processus de fragmentation des ligaments est régi par deux instabilités : l’instabilité de Rayleigh-Plateau lorsque le ligament est infini, le phénomène du « end pinching », lorsque le ligament est semi-infini. Dans les deux cas le mécanisme responsable du pincement du ligament est la capillarité. Dans cette thèse, nous avons montré que, sous certaines conditions, le pincement du ligament peut être retardé ou évité : c’est le phénomène d’évitement de l’étranglement. Une exploration détaillée de la zone de constriction du ligament (là où le rayon est minimal), révèle des effets non linéaires liés à la viscosité du fluide : la couche visqueuse se développe, s’enroule puis décolle de l’interface sous forme de jet, en aval du cou avec formation d’anneau tourbillonnaire. L’écoulement dans cette zone du ligament est soumis à une accélération axiale correspondant à une baisse de la pression : c’est l’effet Venturi. Ce type d’écoulement a été étudié à travers l’instabilité du pont capillaire entre deux tubes, soumis à un écoulement axial. Tout au long de ces travaux, deux approches ont été utilisées : les simulations numériques et des observations expérimentales. L’essentiel des résultats présentés a fait l’objet de publication ou d’une soumission d’article. / This thesis deals with the hydrodynamic instabilities which occur in a liquid ligament in presence of axial flow. We investigate the formation of drops during the atomization process. Previous studies highlighted a common step to all types of atomization processes: the initial formation of the ligament which later evolves into droplets. The ligaments fragmentation process is governed by two possible instabilities: the “Rayleigh-Plateau” instability which is characteristic of an infinite ligament and the “end-pinching” phenomenon, which occurs in semi-infinite ligaments. In both cases, capillarity is the driving mechanism underlying the ligament segmentation. In this thesis we show that, under certain conditions, the liquid ligament can surprisingly escape from pinch-off through creation of a vortex ring (“escape phenomenon”). A detailed analysis of the constriction zone (neck of the ligament) during the “escape phenomenon” suggested that nonlinear effects associated to fluid viscosity might play an important role in the escape process. Both our experimental observations and numerical results confirmed the occurrence of the detachment of the viscous layer into a jet downstream of the neck through creation of a vortex ring, when fluid viscosity exceeds a threshold. Accordingly, the fluid in the constriction zone undergoes an axial acceleration associated to a decrease in the pressure: this is the so-called “Venturi effect”. This type of flow is characteristic of the instability which emerges at the capillary bridge between two tubes subjected to axial flow. Part of the results obtained were the subject of a publication or article submission.

Προσομοίωση της υδάτινης κυκλοφορίας και της θερμοαλατικής συμπεριφοράς της λιμνοθάλασσας Κοτυχιού που βρίσκεται στη δυτική Πελοπόννησο. Το Κοτύχι είναι μια πολύ ρηχή λιμνοθάλασσα (μέσο βάθος 40 εκ) που χρησιμοποιείται σαν ένα φυσικό ιχθυοτροφείο εδώ και αιώνες. Είναι ένας βιότοπος πολύ μεγάλης οικολογικής και οικονομικής αξίας και προστατεύεται από τη διεθνή συνθήκη Ramsar. Δυστυχώς, η λ/θ Κοτυχιού έχει υποβαθμιστεί σημαντικά κατά την διάρκεια των 50 τελευταίων χρόνων εξαιτίας έντονων αγροτικών δραστηριοτήτων στις πλησίον περιοχές, ενώ η κατασκευή του φράγματος του Πηνιού στα τέλη του 60’ προκάλεσε σημαντικές προσχωματικές καταστροφές. Η μοντελοποίηση των φυσικών και οικολογικών διεργασιών στο Κοτύχι θα μπορούσε να αποτελέσει ένα πολή σημαντικό διαχειριστικό εργαλείο στα χέρια των ερευνητών που επιθυμούν να προτείνουν λύσεις σε οικολογικά προβλήματα παρόμοιας φύσης. Πρωταρχικός σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι να στήσει ένα αξιόπιστο υδροδυναμικό μοντέλο μέσα από την επιτυχημένη βαθμονόμηση και επιβεβαίωσή του. Αυτό το μοντέλο θα αποτελέσει τη βάση για προσομοιώσεις της διάχυσης της αλατότητας και της θερμοκρασίας, οι οποίες ομοίως θα λάβουν χώρα. Η βαθμονόμηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια των μετρήσεων τριών μόνιμων σταθμών παρατήρησης (της ΤΕΔΚ Αχαΐας), οι οποίες φιλτραρίστηκαν κατάλληλα. Οι δύο σταθμοί βρίσκονταν στο εσωτερικό της λ/θ και ο τρίτος στο εσοδευτικό στόμιό της. Μετά από την επιτυχή βαθμονόμηση, τα αποτελέσματα του μοντέλου βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία με τις χωρικές κατανομές που κατασκευάστηκαν με δειγματοληψία πεδίου προηγούμενων ημερών. Έπειτα, μετεωρολογικά και υδροδυναμικά δεδομένα ποικίλων θερινών και χειμερινών περιόδων χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη των υδροδυναμικών και θερμοαλατικών συνθηκών στη λιμνοθάλασσα. Μια εκτεταμένη μελέτη του θερμικού ισοζυγίου μεταξύ νερού και ατμόσφαιρας επίσης έλαβε χώρα με αποτελέσματα που συμφωνούν με τις υπαίθριες μετρήσεις. / Two dimensional modeling methods are applied to simulate the water transport, temperature and salinity in Kotychi Lagoon, Western Peloponnese, Greece. Kotychi is a very shallow lagoon (average depth 40 cm) that is used as a natural fish farm since centuries. It is a biotope of great ecological and financial importance and is protected by the Ramsar International Convention. Unfortunately, it has been severely degraded and transformed during the past 50 years due to agricultural activities in the surrounding areas and watercourse alteration after the construction of Pinios river dam in the late 60’s. Modeling of physical and ecological processes in Kotychi lagoon could be a great managerial tool for researchers who wish to propose solutions at such ecological problems. The main purpose of the present study is to set up a reliable hydrodynamic model, by successfully calibrating and validating it. This model will be the base for simulations of the temperature and salinity dispersions which will also be carried out.The calibration of the model has been performed against the filtered measurements of three tide gauges, two of them located inside the Lagoon and one at its mouth. After calibration, model output shows a very good agreement with a set of data referring to a period of average winds and with spatial distributions created by field measurements at particular days. Meteorological and hydrological data are then used to set up a week long simulations that model the temperature and salinity of various winter and summer periods. An extended study of the water-air heat exchange of the lagoon has also been carried out with success.

Στον Πατραϊκό κόλπο έχουν γίνει πλήθος ερευνητικών εργασιών με διαφορετικά αντικείμενα. Στη Φυσική Ωκεανογραφία φαίνεται να εμφανίζεται ένα ερευνητικό κενό, που αφορά την προσομοίωση της κυκλοφορίας του νερού στην περιοχή. Το κενό αυτό προσπαθεί να καλύψει η εργασία αυτή, με απώτερο σκοπό την κατανόηση του υδροδυναμικού καθεστώτος της περιοχής μελέτης. Στην εργασία χρησιμοποιούνται όλες οι υφιστάμενες βιβλιογραφικές πηγές και μετρήσεις. Επίσης χρησιμοποιείται το μαθηματικό μοντέλο ΜΙΚΕ21 για την δυσδιάστατη προσομοίωση της κυκλοφορίας του νερού αφού πρώτα προηγήθηκε η βαθμονόμηση του. Το αποτέλεσμα της εργασίας αυτής οδηγεί στην κατανόηση της δυσδιάστατης υδροδυναμικής κυκλοφορίας του νερού, κυρίως στον Πατραϊκό κόλπο αλλά και στο Στενό Ρίου – Αντιρρίου και σε ένα μικρό τμήμα του Κορινθιακού κόλπου. / In the Patras gulf they have become many of inquiring work with different objects. In the Natural Oceanography it appears that is presented an inquiring void that concerns the simulation of circulation of water in the region. This project tries to cover this void, with final aim the comprehension of hydrodynamic arrangement of region of study. In the work are used all the existing bibliographic sources and measurements. Also is used mathematic model MIKE21 for the 2-dimensions simulation of water circulation. The result of this work leads to the comprehension of 2-dimensions hydrodynamic circulation of water, mainly to the Patras gulf but also to the channel Rio-Antirio and to a small part of Corinthian gulf.

Le potentiel de production d'hydroélectricité à l'aide de micro centrales hydroélectriques est sous-exploité en Europe. L'exploitation de petites chutes d'eau, à l'aide des vis d'Archimède, est un moyen de production d'énergie renouvelable récent et en voie de développement. Cette thèse étudie les performances hydrauliques de ce type de turbine. Une première partie du travail a porté sur la mise en place d'un dispositif expérimental, à échelle réduite, permettant de tester pour des conditions hydrauliques et des paramètres géométriques variés les performances hydrauliques d'une vis d'Archimède. Un modèle théorique semi-analytique permettant de déterminer les performances de la vis a été développé puis validé à l'aide des résultats expérimentaux. Les écoulements complexes au sein de cette turbine sont étudiés par le biais d'une modélisation numérique 3D instationnaire, validée expérimentalement. La compréhension de la structure de l'écoulement a alors permis de développer un nouveau modèle théorique permettant de déterminer avec plus de précision le débit de fuite qui est à l'origine d'une perte significative de rendement. Ces résultats permettent d'envisager l'implémentation d'un modèle de dimensionnement industriel. / The potential for hydropower generation using micro-hydro plants is still under exploited in Europe. The Archimede Screw Generators are a growing technology convenient for low-head hydraulic sites. This thesis studies the hydraulic performance of this turbine. The first part of thiswork presents an experimental device using a laboratory screw scale. This device allows to test screw performance for various hydraulic conditions and geometrical parameters. A theoretical model predicting the screw performance has then been developed and validated with experimental results.The complex flows occurring within the screw are studied thanks to 3D and unsteady numerical simulations. The numerical results are validated experimentally. The insights provided on the flow structure permit to develop a new leakage model. These leakages are a major source of efficiency loss. Eventually, all these results will allow the implementation of an industrial dimensioning model.

Ce travail est une investigation expérimentale de l’hydrodynamique, du transfert massique et du mélange induit par un panache de bulles dans des milieux de différentes viscosités. Dans l’industrie on est souvent confronté à des problèmes de transfert et de mélange d’une phase liquide et d’une phase gazeuse afin de provoquer des réactions chimiques ou biochimiques. La plupart du temps on utilise des colonnes à bulles, simple à mettre en œuvre, pour ce type de procédé. Mais il existe d’autres situations adaptées aux très grands volumes comme par exemple les bassins d’aération de traitement des eaux ou les méthaniseurs. Dans ce cas de figure, la répartition des injecteurs de gaz doit être adaptée aux dimensions du bassin et contribuer au mélange du liquide. Ceci est autant plus vrai pour le bioréacteur de méthanisation où l’état du liquide change en continu pendant la fermentation. Cependant, il y a un manque d'informations concernant l'hydrodynamique induit par l'injection de gaz en milieu visqueux. Afin de mieux comprendre l'écoulement, le transfert massique et finalement le mélange dans ces situations, il a été décidé d’étudier le cas d'un panache de bulles, généré par un seul injecteur dans des liquides de différentes viscosités. Pour cela des expériences ont été effectuées dans deux types de colonne à bulles avec injection centrale. Un grand nombre de méthodes métrologiques tel que la PIV, l’ombroscopie, différents capteurs etc. ont été utilisés. Une attention particulière a été donnée aux fluctuations à différentes échelles induit par le mouvement oscillatoire du panache de bulles. / This work is an experimental investigation on hydrodynamics, mass transfer and mixing induced by a bubble plume. In chemical engineering, people are often confronted to mixing problems of liquid and gas to create chemical or biochemical reactions. Most of the time, bubble column of big height compared to its diameter are used for such kind or processes.But there are also situations using large scale reactors like tanks for methanization or wastewater treatment. In such configurations, spargers must be adapted to reactor dimensions and fluid properties. This particularly important for methanization reactors since fluid properties are changing continuously during the fermentation. In order to understand hydrodynamics, mass transfer and mixing it is easier to study one single bubble swarm, or so called bubble plume, first.Different experiments were figured out in two different columns types. First one is a pseudo two dimensional column (6cm * 35 cm * 130cm ) allowing the application of optical metrological methods. Hence, the gas phase was studied via shadowgraphy and the liquid phase via PIV. Plus, light intensity measurements after dye injection were done. Besides, pressure sensors and oxygen probes were used.In this way, one could study the oscillating behavior, the corresponding characteristic frequency, mass transfer and mixing time scales. In order to analyze fluid properties, a copolymer called Breox was used. Plus, two different spargers generating different bubble shapes and sizes were applied to estimate their impact. Additional experiments in a cylindrical bubble column were performed at the HDZR in Germany. The same fluids and the same spargers were used to compare results from both geometries. Due to the difficulty to apply optical methods, a Wire-Mesh system recently developed at the HZDR was used to follow the bubble plume movement. Finally, first CFD simulations showing encouraging results are presented at the end of the manuscript.